土壤环境化学新-ppt课件.ppt
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1、第四章第四章 土壤环境化学土壤环境化学Chapter 4. Soil Environmental Chemistry1ppt课件本章重点:本章重点:、土壤的组成与性质;、土壤的组成与性质;、重金属在土壤、重金属在土壤植物体系中的迁移植物体系中的迁移和它的作用机制;和它的作用机制;、农药在土壤中的迁移、转化。、农药在土壤中的迁移、转化。2ppt课件 土壤土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层,其厚度一般在疏松表层,其厚度一般在2m左右。左右。 土壤不但为植物生长提供机械支撑能力,并能土壤不但为植物生长提供机械支撑能力,并能为植物生长发育提供所需要的水
2、、肥、气、热等为植物生长发育提供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。肥力要素。 近年来,由于人口急剧增长,工业迅猛发展,近年来,由于人口急剧增长,工业迅猛发展,固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒,有害废水固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒,有害废水不断向土壤中渗透,大气中的有害气体及飘尘也不断向土壤中渗透,大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中,导致了不断随雨水降落在土壤中,导致了土壤污染土壤污染。3ppt课件第一节第一节. 土壤的组成和性质土壤的组成和性质一一 土壤的组成土壤的组成图图1. 土壤中固、液、气相结构图土壤中固、液、气相结构图(自(自S.F. Manahan, 1984)排入地
3、下水排入地下水 根须根须土粒上的土粒上的吸附水吸附水土粒土粒土壤空隙土壤空隙被水饱和被水饱和的土壤的土壤土壤固相土壤固相土壤液相:土壤液相:水分及水溶物水分及水溶物土壤气相土壤气相 (35% V):土壤矿物质土壤矿物质 (90% )土壤有机质土壤有机质 (10%)原生矿物质原生矿物质次生矿物质次生矿物质土壤土壤土壤生物土壤生物4ppt课件图图2. 自然土壤的综合剖面图自然土壤的综合剖面图(南京大学等合编,南京大学等合编,1980) 土壤的层次结构土壤的层次结构A00A0A1A2A3B1B2B3CCCSCTD土土壤壤层层覆盖层覆盖层(A0)淋溶层淋溶层(A)淀积层淀积层(B)母质层母质层(C)基
4、岩基岩(D)疏松的枯枝落叶层,未经分解疏松的枯枝落叶层,未经分解暗色半分解有机质层暗色半分解有机质层暗色的腐殖层暗色的腐殖层灰白色的灰化层灰白色的灰化层向向B层过渡层,多似层过渡层,多似A层层向向A层过渡层,多似层过渡层,多似B层层棕色至红棕色的淀积层棕色至红棕色的淀积层向向C层过渡层层过渡层CaCO3聚集层聚集层CaSO4聚集层聚集层潜育层潜育层(灰粘层灰粘层)可能出现的特殊层次可能出现的特殊层次土壤的组成和性质土壤的组成和性质5ppt课件土壤的组成和性质土壤的组成和性质1. 土壤矿物质土壤矿物质 土壤矿物质是岩石经物理风化和化学风化形成的。按其成土壤矿物质是岩石经物理风化和化学风化形成的。
5、按其成因类型可以将土壤矿物质分为两类:原生矿物和次生矿物。因类型可以将土壤矿物质分为两类:原生矿物和次生矿物。石英、长石类、云母类、石英、长石类、云母类、辉石、角闪石、橄榄石、辉石、角闪石、橄榄石、赤铁矿、磁铁矿、磷灰石、赤铁矿、磁铁矿、磷灰石、黄铁矿黄铁矿原生矿物原生矿物次生矿物次生矿物简单盐类简单盐类( (方解石、白云石、石膏、泻盐等方解石、白云石、石膏、泻盐等) )、三氧化物类(针铁矿、褐铁矿)、三氧化物类(针铁矿、褐铁矿)、次生铝硅酸盐(伊利石、蒙脱石、高岭石)类次生铝硅酸盐(伊利石、蒙脱石、高岭石)类土壤矿物质土壤矿物质6ppt课件 (1 1)原生矿物原生矿物 岩石经物理风化作用破碎
6、形成岩石经物理风化作用破碎形成的碎屑,即在风化过程中未改变化学组成和结构的原的碎屑,即在风化过程中未改变化学组成和结构的原始成岩矿物。颗粒比较大始成岩矿物。颗粒比较大1 10.001mm0.001mm砂粒。砂粒。 对土壤的贡献:构成土壤的骨架,提供无对土壤的贡献:构成土壤的骨架,提供无机营养物质,蕴藏着植物所需的一切元素。机营养物质,蕴藏着植物所需的一切元素。7ppt课件 硅酸盐类矿物硅酸盐类矿物 如长石(如长石(KAlSiKAlSi3 3O O8 8)、云母)、云母 (KSiKSi3 3AlAl)AlAl2 2O O1010(OHOH)2 2 等。易风化供植物吸收等。易风化供植物吸收KMgA
7、lKMgAl、FeFe元素。元素。 氧化物类矿物氧化物类矿物 如石英(如石英(SiOSiO2 2)、赤铁矿()、赤铁矿(FeFe2 2O O3 3)等。稳定,不易风化。)等。稳定,不易风化。 硫化物类矿物硫化物类矿物 黄铁矿和白铁矿(同质异构)黄铁矿和白铁矿(同质异构),化学式均为,化学式均为FeSFeS2 2。极易风化,。极易风化,S S主要来源。主要来源。 磷酸盐类矿物磷酸盐类矿物 主要有磷灰石主要有磷灰石CaCa5 5(POPO4 4)3 3FF和氯磷灰石和氯磷灰石CaCa5 5(POPO4 4)3 3ClCl。还有少量的。还有少量的FePOFePO4 4AlPOAlPO4 4。无机磷的
8、主要来源。无机磷的主要来源。原生矿物主要有原生矿物主要有四四类:类:8ppt课件 (2 2)次生矿物次生矿物 原生矿物经化学风化后形成的原生矿物经化学风化后形成的新矿物,其化学组成和晶体结构均有改变。新矿物,其化学组成和晶体结构均有改变。 次生矿物通常分次生矿物通常分三三类:类: 简单盐类简单盐类 如方解石(如方解石(CaCOCaCO3 3)、白云石)、白云石CaCa,MgMg(COCO3 3)2 2 、石膏(、石膏(CaSOCaSO4 42H2H2 2O O)、泻盐)、泻盐(MgSOMgSO4 47H7H2 2O O) 、芒硝(、芒硝(NaNa2 2SOSO4 410H10H2 2O O)、
9、水氯镁)、水氯镁石(石(MgClMgCl2 26H6H2 2O O)等。常见于干旱、半干旱地区。)等。常见于干旱、半干旱地区。风化最终产物易溶于水,淋溶流失。风化最终产物易溶于水,淋溶流失。 9ppt课件 三氧化物三氧化物 如针铁矿(如针铁矿(FeFe2 2O O3 3H H2 2O O)、褐铁矿)、褐铁矿(2Fe2Fe2 2O O3 33H3H2 2O O)、三水铝石()、三水铝石(AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O)等。硅)等。硅酸盐类矿物彻底风化的产物。常见于湿热带和亚热酸盐类矿物彻底风化的产物。常见于湿热带和亚热带。带。 次生铝硅酸盐类次生铝硅酸盐类 这类矿物是由长石等原生
10、硅这类矿物是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成的。又称粘土矿物,分为伊利石、酸盐矿物风化后形成的。又称粘土矿物,分为伊利石、蒙脱石和高岭石。蒙脱石和高岭石。 1 土壤化学土壤化学 10ppt课件 次生矿物有次生矿物有晶态晶态和和非晶态非晶态之分。晶态的次生矿物之分。晶态的次生矿物主要包括铝硅酸盐盐类粘土矿。非晶态次生矿物主要主要包括铝硅酸盐盐类粘土矿。非晶态次生矿物主要呈胶膜状态包裹于土粒表面,如水合氧化铁、铝、硅呈胶膜状态包裹于土粒表面,如水合氧化铁、铝、硅等,也有呈粒状凝胶,成为极细的土粒,如水铝石类。等,也有呈粒状凝胶,成为极细的土粒,如水铝石类。 次生矿物多数颗粒细小(粒径小于次生矿物多
11、数颗粒细小(粒径小于0.001mm0.001mm),),具有胶体性质,是土壤固相物质中具有胶体性质,是土壤固相物质中最活跃的部分最活跃的部分,它,它影响着土壤许多重要的物理、化学性质,如土壤的颜影响着土壤许多重要的物理、化学性质,如土壤的颜色、吸收性、膨胀收缩性、粘性、可塑性、吸收能力色、吸收性、膨胀收缩性、粘性、可塑性、吸收能力和化学活性。和化学活性。11ppt课件2. 土壤有机质土壤有机质 土壤有机质土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称。是土壤中含碳有机化合物的总称。(2 石块石块 3 石块石块 3 砾石砾石 31 粗砾粗砾 32粗砂粗砂 20.2 粗砂粗砂 10.50 极粗砂极粗砂 2
12、1细砂细砂 0.20.02 中砂中砂 0.50.25 粗砂粗砂 10.5 细砂细砂 0.250.05 中砂中砂 0.50.25 细砂细砂 0.250.10 极细砂极细砂 0.100.05粉砂粒粉砂粒 0.020.002 粗粉砂粗粉砂 0.050.01 粉砂粉砂 0.050.002 中粉砂中粉砂 0.010.005 细粉砂细粉砂 0.0050.001粘粒粘粒 0.002 粗粘粒粗粘粒(粘质的粘质的) 0.0010.0005 粘粒粘粒 0.002 细粘粒细粘粒(胶质的胶质的) 0.00050.0001 胶体胶体 0.0001砂砂粒粒砂砂粒粒砂砂粒粒粉粉砂砂粒粒土壤的组成和性质土壤的组成和性质17p
13、pt课件三、三、 土壤吸附性土壤吸附性 土壤中两个最活跃的组分是土壤中两个最活跃的组分是土壤胶体和土壤微土壤胶体和土壤微生物生物,它们对污染物在土壤中的迁移转化有重要作,它们对污染物在土壤中的迁移转化有重要作用。用。 胶体体系由粒子和介质组成。粒子大小至少在胶体体系由粒子和介质组成。粒子大小至少在一维方向上为一维方向上为30-10000 左右。粒子叫胶粒或分散相;左右。粒子叫胶粒或分散相;介质叫分散介质或连续相。介质叫分散介质或连续相。土壤的组成和性质土壤的组成和性质18ppt课件1. 土壤胶土壤胶体的性质体的性质(1)土壤胶体具有巨大的比表面和表面能。土壤胶体具有巨大的比表面和表面能。比表面
14、比表面是单位质量的物质的表面积。胶体内部分子在是单位质量的物质的表面积。胶体内部分子在各方向上受到引力相同,表面分子各方向上受各方向上受到引力相同,表面分子各方向上受到引力不等,具有一定的到引力不等,具有一定的表面能表面能土壤胶体具有巨大的比表面和表面能。土壤胶体具有巨大的比表面和表面能。土壤胶体的电性土壤胶体的电性土壤胶体的凝聚性和分散性土壤胶体的凝聚性和分散性19ppt课件(2) 土壤胶体具有双电层,土壤胶体具有双电层,微粒的内部一般带负电微粒的内部一般带负电 荷,荷,形成负离子层形成负离子层(决定电位离子层),(决定电位离子层),其外部由其外部由于电性吸引,形成一个正离子层于电性吸引,形
15、成一个正离子层(反离子层,包括反离子层,包括非活动性离子层和扩散层非活动性离子层和扩散层),合称为双电层。合称为双电层。决定电位层与液体内部的电位差为热力电位决定电位层与液体内部的电位差为热力电位0 非活动性离子层与液体内部的电位差称为非活动性离子层与液体内部的电位差称为电动电位电动电位(electrokineticspotential)。)。20ppt课件双电层的概念双电层的概念:1879年亥姆霍兹首先提出。双电年亥姆霍兹首先提出。双电层是在固层是在固-液两相的界面上形成的,正负离子分别液两相的界面上形成的,正负离子分别平行地排列在固液两相界面上,与平行板电容器平行地排列在固液两相界面上,与
16、平行板电容器相似,两层间的距离约与离子的大小相等。相似,两层间的距离约与离子的大小相等。如果固体物质是胶体系统的分散相,则在胶体粒如果固体物质是胶体系统的分散相,则在胶体粒子的周围即形成上述的双电层。子的周围即形成上述的双电层。21ppt课件 固体表面离子带相反电荷的离固体表面离子带相反电荷的离子(异电离子、补偿离子),由子(异电离子、补偿离子),由于离子的热运动,并不是全部整于离子的热运动,并不是全部整齐地排列在一个面上,而是随着齐地排列在一个面上,而是随着距界面的远近,距界面的远近,有一定的浓度分有一定的浓度分布。布。倘若取溶胶中的胶粒的一部倘若取溶胶中的胶粒的一部分为例,其电荷分布的情况
17、就如分为例,其电荷分布的情况就如右图所示。右图所示。MNBACDl+分散的双电层理论分散的双电层理论 在靠近粒子表面的一层,正离子有较大的浓度,随着与界面在靠近粒子表面的一层,正离子有较大的浓度,随着与界面距离的增大,过剩的正离子的浓度逐渐减少,直到距界面为距离的增大,过剩的正离子的浓度逐渐减少,直到距界面为l处,处,过剩正离子的浓度等于零。溶液中所有这些离子都是溶剂化的。过剩正离子的浓度等于零。溶液中所有这些离子都是溶剂化的。22ppt课件反离子:一部分为紧靠固体表面的不反离子:一部分为紧靠固体表面的不流动层,称为流动层,称为紧密层(非活动性离子紧密层(非活动性离子层)层),其中包含了被吸附
18、的离子和部,其中包含了被吸附的离子和部分过剩的异电离子分过剩的异电离子(在这里是正离子在这里是正离子),其厚度约有几个水分子的大小,即由其厚度约有几个水分子的大小,即由固体表面固体表面MN至虚线至虚线AB处为处为b处;处;MNBACDb+d另一部分包括从另一部分包括从AB到距表面为到距表面为d处,处,称为分(扩)散层,称为分(扩)散层,在这层中过剩的在这层中过剩的异电离子逐渐减少而至零。异电离子逐渐减少而至零。这一层是这一层是可以流动的。可以流动的。23ppt课件固体表面(决定性电位)固体表面(决定性电位)MN,其电位相对于其电位相对于CD处为处为0,或者,或者说说CD与与MN间的电位差为间的
19、电位差为0,这,这个电位称为总电位差,也叫热力个电位称为总电位差,也叫热力学电位学电位0。非活动性的离子层与液体间的电非活动性的离子层与液体间的电位差叫电动电位位差叫电动电位。MNBACDd0+0 0和和是不同的,随电解质浓度增加,或电解质价型增加,是不同的,随电解质浓度增加,或电解质价型增加,双电层厚度变薄,双电层厚度变薄,电势也减小。电势也减小。 双电层基本构成双电层基本构成 双电层电位与溶液中离子间关联性双电层电位与溶液中离子间关联性 0 0 取决于溶液中与固体成平衡的离子浓度取决于溶液中与固体成平衡的离子浓度 与电荷符号、价位、电荷量、浓度有关与电荷符号、价位、电荷量、浓度有关24pp
20、t课件土壤双电层示意图土壤双电层示意图25ppt课件(3) 土壤胶体的凝聚性和分散性土壤胶体的凝聚性和分散性 土壤溶液中,胶体常带负电荷,所以胶体微粒间又土壤溶液中,胶体常带负电荷,所以胶体微粒间又因相同电荷而排斥,这是胶体的因相同电荷而排斥,这是胶体的分散性分散性。由于胶体的比表面和表面能都很大,为减小表面能,由于胶体的比表面和表面能都很大,为减小表面能,胶体具有相互吸引、凝聚的趋势,这就是胶体的胶体具有相互吸引、凝聚的趋势,这就是胶体的凝凝聚性聚性。26ppt课件影响因素影响因素.土壤胶体的电动电位和扩散厚度土壤胶体的电动电位和扩散厚度电动电位高,分散性强;电动电位高,分散性强;.阳离子浓
21、度上升会增强凝聚性阳离子浓度上升会增强凝聚性土壤溶液中阳离子增多,由于土壤表面的负电荷被中和,电动土壤溶液中阳离子增多,由于土壤表面的负电荷被中和,电动电位降低和扩散层厚度减小。可以加强凝聚作用。电位降低和扩散层厚度减小。可以加强凝聚作用。Na+K+NH4+ H+Mg2+ Ca2+Al3+蒙脱石蒙脱石水化云母水化云母高岭土高岭土含水氧化铁、铝。含水氧化铁、铝。土壤质地越细,阳离子交换量越高。土壤质地越细,阳离子交换量越高。土壤胶体中土壤胶体中SiO2/R2O3(Al2O3或或,Fe2O3)比值越大,阳离子比值越大,阳离子交换量越大;交换量越大;pH下降,阳离子交换量降低。下降,阳离子交换量降低
22、。1)阳离子:)阳离子:离子电荷数越高,阳离子交换能力越强;离子电荷数越高,阳离子交换能力越强; 同价离子中,离子半径越大,水化离子半径就越小,同价离子中,离子半径越大,水化离子半径就越小,具有较强的交换能力。具有较强的交换能力。影响影响交换能力因素交换能力因素29ppt课件土壤可交换性阳离子土壤可交换性阳离子致酸离子:致酸离子:H+、Al3+(水解显酸性)(水解显酸性)盐基离子:盐基离子:Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+盐基饱和土壤盐基饱和土壤:当土壤吸附饱和时:当土壤吸附饱和时,土壤胶体上吸附的阳离子土壤胶体上吸附的阳离子均是盐基离子,盐基饱和度均是盐基离子,盐基饱和度100%盐
23、基不饱和土壤盐基不饱和土壤:当土壤吸附饱和时:当土壤吸附饱和时, 土壤胶体上吸附的阳离土壤胶体上吸附的阳离子有一部分为致酸离子,则这种土壤为盐基不饱和土壤;子有一部分为致酸离子,则这种土壤为盐基不饱和土壤;全部为致酸离子时,盐基饱和度为全部为致酸离子时,盐基饱和度为0盐基饱和度盐基饱和度:在土壤交换性阳离子中,盐基离子所占的百:在土壤交换性阳离子中,盐基离子所占的百分数为盐基饱和度分数为盐基饱和度%100cmol/kg)cmol/kg)阳离子交换总量(交换性盐基总量(盐基饱和度30ppt课件(2) 土壤胶体的阴离子交换吸附土壤胶体的阴离子交换吸附:自身带正电荷的自身带正电荷的胶体离子所吸附的阴
24、离子与溶液中的阴离子的交胶体离子所吸附的阴离子与溶液中的阴离子的交换作用换作用阴离子交换吸附是可逆过程,服从质量作用定律。阴离子交换吸附是可逆过程,服从质量作用定律。但是土壤阴离子交换吸附比较复杂,土壤阴离子交但是土壤阴离子交换吸附比较复杂,土壤阴离子交换时常伴随有换时常伴随有化学固定作用化学固定作用,即交换性阴离子可与,即交换性阴离子可与胶体微粒或溶液中的阳离子(胶体微粒或溶液中的阳离子(CaCa2+2+、FeFe3+3+、AlAl3+3+等)等)形成难溶沉淀而被形成难溶沉淀而被强烈吸附。强烈吸附。如:如: Fe3+PO43- FePO4AlAl3+3+PO+PO4 43- 3- AlPOA
25、lPO4 431ppt课件四土壤酸碱性四土壤酸碱性1. 土壤酸度土壤酸度根据土壤中根据土壤中H+的存在方式,土壤酸度:的存在方式,土壤酸度:活性酸度活性酸度潜性酸度潜性酸度(1) 活性酸度:是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映,活性酸度:是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映,又称为有效酸度,通常用又称为有效酸度,通常用pH表示。表示。土壤溶液中氢离子的来源:土壤溶液中氢离子的来源:CO2溶于水形成碳酸、溶于水形成碳酸、有机酸、矿物质氧化无机酸、酸沉降有机酸、矿物质氧化无机酸、酸沉降32ppt课件(2) 潜性酸度:土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附潜性酸度:土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换性的可代
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