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1、土壤胶体化学和表面反应第1页，共35页，编辑于2022年，星期五按表面的化学结构特点，可分为以下三类表面按表面的化学结构特点，可分为以下三类表面1、硅氧烷型表面、硅氧烷型表面硅氧片的表面硅氧片的表面 硅氧烷硅氧烷 SiOSi。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1/2面。非极性的疏水表面。主要电荷来源面。非极性的疏水表面。主要电荷来源为同晶置换（为同晶置换（Al3+Si4+），少部分是边角断键。），少部分是边角断键。2、羟基化表面、羟基化表面(ROH)M（金金属属离离子子）OH，铝铝醇醇AlOH，铁铁醇醇FeOH，硅硅醇醇SiOH等等。水水铝铝（镁镁）片片，铁铁、铝
2、铝氧氧化化物物及及硅硅片片边边角角断键。断键。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第2页，共35页，编辑于2022年，星期五 极性亲水表面。电荷来源为表面极性亲水表面。电荷来源为表面OH基质子的缔基质子的缔合合OH2+或离解或离解OHO-+H+。可变电荷。可变电荷。3、有机物表面、有机物表面 腐腐质质物物质质为为主主的的表表面面，表表面面羧羧基基、酚酚羟羟基基、氨氨基基等活性基团。离解等活性基团。离解H+或缔合或缔合H+产生表面电荷。可变电荷。产生表面电荷。可变电荷。以上以上3类表面往往相
3、互交织。类表面往往相互交织。二、土壤胶体的比面二、土壤胶体的比面 1、土壤胶体的表面积、土壤胶体的表面积 比面：单位重量（体积）物体的总表面积。比面：单位重量（体积）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。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第3页，共35页，编辑于2022年，星期五土粒直径（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 3141
4、6 60000 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 非非膨膨胀胀性性2 1型型和和1 1型型粘粘土土矿矿物物总总表表面面积积小小，一一般般以以外外表面为主（水化埃洛石例外）。表面为主（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。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第4页，共35页，编辑于2022年，星期五 铁铁、铝铝氧氧化化物物的的比比表表面面与与其其晶晶化化程程度度有有关关，以以外外
5、表表面面为主。为主。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 2、比表面的测定方法、比表面的测定方法（1）仪器法）仪器法（2）吸附法。）吸附法。三、土壤表面电荷三、土壤表面电荷 1、电荷种类和来源、电荷种类和来源（1）永久电荷永久电荷 来源于来源于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。不受不受介质介质pH值值的影响，也不受的影响，也不受电解质浓度电解质浓度的影响。的影响。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第5页
6、，共35页，编辑于2022年，星期五（2）可变电荷）可变电荷 在介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数在介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称量均决定于介质酸碱度，又称pH依变电荷。依变电荷。A、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值值发生变化时，可解离而带电。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，氨基质子化使腐羟基、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。殖质带正电荷。B、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
7、土矿物的晶面特点是一面为硅氧烷型表面，型粘土矿物的晶面特点是一面为硅氧烷型表面，另一面则为羟基化表面，后者在介质另一面则为羟基化表面，后者在介质pH值发生变化时，值发生变化时，吸附或释放一个吸附或释放一个H+，使表面带电，使表面带电。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第6页，共35页，编辑于2022年，星期五C、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；pHZP
8、C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。土壤中的铁、铝氧化物，一般为土壤中的铁、铝氧化物，一般为M2O3形态，其形态，其ZPC大于大于6.5而小于而小于10.4，故在酸性条件下，一般带负电很，故在酸性条件下，一般带负电很少，甚至带正电。少，甚至带正电。2、影响土壤电荷数量的因素、影响土壤电荷数量的因素（1）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微米微米的部分，故粘粒数量愈多的粘质土，带电愈多。的部分，故粘粒数量愈多的粘质土，带电愈多。土壤学土壤学资资资资源源源源环环环环境境
9、境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第7页，共35页，编辑于2022年，星期五（2）胶体类型）胶体类型 有机胶体带负电荷的量为有机胶体带负电荷的量为150450cmol/kg,平均为平均为350cmol/kg；无机胶体为；无机胶体为5100 cmol/kg，平均为，平均为1080cmol/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；2:1型型粘土矿物中蒙脱石类粘土矿物带负电量又大于水云母粘土矿物中蒙脱石类粘土矿物带负电量又大于水云母类粘土矿物带负电荷量。类粘土矿物带负电荷量。土壤中氧化物
10、类胶体，由于电荷零点较高，因此一般带负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。电荷很少。甚至带正电荷。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第8页，共35页，编辑于2022年，星期五（3）土壤酸碱度）土壤酸碱度 土壤土壤pH值大于胶体的电荷零点，则土壤带负电荷，大值大于胶体的电荷零点，则土壤带负电荷，大得愈多带负电荷也愈多；得愈多带负电荷也愈多；土壤土壤pH值小于胶体的电荷零点，则胶体带正电荷。值小于胶体的电荷零点，则胶体带正电荷。（4）有机无机胶体的结合）
11、有机无机胶体的结合 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体，其复合胶体带电量无机复合体，其复合胶体带电量不是二者分散存在时带电不是二者分散存在时带电量的加和而是负电荷减少量的加和而是负电荷减少，存在非加和性。，存在非加和性。带负电荷的有机胶体与铁（铝）胶体结合后，消耗了有带负电荷的有机胶体与铁（铝）胶体结合后，消耗了有机胶体带负电荷的交换点机胶体带负电荷的交换点；有机胶体沉淀在无机胶体上，掩盖了无机胶体的交换有机胶体沉淀在无机胶体上，掩盖了无机胶体的交换点。点。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资
12、资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第9页，共35页，编辑于2022年，星期五（5）非交换性阳离子的影响）非交换性阳离子的影响 同晶替代所产生的永久电荷可能被粘土矿物晶层间同晶替代所产生的永久电荷可能被粘土矿物晶层间所吸附的非交换性阳离子所补偿，使其带电量降低。所吸附的非交换性阳离子所补偿，使其带电量降低。如：如：伊利石单位晶胞的负电荷比蒙脱石高，但由于伊利石伊利石单位晶胞的负电荷比蒙脱石高，但由于伊利石硅层晶穴中所固定的钾离子（非交换性）补偿了同晶替代所硅层晶穴中所固定的钾离子（非交换性）补偿了同晶替代所产生的负电荷，故实际上伊利石所带负电荷低于蒙脱石所带
13、产生的负电荷，故实际上伊利石所带负电荷低于蒙脱石所带负电荷。负电荷。（6）配位体交换的影响）配位体交换的影响 土壤中氧化物土壤中氧化物类胶体表面的类胶体表面的(-OH)或或(-OH2)基与阴离基与阴离子进行配位体交换后可使土壤所带负电荷量增加子进行配位体交换后可使土壤所带负电荷量增加。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第10页，共35页，编辑于2022年，星期五3、土壤胶体表面电位土壤胶体表面电位 扩散双电层：扩散双电层：土壤带电胶体与溶液界面的双电层土壤带电胶体与溶液界面的双电层胶体表
14、面的（负）电荷层紧靠表面溶液的反离子或补偿胶体表面的（负）电荷层紧靠表面溶液的反离子或补偿（阳）离子层。（阳）离子层。两者电荷数相等，符号相反，维持体系的电中性。两者电荷数相等，符号相反，维持体系的电中性。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离子层，又称扩散层。其中反离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，如同地球的大气层。子呈不均匀分布，如同地球的大气层。扩散层反离子分布和表面电位变化特征。扩散层反离子分布和表面电位变化特征。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B
15、oltzmann方程表方程表示：示：资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第11页，共35页，编辑于2022年，星期五CxCOexp(-ZFx/RT)(CO-本体溶液反离子浓度；本体溶液反离子浓度；exp-以以e=2.718282为底的指数函数为底的指数函数)（CX/CO）(ZF/RT)x 双双电电层层中中距距表表面面x处处的的反反离离子子浓浓度度CX是是x处处电电位位x的的指指数函数，呈曲线降低。数函数，呈曲线降低。xOexp（x）（O表面电位）表面电位）常常数数与与离离子子浓浓度度、价价
16、数数、介介电电常常数数和和温温度度有有关关。在在室室温温下下，3107ZCO 1/（的的倒倒数数）为为扩扩散散双双电电层层的的厚厚度度，主主要要受受离离子子价价Z和和离子浓度离子浓度CO的影响。的影响。值大，双电层压缩，动电位（值大，双电层压缩，动电位（）0 资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第12页，共35页，编辑于2022年，星期五 第二节土壤的阳离子交换第二节土壤的阳离子交换 一、基本概念一、基本概念 阳离子交换作用：阳离子交换作用：土壤溶液中的阳离子与土壤胶土壤溶液中的阳离子与土
17、壤胶体表面吸附的阳离子互换位置。体表面吸附的阳离子互换位置。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。溶液中的阳离子所交换的阳离子。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。表面，为土壤胶体所吸附。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学交换性阳离子交换性阳离子致酸离子：包括氢离子和铝离子两种致酸离子：包括氢离子和铝离子两种盐基离子：除铝以外的金属离
18、子盐基离子：除铝以外的金属离子第13页，共35页，编辑于2022年，星期五 阳阳离离子子解解吸吸：土土壤壤胶胶体体表表面面吸吸附附的的阳阳离离子子转转移移到到土土壤壤溶液中。溶液中。二、阳离子吸附二、阳离子吸附 土土壤壤胶胶体体一一般般带带负负电电荷荷，通通过过静静电电力力（库库仑仑力力）吸吸附附溶溶液中的阳离子，在胶体表面形成扩散双电层。液中的阳离子，在胶体表面形成扩散双电层。阳阳离离子子静静电电吸吸附附的的速速度度、数数量量和和强强度度，取取决决于于胶胶体体表表面电位面电位(电荷数和电荷密度电荷数和电荷密度)、离子价数和半径等因素。、离子价数和半径等因素。表表面面负负电电荷荷愈愈多多，吸吸
19、附附的的阳阳离离子子数数量量就就愈愈多多；表表面面电电荷荷密度愈大，阳离子价数愈高密度愈大，阳离子价数愈高,就吸附愈牢固。就吸附愈牢固。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第14页，共35页，编辑于2022年，星期五 不同价的阳离子与胶体表面亲合力的顺序：不同价的阳离子与胶体表面亲合力的顺序：M3+M2+M+红壤、砖红壤和膨润土对阳离子吸附力的顺序：红壤、砖红壤和膨润土对阳离子吸附力的顺序：Al3+Mn2+Ca2+K+胶体对同价阳离子的吸附力主要决定于离子的水合胶体对同价阳离子的吸附力主要
20、决定于离子的水合半径，水合半径较小的离子，与胶体表面的距离较近，半径，水合半径较小的离子，与胶体表面的距离较近，彼此的作用较强。彼此的作用较强。一价离子 Li+Na+K+NH4+Rb+离子真实半径(nm)离子水合半径(nm)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 强资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第15页，共35页，编辑于2022年，星期五 同价阳离子的吸附力：同价阳离子的吸附力：N
21、H4+K+Na+（随离子水合半径增大而减小）（随离子水合半径增大而减小）三、阳离子交换三、阳离子交换（一）阳离子交换作用的主要特征（一）阳离子交换作用的主要特征 1、可逆反应、可逆反应 阳阳离离子子交交换换作作用用是是一一种种可可逆逆反反应应。这这种种交交换换作作 用用是是动动态平衡，反应速度很快。态平衡，反应速度很快。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第16页，共35页，编辑于2022年，星期五 2、以离子价为基础的等价交换、以离子价为基础的等价交换 二二个个一一价价铵铵离离子子，交交
22、换换一一个个二二价价钙钙离离子子，即即36克克铵铵可可交交换换40克克钙钙；一一个个一一价价铵铵离离子子可可交交换换一一个个一一价价钠钠离离子子，即即18克铵可交换克铵可交换23克钠。克钠。3、受质量作用定律支配、受质量作用定律支配 溶溶液液中中某某种种离离子子浓浓度度高高时时，其其交交换换能能力力增增大大，可可将将交交换换能能力弱的离子交换出来，也可将交换能力强的离子交换出来。力弱的离子交换出来，也可将交换能力强的离子交换出来。土壤中常见阳离子交换能力：土壤中常见阳离子交换能力：Fe3+、Al3+H+Ca2+Mg2+K+Na+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
23、度低，运动快，交换能力强。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第17页，共35页，编辑于2022年，星期五（二）（二）阳离子交换量阳离子交换量（cation exchange capacity）1、概念、概念 单位重量的土壤所含交换性阳离子单位重量的土壤所含交换性阳离子(一价一价)的总量，的总量，简称简称CEC。单位是。单位是cmol/kg。阳离子交换量可作为土壤保肥能力的指标阳离子交换量可作为土壤保肥能力的指标 CEC（Cmol/kg）10 1020 20 保肥力弱保肥力弱 中等强中等强
24、 四川紫色丘陵区由紫色砂页岩风化而形成的石灰性四川紫色丘陵区由紫色砂页岩风化而形成的石灰性紫色土和中性紫色土紫色土和中性紫色土CEC一般均大于一般均大于20cmol/kg；酸性紫色土酸性紫色土CEC为为15cmol/kg，红壤、黄壤，红壤、黄壤CEC一般在一般在13cmol/kg，甚至更低。，甚至更低。土壤学土壤学资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第18页，共35页，编辑于2022年，星期五 2、影响土壤、影响土壤CEC的因素的因素（1）土壤质地）土壤质地 质地由砂质向粘质变化，阳离子交换量逐渐增大
25、。质地由砂质向粘质变化，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(Cmol/kg)1-5 7-8 7-18 25-30（2）有机质含量）有机质含量 有机胶体所带负电荷量平均为有机胶体所带负电荷量平均为350Cmol/kg，较无，较无 机胶机胶体大得多，因而有机质含量高的土壤阳子交换量高，保体大得多，因而有机质含量高的土壤阳子交换量高，保肥力强。肥力强。（3）无机胶体类型）无机胶体类型 资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第19页，共35页，编辑于
26、2022年，星期五 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。（4）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，进而影响土壤保肥能力。的重要因素，进而影响土壤保肥能力。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左右提高到左右提高到7左右时，其负电荷量约增加左右时，其负电荷量约增加70%。（三）（三）土壤盐基饱和度土壤盐基饱和度（Base Saturation Percentage）盐基离子占吸附阳离子总量盐基离
27、子占吸附阳离子总量(CEC)的百分数。的百分数。土壤盐基饱和度土壤盐基饱和度(BS)(%)=100 土壤学土壤学交换性盐基总量交换性盐基总量CEC资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第20页，共35页，编辑于2022年，星期五 我国土壤盐基饱和度大致以北纬我国土壤盐基饱和度大致以北纬33 为界，以北盐基为界，以北盐基饱和度较高，一般达饱和度较高，一般达80%100%，以南盐基饱和度均较低，以南盐基饱和度均较低，只有只有20%30%，有的甚至少于，有的甚至少于10%。盐基饱和度高的土壤，交换性阳离子以盐
28、基饱和度高的土壤，交换性阳离子以Ca2+为主，为主，其次是其次是Mg2+，分别占，分别占80%和和15%。盐基饱和度低的土壤，交。盐基饱和度低的土壤，交换性阳离子以换性阳离子以H+和和Al3+为主为主。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（四）交换性阳离子的有效度（四）交换性阳离子的有效度 交换性阳离子对植物都是有效性的，但有效程度不交换性阳离子对植物都是有效性的，但有效程度不一样。一样。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第
29、21页，共35页，编辑于2022年，星期五 1、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性阳离子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，称该种离子饱和度。离子饱和度愈高，其总量的百分数，称该种离子饱和度。离子饱和度愈高，其有效性愈高。有效性愈高。土壤CECCmol(+)/kg交换性钙Cmol(+)/kg饱和度(%)A8675B301033 2、互补离子效应、互补离子效应 对某一指定吸附离子，其他并存的离子都是它的对某一指定吸附离子，其他并存的离子都是它的互补离子。互补离子。土壤学土壤学表表101土壤阳离子交换与离子饱和度土壤阳离子交换与离子饱和度资资资
30、资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第22页，共35页，编辑于2022年，星期五 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。有的阳离子被土壤胶体吸着力大，吸着很紧；有所致。有的阳离子被土壤胶体吸着力大，吸着很紧；有的阳离子被胶体吸着力小，吸着松散。一般说来，某离的阳离子被胶体吸着力小，吸着松散。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。度就越高。土壤交换性阳离子组成小麦幼苗干重(
31、g)小麦幼苗吸钙量(mg)ABC40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na2.802.792.3411.157.834.36资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 表表10102 2互补离子与交换性钙的有效性互补离子与交换性钙的有效性土壤学土壤学第23页，共35页，编辑于2022年，星期五 3、粘土矿物类型、粘土矿物类型 高岭石类粘土矿物，有外表面而无内表面，阳离子高岭石类粘土矿物，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；吸着于外表面上，容易解吸，有效性高；蒙脱
32、石类粘土矿物既有强大的外表面，又有内表面，蒙脱石类粘土矿物既有强大的外表面，又有内表面，吸着阳离子的有效性低于高岭石。吸着阳离子的有效性低于高岭石。水云母类粘土矿物由于硅层晶穴对阳离子水云母类粘土矿物由于硅层晶穴对阳离子K+或或NH4+产生固定作用，降低其有效性。产生固定作用，降低其有效性。氧化物类胶体对阳离子产生专性吸收，使阳离子氧化物类胶体对阳离子产生专性吸收，使阳离子 失去有效性。失去有效性。四、阳离子专性吸附四、阳离子专性吸附 1、阳离子专性吸附的机理、阳离子专性吸附的机理土壤学土壤学资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业
33、业化化化化学学学学系系系系 第24页，共35页，编辑于2022年，星期五 土土壤壤铁铁、铝铝、锰锰等等氧氧化化物物胶胶体体，其其表表面面阳阳离离子子不不饱饱和和而而水水合合(化化)，产产生生可可离离解解的的水水合合基基(-OH2)或或羟羟基基(OH)，它它们们与与溶溶液液中中过过渡渡金金属属离离子子(M2+、MOH+)作作用用而而生生成成稳稳定定性性高高的的表表面面络络合合物物，这这种种吸吸附附称称专专性性吸吸附附(Specific adsorption)，不不同同于于胶胶体体对对碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属离离子子的的静静电电吸吸附。附。过过渡渡金金属属（B、B族族等等），水水合合热热较
34、较大大，在在水水溶溶液液中呈水合离子形态，并易水解成羟基阳离子：中呈水合离子形态，并易水解成羟基阳离子：M2+H2OM（H2O）2+MOH+H+水解阳离子电荷减少，致使其向吸附胶体表面靠近水解阳离子电荷减少，致使其向吸附胶体表面靠近的能障降低，有利于与表面的相互作用。的能障降低，有利于与表面的相互作用。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第25页，共35页，编辑于2022年，星期五 若过渡金属呈若过渡金属呈M2+离子态被专性吸附，形成单配位基表离子态被专性吸附，形成单配位基表面络合物（面络
35、合物（-O-M），反应后释放），反应后释放1个个H+，并引起，并引起1个电荷个电荷变化。变化。若呈若呈MOH+离子态被吸附，形成双配位基表面络合物（离子态被吸附，形成双配位基表面络合物（-O-M-OH），反应后释放），反应后释放2个个H+，但表面电荷不变化。，但表面电荷不变化。专性吸附在胶体表面正、负、零电荷时均可发生，反专性吸附在胶体表面正、负、零电荷时均可发生，反应结果使体系应结果使体系pH下降。下降。层状硅酸盐粘土矿物边面裸露的层状硅酸盐粘土矿物边面裸露的Al-OH基和基和Si-OH基基与氧化物表面羟基相似，有一定专性吸附能力。与氧化物表面羟基相似，有一定专性吸附能力。土壤学土壤学资资资
36、资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第26页，共35页，编辑于2022年，星期五 专性吸附的金属离子为非交换态，不参与一般的阳离子专性吸附的金属离子为非交换态，不参与一般的阳离子交换反应。可被与胶体亲合力更强的金属离子置换或部分置交换反应。可被与胶体亲合力更强的金属离子置换或部分置换，或在酸性条件下解吸。换，或在酸性条件下解吸。2、影响阳离子专性吸附的主要因素、影响阳离子专性吸附的主要因素 （1）pH 金金属属离离子子水水解解和和专专性性吸吸附附反反应应均均释释放放H+，pH升升高高有有利利于反应进行。于反
37、应进行。（2）土壤胶体类型）土壤胶体类型 对阳离子专性吸附的土壤胶体主要是氧化物。其中非对阳离子专性吸附的土壤胶体主要是氧化物。其中非晶质的氧化锰氧化铝氧化铁。晶质的氧化锰氧化铝氧化铁。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第27页，共35页，编辑于2022年，星期五非晶质结晶质非晶质结晶质 土壤中铁、锰氧化物多，具有更大意义。土壤中铁、锰氧化物多，具有更大意义。3、阳离子专性吸附的实际意义、阳离子专性吸附的实际意义 （1）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 在红
38、壤、黄壤的铁锰结核中，在红壤、黄壤的铁锰结核中，Zn、Co、Ni、Ti、Cu、V等都有富集。等都有富集。其中其中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与铁含量呈正相关。与铁含量呈正相关。在地球化学探矿上有实用价值。在地球化学探矿上有实用价值。土壤学土壤学资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第28页，共35页，编辑于2022年，星期五（2）控制土壤溶液中重金属离子浓度）控制土壤溶液中重金属离子浓度 通通过过专专性性吸吸附附和和解解吸吸，控控制制土土壤壤溶溶液液中中Z
39、n、Cu、Co、Mo等等微微量量重重金金属属离离子子浓浓度度。从从而而控控制制其其生生物物有有效效性性和和生生物物毒毒性性。被被Pb污污染染的的土土壤壤中中加加入入氧氧化化锰锰，可可抑抑制植物对制植物对Pb的吸收，降低毒害。的吸收，降低毒害。（3 3）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的缓冲和调节作用。但同时给土壤带来潜些金属离子起一定的缓冲和调节作用。但同时给土壤带来潜在的污染危险
40、。在的污染危险。资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第29页，共35页，编辑于2022年，星期五第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交换第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交换一、土壤中的阴离子吸收力一、土壤中的阴离子吸收力 不同阴离子被土壤吸收的力不同，分为三类：不同阴离子被土壤吸收的力不同，分为三类：1、易被土壤吸收的阴离子、易被土壤吸收的阴离子 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-
41、。阴离子被吸收的机制通常是阴离子被吸收的机制通常是化学吸收或专性吸收化学吸收或专性吸收 F-易被土壤中氧化物产生专性吸收，故土壤是易被土壤中氧化物产生专性吸收，故土壤是F-的的净化剂。净化剂。2、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阴离子 资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第30页，共35页，编辑于2022年，星期五 这类阴离子包括这类阴离子包括Cl-、NO2-、NO3-等，主要是被土壤负等，主要是被土壤负吸收，很容易从土壤淋洗出去。吸收，很容易从土壤淋洗出去。NO2-、
42、NO3-的流失，不仅的流失，不仅造成氮肥利用率降低，而且还造成水体污染。造成氮肥利用率降低，而且还造成水体污染。3、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-，被土壤吸收力居于上两，被土壤吸收力居于上两类之间。类之间。二、阴离子的静电吸附二、阴离子的静电吸附1、正吸附、正吸附 土土壤壤胶胶体体带带正正电电荷荷的的表表面面对对溶溶液液阴阴离离子子（主主要要是是Cl、NO3、ClO4）的吸附。）的吸附。土壤学土壤学资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第31页，共
43、35页，编辑于2022年，星期五 交换性吸附：交换性吸附：其特点和影响因素类似于负电荷表面对阳其特点和影响因素类似于负电荷表面对阳离子的静电吸附。离子的静电吸附。土壤中铁、铝、锰氧化物是产生正电荷的主要物质；高土壤中铁、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。岭石边缘或表面羟基也可产生正电荷。有机胶体表面的胺基有机胶体表面的胺基R-NH2+H+R-NH3+也可吸附阴离子。也可吸附阴离子。正电荷主要是可变电荷，正电荷主要是可变电荷，受受pH的影响。当的影响。当pH7时，土壤时，土壤胶体的正电荷基本消失，不发生阴离子的胶体的正电荷基本消失，不发生阴离子的静电吸附。静
44、电吸附。2、负吸附、负吸附资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第32页，共35页，编辑于2022年，星期五 土土壤壤胶胶体体带带负负电电荷荷的的表表面面对对阴阴离离子子的的排排斥斥力力大大小小，与与阴阴离离子子距距土土壤壤胶胶体体表表面面距距离离有有关关，距距离离愈愈近近对对阴阴离离子子排排斥力愈大，表现出强的负吸附，反之负吸附则弱。斥力愈大，表现出强的负吸附，反之负吸附则弱。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)三、阴离子专性吸附三、阴离子专
45、性吸附配位体交换吸附配位体交换吸附 阴阴离离子子作作为为配配位位体体，进进入入粘粘土土矿矿物物或或氧氧化化物物表表面面金金属属原原子子的的配配位位壳壳，与与其其中中的的羟羟基基或或水水合合基基交交换换而而被被吸吸附附，它发生在胶体双电层的内层。它发生在胶体双电层的内层。发发生生专专性性吸吸附附的的阴阴离离子子有有F 和和磷磷、钼钼、砷砷酸酸根根等等含含氧酸根离子。氧酸根离子。土壤学土壤学资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第33页，共35页，编辑于2022年，星期五磷酸根专性吸附磷酸根专性吸附 资资资
46、资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 土壤学土壤学第34页，共35页，编辑于2022年，星期五 附：阴离子静电吸附与专性吸附比较附：阴离子静电吸附与专性吸附比较 性 质静 电 吸 附专 性 吸 附吸附时表面电荷符号+，0，-阴离子所起作用反离子配位离子吸附机理离子交换反应配位体交换反应吸附需要的体系pHZPCZPC，ZPC吸附发生的位置扩散层双电层的内层对表面性质的影响无 正电荷减少，负电荷增加土壤学土壤学资资资资源源源源环环环环境境境境学学学学院院院院土土土土地地地地资资资资源源源源与与与与农农农农业业业业化化化化学学学学系系系系 第35页，共35页，编辑于2022年，星期五