土壤学第八章-土壤胶体表面化学课件.ppt

1、下午9时36分18 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学学习目标学习目标 掌握有关掌握有关“土壤胶体表面类型土壤胶体表面类型”、“土壤胶体对土壤胶体对阴阳离子吸附阴阳离子吸附”等的重要概念、基本原理和计算方法，等的重要概念、基本原理和计算方法，以及土壤胶体的表面性质；了解土壤胶体的表面电位以及土壤胶体的表面性质；了解土壤胶体的表面电位和和土壤胶体对阳离子专性吸附的机理，以及土壤胶体土壤胶体对阳离子专性吸附的机理，以及土壤胶体对阳离子专性吸附的实际意义对阳离子专性吸附的实际意义。下午9时36分2 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学8-1 8-1 土壤胶体的表面类型与构造土壤胶体的表面类型与

2、构造 一、硅氧烷型表面一、硅氧烷型表面 二、水合氧化物型表面二、水合氧化物型表面 三、有机物型表面三、有机物型表面8-2 8-2 土壤胶体表面性质土壤胶体表面性质 一、土壤胶体的比表面一、土壤胶体的比表面 二、土壤胶体表面电荷二、土壤胶体表面电荷 三、土壤胶体表面电位三、土壤胶体表面电位8-3 8-3 土壤胶体对阳离子的吸附与交换土壤胶体对阳离子的吸附与交换 一、离子吸附的概念一、离子吸附的概念 二、阳离子静电吸附二、阳离子静电吸附 三、阳离子交换作用三、阳离子交换作用 四、阳离子交换量四、阳离子交换量 五、盐基饱和度五、盐基饱和度 六、交换性阳离子的有效度六、交换性阳离子的有效度 七、土壤胶

3、体对阳离子的专性吸附七、土壤胶体对阳离子的专性吸附8-4 8-4 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 一、土壤对阴离子吸附一、土壤对阴离子吸附 二、二、阴离子的静电吸附阴离子的静电吸附 三、阴离子专性吸附三、阴离子专性吸附 下午9时36分38 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学8-1 8-1 土壤胶体的表面类型与构造土壤胶体的表面类型与构造 土壤胶体：土壤胶体：一般将土壤颗粒规定为一般将土壤颗粒规定为d d0.001mm,0.001mm,即即1m1m，这样大小的颗粒已明显表，这样大小的颗粒已明显表现出胶体性质现出胶体性质(土壤黏粒又称为土壤胶粒土壤黏粒又称为土壤胶粒)。

4、土壤胶体的基本构造土壤胶体的基本构造+-+-+-+-+-+-+-+-+-+本体溶液扩散层决定电位离子层非活性补偿离子层微粒核双电层结构：当静电引力与热扩散相平衡时，在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与一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布的空间结构下午9时36分48 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学 微粒核微粒核(胶核胶核)：核心、基本物质。腐殖质、核心、基本物质。腐殖质、SiOSiO2 2、氧化铝、氧化铁、铝硅酸盐、蛋白质及有、氧化铝、氧化铁、铝硅酸盐、蛋白质及有机无机胶体分子群。机无机胶体分子群。双电层：双电层：（1 1）决定电位离子层：固定在胶核表面，并决定

5、其电荷和电位的一层离子。）决定电位离子层：固定在胶核表面，并决定其电荷和电位的一层离子。它是由胶体表面的分子解离为离子，或从溶液中吸附某一种离子而构成。它是由胶体表面的分子解离为离子，或从溶液中吸附某一种离子而构成。（2 2）补偿离子层：由于胶体表面决定电位离子层带电，产生电场和静电引力，）补偿离子层：由于胶体表面决定电位离子层带电，产生电场和静电引力，吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，形成补偿离子层。吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，形成补偿离子层。A.A.非活性补偿离子层：非活性补偿离子层：补偿离子层的内层补偿离子层的内层，靠近决定电位离子层靠近决定电位离子层，受到的受到的静电引力强，离子被牢

6、牢吸引，成平行密实排列，不易自由解离，只静电引力强，离子被牢牢吸引，成平行密实排列，不易自由解离，只能随着胶核移动。能随着胶核移动。B.B.扩散层：扩散层：在非活性补偿离子层的外面，受到的静电引力小，活动性大。在非活性补偿离子层的外面，受到的静电引力小，活动性大。同时还受离子均匀分布热运动的影响，使此层阳离子数随其距胶粒表同时还受离子均匀分布热运动的影响，使此层阳离子数随其距胶粒表面距离的增大而减少，由稠密到稀疏，呈扩散状态面距离的增大而减少，由稠密到稀疏，呈扩散状态(至本溶液至本溶液)。下午9时36分58 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学土壤胶体分散系土壤胶团土壤溶液胶核双电层定位离子层

7、（内层）补偿离子层非活性层扩散层反离子层胶粒下午9时36分6 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学 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-无机无机复合胶体复合胶体。按表面位置分：按表面位置分：内表面内表面 膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子内的表面，其膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子内的表面，其表面反应为缓慢渗入过程。表面反应为缓慢渗入过程。外表面外表面 粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化物等包被的表面，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。表面反应迅速。硅氧烷型表面硅氧烷型表面(硅氧片的表面

8、硅氧片的表面)按土壤胶体表面的化学结构特点，分三类表面：按土壤胶体表面的化学结构特点，分三类表面：羟基化羟基化(水合氧化物型水合氧化物型)表面表面(R(ROH)OH)有机物表面有机物表面 下午9时36分78 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学 一、硅氧烷型表面一、硅氧烷型表面(硅氧片表面硅氧片表面/非极性疏水表面非极性疏水表面)硅氧烷硅氧烷 SiOSiSiOSi。21 21型粘粒型粘粒(蒙脱石蒙脱石)的上、下两面；的上、下两面；1111型粘粒型粘粒(高岭石高岭石)1/2)1/2面。面。主要电荷来源为同晶置换主要电荷来源为同晶置换(Al(Al3+3+SiSi4+4+)，少部分是边角断键。，少部

9、分是边角断键。2121型粘粒型粘粒 1111型粘粒型粘粒下午9时36分8 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学二、羟基化二、羟基化(水合氧化物型水合氧化物型)表面表面(R(ROH)OH)M(M(金属离子金属离子)-OH)-OH，铝醇，铝醇Al-OHAl-OH，铁醇，铁醇Fe-OHFe-OH，硅醇，硅醇Si-OHSi-OH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。水合氧化物型表面是极性的亲水表面。电荷来源为表面水合氧化物型表面是极性的亲水表面。电荷来源为表面-OH-OH基质基质子的缔合子的缔合(-OH(-OH2 2+)或离解或离解(-OH-O(-

10、OH-O-+H+H+)。可变电荷。可变电荷。三、有机物型表面三、有机物型表面 腐质物质为主的表面，表面羧基、酚羟基、氨基、醌基、醛基、腐质物质为主的表面，表面羧基、酚羟基、氨基、醌基、醛基、甲氧基等活性基团。离解甲氧基等活性基团。离解 H H+或缔合或缔合 H H+产生表面电荷。可变电荷。产生表面电荷。可变电荷。以上三类土壤胶体表面往往相互交织在一起，使土壤胶体表面性以上三类土壤胶体表面往往相互交织在一起，使土壤胶体表面性质发生复合性改变。质发生复合性改变。下午9时36分98 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学 8-2 8-2 土壤胶体表面性质土壤胶体表面性质 一、土壤胶体的比表面一、土壤胶

11、体的比表面(一一)土壤胶体的表面积和表面能土壤胶体的表面积和表面能 比表面是指单位质量的物质的表面积总和比表面是指单位质量的物质的表面积总和(比表面总面积比表面总面积 /质量质量)。球形土粒比表面：比表面球形土粒比表面：比表面4r4r2 2(4/3r(4/3r3 32.65)2.65)1.13/r(cm1.13/r(cm2 2/g)/g)土壤胶体比表面和土壤颗粒半径成反比。土壤胶体比表面和土壤颗粒半径成反比。土壤胶粒比表面积愈大，表面能愈大。表面能的大小与比表面呈正相关，表面能愈高，土土壤胶粒比表面积愈大，表面能愈大。表面能的大小与比表面呈正相关，表面能愈高，土壤胶体产生的物理吸附作用就愈强。

12、壤胶体产生的物理吸附作用就愈强。比表面能(吸附能力产生的主要原因)土壤胶体内部分子处在周围分子之间，在各个方向上受到吸引力相等而相互抵消，土壤胶体表面分子则不同，由于它们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，所以在土壤胶体表面具有多余的表面能，这种能量产生于土壤胶体表面，故称为表面能。下午9时36分10 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学(二二)比表面积的测定方法比表面积的测定方法 1.1.仪器法仪器法 先用指定的仪器先用指定的仪器(激光衍射法粒度分析仪激光衍射法粒度分析仪)测得有代表性的土壤或测得有代表性的土壤或粘土矿物颗粒的形状和大小粘

13、土矿物颗粒的形状和大小，再计算其理论比表面积再计算其理论比表面积，又称为计算法。又称为计算法。由于土壤胶体组成的非均一性和复杂性，该法难以用于土壤及其胶体由于土壤胶体组成的非均一性和复杂性，该法难以用于土壤及其胶体比表面积的测定。它主要用于确定结晶良好、组成一定的纯矿物颗粒比表面积的测定。它主要用于确定结晶良好、组成一定的纯矿物颗粒的比表面积。的比表面积。2.2.吸附法吸附法 用分子大小为已知的指示吸附质在土粒表面形成单分子层吸附，用分子大小为已知的指示吸附质在土粒表面形成单分子层吸附，并用单个分子的面积乘以在土粒表面形成单分子层吸附时所需分子的并用单个分子的面积乘以在土粒表面形成单分子层吸附

14、时所需分子的数目，从而得到土壤颗粒的比表面。数目，从而得到土壤颗粒的比表面。下午9时36分11 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学二、土壤胶体表面电荷二、土壤胶体表面电荷(一一)土壤胶体电荷的种类土壤胶体电荷的种类1.1.永久电荷永久电荷(内电荷内电荷)永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。当由同晶置换形成矿物的新的结永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。当由同晶置换形成矿物的新的结晶时，其具有的电荷就不受外界环境晶时，其具有的电荷就不受外界环境(如如pHpH、电解质浓度等、电解质浓度等)影响，故称为永久电荷、影响，故称为永久电荷、恒电荷或结构电荷。同晶置换作用是恒电荷或结构电荷

15、。同晶置换作用是2:12:1型层状硅酸盐黏土矿物负电荷的主要来源。型层状硅酸盐黏土矿物负电荷的主要来源。2 2可变电荷可变电荷 测定土壤电荷量时，常发现有部分电荷是随测定土壤电荷量时，常发现有部分电荷是随pHpH的变化而变化的，这种电荷称为可的变化而变化的，这种电荷称为可变电荷。土壤有机质表面的可变电变电荷。土壤有机质表面的可变电荷可来自羧基、氨基、酚羟基等的荷可来自羧基、氨基、酚羟基等的质子化或脱质子：质子化或脱质子：R-COOH=R-C00R-COOH=R-C00-+H+H+R-NH R-NH2 2+H+H2 20=R-NH0=R-NH4 4+0H+0H-(二二)电荷符号电荷符号(+-)(

16、+-)(三三)电荷数量电荷数量 阳离子交换量阳离子交换量cmol(+)/kgcmol(+)/kg下午9时36分12 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学 Cx和Co分别为距离表面X处反号离子的浓度和本体溶液中反号离子的 浓度(mol/L);Z为反号离子价数;R为气体常数;T为绝对温度;F为法拉第 常数;x为距离表面X处的电位。土壤胶粒表面带有负电荷，在紧靠胶粒表面分布着较多的阳离子，随着距离的增加，土壤胶粒表面带有负电荷，在紧靠胶粒表面分布着较多的阳离子，随着距离的增加，阳离子的分布趋于均匀，到本体溶液时，阳离子呈均匀分布；而阴离子则是在表面附近较阳离子的分布趋于均匀，到本体溶液时，阳离子

17、呈均匀分布；而阴离子则是在表面附近较少，随着距离的增加而趋于均匀分布。离子分布用波尔兹曼少，随着距离的增加而趋于均匀分布。离子分布用波尔兹曼(Boltzmann)(Boltzmann)方程来描述：方程来描述：Cx=Coexp()RTxZF 古依古依-查普曼查普曼(Gouy-Chapman)(Gouy-Chapman)双电层模型双电层模型 x x=o o exp(-kx)exp(-kx)o为表面电位，k是与离子浓度、价数、介电常数和温度有关的常数。在室温 下：k310 7 ZCo 1/k称为扩散双电层的厚度。exp-以自然对数e为底指数函数 离子价数越高，离子浓度越大，离子价数越高，离子浓度越大

18、，K值越大，双电层的厚度越小，因此，增加离子值越大，双电层的厚度越小，因此，增加离子的价数和浓度，可使双层压缩的价数和浓度，可使双层压缩(变薄变薄)。三、土壤胶体表面电位三、土壤胶体表面电位下午9时36分13 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学8-3 8-3 土壤胶体对阳离子的吸附与交换土壤胶体对阳离子的吸附与交换一、离子吸附的概念一、离子吸附的概念 根据物理化学的反应，溶质在溶液中呈不均一的分布状态，溶液表面层中的浓度与其内部不同根据物理化学的反应，溶质在溶液中呈不均一的分布状态，溶液表面层中的浓度与其内部不同的现象称为的现象称为吸附作用吸附作用。凡使液体表面层中溶质的浓度大于液体内部

19、浓度的作用称为正吸附，反之则称。凡使液体表面层中溶质的浓度大于液体内部浓度的作用称为正吸附，反之则称为负吸附。为负吸附。土壤胶体表面或表面附近的某离子浓度高于或低于扩散层之外的自由溶液中该离子浓度，土壤胶体表面或表面附近的某离子浓度高于或低于扩散层之外的自由溶液中该离子浓度，就视为土壤胶体对该离子发生了吸附作用。就视为土壤胶体对该离子发生了吸附作用。土壤胶体一般带负电荷，通过静电土壤胶体一般带负电荷，通过静电力力(库仑力库仑力)吸附溶液中的阳离子，在胶吸附溶液中的阳离子，在胶体表面形成扩散双电层。体表面形成扩散双电层。阳离子静电吸附的速度、数量和阳离子静电吸附的速度、数量和强度，取决于胶体表面

20、电位强度，取决于胶体表面电位(电荷数和电荷数和电荷密度电荷密度)、离子价数和半径等因素。、离子价数和半径等因素。表面负电荷愈多，吸附的阳离子表面负电荷愈多，吸附的阳离子数量就愈多；表面电荷密度愈大，阳数量就愈多；表面电荷密度愈大，阳离子价数愈高离子价数愈高,吸附愈牢固。吸附愈牢固。土壤胶体对阳离子的吸附顺序：土壤胶体对阳离子的吸附顺序：M3+M2+M+Al3+Mn2+Ca2+K+Rb+NH4+K+Na+Li+随离子水合半径增大而减小 一价离子Li+Na+K+NH+4Rb+离子的真实半径(nm)0.0780.0980.1330.1430.149离子的水合半径(nm)1.0080.7900.537

21、0.5320.509离子在胶体上的吸附力 弱弱 强强二、阳离子静电吸附二、阳离子静电吸附下午9时36分14 8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学三、阳离子交换作用三、阳离子交换作用 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体表面吸附的阳离子互换位置。土壤溶液中的阳离子与土壤胶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，能被土壤溶液中的阳离子所交换的阳离子。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。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，为土壤胶体所吸附。土壤溶液中的阳离子转移到土壤胶体表面，为土壤胶

22、体所吸附。阳离子解吸：阳离子解吸：土壤胶体表面吸附的阳离子转移到土壤溶液中。土壤胶体表面吸附的阳离子转移到土壤溶液中。阳离子交换作用特点阳离子交换作用特点:(1)(1)阳离子交换作用是可逆反应阳离子交换作用是可逆反应(反应速率反应速率v v很快很快)；(2)(2)交换是等当量进行的；交换是等当量进行的；(3)(3)阳离子交换受质量作用定律的支配。阳离子交换受质量作用定律的支配。土壤中常见的几种交换性阳离子的交换能力的顺序为：土壤中常见的几种交换性阳离子的交换能力的顺序为：Fe Fe3+3+、AlAl3+3+H H+Ca Ca2+2+Mg Mg2+2+K K+Na Na+下午9时36分15 8

23、8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学四、阳离子交换量四、阳离子交换量(CEC)(CEC)土壤阳离子交换量土壤阳离子交换量(CEC)是指是指土壤所能吸附和交换的阳离子的容量，用每千克土壤土壤所能吸附和交换的阳离子的容量，用每千克土壤的一价离子的厘摩数表示的一价离子的厘摩数表示,即即cmol(+)/kg。CEC=S S-胶体的比表面；胶体的比表面；-表面电荷密度表面电荷密度。土壤阳离子交换量土壤阳离子交换量=土壤所带的负电荷的数量土壤所带的负电荷的数量影响土壤负电荷数量的因素：影响土壤负电荷数量的因素：胶体的类型。不同类型的土壤胶体，所带的负电荷差异很大。因此阳离子交换量胶体的类型。不同类型的土壤

24、胶体，所带的负电荷差异很大。因此阳离子交换量也明显不同。含腐殖质和也明显不同。含腐殖质和2:1型粘土矿物较多的土壤，其阳离子交换量较大，而含高岭石型粘土矿物较多的土壤，其阳离子交换量较大，而含高岭石和氧化物较多的土壤，其阳离子交换量较小。和氧化物较多的土壤，其阳离子交换量较小。土壤质地。土壤中带电的颗粒主要是土壤矿物胶体即粘粒部分，因此，土壤粘粒土壤质地。土壤中带电的颗粒主要是土壤矿物胶体即粘粒部分，因此，土壤粘粒的含量愈高，即土壤质地愈粘重，土壤负电荷量越多的含量愈高，即土壤质地愈粘重，土壤负电荷量越多,土壤的阳离子交换量越高。土壤的阳离子交换量越高。土壤土壤pH值。由于值。由于pH值是影响

25、可变电荷的重要因素，因此土壤值是影响可变电荷的重要因素，因此土壤pH的改变会导致土的改变会导致土壤阳离子交换量的变化。在一般情况下，随着土壤壤阳离子交换量的变化。在一般情况下，随着土壤pH值的升高，土壤可变负电荷增加，值的升高，土壤可变负电荷增加，土壤阳离子交换量增大。可见，在测定土壤阳离子交换量时，控制土壤阳离子交换量增大。可见，在测定土壤阳离子交换量时，控制pH值是很重要的。值是很重要的。（表（表8-5 不同类型土壤胶体的阳离子交换量不同类型土壤胶体的阳离子交换量）阳离子交换量在阳离子交换量在 20cmol(+)/kg以上为保肥力强的土壤；以上为保肥力强的土壤；20-10cmol(+)/k

26、g为保肥力中等为保肥力中等土壤；土壤；BC，说明这三种土壤中交换性钙的有效度的顺序也是，说明这三种土壤中交换性钙的有效度的顺序也是ABC。(三三)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，阳离子吸着于外表面上，容易解吸，有效性高；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；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；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；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 K+或或NHNH4 4+产生固定作用，降

27、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，使阳离子失去有效性。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。(四四)阳离子的固定阳离子的固定 2:12:1型黏土矿物的晶层之间，具有型黏土矿物的晶层之间，具有6 6个硅氧四面体联成的六角形网孔，孔穴的半径为个硅氧四面体联成的六角形网孔，孔穴的半径为0.140nm0.140nm，其大小恰好与其大小恰好与K K+(0.133nm)(0.133nm)和和NHNH4 4+才才(0.143nm)(0.143nm)接近。一旦接近。一旦K K+、NHNH4 4+进入矿物层间，陷入网孔中，就进入矿物层间，陷入网孔中，就很难

28、被其他阳离子交换出来，成为很难被其他阳离子交换出来，成为固定态阳离子。固定态阳离子。这种形态的阳离子，其有效性大大降低，但此这种形态的阳离子，其有效性大大降低，但此固定可以避免这些阳离子淋失，起到保存土壤养分的作用。固定可以避免这些阳离子淋失，起到保存土壤养分的作用。下午9时36分198 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学七、土壤胶体对阳离子的专性吸附七、土壤胶体对阳离子的专性吸附(一一)阳离子专性吸附的机理阳离子专性吸附的机理 土壤铁、铝、锰等氧化物胶体，其表面阳离子不饱和而水合土壤铁、铝、锰等氧化物胶体，其表面阳离子不饱和而水合(化化)，产生可离解的，产生可离解的水合基水合基(-OH(-

29、OH2 2)或羟基或羟基(-OH)(-OH)，它们与溶液中过渡金属离子，它们与溶液中过渡金属离子(M(M2+2+、MOHMOH+)作用而生成稳定性高作用而生成稳定性高的表面络合物的表面络合物,这种吸附称这种吸附称专性吸附专性吸附,不同于胶体对碱金属和碱土金属离子的静电吸附；不同于胶体对碱金属和碱土金属离子的静电吸附；过渡金属过渡金属(IB(IB、IIBIIB族等族等)，水合热较大，在水溶液中呈水合离子形态，并易水解成，水合热较大，在水溶液中呈水合离子形态，并易水解成羟基阳离子：羟基阳离子：M M2+2+H H2 2OM(HOM(H2 2O)O)2+2+MOHMOH+H H+。水解阳离子电荷减少

30、，致使其向吸附胶体。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；表面靠近的能障降低，有利于与表面的相互作用；若过渡金属呈若过渡金属呈 M M2+2+离子态被专性吸附，形成单配位基表面络合物离子态被专性吸附，形成单配位基表面络合物(-O-M)(-O-M)，反应后释，反应后释放放 1 1 个个 H H+，并引起，并引起 1 1 个电荷变化；个电荷变化；若呈若呈 MOHMOH+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)(-O-M-OH)，反应后释放，反应后释放 2 2 个个 H H+，但表面电荷不变化；，但表面电荷不

31、变化；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 pH 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 Al-OH 基和基和 Si-OH Si-OH 基与氧化物表面羟基相似，有基与氧化物表面羟基相似，有一定专性吸附能力。一定专性吸附能力。专性吸附的金属离子为非交换态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换，或在酸性条件下解吸。力更强的金属离子置换或部分置换，或在酸性条件下解吸。下

32、午9时36分208 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学(二二)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 金属离子水解和专性吸附反应均释放金属离子水解和专性吸附反应均释放H+，pH升高有利于反应进行。升高有利于反应进行。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。对阳离子专性吸附的土壤胶体主要是氧化物。非晶质的氧化锰氧化铝氧化铁。非晶质的氧化锰氧化铝氧化铁。非晶质结晶质非晶质结晶质 (三三)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 在红壤、黄壤的铁锰结核中，在红壤、黄壤

33、的铁锰结核中，Zn、Co、Ni、Ti、Cu、V等都有富集。其中等都有富集。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。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 通过专性吸附和解吸通过专性吸附和解吸,控制土壤溶液中控制土壤溶液中Zn、Cu、Co、Mo等微量重金属离子浓度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。被从而控制其生物有效性和生物毒性。被Pb污染的土壤中加入氧化锰，可抑制植物对污染的土壤中加入氧化锰，可抑制植物对 Pb的吸收，降低

34、毒害。的吸收，降低毒害。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，对水体起一定的净化作用，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 壤带来潜在的污染危险。壤带来潜在的污染危险。下午9时36分218 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学8-4 8-4 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一、土壤对阴离子吸附一、土壤对阴离子吸附 不同阴离子被土壤吸附的力度不同，分为

35、三类：不同阴离子被土壤吸附的力度不同，分为三类：(一一)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-。阴离子被吸附的机制通常是阴离子被吸附的机制通常是化学吸附或专性吸附化学吸附或专性吸附 F-易被土壤中氧化物产生专性吸附，故土壤是易被土壤中氧化物产生专性吸附，故土壤是F-的净化剂。的净化剂。(二二)吸附力弱或进行负吸附的阴离子吸附力弱或进行负吸附的阴离子 这类阴离子包括这类阴离子包括Cl-、NO2-、NO3-等，主要是被土壤负吸附，很容易从土等，

36、主要是被土壤负吸附，很容易从土壤淋洗出去。壤淋洗出去。NO2-、NO3-的流失，不仅造成氮肥利用率降低，而且还造成水的流失，不仅造成氮肥利用率降低，而且还造成水体污染。体污染。(三三)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-，被土壤吸附力居于上述两类之间。，被土壤吸附力居于上述两类之间。下午9时36分228 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学二、阴离子的静电吸附二、阴离子的静电吸附(一一)正吸附正吸附 土壤胶体带正电荷的表面对溶液阴离子土壤胶体带正电荷的表面对溶液阴离子(主要是主要是Cl、NO3、ClO4)的吸附。的吸附。交换性吸附：交换性吸附：其

37、特点和影响因素类似于负电荷表面对阳离子的静电吸附。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。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。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，土壤胶体的正电荷基时，土壤胶体的正电荷基本消失，不发生阴离子的本消失，不发生阴离子的静电吸附。静电吸附。(二二)负吸附负吸附 土壤胶体带负电荷的表面对阴离

38、子的排斥力大小，与阴离子距土壤胶体表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。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)下午9时36分238 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学三、阴离子专性吸附三、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子的配位壳，与其阴离子作为配位体，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

39、基或水合基交换而被吸附，它发生在胶体双电层的内层。中的羟基或水合基交换而被吸附，它发生在胶体双电层的内层。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、钼、砷酸根等含氧酸根离子。和磷、钼、砷酸根等含氧酸根离子。磷酸根专性吸附：磷酸根专性吸附：下午9时36分248 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学阴离子静电吸附与专性吸附比较一览表阴离子静电吸附与专性吸附比较一览表 性性 质质静静 电电 吸吸 附附专专 性性 吸吸 附附吸附时表面电荷符号吸附时表面电荷符号+，0 0，-阴离子所起作用阴离子所起作用反离子反离子配位离子配位离子吸附机理吸附机理离子交换反应离子交换反应配位体交换反应配位体交换

40、反应吸附需要的体系吸附需要的体系pHpHZPCZPCZPCZPC，ZPCZPC吸附发生的位置吸附发生的位置扩散层扩散层双电层的内层双电层的内层对表面性质的影响对表面性质的影响无无 正电荷减少，负电荷增加正电荷减少，负电荷增加精品课件精品课件！精品课件精品课件！下午9时36分27 思考题（作业）：1.硅氧烷型表面和水化氧化物型表面有什么区别？高岭石属于什么表面类型?2.土壤电荷的主要来源有哪些？永久电荷和可变电荷有哪些区别？3.经测定，某土壤的交换性阳离子组成为：Al3+5.7cmol(+)kg-1、Ca2+1.0 cmol(+)kg-1、Mg2+0.6cmol(+)kg-1、H+0.3cmol(+)kg-1、K+0.3cmol(+)kg-1、Na+0.1cmol(+)kg-1，计算土壤盐基饱和度。该土壤是碱性土壤还是中性土壤或酸性土壤？8 8 土壤胶体表面化学土壤胶体表面化学