第五章 土壤化學(xué)性質(zhì),第一節(jié) 土壤膠體及其性質(zhì) 第二節(jié) 土壤酸堿性 第三節(jié) 土壤氧化還原反應(yīng),第一節(jié) 土壤膠體及性質(zhì),一、土壤膠體colloid （一）土壤膠體：土壤中顆粒直徑大小在1-100毫微米在長、寬、高的三個(gè)部分至少有一個(gè)方向在此范圍的固體顆粒，具有膠體性質(zhì)的微粒部分。,土壤中粒徑<1nm或2nm的礦物質(zhì)顆粒和腐殖質(zhì)（分散相dispersed phase）分散在土壤溶液（分散介質(zhì)dispersion medium）中的分散體系。,（二）、 土壤膠體的類型和來源,1、土壤膠體的類型 土壤膠體通常分為三大類： 無機(jī)膠體、有機(jī)膠體、和有機(jī)無機(jī)復(fù)合體 含水氧化物 1.1 無機(jī)膠體 層狀硅酸鹽礦物（粘土礦物）,1.2 無機(jī)膠體inorganic colloid：其主體是粘土礦物；粘土礦物一般是指含有-OH基的結(jié)晶質(zhì)的硅酸鹽次生礦物。 1.3 粘土礦物的來源： 由云母等礦物經(jīng)過風(fēng)化或成土作用演變而來； 由礦物的分解產(chǎn)物在一定條件下合成而成; 在一定條件下由粘土礦物互相之間演化形成，即由一種演變成另一種粘土礦物。,1.4 有機(jī)膠體：是由碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成的高分子有機(jī)化合物，是非晶質(zhì)的物質(zhì)。 其最主要的成分是各種腐殖質(zhì)（胡敏酸、富里酸、胡敏素等），還有少量的木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、纖維素等。具有強(qiáng)吸水性、親水性。,2、土壤膠體的來源： 有機(jī)質(zhì) 粘土礦物 氧化物,二、 土壤膠體的構(gòu)造和性質(zhì),（一）土壤膠體的構(gòu)造 1 土壤膠體分散系包括： 膠體微粒colloid droplet（為分散相dispersed phase ）和微粒間溶液（為分散介質(zhì)dispersion medium ）兩大部分。,膠體微粒在構(gòu)造上可分為微粒核droplet core、決定電位離子層electric potential ion layer和補(bǔ)償離子層compensation ion layer三部分組成。,（1）微粒核droplet core ： 主要由腐殖質(zhì)、無定形的SiO2(amorphous quartz)、氧化鋁aluminium oxide、氧化鐵iron oxide 、鋁硅酸鹽晶體aluminosilicate crystal物質(zhì)、蛋白質(zhì)分子protein molecule以及有機(jī)無機(jī)膠體的分子群所構(gòu)成。,（2）雙電層 微粒核表面的一層分子，通常解離成離子，形成符號(hào)相反而電量相等的兩層電荷，所以稱之為雙電層。雙電層由決定電位離子層和補(bǔ)償離子層組成。,（2）雙電層(electric) double layer：是由土壤膠體表面的負(fù)電荷和代換性陽離子的正電荷構(gòu)成。 Stern層: 在緊貼著土壤膠體顆粒表面的那一部分陽離子受電場靜電引力作用極度強(qiáng),與土壤膠體表面成平行密實(shí)排列,牢牢地被吸引著,難于移動(dòng),此層稱為Stern層。,Gouy層：在Stern層的外面，陽離子受靜電引力和熱運(yùn)動(dòng)的影響，膠體（擴(kuò)散層）周圍的陽離子數(shù)量隨著離膠體表面距離的增加而減少，由稠密變?yōu)橄∈?，呈擴(kuò)散式分布，此層稱為Gouy層。,（二） 土壤膠體的性質(zhì),1 土壤膠體比表面和表面能 比表面積（比面）specific surface area是指單位重量或單位體積的總表面積（cm2/g， cm3/cm3）。,由于表面分子與外界的液體或氣體介質(zhì)相接觸，因而在內(nèi)、外方面受到的是不同分子的吸引力，不能相互抵消，所以具有多余的表面能。 這種能量產(chǎn)生于物體表面，故稱為表面能。 膠體數(shù)量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈強(qiáng)。,球狀土粒的比面,2 土壤膠體有凝聚和分散作用,凝聚作用:土壤膠體溶液如受到某些因素的影響，使膠體微粒下沉，由溶膠變成凝膠，這種作用叫做膠體的凝聚作用； 分散作用:由凝膠分散成溶膠，叫做膠體的分散作用。,促使膠體凝聚或分散的原因，主要決定于電動(dòng)電位的高低。而電動(dòng)電位的高低又取決于擴(kuò)散層的厚度. 凡電荷數(shù)量少而水化度大的離子(如Na+)，形成的擴(kuò)散層厚，電動(dòng)電位高。使膠體分散； 電荷數(shù)量多，水化度小的離子(如Ca2+)，形成的擴(kuò)散層薄，電動(dòng)電位降至一定程度時(shí)，膠體即可凝聚。,電解質(zhì)種類對(duì)膠體的凝聚作用有影響：一般是一價(jià)離子Al3 +Ca2+Mg2+H+ NH4+K+Na+ 電解質(zhì)濃度對(duì)膠體的凝聚也有很大影響:濃度大,可促使凝膠形成。,（三）土壤膠體電荷,a 、永久電荷permanent charge ：它是由于粘粒礦物晶層內(nèi)的同晶替代所產(chǎn)生的電荷。這種電荷一旦產(chǎn)生后，就不能改變，而成為粘粒礦物的永久性質(zhì)。 這種電荷不受介質(zhì)的pH值的影響，主要發(fā)生在2：1型粘粒礦物中，在1：1型礦物中極少。,b 、可變電荷variable charge： 膠核表面分子或原子團(tuán)的解離所產(chǎn)生的電荷，沒有永久性質(zhì)，它的數(shù)量和性質(zhì)隨著介質(zhì)的pH值而改變。所以稱為可變電荷。電荷的數(shù)量和性質(zhì)隨介質(zhì)pH而改變的電荷。,c 、土壤的pH0值是表征其可變電荷特點(diǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)，它被定義為土壤的可變正、負(fù)電荷數(shù)量相等時(shí)的pH值，或稱為可變電荷零點(diǎn)、等電點(diǎn)pH ( isoelectric pH 。,SiliconTetrahedron,AluminumOctahedron,Mg,Al,Examples of Isomorphic Substitution,Produces a Net Negative Charge,Al3+ for Si4+,Mg2+ for Al3+,產(chǎn)生可變電荷可的主要原因有：,粘粒礦物晶面上-OH 基的解離 含水鐵、鋁氧化物的解離 腐殖質(zhì)上某些原子團(tuán)的解離 含水氧化硅的解離 粘粒礦物晶層上的斷鍵等。,二 土壤膠體的交換吸附作用,土壤吸收性能是指土壤能吸收和保留土壤溶液中的分子和離子，懸液中的懸浮顆粒、氣體以及微生物的能力。土壤吸收性能亦稱土壤吸收保肥性能。,（一） 土壤吸收性能類型 （1）機(jī)械吸收性mechanical absorbability ： 是指土壤對(duì)固體物體的機(jī)械阻留，如施用有機(jī)肥時(shí)，其中大小不等的顆粒，均可被保留在土壤中。 這種吸收作用取決于土壤的孔隙狀況。,（2）物理吸收性：這種吸收性能是指土壤對(duì)分子態(tài)物質(zhì)的保持能力，它表現(xiàn)在某些養(yǎng)分聚集在膠體表面，其濃度比在溶液中為大，另一些物質(zhì)則膠體表面吸附較少而溶液中濃度較大，前者稱為正吸附positive adsorption后者稱為負(fù)吸附negative adsorption。 負(fù)吸附：是指土粒表面的離子或分子濃度低于整體溶液中該離子或分子的濃度的現(xiàn)象。,產(chǎn)生這種作用的原因是由于固體顆粒界面上的表面自由能的作用。 氣態(tài)物質(zhì)（水氣、CO2、NH3等）和細(xì)菌的吸附也是物理吸附。,（3）化學(xué)吸附性：是指易溶性鹽在土壤中轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性鹽而沉淀保存在土壤中的過程。 這種吸收是純化學(xué)作用過程。 （4）物理化學(xué)吸收性：是指土壤對(duì)可溶性物質(zhì)中離子態(tài)養(yǎng)分的保持能力。這種吸收是以物理吸收為基礎(chǔ)，又呈現(xiàn)出化學(xué)反應(yīng)相似的特性。,（5）生物吸收性：是指土壤中植物根系和微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，這種吸收作用的特點(diǎn)是選擇性和創(chuàng)造性，并且具有累積和集中養(yǎng)分的作用。 上述五種吸收性不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互影響的，都具有重要的意義。,（6）專性吸附:是非靜電因素引起的土壤對(duì)離子的吸附,它是指離子通過表面交換與晶體上的陽離子共享1個(gè)或2個(gè)氧原子,形成共價(jià)鍵而被土壤吸附的現(xiàn)象.,二、 土壤物理化學(xué)吸收性能,土壤物理化學(xué)吸收性能即是土壤離子交換作用。分為土壤陽離子交換作用和陰離子交換作用,1 土壤陽離子交換作用,土壤陽離子交換過程：,1.1 吸附adsorption過程：離子從溶液中轉(zhuǎn)移到膠體上的過程，稱為離子的吸附過程； 1.2 解吸desorption過程：原來吸附在膠體上的離子轉(zhuǎn)移到溶液中的過程，稱為離子的解吸過程。,Cation Exchange Capacity,- - - - - - - - - - - - - - - -,SOIL,Ca+2,Mg+2,Al+3,K+,Ca+2,Mg+2,H+,Ca+2,H+,Ca+2,Mg+2,K+,Al+3,Ca+2,H+,Mg+2,H+,Mg+2,Ca+2,K+,Ca+2,Ca+2,Exchangeable Cations,Al+3,H+,K+,H+,Mg+2,Ca+2,Mg+2,Reserve,Active,Active,1.3 陽離子交換作用特點(diǎn)： a.陽離子交換作用是一種可逆反應(yīng) b.陽離子交換作用受質(zhì)量作用定律支配，而且反應(yīng)迅速 c.陽離子交換作用中離子與離子交換作用是等量交換 ， 它是等量電荷對(duì)等量電荷的反應(yīng)。,1.4 陽離子交換能力是指一種陽離子將膠體上另一種陽離子交換出來有能力。各種陽離子交換能力大小的順序?yàn)椋?Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+,1.5 影響陽離子交換能力的因素有： a. 電荷的數(shù)量 charge number b. 離子半徑ionic radius和離子水化半徑ion hydration radius c. 離子濃度ionic concentration,2 土壤陽離子交換量（CEC） 2.1 陽離子交換量cation exchange capacity（或吸收容量）：是指在一定pH值條件下,每1000g干土所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)（cmol/kg）。,2.2 影響土壤陽離子交換量因素： a、膠體類型 b、膠體數(shù)量 c、土壤pH值,Structure of Humic Acid,R-C00-,R-C00-,R-C00-,R-C00-,R-C00-,Contributes to high CEC 200 cmol(+)/kg,3 土壤的鹽基飽和度base saturation ratio 3.1 土壤膠體吸附的陽離子分為兩類： 一類是鹽基離子base ion，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等； 另一類是致酸離子acid ion，即H+、Al3+。,3.2 鹽基飽和度：土壤中交換性鹽基離子總量cmol/kg占陽離子交換量cmol/kg的百分?jǐn)?shù)稱為土壤的鹽基飽和度，即： 鹽基飽和度 base saturation ratio= 交換性鹽基總量/陽離子交換量 100%,3.3 影響交換性陽離子有效度的因素 a. 交換性陽離子的飽和度 離子飽和度：土壤吸附的某離子量占土壤全部陽離子量的百分?jǐn)?shù)。,b. 陪伴（補(bǔ)）離子效應(yīng)accompany ion effect 土壤膠體上同時(shí)吸附著多種陽離子，對(duì)其中某種離子來說，其余的各種離子都稱為它的陪補(bǔ)離子.,4 極限pH值：當(dāng)土壤膠體上吸附的陽離子全部是致酸離子，即H+、Al3+時(shí)，稱為“鹽基完全不飽和態(tài)，此時(shí)土壤的pH值稱為“極限pH值”。,三、陰離子anion的交換吸附 土壤在一般情況下是帶負(fù)電荷，吸附陽離子；但在強(qiáng)酸性條件下帶正電荷吸附陰離子。 陰離子的交換吸附是指土壤中帶正電荷的膠體吸附的陰離子與土壤溶液中的陰離子相互交換的作用。 這種交換作用與陽離子交換作用一樣，服從質(zhì)量作用定律，但土壤中的陰離子往往與化學(xué)固定等交織在一起，很難分開。, 陰離子吸附類型 a、陰離子吸附受陰離子種類的影響。 易于被土壤吸附的陰離子（磷酸根、H2PO4-、HPO42-、PO43-，硅酸根HSiO3-、SiO32-），這些離子也易與陽離子反應(yīng)產(chǎn)生難溶性化合物；,磷的固定phosphorus fixation：可溶性磷酸根與土壤膠體上的Fe3+、 Al3+ 離子結(jié)合形成 難溶性的鐵鋁磷酸鹽，這一過程稱為磷的固定。 b、很少或根本不被吸附的陰離子（Cl-、NO3-、NO2-） 這些離子常常出現(xiàn)負(fù)吸附； c、介于上述兩者之間的陰離子（SO42-、CO32-、HCO3-）,影響土壤對(duì)陰離子吸收的因素 a、陰離子吸附的相對(duì)次序：磷酸根 砷酸根 硅酸根 鉬酸根 硫酸根 氯離子=硝酸根 陰離子的價(jià)數(shù)：Cl- 、NO3- < SO42- <PO43- < OH- b、膠體組成成分（鐵鋁氧化物） c、土壤pH值:陰離子的吸附量隨pH升高而 下降。 d、外溶液陰離子濃度增加吸附量增多。,四、離子交換在土壤肥力上的意義,土壤陽離子交換量和鹽基飽和度在土壤肥力上的意義： （1）CEC和鹽基飽和度是土壤肥力指標(biāo)，反應(yīng)土壤肥力高低。 （2） CEC也是土壤類型劃分的一個(gè)依據(jù)。 （3） CEC和鹽基飽和度和pH值有一定的定量關(guān)系。 （4） CEC和鹽基飽和度是計(jì)算改良酸性土壤時(shí)石灰需用量的依據(jù)。,復(fù)習(xí)思考題： 一、名詞解釋 1、土壤膠體；2、土壤陽離子交換量； 3、土壤鹽基飽和度；4、可變電荷；5、永久電荷；6、專性吸附；7；負(fù)吸附,二、無機(jī)膠體的主體粘土礦物其來源是什么？ 三、影響陽離子交換量大小的因素有哪些？ 四、何種情況下土壤膠體可帶正電荷？ 五、試述土壤離子交換在土壤肥力上的意義。,