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1、1、本章的基本原理是理解土壤化學性質的基礎；2、土壤膠體的表面性質對土壤的理化性質有全面深刻的影響；學好本章可對各章融會貫通。3、土壤膠體化學是土壤化學的核心內容之一。教學目標教學目標第一節(jié)第一節(jié) 土壤膠體的表面類型與構造土壤膠體的表面類型與構造 膠體一般指半徑小于膠體一般指半徑小于1um的球形顆粒，的球形顆粒，液相中膠體顆粒的均勻分布稱為膠體分散。液相中膠體顆粒的均勻分布稱為膠體分散。 土壤膠體的大小、形狀、表面積、表面土壤膠體的大小、形狀、表面積、表面電荷密度以及表面電荷變化等是理解土壤中電荷密度以及表面電荷變化等是理解土壤中離子和分子的吸附與解吸、養(yǎng)分離子和污染離子和分子的吸附與解吸、養(yǎng)

2、分離子和污染物質活性與生物有效性。絮凝、分散、傳輸物質活性與生物有效性。絮凝、分散、傳輸過程及產生的土壤水力特征和化學遷移的基過程及產生的土壤水力特征和化學遷移的基礎。礎。土壤無機膠體（礦質膠體）土壤無機膠體（礦質膠體） 1、層狀硅酸鹽粘土礦物（、層狀硅酸鹽粘土礦物（2：1型和型和1：1型型等粘土礦物）等粘土礦物） 2、氧化物及其水合物、氧化物及其水合物土壤有機膠體土壤有機膠體 土壤有機無機復合體土壤有機無機復合體根據表面結構，分根據表面結構，分為為3種類型：種類型：一、硅氧烷型表面一、硅氧烷型表面二、水合氧化物型二、水合氧化物型表面表面三、有機物型表面三、有機物型表面一、硅氧烷型表面一、硅氧

3、烷型表面 硅氧烷（硅氧烷（Si-O-Si）硅氧烷型表面是非極性的疏水表面，不硅氧烷型表面是非極性的疏水表面，不易解離。其電荷來源除斷鍵外，主要靠易解離。其電荷來源除斷鍵外，主要靠Si4+部分地被部分地被Al3+同晶替代而產生的電荷。同晶替代而產生的電荷。不因不因pH、陽離子和電解質濃度變化而變、陽離子和電解質濃度變化而變化，顆粒邊面羥基的效應也很小。化，顆粒邊面羥基的效應也很小。二、水合氧化物型表面二、水合氧化物型表面 金屬陽離子和氫氧基組成的表面，M-OH一般有鋁醇（Al-OH）、鐵醇（Fe-OH）和硅烷醇（Si-OH）等。水合氧化物型表面是極性的親水表面，水合氧化物型表面是極性的親水表面，

4、水合水合 氧化物表面的質子的締合和解離氧化物表面的質子的締合和解離可以產生電荷，這種電荷的數量因土可以產生電荷，這種電荷的數量因土壤溶液的壤溶液的pH和電解質濃度的變化而變和電解質濃度的變化而變化?；Ｈ?、有機物型表面三、有機物型表面 有機物因有明顯的蜂窩狀特征而具有較大的表面。有機物表面有羧基（-COOH）、羥基（-OH）、醌基（=O）、醛基（-CHO）、甲氧基（-O-CH3）和氨基（-NH2）等活性基團。這些功能團可解離或締合H+而使表面帶電荷。三種類型的表面往往不是單獨存在，而三種類型的表面往往不是單獨存在，而是交錯混雜、相互影響地交織在一起。是交錯混雜、相互影響地交織在一起。第二節(jié)第二

5、節(jié) 土壤膠體表面性質土壤膠體表面性質一、土壤膠體的比表面一、土壤膠體的比表面(一一)土壤膠體的表面積土壤膠體的表面積按表面位置可分為： 內表面內表面膨脹性粘土礦物的層間表面和腐殖質分子內的表面，其表面反應為緩慢的滲入過程。 外表面外表面 粘粒的外表面和腐殖質、游離鐵鋁氧化物等包被的表面，表面反應迅速。表表8-2 8-2 土壤中常見粘土礦物的比表面積（土壤中常見粘土礦物的比表面積（m m2 2g g-1-1）膠體成分內表面積外表面積總表面積蒙脫石70075015150700850蛭 石400750150400800水云母059015090150高嶺石0540540埃洛石010451045水化埃洛

6、石4002530430水鋁英石130400130400260800比表面大的土壤膠體對離子和分子有更多的結合位點。比表面大的土壤膠體對離子和分子有更多的結合位點。2:1型粘土礦物和有機質的含量越高，土壤的比表面積越型粘土礦物和有機質的含量越高，土壤的比表面積越大。大。土壤膠體比表面（m2/g）主要黏土礦物表面特征磚紅壤6080高嶺石、鐵鋁氧化物以外表面為主紅壤100150高嶺石、1.4nm過渡礦物、水云母外表面大于內表面黃棕壤200300水云母、蛭石、高嶺石以內表面為主表表8-3 8-3 中南地區(qū)主要土壤膠體的比表面中南地區(qū)主要土壤膠體的比表面（二）比表面積的測定方法（二）比表面積的測定方法

7、吸附法：吸附法： 氮氣、水蒸氣、溴化十六烷基吡氮氣、水蒸氣、溴化十六烷基吡啶（啶（CPB）、甘油、乙二醇乙醚（）、甘油、乙二醇乙醚（EGME）等。）等。二、土壤膠體表面電荷二、土壤膠體表面電荷（一）土壤電荷的種類（一）土壤電荷的種類 1、永久電荷、永久電荷(permanent charge) 永久電荷起源于礦物晶格內部離子的同晶置換。 2、可變電荷、可變電荷(variable charge) 隨pH的變化而變化的土壤電荷，這種電荷 稱為可變電荷。 可變電荷的成因主要是膠核表面分子或原子團的解離：A. 含水氧化硅的解離B. 粘粒礦物的晶面上的OH和H的解離C. 腐殖質上某些官能團的解離D. 含水

8、氧化和水鋁石表面的分子中OH的解離； pHM2+M+ Al3Mn2Ca2K+ 表表8-4 8-4 離子半徑與吸附力離子半徑與吸附力 一價離子一價離子Li+Na+K+NH+4Rb+離子的真實半徑離子的真實半徑(nm)0.0780.0980.1330.1430.149離子的水合半徑離子的水合半徑(nm)1.0080.7900.5370.5320.509強強 弱弱離子在膠體上的吸附力離子在膠體上的吸附力Rb+NH4+K+Na+Li+ 三、陽離子交換三、陽離子交換 在土壤中，被膠體靜電吸附的陽離子，一般都可以被溶液中另一種陽離子交換而從膠體表面解吸。對這種能相互交換的陽離子叫做交換性陽離子交換性陽離子

9、，而把發(fā)生在土壤膠體表面的陽離子交換反應稱之為陽離子交換作陽離子交換作用用* * * *。 +1、陽離子交換作用是可逆反應可逆反應。2、陽離子交換交換遵循等價交換等價交換原則。 以等量電荷關系進行。如一個以等量電荷關系進行。如一個Ca2+可交換兩個可交換兩個Na+；一；一個二價的鈣離子可以交換兩個一價的氫離子。個二價的鈣離子可以交換兩個一價的氫離子。3、陽離子交換符合質量作用定律質量作用定律。陽離子交換作用的特點：陽離子交換作用的特點：2121反應物反應物產物產物K 陽離子交換量是評價土壤肥力的一個指標。它直接反應土壤可以提供速效養(yǎng)分的數量，也能表示土壤保肥能力、緩沖能力的大小。CEC 20

10、保肥能力低 中 高四、土壤陽離子交換量四、土壤陽離子交換量(cation exchange capacity)-CEC 是指土壤溶液為中性（pH=7pH=7）時，每千克土所含的全部交換性陽離子的厘摩爾數稱為土壤的陽離子交換量。（CECCEC：cmol(+)kgcmol(+)kg-1 -1 ）*影響土壤陽離子交換量的因素有：影響土壤陽離子交換量的因素有：（1）質地質地 質地越粘重，含粘粒越多的土壤，其陽離子交換量也越大。（2）有機質有機質 OM % CEC（3）膠體的性質及構造膠體的性質及構造蒙脫石 高嶺石（4）pH值值 在一般情況下，隨著pH的升高，土壤的可變電荷增加，土壤的陽離子交換量也增加

11、。質地砂土砂壤土壤土粘土CEC157815182530表表8-5 不同類型土壤膠體的陽離子交換量不同類型土壤膠體的陽離子交換量 土壤膠體 CECcmol(+).kg-1腐殖質蛭 石蒙脫石伊利石高嶺石倍半氧化物200100-15070-9510-403-152-41、鹽基離子與致酸離子、鹽基離子與致酸離子* 在土壤里，被膠體吸附著的陽離子，可以分為兩類： 第一類是氫離子和鋁離子，它們是致酸離子，與土壤的酸度有密切關系。 第二類是其他的一些金屬離子，如Ca2+、Mg2+、K+、NH4+等，在古典化學上，它們都稱為鹽基離子。五、鹽基飽和度五、鹽基飽和度2、鹽基飽和度、鹽基飽和度(base satur

12、ation percentage)BSP 在土壤膠體所吸附的陽離子中，鹽基離子的數量占所有吸附的陽離子的百分比，叫鹽基飽和度。鹽基飽和的土壤具有中性或堿性反應；而鹽基不飽和的土壤則具有酸性反應，為酸性土壤； 克土）量陽離子交換量（毫克當克土）當量交換性鹽基總量（毫克鹽基飽和度100/100/ 100%影響交換離子有效度的因素主要有：影響交換離子有效度的因素主要有：（一）離子飽和度（一）離子飽和度 離子的飽和度越大，被解吸的機會就越大，有離子的飽和度越大，被解吸的機會就越大，有效度就越大。效度就越大。 （二）互補離子效應（二）互補離子效應 互補離子：互補離子：土壤膠體同時吸附多種交換性陽離土壤膠

13、體同時吸附多種交換性陽離子，對某種離子來說，其他同時存在的離子都是該離子，對某種離子來說，其他同時存在的離子都是該離子的互補離子，也稱子的互補離子，也稱賠補離子賠補離子。六、交換性離子的有效度六、交換性離子的有效度表表8-5 互補離子與交換性鈣的有效性互補離子與交換性鈣的有效性土壤土壤交換性陽離子組交換性陽離子組成成小麥幼苗干重小麥幼苗干重(g)小麥幼苗吸鈣量小麥幼苗吸鈣量(mg)ABC40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na2.802.792.3411.157.834.36在土壤膠體上各種交換性鹽基離子之間的相互在土壤膠體上各種交換性鹽基離子之間的相互影響的作用影響的

14、作用互補離子效應（陪伴離子效應）互補離子效應（陪伴離子效應）（三）粘土礦物類型的影響（三）粘土礦物類型的影響 蒙脫石吸附的陽離子有效性低，而高嶺石吸附蒙脫石吸附的陽離子有效性低，而高嶺石吸附的陽離子有效性高。的陽離子有效性高。（四）陽離子的固定（四）陽離子的固定 2:1型黏土礦物（如水云母）晶層間，具有六角型黏土礦物（如水云母）晶層間，具有六角形網孔（晶孔），容易吸附與其孔徑大小相當的形網孔（晶孔），容易吸附與其孔徑大小相當的K+和和NH4+，這些離子一旦進入六角形孔穴，即可發(fā)生，這些離子一旦進入六角形孔穴，即可發(fā)生配位作用，很難出來，只有當晶層破裂時，被固定的配位作用，很難出來，只有當晶層破

15、裂時，被固定的K+、NH4+方可重新釋放出來。方可重新釋放出來。離子半徑大小與晶格孔穴大離子半徑大小與晶格孔穴大小的關系：離子大小與孔徑小的關系：離子大小與孔徑相近，離子易進入孔穴中，相近，離子易進入孔穴中，且穩(wěn)定性較大，從而降低了且穩(wěn)定性較大，從而降低了有效性。有效性。 如：孔穴半徑為如：孔穴半徑為1.4(0.1nm)，鉀離子的半徑，鉀離子的半徑為為1.33，銨離子的半徑為，銨離子的半徑為1.43，則有效性較低。，則有效性較低。 20 20世紀世紀3030年代研究發(fā)現(xiàn)某些重金屬離子如年代研究發(fā)現(xiàn)某些重金屬離子如CuCu2+2+、MnMn2+2+、ZnZn2+2+等離子吸附具有不可逆現(xiàn)象；不被

16、等離子吸附具有不可逆現(xiàn)象；不被NHNH4 4+ +離子置換的非交換性離子置換的非交換性錳錳，卻可以被銅離子所置換。同時研究發(fā)現(xiàn)土壤中鈷、鎳、銅、鉛、卻可以被銅離子所置換。同時研究發(fā)現(xiàn)土壤中鈷、鎳、銅、鉛、鋅、鎘等元素含量與氧化錳或氧化鐵的含量呈正相關，沖積物和鋅、鎘等元素含量與氧化錳或氧化鐵的含量呈正相關，沖積物和海洋中錳核都具有富集金屬元素的功能。對陰離子早在海洋中錳核都具有富集金屬元素的功能。對陰離子早在1919世紀就世紀就發(fā)現(xiàn)酸性土壤對磷酸鹽肥料有固定作用。上述現(xiàn)象主要與鐵錳氧發(fā)現(xiàn)酸性土壤對磷酸鹽肥料有固定作用。上述現(xiàn)象主要與鐵錳氧化物有關?；镉嘘P。2020世紀世紀6060年代人們對于

17、土壤表面研究，證實土壤固年代人們對于土壤表面研究，證實土壤固相表面除硅氧烷基型表面（永久電荷表面）之外，還有水合氧化相表面除硅氧烷基型表面（永久電荷表面）之外，還有水合氧化物型表面，對其進行深入研究和認識的基礎上，發(fā)現(xiàn)了土壤中水物型表面，對其進行深入研究和認識的基礎上，發(fā)現(xiàn)了土壤中水合氧化物型的非靜電因素引起吸附的界面化學行為。合氧化物型的非靜電因素引起吸附的界面化學行為。 七、土壤膠體對陽離子的專性吸附七、土壤膠體對陽離子的專性吸附 ( (specific adsorption) )離子通過表面交換與晶格上陽離子共享一個或兩個氧原子，形離子通過表面交換與晶格上陽離子共享一個或兩個氧原子，形成

18、共價鍵而被土壤膠體吸附的現(xiàn)象。是土壤吸收性能的一種。成共價鍵而被土壤膠體吸附的現(xiàn)象。是土壤吸收性能的一種。（一）陽離子專性吸附的機理（一）陽離子專性吸附的機理 能夠產生專性吸附的能夠產生專性吸附的土壤膠體是土壤膠體是鐵、鋁、錳鐵、鋁、錳等的氧化物及其水等的氧化物及其水合物合物。土壤中氧化物屬于配位化合物，在氧化物。土壤中氧化物屬于配位化合物，在氧化物-水體系中，處水體系中，處于表面的中心離子（于表面的中心離子（Fe、Al、Mn、和、和Si等）因為配位數未能滿等）因為配位數未能滿足，而從水中締合質子或羥基構成氧化物配位殼的一部分，導足，而從水中締合質子或羥基構成氧化物配位殼的一部分，導致表面羥基

19、化。中心離子周圍的氧原子的較強的親核性，決定致表面羥基化。中心離子周圍的氧原子的較強的親核性，決定其對質子和金屬離子（其對質子和金屬離子（M2+）都有較強的親合力，并與之形成羥）都有較強的親合力，并與之形成羥橋鍵合和環(huán)狀結構。水合氧化物的這些特點就為專性吸附提供橋鍵合和環(huán)狀結構。水合氧化物的這些特點就為專性吸附提供了可能。了可能。層狀硅酸鹽礦物在某些情況下對重金屬離子也可以產生專性吸層狀硅酸鹽礦物在某些情況下對重金屬離子也可以產生專性吸附作用，因為層狀硅酸鹽邊面上裸露的附作用，因為層狀硅酸鹽邊面上裸露的Al-OH基和基和Si-OH基于氧基于氧化物表面的羥基相似?；锉砻娴牧u基相似。 過渡金屬元

20、素的原子結構的特點是導致金屬離子產生專性吸附，過渡金屬元素的原子結構的特點是導致金屬離子產生專性吸附，而不同于膠體表面堿金屬和堿土金屬靜電吸附的根本原因。而不同于膠體表面堿金屬和堿土金屬靜電吸附的根本原因。配位學說 被土壤膠體專性吸附的金屬離子均為非交換態(tài)，不能參與一般的陽離子交換反應，只能被親和力更強的金屬離子置換或部分置換，或在酸性條件下解吸。反應的結果使體系的反應的結果使體系的pHpH值下降值下降 ?。ǘ┯绊戧栯x子專性吸附的主要因素（二）影響陽離子專性吸附的主要因素 1、pHpH升高有利于專性吸附反應的進行。2、土壤膠體類型、土壤膠體類型Cu：氧化錳有機質氧化鐵埃洛石伊利石蒙脫石高嶺石

21、Zn：鈉水錳礦非晶形氧化鋁非晶形氧化鐵一般：非晶形氧化物晶形氧化物（三）陽離子專性吸附的意義（三）陽離子專性吸附的意義土壤和沉積物中的錳、鐵、鋁、硅等氧化物土壤和沉積物中的錳、鐵、鋁、硅等氧化物及其水合物，對多種微量重金屬離子起富集及其水合物，對多種微量重金屬離子起富集作用，其中以氧化錳和氧化鐵的作用更為明作用，其中以氧化錳和氧化鐵的作用更為明顯。顯。由于專性吸附對微量金屬離子具有富集作由于專性吸附對微量金屬離子具有富集作用的特性，因此，正日益成為地球化學領域用的特性，因此，正日益成為地球化學領域或地球化學探礦等學科的重要內容。或地球化學探礦等學科的重要內容。 專性吸附在調控金屬元素的生物有效

22、性和生物專性吸附在調控金屬元素的生物有效性和生物毒性方面起著重要作用。有試驗表明，在被鉛毒性方面起著重要作用。有試驗表明，在被鉛污染的土壤中加入氧化錳，可以抑制植物對鉛污染的土壤中加入氧化錳，可以抑制植物對鉛的吸收；的吸收；土壤是重金屬元素的一個匯，對水體中的重金土壤是重金屬元素的一個匯，對水體中的重金屬污染起到一定的凈化作用，并對這些金屬離屬污染起到一定的凈化作用，并對這些金屬離子從土壤溶液向植物體內遷移和累積起一定的子從土壤溶液向植物體內遷移和累積起一定的緩沖和調節(jié)作用。另一方面，專性吸附作用也緩沖和調節(jié)作用。另一方面，專性吸附作用也給土壤帶來了潛在的污染危險。給土壤帶來了潛在的污染危險。

23、第四節(jié)第四節(jié)土壤膠體對陰離子的吸附與交換土壤膠體對陰離子的吸附與交換一、陰離子的靜電吸附一、陰離子的靜電吸附土壤對陰離子的靜電吸附是由于土壤膠體表面帶有正電荷緣故。大多數土壤膠體屬于兩性膠體，在酸性情況下帶正電荷，吸附陰離子。土壤中的陰離子依其吸附能力的大小可分為三類：1易被吸附的陰離子易被吸附的陰離子最重要是：H2PO4-、HPO42-、PO43-、HsiO3-、SiO32-、C2O42-2吸附作用很弱或進行負吸附的陰離子吸附作用很弱或進行負吸附的陰離子Cl- 、NO3- 、NO2-3中間類型的離子：中間類型的離子：SO42- 、CO32- 各種陰離子被土壤吸收的次序如下：F- 草酸根 檸檬

24、酸根 H2PO4- HCO3- HBO3- SO42- Cl - NO3- 陰離子的負吸附陰離子的負吸附是指距帶負電荷的膠體表面越近，陰離子數量越少的現(xiàn)象。 負吸附現(xiàn)象也受土壤特性影響，其它條件相同，則負吸附現(xiàn)象隨著土壤膠體的數量和陽離子代換量的增加而增加，但隨陪伴陽離子價數的增加而減少； 不同的粘粒礦物對負吸附的影響也不同，他們遞減的次序為： 蒙脫石蒙脫石 伊利石伊利石 高嶺石高嶺石帶負電荷愈多的土壤膠體，對陰離子的排斥作用愈帶負電荷愈多的土壤膠體，對陰離子的排斥作用愈強，負吸附作用愈明顯。強，負吸附作用愈明顯。二、陰離子的負吸附二、陰離子的負吸附三、陰離子專性吸附三、陰離子專性吸附 陰離子

25、專性吸附陰離子專性吸附是指陰離子進入粘土礦物或氧化物表面的金屬原子的配位殼中，與配位殼中的羥基或水合基重新配位，并直接通過共價鍵或配位鍵結合在固體的表面。這種吸附發(fā)生在膠體雙電層的內層，也稱為配位體交換吸附。 產生專性吸附的陰離子有F-離子以及磷酸根、硫酸根、鉬酸根、砷酸根等含氧酸根離子。 如：磷酸根在氧化鐵表面的專性吸附如：磷酸根在氧化鐵表面的專性吸附陰離子專性吸附屬于一種表面反應機制，而且屬于非交換吸附。陰離子專性吸附屬于一種表面反應機制，而且屬于非交換吸附。土壤土壤地點地點母質母質磷最大吸附量磷最大吸附量（ug/g）磚紅壤磚紅壤廣東徐聞玄武巖13101890紅壤紅壤江西進賢第四紀紅土18

26、002020黃棕壤黃棕壤江蘇江寧下蜀黃土1170黑土黑土黑龍江九三農場756786暗棕色森林土暗棕色森林土黑龍江小興安嶺641832栗鈣土栗鈣土內蒙古呼倫貝爾700960高嶺土高嶺土江蘇吳縣412414膨潤土膨潤土江蘇江寧193表表8-8 我國主要土壤對磷的最大吸附量我國主要土壤對磷的最大吸附量土壤陰離子吸收類型本章小結本章小結一、名詞解釋土壤膠體土壤膠體 內表面內表面 外表面外表面 表面積表面積 永久電荷永久電荷 可變電荷可變電荷 陽離子交換作用陽離子交換作用 CEC CEC 鹽基飽和度鹽基飽和度 陽離子專性吸附陽離子專性吸附 陰離陰離子專性吸附子專性吸附 二、問答題二、問答題土壤電荷的來源

27、主要有哪些土壤電荷的來源主要有哪些? ?永久電荷和可變電荷的區(qū)別？永久電荷和可變電荷的區(qū)別？ 土壤膠體雙電層有什么特點土壤膠體雙電層有什么特點? ?影響雙電層厚度的因素有哪些？影響雙電層厚度的因素有哪些？ 3. 3. 陽離子交換作用的主要特點是什么陽離子交換作用的主要特點是什么? ?4. 4. 經測定，某土壤的交換性陽離子組成為：經測定，某土壤的交換性陽離子組成為：Al3+ 5.7cmol/kg 、Ca2+ 1.0cmol/kg、Mg2+ 0.6cmol/kg、H+ 0.3cmol/kg、K+ 0.3cmol/kg、Na+ 0.1cmol/kg，試計算土壤的鹽基飽和度。，試計算土壤的鹽基飽和度。該土壤是堿性土壤還是中性土壤或酸性土壤該土壤是堿性土壤還是中性土壤或酸性土壤?部分資料從網絡收集整理而來，供大家參考，感謝您的關注！