胶体与吸收性能正规版资料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,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,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,*,胶体(jio t)与吸收性能,第一页，共42页。,第一节 土壤胶体的种类和构造,一、土壤胶体的概念,土壤胶体是土壤中最细微的颗粒，胶体颗粒的直径一般在1100nm（长、宽、高三个方向上，至少有一个方向在此范围内），但实际上土壤中小于1000nm的粘粒都具有(jyu)胶体的性质。所以，土壤胶体的大小范围与通常所指的胶体有所不同，直径在11000nm之间的土粒都可归属于土壤胶粒的范围。,第二页，共42页。,二、土壤胶体的种类,土壤胶体按其成分和来源可分为无机胶体（也称矿质胶体）、有机胶体和有机无机复合胶体三类。,1.无机胶体,无机胶体又称矿质胶体，主要(zhyo)为极细微的土壤颗粒，它是岩石风化和成土过程的产物，几乎都属于在化学风化过程中产生的次生矿物，主要(zhyo)包括成分较为简单的含水氧化铁、氧化铝、氧化硅等胶体物质和成分较为复杂的次生层状铝硅酸盐类粘土矿物。在数量上，无机胶体比有机胶体高几倍到几十倍。,第三页，共42页。,（1）含水氧化硅胶体,多为游离态的无定形氧化硅的水合物SiO2nH2O（实际上可写成偏硅酸H2SiO3）分子。,土壤中氧化硅的含量很多，包括结晶质和非结晶质两种形态，主要(zhyo)以结晶质的石英形式存在于砂粒和粉粒中，非结晶质的无定形氧化硅才具有胶体性质。无定形氧化硅无论呈溶胶还是凝胶形态，都是一种活性很高的吸附剂。,第四页，共42页。,（2）含水氧化铁、氧化铝胶体,多为结晶(jijng)态矿物，属两性胶体，多写成Fe2O3nH2O、Al2O3nH2O，也可用Fe(OH)3、Al(OH)3的形式来表示，它是硅酸盐矿物彻底风化的产物，在风化程度高的土壤上这类矿物较多。,第五页，共42页。,（3）层状硅酸盐矿物,是无机胶体的主体(zht)，大都呈结晶态的次生粘土矿物。从外部形态上看是极细微的结晶颗粒，从内部构造上看，都是由两种基本结构单位硅氧四面体和铝氧八面体所构成，并且都含有结晶水只是化学成分和水化程度不同而已。,2.有机胶体,土壤中的有机物质，尤其是腐殖质，具有明显的胶体性质，故称之为土壤有机胶体。土壤腐殖质是土壤有机胶体的主体(zht)，此外，还有少量的蛋白质、多肽、氨基酸以及木质素、纤维素等高分子化合物，它们也具有胶体的性质。值得注意的是，土壤中还有大量的微生物，它们本身也具有胶体性质，是一种生物胶体。土壤中大量的微生物对增加土壤的表面积和吸附性，促进土壤结构的形成有很大的作用。,第六页，共42页。,3.有机一无机复合胶体,土壤中有机胶体很少单独存在，绝大部分的有机胶体和无机胶体通过物理、化学或物理化学的作用，相互结合在一起形成有机一无机复合体。,有机胶体与无机胶体的结合方式有多种，但大多数是通过土壤无机Ca2、Mg2、Fe3、Al3或功能团（如羧基、醇基等）将带负电荷的粘粒矿物(kungw)与腐殖质连接起来。有机胶体主要以薄膜状紧密覆盖于粘粒矿物(kungw)的表面上，还可能进入粘粒矿物(kungw)的晶层之间。,第七页，共42页。,三、土壤胶体微粒的构造,土壤胶体分散系包括胶体微粒（分散相）和微粒间溶液(rngy)（分散介质）两部分。根据双电层理论，胶体微粒在构造上可分为微粒核、决定电位离子层和补偿离子层（双电层）3部分。,第八页，共42页。,1.微粒(wil)核（胶核）,胶核是胶体微粒(wil)的核心物质，主要由腐殖质、无定形的SiO2、Al2O3、Fe2O3、铝硅酸盐矿物、蛋白质分子以及有机无机复合胶体的分子群组成。,在表层土壤中，它们以有机无机复合胶体的形式为主，而在下层土壤中则以无机矿物质为主。,第九页，共42页。,2.双电层,胶核表面的一层分子通常解离成离子，形成符号(fho)相反而电量相等的两层电荷，同时，由于静电引力的作用，胶核可以吸附周围溶液中反号电荷离子而形成两层离子层，这样就构成了双电层。,胶核表面的电荷数量和密度对外层反号离子的多少及两层电荷间电位具有决定作用，故称之为决定电位离子层。,外层电荷（离子）对决定电位离子层起补偿作用，使整个胶体微粒达到电中性，故称之为补偿离子层，而这些来源于溶液中的反号离子就称为补偿离子。,第十页，共42页。,（1）决定电位离子层,是固定在微粒核表面决定其电荷和电位的一层离子。电荷的正负决定胶核表面吸附的离子种类（阳离子、阴离子），电位的高低决定吸附离子的多少。一般而言，土壤中铝硅酸盐和有机胶体带负电，氧化铁胶体多带正电，氧化铝胶体则为两性胶体，所带电荷视环境(hunjng)pH而定。通常所说的胶体带电，就是指这层离子所带的电荷。,决定电位离子层电位的高低由胶体净电荷的多少决定，一般情况下，带负电的土壤胶体在数量上要多些，所以土壤的净电荷多为负电荷。,第十一页，共42页。,（2）补偿离子层,该层离子的电荷符号与决定电位离子层相反而电量相等。其形成是由于在溶液中胶核表面的电荷通过静电引力，将反号离子吸引在胶核的外围。,反号离子由于热运动，总有远离胶核表面的趋势，同时，反号离子被吸附力的大小与离子电荷的数量成正比，而与距离的平方成反比（库仑定律）。因此，胶核表面的反号离子多而活性低，离胶核表面越远，反号离子越少而活性增大。根据(gnj)补偿离子的活性又可把补偿离子层分为非活性补偿离子层和扩散层两层：,非活性补偿离子层：靠近胶核表面的决定电位离子层的补偿离子被吸附得很紧，活性很小，难以解离，不起交换作用，故称为非活性补偿离子。非活性补偿离子和胶核决定电位离子层是一个整体，故称为胶粒。当胶体和周围环境起代换作用时，大都发生在胶粒表面，而不在胶粒内部，故胶粒是起胶体作用的基本单位。,第十二页，共42页。,扩散层：分布在非活性层以外，距胶核表面较远，吸附的较松，有较大的活动性，可以和周围的离子交换，称为扩散层。扩散层中离子的分布不是均匀的，而是距离胶粒越远越接近溶液，离子数量越少，也就是这一层逐渐(zhjin)过渡到微粒表面溶液。,由于胶粒与扩散层离子有吸引力，因而扩散层离子与溶液中的自由离子不同，始终只能随胶粒移动，这就是交换性阳离子可以不随水移动，土壤可以保存它们的原因所在。,第十三页，共42页。,第二节 土壤胶体的特性,土壤胶体的性质很多，最能体现胶体性质并对土壤性质产生巨大影响的主要(zhyo)有以下几方面：,1.土壤胶体具有极大的的比表面和表面能,土壤胶体的表面按位置可分为：,外表面：粘土矿物、Fe、Al、Si等氧化物、腐殖质分子暴露在外的表面。,内表面：主要(zhyo)指的是层状硅酸盐矿物晶层之间的表面以及腐殖质分子聚集体内部的表面。,第十四页，共42页。,比表面（简称比面）是指单位(dnwi)质量或单位(dnwi)体积物体的总表面积（cm2/g,cm2/cm3）。,很显然颗粒越小，比表面越大，砂粒与粗粉粒的比表面相对于粘粒来讲很小，可以忽略不计，所以土壤的比表面实际上主要取决于粘粒。另外土粒的表面凸凹不平，并非光滑的球体，它的比表面比光滑的球体要大，而且粉粒和粘粒大多呈片状,比表面更大。,另外有些无机胶体（比如蒙脱石类粘土矿物）除了有巨大的外表面，而且表面可向晶层之间扩展，还有巨大的内表面。,有机胶体除了有巨大的外表面，同样也有巨大的内表面。所以有机胶体同样有巨大的比表面。比如腐殖质分子比表面可高达1000/g。,第十五页，共42页。,由于土壤胶体有巨大的比表面，所以会产生巨大的表面能。,我们知道物体内部(nib)的分子周围是与它相同的分子，所以在各个方向上受的分子引力相等而相互抵消。而表面分子则不同，它与外界的气体或液体接触，在内外两面受到的是不同的分子引力，不能相互抵消，所以具有剩余的分子引力，由此而产生表面能，这种表面能可以做功，吸附外界分子，胶体数量越多，比表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈强。,第十六页，共42页。,二、土壤胶体的带电性,土壤胶体的种类不同，产生电荷的机制也不同，根据土壤胶体电荷产生的机制，一般可分为永久电荷和可变电荷。,（一）永久电荷：在粘粒矿物形成时，晶格(jn)内发生同晶置换所产生的电荷，一旦产生既为该矿物永久固有，且不受介质pH改变或离子交换反应的影响，只有该矿物遭受化学风化转变为另一矿物时才会发生变化。,我们前面介绍过，粘土矿物的结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体，硅氧四面体的中心离子Si4+和铝氧八面体的中心离子Al3+能被其它离子所代替，从而使粘土矿物带上电荷。如果中心离子被低价阳离子所代替，粘土矿物带负电荷；如果中心离子被高价阳离子所代替，粘土矿物带正电荷。多数情况下是粘土矿物的中心离子被低价阳离子所取代：比如Al3+Si4+，Mg2+Al3+，所以粘土矿物以带负电荷为主，,第十七页，共42页。,（二）可变电荷：由胶体表面分子或原子团解离所产生的电荷，这些电荷形成后不是永久不变的，它的数量和性质会随着介质pH的改变而改变。,可变电荷的产生机制(jzh)主要包括：,1、含水氧化硅胶体的解离,H2SiO3-H+HSiO3-H+SiO32-,其等电点为pH2。pH，SiO2H2O的解离越大，所带负电荷越多。,2、含水氧化Fe、Al胶体的解离,属于两性胶体，其带电情况随环境条件的酸碱变化而改变，在酸性条件下（一般指pH Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+。,第二十七页，共42页。,(2)离子半径和水合半径：对于同价的离子，离子半径越大，水合半径越小，交换能力(nngl)越强：,(3)离子浓度：因为离子交换受质量作用定律支配，所以对交换能力(nngl)弱的阳离子，增加它的浓度，也可以交换那些交换能力(nngl)强的阳离子。,(4)离子的运动速度,（四）阳离子交换量(CEC),1.概念：指pH为7时每kg干土所吸收的全部交换性阳离子的厘摩尔数，以cmol（+）/kg 表示。,第二十八页，共42页。,2.影响土壤阳离子交换量的因素：,(1)胶体的类型(lixng),(2)土壤质地,(3)土壤pH,土壤的阳离子交换量，直接反映了土壤的保肥性、供肥性能和缓冲能力。一般认为阳离子交换量:,在20 cmol（+）/kg以上为保肥力强的土壤；,2010 cmol（+）/kg为保肥力中等的土壤；,小于10 cmol（+）/kg为保肥力弱的土壤。,第二十九页，共42页。,（五）、土壤的盐基饱和度,土壤胶体上吸着的阳离子一般来讲可以分为两类:一类是H和Al3，解离以后都会使土壤变酸叫致酸离子；另一类是除H和Al3 以外的其它金属离子，如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等叫盐基离子。,当土壤胶体上所吸附的阳离子都属于盐基离子时，这一土壤胶体呈盐基饱和状态，否则不饱和状态。各种土壤盐基饱和的程度是不同的，通常(tngchng)用盐基饱和度来表示，即交换性盐基离子数量占阳离子交换量的百分数。,第三十页，共42页。,盐基饱和度的作用(zuyng)：,a.可以反映土壤的酸碱性：盐基饱和度的高低实际上也就反映出了致酸离子含量的高低，所以能反应出土壤的酸碱性：,北方土壤：盐基饱和度大，土壤pH较高,南方土壤：盐基饱和度低，土壤pH低,b.判断土壤肥力水平,盐基饱和度80%肥沃土壤，5080%中等肥力水平，50%肥力水平较低。,第三十一页，共42页。,（六）交换性阳离子的有效度及其影响因素,土壤胶体表面吸附的离子，可以通过离子交换进入土壤溶液供植物吸收利用，所以被土壤胶体吸附的阳离子，不会失去对植物的有效性，但是被土壤胶体吸附咐的阳离子的有效度，并非在任何条件下都完全相同，从土壤角度讲，影响交换性阳离子有效度的因