土壤胶体化学和表面化学课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第八章 土壤胶体表面化学,第一节 土壤胶体 的表面类型与构造,第八章 土壤胶体表面化学第一节 土壤胶体 的表面类型,1,一、硅氧烷型表面,一、硅氧烷型表面,2,二、水合氧化物型表面,三、有机物表面,二、水合氧化物型表面,3,土壤胶体化学和表面化学课件,4,第二节土壤胶体表面性质,（一）土壤胶体的表面积,表,8,2,土壤中常见粘土矿物的比表面积（,m,2,g,-1,）,胶体成分,内表面积,外表面积,总表面积,蒙脱石,蛭 石,水云母,高岭石,埃洛石,水化埃洛石,水铝英石,700-750,400-750,0-5,0,0,400,130-400,15-150,1-50,90-150,5-40,10-45,25-30,130-400,700-850,400-800,90-150,5-40,10-45,430,260-800,一、,土壤胶体的比表面,第二节土壤胶体表面性质（一）土壤胶体的表面积表82 土,5,我国几种主要土壤的比表面积：,(,二,),比表面积的测定方法,1,、仪器法,2,、吸附法 氮气、甘油、乙二醇醚等,总之：,2,：,1,型黏土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。,我国几种主要土壤的比表面积：(二)比表面积的测定方法总之：2,6,二、土壤胶体表面电荷,（一）土壤胶体电荷的种类,1,、永久电荷,(permanent charge),永久电荷,起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。,2,、可变电荷,(variable charge),随,pH,的变化而变化的土壤电荷，这种电荷 称为,可变电荷,。,二、土壤胶体表面电荷（一）土壤胶体电荷的种类 1、永久电荷,7,可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团 的解离：,A.,含水氧化硅的解离,B.,粘粒矿物的晶面上的,OH,-,和,H,+,的解离,C.,腐殖质上某些官能团的解离,D.,含水氧化和水铝石表面的分子中,OH,-,的解离；,pHM,2+,M,+,Al,3,Mn,2,Ca,2,K,+,Rb,+,NH,4,+,K,+,Na,+,Li,+,1,、阳离子静电吸附,二、阳离子静电吸附 由库仑定律可知:M3+M2+M+A,17,表,8,4,离子半径与吸附力,一价离子,Li,+,Na,+,K,+,NH,+,4,Rb,+,离子的真实半径,(nm),0.078,0.098,0.133,0.143,0.149,离子的水合半径,(nm),1.008,0.790,0.537,0.532,0.509,弱,强,离子在胶体上的吸附力,表84 离子半径与吸附力一价离子Li+Na+K+NH+4,18,三、阳离子交换作用,在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子叫做,交换性阳离子,，,而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为,阳离子交换作用,。,三、阳离子交换作用 在土壤中，被胶体静电吸附,19,（,1,）阳离子交换作用是,可逆反应,。,（,2,）阳离子交换遵循等价交换的原则。,（,3,）阳离子交换符合,质量作用定律,。,阳离子交换作用的特征,:,（1）阳离子交换作用是可逆反应。（2）阳离子交换遵循等价交换,20,阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。它直接反应土壤可以提供速效养分的数量，也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。,CEC 20,保肥能力,低,中,高,四、土壤阳离子交换量,(cation exchange capacity)-CEC,是指土壤溶液为中性,（,pH=7,）,时，每千克土壤吸附的一价离子的厘摩尔数称为土壤的,阳离子交换量,。,（,CEC,：,cmol(+)kg-1,）,阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。它直接,21,表,8-35,不同类型土壤胶体的阳离子交换量,土壤胶体,CECcmol(+).kg,-1,腐殖质,蛭 石,蒙脱石,伊利石,高岭石,倍半氧化物,200,100-150,70-95,10-40,3-15,2-4,表8-35 不同类型土壤胶体的阳离子交换量,22,*,影响土壤阳离子交换量的因素有：,（,1,）,质地,质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大。,（,2,）,有机质,OM%,CEC,（,3,）,胶体的性质及构造,蒙脱石 高岭石,（,4,）,pH,值,在一般情况下，随着,pH,的升高，土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。,质地,砂土,砂壤土,壤土,粘土,CEC,15,78,1518,2530,*影响土壤阳离子交换量的因素有：（2）有机质 OM%,23,五盐基饱和度,（,1,）盐基离子与致酸离子,在土壤里，被胶体吸附着的阳离子，可以分为两类：,第一类,是氢离子和铝离子，它们是,致酸离子,，与土壤的酸度有密切关系。,第二类,是其他的一些金属离子，如,Ca,2+,、,Mg,2+,、,K,+,、,NH,4,+,等，在普通化学上，它们都称为,盐基离子,。,五盐基饱和度,24,（,2,）,盐基饱和度,(base saturation percentage)BSP,在土壤胶体所吸附的阳离子中，交换性盐基离子的数量占阳离子交换量的百分数，叫,盐基饱和度,。,盐基饱和的土壤具有,中性或碱性反应,；,而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为,酸性土壤,；,100%,（2）盐基饱和度(base saturation perce,25,六交换性阳离子的有效度,影响交换离子有效度的因素主要有：,（一）离子饱和度,离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度 就越大,（二）互补离子效应,（三）黏土矿物类型,（四）阳离子的固定,六交换性阳离子的有效度,26,表,8-5,互补离子与交换性钙的有效性,土壤,交换性阳离子组成,小麦幼苗干重,(g),小麦幼苗吸钙量,(mg),A,B,C,40%Ca+60%H,40%Ca+60%Mg,40%Ca+60%Na,2.80,2.79,2.34,11.15,7.83,4.36,在土壤胶体上各种交换性盐基离子之间的相互影响的作用,互补离子效应（陪伴离子效应）,表8-5 互补离子与交换性钙的有效性 土,27,七、阳离子的专性吸附,（一）阳离子专性吸附的机理,2,：,1,型层状硅酸盐矿物（蒙脱石、蛭石等）单元晶层上下两面都是硅氧四面体片，硅氧四面体片有六个四面体组成的六角形孔穴，这些孔穴的半径约,0.14,纳米，,K,+,、,NH,4,+,的半径为,0.133,纳米和,0.143,纳米，与孔穴大小相近，层间吸附的这些离子在土壤干燥脱水收缩时，很易被挤压陷入孔穴，与氧直接结合，不易再交换出来，降低了对植物的有效性，这种现象又称,晶穴固定,。,另一种情况，有些阳离子，如,Pb,2+,、,Cu,2+,、,Zn,2+,、,Hg,2+,等对氧化铁、铝胶体表面的氧原子有很强极化力，它们能穿过扩散层进入内层，取代氧化铁、铝胶粒表面,OH,基中的,H,+,，与氧直接结合，成为氧化铁、铝本身化学组成的一部分。这种结合态的阳离子也不易被其他离子交换出来，成为非交换性阳离子，降低了有效性。,七、阳离子的专性吸附（一）阳离子专性吸附的机理 2,28,上述阳离子被层状硅酸盐矿物的晶穴固定作用，阳离子与氧化铁、铝胶体表面氧的结合作用，统称为,阳离子的专性吸附,。,而土壤胶体专性吸附的金属离子均为非交换态，不能参与一般的阳离子交换反应,只能被亲和力更强的金属离子置换或部分置换，或在酸性条件下解吸。,（二）影响阳离子专性吸附的主要因素,1,、,pH,值,2,、土壤胶体类型,氧化锰,有机质,氧化铁,埃洛石,伊利石,蒙脱石,高岭石,上述阳离子被层状硅酸盐矿物的晶穴固定作用，阳离子与氧,29,（三）,阳离子专性吸附的意义,:,由于专性吸附对微量金属离子具有富集作用的特性，因此，正日益成为地球化学领域或地球化学探矿等学科的重要内容。,土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧化物及其水合物，对多种微量重金属离子起富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更为明显。,（三）阳离子专性吸附的意义:由于专性吸附对微,30,专性吸附在调控金属元素的生物有效性和生物毒性方面起着重要的作用。有试验表明，在被铅污染的土壤中加入氧化锰，可以抑制植物对铅的吸收,。,土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重金属污染起到一定的净化作用，并对这些金属离子从土壤溶液向植物体内迁移和累积起一定的缓冲和调节作用。另一方面，专性吸附作用也给土壤带来了潜在的污染危险。,专性吸附在调控金属元素的生物有效性和生物毒性,31,第四节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换,（一）,阴离子的静电吸附,土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类：,1,易被吸附的阴离子 最重要的是：,H,2,PO,4,-,HPO,4,2-,PO,4,3-,HSiO,3,-,SiO,3,2-,2,吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子,Cl,-,NO,3,-,NO,2,-,ClO,4,-,3,中间类型的离子：,SO,4,2-,CO,3,2-,各种阴离子被土壤吸附的次序如下：,F,-,草酸根,柠檬酸根,H,2,PO,4,-,HCO,3,-,HBO,3,-,SO,4,2-,Cl,-,NO,3,-,第四节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换（一）阴离子的静电吸,32,（二）,阴离子的负吸附,所谓,阴离子的负吸附,，,是指距带负电荷的胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。,负吸附现象也受土壤特性影响，其它条件相同，则负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子代换量的增加而增加。但随陪伴阳离子价数的增加而减少，不同的粘粒矿物对负吸附的影响也不同，它们递减的次序为：,蒙脱石 伊利石 高岭石,这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同的缘故。,带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作用愈强，负吸附作用愈明显。,（二）阴离子的负吸附带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作,33,三、阴离子专性吸附,阴离子专性吸附,是指阴离子进入黏土矿物或氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价键或配位键结合在固体的表面。这种吸附发生在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。,产生专性吸附的阴离子有,F,-,离子以及磷酸根、硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。,三、阴离子专性吸附 阴离子专性吸附是指阴离子进入黏土矿物或,34,如：磷酸根在氧化铁表面的专性吸附,阴离子的专性吸附主要发生在铁、铝氧化物的表面，而这些氧化物多分布于可变电荷的土壤中，因此，具有可变电荷的土壤中阴离子的专性吸附现象相当普遍。,如：磷酸根在氧化铁表面的专性吸附 阴离子的专性吸附主,35,土壤胶体化学和表面化学课件,36,The End,The End,37,