第八章土壤胶体化学和表面反应

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1、第八章第八章 土壤胶体化学和表面反应土壤胶体化学和表面反应Soil Colloidal Chemistry and Surface Reaction8.1 Surface properties of soil colloid 土壤胶体的表面性质土壤胶体的表面性质8.2 Adsorption and exchange of cations by soil colloids 土壤胶体对阳离子的吸附交换反应土壤胶体对阳离子的吸附交换反应 8.3 Adsorption and exchange of anions by soil colloids 土壤胶体对阴离子的吸附与交换土壤胶体对阴离子的吸附与交

2、换 l Concepts of soil colloid The colloid is a state of matter consisting of very fine particles that approach but never reach molecular sizes. (0.2m5nm) l Clay comprises all inorganic solids smaller than 0.002mm (2m) in effective diameter and is considered a colloid. l Soil organic matter and plant

3、solids also occur in the colloidal state.第一节第一节 土壤胶体的表面性质土壤胶体的表面性质 Surface properties of soil colloid一、土壤胶体表面类型一、土壤胶体表面类型 Surface category of soil colloid 土壤胶体土壤胶体: : 无机胶体无机胶体( (粘粒粘粒) )和有机胶体和有机胶体( (腐殖质腐殖质),),多呈多呈有机有机无机复合胶体。无机复合胶体。 按表面位置按表面位置分分内表面：内表面：膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子聚集体内的表面，其表面反应

4、为缓慢渗入过程。聚集体内的表面，其表面反应为缓慢渗入过程。 蒙脱石、蛭石等。蒙脱石、蛭石等。外表面：外表面： 粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化物等包被的表面，表面反应迅速。物等包被的表面，表面反应迅速。 高岭石、水铝英石和铁铝氧化物等。高岭石、水铝英石和铁铝氧化物等。 按表面的化学结构特点可分为按表面的化学结构特点可分为: : 硅氧烷型、水合氧化物型和有机物表面硅氧烷型、水合氧化物型和有机物表面l 硅氧烷型表面硅氧烷型表面 Siloxane surface SiOSi Siloxane surface is characterized by surface

5、planes of oxygen atoms, underlaid by silican atoms of tetrahedrons. The charge is mainly attributed to isomorphous substitution of the underlaying silicon atoms of the tetrahedrons. 2:1型粘粒的上、下两面，型粘粒的上、下两面，1:1型粘粒型粘粒1/21/2面。面。 非极性的疏水表面。非极性的疏水表面。 电荷来源为同晶置换电荷来源为同晶置换( (Al3+Si4+)，少部分是边角断键，少部分是边角断键，为永久电荷。为

6、永久电荷。 硅氧烷型表面硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si O 硅氧烷型表面硅氧烷型表面 Siloxane surface Si Si Ol 水合氧化物型表面水合氧化物型表面 Oxy-hydroxide surface 由金属阳离子和氢氧基组成的表面由金属阳离子和氢氧基组成的表面 MOH Surface is characterized by planes of exposed hydroxyl, OH, groups, underlaid by Al, Fe or Si atoms in the center of the octahedrons. The expos

7、ed hydroxylgroups are subject to dissociation and play an important role in the development of negative charge. 铝醇铝醇AlOH，铁醇，铁醇FeOH，硅烷醇，硅烷醇SiOH等。水铝等。水铝(镁镁)片，铁、铝氧化物及硅片边角断键。片，铁、铝氧化物及硅片边角断键。 极性亲水表面极性亲水表面。 电荷来源为表面电荷来源为表面OH基质子的缔合基质子的缔合OH2+ 或或 离解离解OHO- + H+。可变电荷。可变电荷。 水合氧化物型表面水合氧化物型表面 Oxy-hydroxide surface

8、 MOH无定形的氧化铁、铝等胶体表面l 有机物表面有机物表面 Organic material surface 腐殖物质为主的表面，表面羧基腐殖物质为主的表面，表面羧基(COOH)、酚羟基、酚羟基(OH)、氨基、氨基(NH2)等活性基团。离解等活性基团。离解H+ +或缔合或缔合H+产生表面产生表面电荷。电荷。RCOOHH2O RCOO-+H3O+ RNH2H2O RNH3+OH- 电荷的产生取决于功能团的解离常数和介质的电荷的产生取决于功能团的解离常数和介质的pH, 属属可变电荷。可变电荷。 三类胶体表面往往相互交织。三类胶体表面往往相互交织。比表面比表面(Specific surface a

9、reas)：单位重量单位重量( (体积体积) )物体的总表面积物体的总表面积 物体颗粒愈细小，表面积愈大。物体颗粒愈细小，表面积愈大。 二、土壤胶体表面积和比表面二、土壤胶体表面积和比表面 Surface areas and specific surface areas of soil colloid土粒直径（土粒直径（mm） 总表面积（总表面积（cm2） 比面（比面（cm2/cm3） 10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000 粘土矿物晶核、有机物成分和无机胶膜等对表面积有重粘土矿物晶核、有机物成分和无机胶膜等对表面积有重要

10、贡献：要贡献： 粘土矿物粘土矿物的类型不同，表面积大小和表面类型差别很大的类型不同，表面积大小和表面类型差别很大 膨胀性膨胀性2:1型型粘土矿物总表面积大，以内表面积为主粘土矿物总表面积大，以内表面积为主 非膨胀性非膨胀性2:1型和型和1:1型型粘土矿物总表面积小，一般以外表粘土矿物总表面积小，一般以外表面为主（水化埃洛石例外）。面为主（水化埃洛石例外）。 水铝英石水铝英石比表面较大，内、外表面各一半。比表面较大，内、外表面各一半。铁、铝氧化物铁、铝氧化物的比表面与其晶化程度有关，以外表面为主的比表面与其晶化程度有关，以外表面为主。（专红壤游离氧化铁表观比表面（专红壤游离氧化铁表观比表面170

11、m170m2 2/g)/g)土壤有机质土壤有机质的比表面大，表观比表面可达的比表面大，表观比表面可达700 m2/g胶体成分胶体成分 内表面积内表面积 外表面积外表面积 总表面积总表面积 蒙脱石蒙脱石 700750 15150 700850 蛭石蛭石 400750 150 400800 水云母水云母 05 90150 90150 高岭石高岭石 0 540 540 水铝英石水铝英石 130400 130400 260800 土壤中常见粘土矿物的比表面积（土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2/g）土壤胶体土壤胶体 比表面积比表面积(m2/g） 表面类型表面类型 胶体类型胶体类型 砖红壤胶体砖红壤胶体

12、 6080 外表面为主外表面为主 高岭石、三水铝石高岭石、三水铝石红壤胶体红壤胶体 100150 外表面外表面内表面内表面 高岭石、水云母高岭石、水云母黄棕壤胶体黄棕壤胶体 200300 内表面为主内表面为主 水云母、蛭石水云母、蛭石我国几种主要土壤胶体的比表面积我国几种主要土壤胶体的比表面积比表面的测定方法比表面的测定方法 Determination of Specific surface areas p仪器法仪器法: : 电子显微镜，电子显微镜，X X射线衍射仪射线衍射仪 测定代表性土壤或粘土矿物颗粒的大小和形状，计测定代表性土壤或粘土矿物颗粒的大小和形状，计算理论比表面积。算理论比表面积

13、。 p吸附法：吸附法： A group of methods based on adsorption of compounds in the vapor or gas phase. 氮气、水蒸气、甘油、乙二醇乙醚氮气、水蒸气、甘油、乙二醇乙醚(EGME)比表面比表面= =单个分子面积单个分子面积土壤颗粒表面吸附单分子层所需分子数土壤颗粒表面吸附单分子层所需分子数电荷数量电荷数量：决定土壤吸附离子的多少决定土壤吸附离子的多少电荷密度电荷密度：决定离子吸附的牢固程度决定离子吸附的牢固程度影响土壤中离子移动和扩散，有机影响土壤中离子移动和扩散，有机无机复合无机复合体形成，土壤分散、絮凝和膨胀、收缩等

14、性质体形成，土壤分散、絮凝和膨胀、收缩等性质 三、土壤表面电荷和电位三、土壤表面电荷和电位 Electric Charge and potential in soil particle surface土壤电土壤电荷荷净电荷：净电荷：土壤的正电荷和负电荷的代数和；土壤的正电荷和负电荷的代数和；大多数土壤带净负电荷。大多数土壤带净负电荷。永久电荷永久电荷 Permanent charge 来源来源: : 粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代 特点：特点：不受不受介质介质pH值值和和电解质浓度电解质浓度的影响的影响l土壤电荷种类和来源土壤电荷种类和来源 Type and

15、origin of charge in soils Isomorphous substitution is believed to be a major source of negative charges in 2:1 layer clays.可变电荷可变电荷 Variable or pH-dependent charge 来源来源: : 土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中释土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中释放离子。放离子。 Dissociation of exposed hydroxyl groups. Alkaline medium: -M-OH + OH- -M-O- + H

16、2O Acid medium: -M-OH + H+ -M-OH2+ 特点：特点：电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称称pHpH依变电荷依变电荷。 腐殖质产生可变电荷腐殖质产生可变电荷 腐殖质具有很多含氧功能团，这些功能团在介质腐殖质具有很多含氧功能团，这些功能团在介质pH值发生变值发生变化时，可解离而带电。羟基、酚羟基解离使腐殖质带负电，氨基化时，可解离而带电。羟基、酚羟基解离使腐殖质带负电，氨基质子化使腐殖质带正电荷。质子化使腐殖质带正电荷。 层状铝硅酸盐产生可变电荷层状铝硅酸盐产生可变电荷 1:1型粘土矿物的晶面一面为硅氧烷型表面，另一面则为

17、羟基型粘土矿物的晶面一面为硅氧烷型表面，另一面则为羟基化表面，后者在介质化表面，后者在介质pH值发生变化时，吸附或释放一个值发生变化时，吸附或释放一个H+，使表，使表面带电。面带电。 氧化物带可变电荷氧化物带可变电荷 氧化物不带电时的氧化物不带电时的pH值称为电荷零点，简称值称为电荷零点，简称ZPC。 介质介质pHZPC时时氧化物带负电；氧化物带负电； pHZPC时时氧化物带正电氧化物带正电. 氧化物的电荷零点，与金属的价数有关。氧化物的电荷零点，与金属的价数有关。l土壤电荷数量土壤电荷数量 Charge quantity in soils 一般用每千克物质吸附离子的厘摩尔数表示（cmol/k

18、g）阳离子交换量阳离子交换量 Cation exchange capacity (CEC)： pH为7时土壤净负电荷的数量。 cmol(+)/kg阴离子交换量阴离子交换量 Anion exchange capacity (AEC)： 一定条件下土壤的正电荷量。 cmol(-)/kg 影响土壤电荷数量的因素影响土壤电荷数量的因素 l土壤质地土壤质地 土壤所带电荷数量，土壤所带电荷数量，80%集中在粒径小于集中在粒径小于2微米的胶体部分，故微米的胶体部分，故粘粒数量愈多的粘质土，带电愈多。粘粒数量愈多的粘质土，带电愈多。l 胶体类型及组成成分胶体类型及组成成分 有机胶体带负电荷量有机胶体带负电荷量

19、150-450cmol/kg；无机胶体为；无机胶体为5-100 cmol/kg。 2:1型粘土矿物带负电量大于型粘土矿物带负电量大于1:1型粘土矿物；型粘土矿物； 土壤中氧化物类胶体，由于电荷零点较高，因此一般带负电荷很土壤中氧化物类胶体，由于电荷零点较高，因此一般带负电荷很少。甚至带正电荷。少。甚至带正电荷。l 土壤胶体组分间的相互作用土壤胶体组分间的相互作用 土壤中有机胶体和无机胶体往往结合在一起成为有机土壤中有机胶体和无机胶体往往结合在一起成为有机无机复合无机复合体，其复合胶体带电量体，其复合胶体带电量不是二者分散存在时带电量的加和而是负电荷不是二者分散存在时带电量的加和而是负电荷减少减

20、少，存在非加和性。，存在非加和性。扩散双电层扩散双电层 Diffuse double layer：当静电引力与热扩散相平衡时，当静电引力与热扩散相平衡时，土壤带电胶体表面与溶液的界面上形成的由一层固相表面电荷和一土壤带电胶体表面与溶液的界面上形成的由一层固相表面电荷和一层溶液中相反符号离子组成的电荷非均匀分布的空间结构。层溶液中相反符号离子组成的电荷非均匀分布的空间结构。 胶体表面的胶体表面的( (负负) )电荷层电荷层 紧靠表面溶液的反离子或补偿紧靠表面溶液的反离子或补偿( (阳阳) )离子层离子层 两者电荷数相等，符号相反，维持体系的电中性。静电引力使两者电荷数相等，符号相反，维持体系的电

21、中性。静电引力使反离子靠近表面，热运动又使其脱离表面而形成具有扩散特征的反反离子靠近表面，热运动又使其脱离表面而形成具有扩散特征的反离子层，又称扩散层。其中反离子呈不均匀分布。离子层，又称扩散层。其中反离子呈不均匀分布。l土壤胶体表面电位土壤胶体表面电位 Surface potential in soil colloids Double-layer 胶体微粒胶体微粒 胶核胶核 双电层双电层 决定电位离子层（内）决定电位离子层（内） 补偿离子层（外）补偿离子层（外） 非活性离子层非活性离子层扩散层扩散层 扩散层中反离子的不均匀分布可用扩散层中反离子的不均匀分布可用Boltzmann方程表示：方程

22、表示：C Cx xC C0 0exp(-ZFexp(-ZFx x/RT)/RT) Cx距表面距表面x处反号离子浓度；处反号离子浓度；CO本体溶液反号离子浓度；本体溶液反号离子浓度； Z反号离子价数；反号离子价数； FFaraday 常数常数 x距表面距表面x处的电位；处的电位； R气体常数气体常数 T绝对温度绝对温度 双电层中距表面双电层中距表面x处的反离子浓度处的反离子浓度CX是是x处电位处电位x的指数函数，呈曲线降低。的指数函数，呈曲线降低。 第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换反应土壤胶体对阳离子的吸附交换反应Adsorption and exchange of cation by

23、soil colloids 一、离子吸附的概念一、离子吸附的概念 Concept about ion adsorption 吸附作用：吸附作用：根据物理化学反应原理，溶质在溶液中呈不均匀根据物理化学反应原理，溶质在溶液中呈不均匀的分布状态，溶液表面层中的浓度与其内部不同的现象。的分布状态，溶液表面层中的浓度与其内部不同的现象。 正吸附正吸附 、负吸附、负吸附Forces of adsorptionlPhysical forces: Van der Waals force, short-range dipole-dipole interactions, importance at close d

24、istanceslHydrogen bonding: a hydrogen atom acts as the connecting linkagelElectrostatic bonding: electrical charge on the colloid surfacelCo-ordinate covalence bonding: the ligand donates electron pairs to a metal ion Electrostatic bonding is the reason for cation adsorption and exchange reactions o

25、n clay surface. Since clay colloids carry negative charges, cations are attracted to the clay particles. They are held electrostatically on the surface of the clay. Most of them are free to distribute themselves through the liquid phase by diffusion. The density of ion population is greatest at or n

26、ear the surface. These cations are called adsorbed cations.阳离子吸附：阳离子吸附：土壤溶液中的阳离子转移到土壤胶体表面，为土壤溶液中的阳离子转移到土壤胶体表面，为土壤胶体所吸附。土壤胶体所吸附。阳离子解吸：阳离子解吸：土壤胶体表面吸附阳离子转移到土壤溶液中。土壤胶体表面吸附阳离子转移到土壤溶液中。二、阳离子静电吸附二、阳离子静电吸附 Cation adsorption by electrostatic bonding 土壤胶体表面静电引力产生的阳离子吸附的速度、数量土壤胶体表面静电引力产生的阳离子吸附的速度、数量和强度决定于胶体表面电

27、位、离子价数和半径等因素。和强度决定于胶体表面电位、离子价数和半径等因素。Orders of adsorption among the cations 土壤胶体表面负电荷愈多，吸附阳离子数量愈多；土壤胶体表面负电荷愈多，吸附阳离子数量愈多； 电荷密度愈大，阳离子带电荷愈多，离子吸附愈牢。电荷密度愈大，阳离子带电荷愈多，离子吸附愈牢。 不同价阳离子与土壤胶体表面亲和力不同价阳离子与土壤胶体表面亲和力： M3+ M2+ M+ 同价阳离子，水合半径越小，离子吸附强度越大。同价阳离子，水合半径越小，离子吸附强度越大。 Monovalent cations: Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li

28、+一价离子一价离子 Li+ Na+ K+ NH4+ Rb+离子真实半径离子真实半径(nm)离子水合半径离子水合半径(nm)离子在胶体的吸附力离子在胶体的吸附力 0.078 0.098 0.133 0.143 0.149 1.008 0.790 0.537 0.532 0.509 弱弱 强强 （一）（一）阳离子交换作用阳离子交换作用 土壤溶液中阳离子与土壤胶体表面吸附阳离子互换位置土壤溶液中阳离子与土壤胶体表面吸附阳离子互换位置 交换性阳离子：交换性阳离子：被土壤胶体表面所吸附，能被土壤溶液被土壤胶体表面所吸附，能被土壤溶液中的阳离子所交换的阳离子中的阳离子所交换的阳离子。三、阳离子交换三、阳离

29、子交换 Cation exchange The adsorbed cations can be exchanged by other cations. The process of replacement is called cation exchange.Soil colloid KKNH4HNH4MgNaNa+3Ca2+Soil colloid CaCaCaHNH4+Mg2Na+2K+l The importance of Cation exchange The adsorption and cation exchange are of great practical significan

30、ce in nutrient uptake by plant, soil fertility, nutrient retention, fertilizer application and soil pollution prevention. Adsorbed cations are generally available to plants. Nutrients added to the soil will be retained by colloidal surfaces and are temporarily prevented from leaching. Cations that m

31、ay pollute groundwater may be filtered by the adsorptive action of soil colloids. As such, the adsorption complex is considered to give to the soil a storage and buffering capacity for cations. 可逆反应可逆反应，反应速度很快，溶液中与胶体表面吸附阳离，反应速度很快，溶液中与胶体表面吸附阳离子处于动态平衡。子处于动态平衡。遵循等价离子交换的原则遵循等价离子交换的原则符合质量作用定律符合质量作用定律（Mas

32、s action law）l 阳离子交换作用的主要特点阳离子交换作用的主要特点 Characteristics of cation exchange 2121K21 21物物物物反应反应产物产物产物产物反应反应平衡常数阳离子特性阳离子特性，即阳离子与胶体表面之间的亲和力即阳离子与胶体表面之间的亲和力 高价阳离子交换能力大于低价离子高价阳离子交换能力大于低价离子 水合半径小的阳离子交换能力大于水合半径大的水合半径小的阳离子交换能力大于水合半径大的 （H+例外，半径小，水合度低，运动快，交换能力强）例外，半径小，水合度低，运动快，交换能力强）阳离子的浓度和数量阳离子的浓度和数量（符合质量作用定律符

33、合质量作用定律） 实践中可以通过增加有益阳离子浓度的方法调控实践中可以通过增加有益阳离子浓度的方法调控交换方向，提高肥力和控制污染。交换方向，提高肥力和控制污染。l 阳离子交换的影响因素阳离子交换的影响因素 Influenced factors of cation exchange Fe3+ 、Al3+ H+ Ca2+ Mg2+K+ Na+ CEC of soils is defined as the capacity of soils to adsorb and exchange cations. The unite is cmol(+)/kg. (International System)

34、 CEC是土壤所能吸附和交换的阳离子的容量是土壤所能吸附和交换的阳离子的容量 cmol(+)/kg It is common practice in the deternination of CEC to analyze all exchangeable cations. CEC=cmol(+) exchangeable cations per kg soil（二）阳离子交换量（二）阳离子交换量 (CEC) Cation exchange capacity 土壤土壤CEC实际上是土壤所带负电荷的数量。实际上是土壤所带负电荷的数量。CEC与土壤胶与土壤胶体的比表面和表面电荷有关。体的比表面和表面

35、电荷有关。 CEC = specific surface areas surface charge density阳离子交换量可作为土壤保肥能力和缓冲能力的指标阳离子交换量可作为土壤保肥能力和缓冲能力的指标 CEC （cmol(+)/kg） 10 1020 20 保肥力、缓冲力保肥力、缓冲力 弱弱 中等强中等强 影响土壤影响土壤CEC的因素的因素 土壤质地土壤质地: 由砂质向粘质变化，阳离子交换量逐渐增大。由砂质向粘质变化，阳离子交换量逐渐增大。 质质 地地 砂土砂土 砂壤土砂壤土 壤土壤土 粘土粘土 CEC(c(+)mol/kg) 1-5 7-8 7-18 25-30有机质含量有机质含量:

36、有机胶体所带负电荷量较无有机胶体所带负电荷量较无 机胶体大得多，因而有机胶体大得多，因而有机质含量高的土壤阳离子交换量高，保肥力强。机质含量高的土壤阳离子交换量高，保肥力强。无机胶体类型无机胶体类型: :一般粘土矿物一般粘土矿物CEC 2:1型型1:1型，型，1:1型型氧化物，氧化物，2:1型中蒙脱石类型中蒙脱石类水云母类。水云母类。土壤酸碱性土壤酸碱性: 带可变电荷的土壤胶体，酸碱性是影响其电荷数量的带可变电荷的土壤胶体，酸碱性是影响其电荷数量的重要因素，进而影响土壤重要因素，进而影响土壤CEC和保肥能力。和保肥能力。 例如：砖红壤例如：砖红壤pH值由自然条件下的值由自然条件下的5左右提高到

37、左右提高到7左右时，其负电左右时，其负电荷量约增加荷量约增加70%。（三）盐基饱和度（三）盐基饱和度(BS) Base saturation percentage BS：盐基离子占吸附阳离子总量盐基离子占吸附阳离子总量(CEC)的百分数。的百分数。 Base saturation percentage(%)= 100 exchangeable bases cmol(+)/kgCEC cmol(+)/kg交换性阳离子交换性阳离子致酸离子：致酸离子：H+、Al3+离子离子盐基离子：盐基离子： K+, Na+, Ca2+,Mg2+,NH4+离子等离子等盐基饱和土壤：盐基饱和土壤：土壤胶体上吸附的阳离

38、子全部是盐基土壤胶体上吸附的阳离子全部是盐基离子，呈盐基饱和状态；具有中性或碱性反应。离子，呈盐基饱和状态；具有中性或碱性反应。盐基不饱和土壤：盐基不饱和土壤：土壤胶体上吸附的阳离子仅部分是盐土壤胶体上吸附的阳离子仅部分是盐基离子，其余为致酸离子，呈盐基不饱和状态；具有酸基离子，其余为致酸离子，呈盐基不饱和状态；具有酸性反应。性反应。BSpH A positive correlation exists between base saturation percent and soil pH. Low BS means the presence of a lot of H+ ions. Arid

39、region soils are usually higher in BS than soils in humid regions.BSfertility BS80% BS 5080% BS50% 肥沃土壤肥沃土壤 中等肥力土壤中等肥力土壤 低肥力土壤低肥力土壤BS of soils in China 我国土壤我国土壤BS大致以北纬大致以北纬33 为界。以北为界。以北BS较高，一般达较高，一般达80%100%；以南；以南BS均较低，只有均较低，只有20%30%，甚至少于，甚至少于10%。 BS高的土壤，交换性阳离子以高的土壤，交换性阳离子以Ca2+为主，其次是为主，其次是Mg2+，分别，分别占

40、占80%和和15%。BS低的土壤，交换性阳离子以低的土壤，交换性阳离子以H+和和Al3+为主为主 。（四）交换性阳离子的有效度（四）交换性阳离子的有效度 Availability of exchangeable cations交换性阳离子对植物都是有效性的，但有效程度不一样。交换性阳离子对植物都是有效性的，但有效程度不一样。 离子饱和度：离子饱和度：土壤吸咐某种交换性阳离子数量占土壤交换土壤吸咐某种交换性阳离子数量占土壤交换性阳离子总量的百分数。离子饱和度愈高，其有效性愈高。性阳离子总量的百分数。离子饱和度愈高，其有效性愈高。互补离子效应：互补离子效应：对某一指定吸附离子，其他并存的离子都对某

41、一指定吸附离子，其他并存的离子都是它的互补离子。是它的互补离子。互补离子效应是由各种阳离子被胶体吸着能力不同互补离子效应是由各种阳离子被胶体吸着能力不同所致。一般说来，某离子的互补离子被土壤胶体的吸附力越强，该离子所致。一般说来，某离子的互补离子被土壤胶体的吸附力越强，该离子的有效度就越高。的有效度就越高。粘土矿物类型：粘土矿物类型：高岭石类高岭石类有外表面而无内表面，阳离子吸有外表面而无内表面，阳离子吸着于外表面上，容易解吸，有效性高；着于外表面上，容易解吸，有效性高；蒙脱石类蒙脱石类既有强大的外表既有强大的外表面，又有内表面，吸着阳离子的有效性低于高岭石。面，又有内表面，吸着阳离子的有效性

42、低于高岭石。水云母类水云母类由由于硅层晶穴对阳离子于硅层晶穴对阳离子K K+ +或或NHNH4 4+ +产生固定作用，降低其有效性。产生固定作用，降低其有效性。氧化氧化物类胶体物类胶体对阳离子产生专性吸收，使阳离子失去有效性。对阳离子产生专性吸收，使阳离子失去有效性。影影响响因因素素l 阳离子专性吸附的机理阳离子专性吸附的机理四、四、阳离子的专性吸附阳离子的专性吸附（specific adsorption) 铁、铝、锰等氧化物胶体铁、铝、锰等氧化物胶体表面阳离子不饱和而水表面阳离子不饱和而水合合(化化)，产生可离解的水合基，产生可离解的水合基(-OH2)或羟基或羟基(OH)，它，它们与溶液中过

43、渡金属离子们与溶液中过渡金属离子(M2+、MOH+)作用而生成稳作用而生成稳定性高的表面络合物，这种吸附称定性高的表面络合物，这种吸附称专性吸附专性吸附。 l 阳离子专性吸附的环境意义阳离子专性吸附的环境意义 对多种微量重金属离子的富集作用对多种微量重金属离子的富集作用 红壤、黄壤的铁锰结核中，红壤、黄壤的铁锰结核中，Zn、Co、Ni、Ti、Cu、V等都有富等都有富集。其中集。其中Zn、Co、Ni与锰含量呈正相关，而与锰含量呈正相关，而Ti、Cu、V、Mo与铁含与铁含量呈正相关。这在地球化学探矿上有实用价值。量呈正相关。这在地球化学探矿上有实用价值。 控制土壤溶液中重金属离子浓度控制土壤溶液中

44、重金属离子浓度 通过专性吸附和解吸，控制土壤溶液中通过专性吸附和解吸，控制土壤溶液中Zn、Cu、Co、Mo等微等微量重金属离子浓度。从而控制其生物有效性和生物毒性。量重金属离子浓度。从而控制其生物有效性和生物毒性。Pb污染的污染的土壤中加入氧化锰，可抑制植物对土壤中加入氧化锰，可抑制植物对Pb的吸收，降低毒害。的吸收，降低毒害。净化与污染作用净化与污染作用 土壤氧化物胶体对重金属污染离子的专性吸附固定，对水体起一土壤氧化物胶体对重金属污染离子的专性吸附固定，对水体起一定的净化作用，并对植物从土壤溶液吸收和积累这些金属离子起一定定的净化作用，并对植物从土壤溶液吸收和积累这些金属离子起一定的缓冲和

45、调节作用。但同时给土壤带来潜在的污染危险。的缓冲和调节作用。但同时给土壤带来潜在的污染危险。第三节第三节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换土壤胶体对阴离子的吸附与交换Adsorption and exchange of anions by soil colloids 土壤胶体吸附阴离子的机制：土壤胶体吸附阴离子的机制：静电吸收或专性吸收静电吸收或专性吸收易被土壤吸附的阴离子：易被土壤吸附的阴离子：磷酸根磷酸根(H2PO4-、HPO42-、PO43-)，硅酸根硅酸根(HSiO3-、SiO32-)，有机酸根，有机酸根(如如C2O42-)以及以及F-。吸收力弱或进行负吸收的阴离子：吸收力弱或进行负吸收的

46、阴离子：包括包括Cl-、NO2-、NO3-等，等，主要是被土壤负吸收，很容易从土壤淋洗出去。主要是被土壤负吸收，很容易从土壤淋洗出去。NO2-、NO3-的流的流失，不仅造成氮肥利用率降低，而且还造成水体污染。失，不仅造成氮肥利用率降低，而且还造成水体污染。中间类型的阴离子：中间类型的阴离子：这类阴离子包括这类阴离子包括SO42-、CO32-，被土壤吸，被土壤吸收力居于上两类之间。收力居于上两类之间。 l 阴离子的静电吸附阴离子的静电吸附正吸附（正吸附（positive adsorption） 土壤胶体带正电荷的表面对溶液阴离子（主要是土壤胶体带正电荷的表面对溶液阴离子（主要是Cl、NO3、Cl

47、O4）的吸附。）的吸附。 土壤胶体表面正电荷的来源：土壤胶体表面正电荷的来源： 铁、铝、锰氧化物是产生正电荷的主要物质铁、铝、锰氧化物是产生正电荷的主要物质 高岭石边缘或表面羟基也可产生正电荷。高岭石边缘或表面羟基也可产生正电荷。 有机胶体表面带正电荷的基团（如胺基有机胶体表面带正电荷的基团（如胺基-NH2+）负吸附负吸附（negative adsorption） 阴离子的负吸附阴离子的负吸附是指电解质溶液加入土壤后阴离子浓度相对是指电解质溶液加入土壤后阴离子浓度相对增大的现象。增大的现象。 土壤胶体带负电荷的表面对阴离子的排斥力大小，与阴离子土壤胶体带负电荷的表面对阴离子的排斥力大小，与阴离

48、子距土壤胶体表面距离有关，距离愈近对阴离子排斥力愈大，表现距土壤胶体表面距离有关，距离愈近对阴离子排斥力愈大，表现出强的负吸附，反之负吸附则弱。出强的负吸附，反之负吸附则弱。 负吸附随阴离子价数增大而增加；陪伴离子不同，对阴离子负吸附随阴离子价数增大而增加；陪伴离子不同，对阴离子负吸附也有影响。负吸附也有影响。 2价阴离子价阴离子(SO42)所受排斥力所受排斥力1价阴离子价阴离子(Cl、NO3) 土壤胶体表面类型不同，阴离子负吸附不同。带负电荷越多土壤胶体表面类型不同，阴离子负吸附不同。带负电荷越多的土壤胶体，对阴离子排斥力越强，负吸附作用越明显。的土壤胶体，对阴离子排斥力越强，负吸附作用越明

49、显。l 阴离子专性吸附阴离子专性吸附配位体交换吸附配位体交换吸附 阴离子作为配位体，进入粘土矿物或氧化物表面金属原阴离子作为配位体，进入粘土矿物或氧化物表面金属原子的配位壳，与其中的羟基或水合基交换、重新配位，并直子的配位壳，与其中的羟基或水合基交换、重新配位，并直接通过共价键或配位键结合而被吸附在固体表面。它发生在接通过共价键或配位键结合而被吸附在固体表面。它发生在胶体双电层的内层，也称胶体双电层的内层，也称配位体交换吸附配位体交换吸附。 发生专性吸附的阴离子有发生专性吸附的阴离子有F 和磷、硫、钼、砷酸根等含和磷、硫、钼、砷酸根等含氧酸根离子。氧酸根离子。MOHOH20+ F-MFOH20

50、+ OH-1、阳离子交换作用、阳离子交换作用2、交换性阳离子、交换性阳离子 3、阳离子吸附、阳离子吸附4、阳离子解吸、阳离子解吸 5、CEC6、BS 7、阴离子专性吸附、阴离子专性吸附1. 1. 什么是土壤胶体？它具有哪些主要性质？什么是土壤胶体？它具有哪些主要性质？2. 2. 什么是阳离子交换量？影响阳离子交换量大小的因素有哪些？什么是阳离子交换量？影响阳离子交换量大小的因素有哪些？为什么增施优质有机肥是提高土壤交换量的有效方法？为什么增施优质有机肥是提高土壤交换量的有效方法？3 3、阳离子交换作用有何特征？、阳离子交换作用有何特征？4. 4. 影响阳离子交换量的因素有哪些？影响阳离子交换量的因素有哪些？5. 5. 农业生产中集中施肥的理论依据？农业生产中集中施肥的理论依据？( (一一) )基本概念基本概念( ( 二）问答题二）问答题