安徽农业大学讲义-土壤学5(土壤胶体)课件.ppt

1、Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能1 土壤胶体的概念l土壤胶体：土壤中粒径1 m或2 m的矿物质颗粒和腐殖质（分散相）分散在土壤溶液（分散介质）中的分散体系。粗分散体系胶体分散体系分子、离子分散体系Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能2 土壤胶体的类型 无机胶体；有机胶体；有机无机复合体 含水氧化物无机胶体 层状硅酸盐矿物Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能l硅氧片和硅四面体：硅四面体是由四个氧原子和一个硅原子所组成。许多硅四面体可以共用氧原子形成一层。氧原子排列成为中间有空的六角形，称为硅氧片。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能SiAlOxygensSiliconTetrahedronA

2、luminumOctahedronSiAlOxygensChap.5 土壤胶体与土壤吸收性能Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能l铝氧片和铝八面体铝八面体为6个氧原子围绕一个铝原子而构成。许多个铝八面体相互连接成片称为铝氧片。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能SiAlOxygensSiliconTetrahedronAluminumOctahedronSiAlOxygensShare2 oxygensSilica Tetrahedral SheetAluminum Octahedral SheetKaoliniteNon-Expanding 10 cmol(+)/kg1:1 ClaySi T

3、etraAl Oct.Si Tetra.2:1 ClayMontmorilloniteExpanding100 cmol(+)/kgInterlayer K+2:1 ClayIlliteNon-expanding40 cmol(+)/kgChap.5 土壤胶体与土壤吸收性能3 土壤胶体的构造l土壤胶体分散系包括胶体微粒（为分散相）和微粒间溶液（为分散介质）两大部分。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三部分组成。（1）微粒核：主要由腐殖质、无定形的SiO2、氧化铝、氧化铁、铝硅酸盐晶体物质、蛋白质分子以及有机无机胶体的分子群所构成。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能3 土

4、壤胶体的构造（2）双电层：微粒核表面的一层分子，通常解离成离子，形成一层离子层（决定电位离子层）；通过静电引力，在其外围形成一层符号相反而电量相等的离子层（补偿离子层）。又称之为双电层。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性（1）土壤胶体具有巨大比表面和表面能l土壤胶体表面类型Surface types of the soil colloidl（一）Siloxane surface(硅氧烷表面)l（二）Hydrous oxide surface(水合氧化物表面)l（三）Organic matter surface(有机物表面)Chap.5 土

5、壤胶体与土壤吸收性能l 土壤胶体比表面和表面能l比表面（比面）是指单位重量或单位体积的总表面积（cm2/g，cm3/cm3）。l由于表面分子与外界的液体或气体介质相接触，因而在内、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。这种能量产生于物体表面，故称为表面能。胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈强。表81 土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2g-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700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-4

6、00700-850400-80090-1505-4010-45430260-800The specific surface area of main soils in China Latosol(砖红壤)6080m2g-1 Red soil 100150m2g-1 Yellow brown earth 200300m2g-1 Measurement method of the specific surface area1、Instrument method 2、Adsorbed method:nitrogen、glycerine etc.、Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性

7、（1）土壤胶体表面l 比表面（比面）是指单位重量或单位体积的总表面积（cm2/g，cm3/cm3）。l 由于表面分子与外界的液体或气体介质相接触，因而在内、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。这种能量产生于物体表面，故称为表面能。胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附能力也就愈强。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性（2）土壤胶体带有电荷l 永久电荷：它是由于粘粒矿物晶层内的同晶替代所产生的电荷。这种电荷不受介质的pH值的影响，主要发生在2：1型粘粒矿物中，在1：1型矿物中极少。l 可变

8、电荷：电荷的的数量和性质随介质pH而改变的电荷。l 土壤的pH0值是表征其可变电荷特点的一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、负电荷数量相等时的pH值，或称为可变电荷零点、等电点。SiliconTetrahedronAluminumOctahedronMgAlExamples of Isomorphic SubstitutionAl3+for Si4+Mg2+for Al3+Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性l 产生可变电荷的主要原因有：粘粒矿物晶层上的断键等粘粒矿物晶面上-OH 基的解离；含水铁、铝氧化物的解离；腐殖质上某些原子团的解离；含水氧化硅的解离；腐殖质上某些原子

9、团的解离从介质中吸收离子Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性可变电荷土壤：指含有较多铁、铝氧化物，土壤带电性随pH变化而变化的土壤。（主要是酸性土壤）如：三水铝石pH低于pH0时，Al2O33H2O 2Al(OH)2+2OH-pH高于pH0时，Al2O33H2O 2Al(OH)2O-+2H+Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性腐殖质上某些原子团的解离 COOH COO-OH O-NH3+The electric double layer:The actual distribution of cations in a system is considered

10、to grade continuously from a high concentration near the colloid surface to a considerably lower concentration in the bulk solution.This type of distribution is known as a diffuse double layer.（三）三）The surface potential of soil colloid图图82 双电层模型双电层模型 The electric double layer:The actual distribution

11、 of cations in a system is considered to grade continuously from a high concentration near the colloid surface to a considerably lower concentration in the bulk solution.This type of distribution is known as a diffuse double layer.（三）三）The surface potential of soil colloid图图82 双电层模型双电层模型 Boltzmann e

12、quation Cx=Coexp()RTZFxGouy（1910）and Chapman（1913）put forward model of electric double layer:x x=o o exp(-k exp(-kx x)Where o is surface potential;k is constant,under 25C:k k3 310107 7 Z Z C Co o 1/K is called by the thickness of diffusion double layerThe electric double layer:The actual distributio

13、n of cations in a system is considered to grade continuously from a high concentration near the colloid surface to a considerably lower concentration in the bulk solution.This type of distribution is known as a diffuse double layer.（三）三）The surface potential of soil colloid图图82 双电层模型双电层模型 Boltzmann

14、equation Cx=Coexp()RTZFxGouy（1910）and Chapman（1913）put forward model of electric double layer:x x=o o exp(-k exp(-kx x)Where o is surface potential;k is constant,under 25C:k k3 310107 7 Z Z C Co o 1/K is called by the thickness of diffusion double layer1879年年1910年年1924年年1947年年Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶

15、体的特性（3）土壤胶体有凝聚和分散作用l 土壤胶体溶液如受到某些因素的影响，使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫做胶体的凝聚作用；反之，由凝胶分散成溶胶，叫做胶体的分散作用。l 促使胶体凝聚或分散的原因，主要决定于电动电位的高低。而电动电位的高低又取决于扩散层的厚度.Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能4 土壤胶体的特性l 凡电荷数量少而水化度大的离子(如Na+)，形成的扩散层厚，电动电位高。使胶体分散；电荷数量多，水化度小的离子(如Ca2+)，形成的扩散层薄，电动电位降至一定程度时，胶体即可凝聚。l 电解质种类对胶体的凝聚作用有影响：一般是一价离子二价离子 Al3+Ca2+Mg2+H+

16、NH4+K+Na+l 电解质浓度对胶体的凝聚也有很大影响:浓度大,可促使凝胶形成。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换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离子，悬液中的悬浮颗粒、气体以及微生物的能力。土壤吸收性能亦称土壤吸收保肥性能。1.土壤吸收性能类型（1）机械吸收性：是指土壤对固体物体的机械阻留，如施用有机肥时，其中大小不等的颗粒，均可被保留在土壤中。这种吸收作用取决于土壤的孔隙状况。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（2）物理吸收性：这种吸收性能是指土壤对分子态物质的保持能力，它表现在某些养分聚集在胶体表面，其浓度比在溶

17、液中为大，另一些物质则胶体表面吸附较少而溶液中浓度较大，前者称为正吸附，后者称为负吸附。产生这种作用的原因是由于固体颗粒界面上的表面自由能的作用。气态物质（水气、CO2、NH3等）和细菌的吸附也是物理吸附。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（3）化学吸附性：是指易溶性盐在土壤中转变为难溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程。这种吸收是纯化学作用过程。（4）物理化学吸收性：是指土壤对可溶性物质中离子态养分的保持能力。这种吸收是以物理吸收为基础，又呈现出化学反应相似的特性。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（5）生物吸收性：是指土壤中植物根系和微生物

18、对营养物质的吸收，这种吸收作用的特点是选择性，并且具有累积和集中养分的作用。上述五种吸收性不是孤立的，而是相互联系、相互影响的，都具有重要的意义。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用2.土壤物理化学吸收性能土壤物理化学吸收性能即是土壤离子交换作用。分为土壤阳离子交换作用和阴离子交换作用（1）土壤阳离子交换作用 K+CaCl2=Ca2+2KCl K+l 离子从溶液中转移到胶体上的过程，称为离子的吸附过程；原来吸附在胶体上的离子转移到溶液中的过程，称为离子的解吸过程。土壤胶体土壤胶体Cation Exchange Capacity -SOILCa+2Mg+2Al+3K+C

19、a+2Mg+2H+Ca+2H+Ca+2Exchangeable CationsH+K+Mg+2Ca+2Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用 阳离子交换作用特点：a.可逆反应 b.反应迅速 c.等量交换 它是等量电荷对等量电荷的反应。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用 阳离子交换能力 阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换出来有能力。各种阳离子交换能力大小的顺序为：Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+l 影响阳离子交换能力的因素有：a.电荷的数量 b.离子半径和离子水化半径c.离子浓度Chap.5 土壤胶体与土

20、壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用 阳离子交换能力 b.离子半径和离子水化半径同价离子的半径增大，则单位表面积的电荷量（电荷密度）减少，电场强度减弱，故对极性水分子的吸引力小，离子外围的水膜薄，水化半径减少，因而离负电胶体的距离较近，相互吸引力较大，具有较强的交换能力。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity CEC）阳离子交换量（或吸收容量）是指在一定pH值条件下每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数（cmol/kg）。土壤阳离

21、子交换量可以作为土壤保肥力的指标，20,1020，10。CEC的大小，受下述因素的影响：a、胶体数量 b、胶体类型（土壤质地）c、土壤pH值Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能Structure of Humic AcidR-C00-R-C00-R-C00-R-C00-R-C00-Contributes to high CEC 200 cmol(+)/kgChap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用土壤的盐基饱和度l 土壤胶体吸附的阳离子分为两类，一类是盐基离子，包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等；另一类是致酸离子，即H+、Al3+。土壤中交换性盐基离子总量cm

22、ol/kg占阳离子交换量cmol/kg的百分数称为土壤的盐基饱和度，即：l 盐基饱和度=交换性盐基总量/阳离子交换量 100%Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用影响交换性阳离子有效度的因素a.交换性阳离子的饱和度离子饱和度：土壤吸附的某离子量占土壤全部阳离子量的百分数。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用b.陪伴（补）离子效应土壤胶体上同时吸附着多种阳离子，对其中某种离子来说，其余的各种离子都称为它的陪补离子。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用c.阳离子的非交换性吸收（专性吸附）专性吸附的阳离子均为非交换性离子，

23、其反应也不完全遵循可逆反应和等量交换的规则。1）阳离子与氧化铁、铝及其水合物胶体表面氧的结合作用Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用 OH-1 O-M 0Fe +M2+Fe +H+OH OH OH -1 O-MOH -1Fe +MOH+Fe +H+OH OHChap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用2）矿物固定、晶穴固定：NH4+、K+离子被固定在硅氧四面体联成的六边型晶穴中，不能被交换出来的现象。阳离子专性吸附的意义：富集作用地球化学探矿调控金属元素的生物毒性和生物有效性Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（2）阴离子的

24、交换吸附阴离子的交换吸附是指土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子相互交换的作用。这种交换作用与阳离子交换作用一样，服从质量作用定律，但土壤中的阴离子往往与化学固定等交织在一起，很难分开。Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（2）阴离子的交换吸附 阴离子吸附类型a、易于被土壤吸附的阴离子（磷酸根、H2PO4-、HPO42-、PO43-，硅酸根HSiO3-、SiO32-），这些离子也易与阳离子反应产生难溶性化合物；b、很少或根本不被吸附的阴离子（Cl-、NO3-、NO2-）这些离子常常出现负吸附；c、介于上述两者之间的阴离子（SO42-、CO32-、HCO

25、3-）Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（2）阴离子的交换吸附影响土壤对阴离子吸收的因素a、阴离子的价数Cl-、NO3-SO42-PO43-OH-b、胶体组成成分（铁铝氧化物）c、土壤pH值（酸性条件带正电荷多）Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（2）阴离子的交换吸附阴离子的专性吸附（又称配位体交换吸附）某些含氧酸的阴离子（H3SiO4-,H2PO4-,HMoO4-等）以及氟离子（F-）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胶体表面的现象Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（3）阴离子的专性吸附 Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（3）阴离子的专性吸附 ZPC=zero point of charge (电荷零点)IEP=isoelectric point (等电点)Chap.5 土壤胶体与土壤吸收性能5 土壤胶体的交换吸附作用（2）阴离子的交换吸附