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1、第九、十章第九、十章 土壤胶体和土壤化学性质土壤胶体和土壤化学性质【教学目标】了解土壤胶体的种类、性质，掌握土壤胶体对阳离子、阴离子的吸附作用及影响因素；了解土壤酸碱性、氧化还原反应产生的机制、缓冲性及影响因素，掌握调节途径；及其对植物生长的影响。1第一节第一节 土壤胶体土壤胶体第二节第二节 土壤的吸附（吸收）性能土壤的吸附（吸收）性能 与离子交换作用与离子交换作用第三节第三节 土壤酸碱性土壤酸碱性第四节第四节 土壤的氧化还原作用土壤的氧化还原作用第五节第五节 土壤缓冲性土壤缓冲性2第一节第一节 土壤胶体土壤胶体一、土壤胶体的概念一、土壤胶体的概念二、土壤胶体的种类二、土壤胶体的种类三三 、壤
2、胶体的基本构造、壤胶体的基本构造四、土壤胶体的基本性质四、土壤胶体的基本性质3雾，尘，烟雾，尘，烟牛奶牛奶4一、土壤胶体的概念一、土壤胶体的概念（一）胶体是一种分散系统（一）胶体是一种分散系统分散介质：土壤溶液和土壤空气分散相：土壤固相颗粒（二）分散相的大小范围（二）分散相的大小范围土壤胶体：0.001mm（1m）1nm。一般胶体：0.1m1nm。5二、土壤胶体的种类二、土壤胶体的种类（一）有机胶体（一）有机胶体土壤中的有机物质，尤其是腐殖质（主体）；微生物是一种生物胶体（少量，活跃，作用大，易分解）。（二）无机胶体（二）无机胶体层状铝硅酸盐矿物和无定形氧化物。（三）有机（三）有机无机复合胶体
3、无机复合胶体土壤有机质的绝大部分是以有机无机复合体的形式存在的。土壤的有机无机复合体中含C量占土壤总C量的百分数称为有机无机复合度有机无机复合度。一般为50%70%。67层状铝硅酸盐89高膨胀性的蒙脱石粘土矿物高膨胀性的蒙脱石粘土矿物封水塘封水塘10低膨胀性的高岭石粘土矿物低膨胀性的高岭石粘土矿物制砖、陶瓷制砖、陶瓷11粘粒含量高的土壤干燥龟裂粘粒含量高的土壤干燥龟裂12三、土壤胶体的基本构造三、土壤胶体的基本构造胶体微粒构造图胶体微粒构造图胶粒（基本单元）胶粒（基本单元）（一）微粒核（胶核）（一）微粒核（胶核）（二）双电层结构（二）双电层结构全电位全电位电动电位电动电位决定电位离子层与扩散层
4、外缘的电位差决定电位离子层与扩散层外缘的电位差胶体本身特性胶体本身特性电动电位高低决定于非活性补偿离子层与扩散层外缘的电位差。扩散层离子少，水化度大扩散层厚，电动电位高，反之则反。13 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，形成了由一层固相表面电荷和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，称为双电层结构。图图82 双电层模型双电层模型14 Boltzmann Boltzmann方程方程 Cx=Coexp( ) GouyGouy（19101910）和ChapmanChapman（19131913）提出的双电层模型 x=x= o o exp( -K exp( -
5、K x )x ) 式中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：k k3103107 7 Z Z C Co o1/K称为扩散双电层的厚度。 离子价数越高，离子浓度越大，K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。15 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 16四、土壤胶体的基本性质四、土壤胶体的基本性质（一）胶体的表面积和表面能（一）胶体的表面积和表面能比表面=总面积/质量例如, 设有一半径为r的球形土粒, 土壤的密度为2.
6、65g/cm3, 则其比面为 比表面4r2/(4/3r32.65)1.13/r(cm2/g)表面能界面上的物质分子(表面分子)所具有的多余的不饱和能量17层状铝硅酸盐的内外表面胶体电子显微图像18各种胶体的比表面积 胶体类型胶体类型 比表面积比表面积(m(m2 2gg-1-1) ) 蒙脱石蒙脱石 600 600800800 伊利石伊利石 50 50200200 高岭石高岭石 1 140 40 蛭蛭 石石 600 600800800 水铝英石水铝英石 70 70300300 腐殖质腐殖质 800 80090090019（二）土壤胶体的带电性（二）土壤胶体的带电性土壤电荷的来源：土壤电荷的来源：同
7、晶置换（永久电荷）: 蒙、伊高矿物晶格断键（永久电荷）:高伊蒙表面分子的解离（可变电荷，pH影响）一般情况下，土壤胶体的净电荷常表现为负电荷分为永久电荷永久电荷和可变电荷可变电荷 Si4+ Al3+Al3+ Fe2+、Mg2+、Ca2+20 可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团的解离：A.A. 含水氧化硅的解离B.B. 粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离C.C. 腐殖质上某些官能团的解离D.D. 含水氧化和水铝石表面的分子中OH的解离； pHCa2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+2627第二节第二节 土壤的吸附（吸收）性能土壤的吸附（吸收）性能与离子交换作用与离子交换作用一、土壤吸附（吸
8、收）性的含义二、土壤吸附（吸收）的类型及意义三、土壤的离子交换作用四、对土壤肥力的影响28一、土壤吸附（吸收）性的含义一、土壤吸附（吸收）性的含义土壤的吸附（吸收）性吸附（吸收）性是指土壤能吸附（吸收）并保持一些物质的性质。它主要是吸收（附）并保持土壤溶液中的离子离子、分子分子及一些悬浮物质悬浮物质的性质。29腐殖质胶体对阳离子的吸附腐殖质胶体对阳离子的吸附30二二 土壤吸收性能的类型及意义土壤吸收性能的类型及意义（一）机械吸收性能（一）机械吸收性能 （土壤孔隙对物质的机械阻留）（二）物理吸收性能（二）物理吸收性能（表面能，主要是分子态物质）（三）化学吸收性能（三）化学吸收性能（沉淀，主要是阴
9、离子）（四）生物吸收性能（四）生物吸收性能 （生物对养分的吸收固定） 三个特点：三个特点：选择性、表聚性和创造性选择性、表聚性和创造性31土壤胶体所带的负（正）电荷负（正）电荷，吸附土壤溶液中电性相反电性相反的离子，被吸附的离子还能与土壤溶液中的同电性的离子同电性的离子发生交换交换而达到动态平衡动态平衡。也叫“土壤的离子交换作用”(五）物理化学吸收性能五）物理化学吸收性能（主要是土壤胶体静电力作用）土壤的阳阳离子交换土壤的阴阴离子交换32根据吸附机理吸附机理，可把土壤吸附性能分为：交换性吸附、专性交换性吸附、专性吸附、负吸附三种。吸附、负吸附三种。1 、阳离子吸附、阳离子吸附（1）交换性吸附交
10、换性吸附 靠静电引力（库仑力）从从溶液中吸附反号电荷离子或极性分子，所吸附的离子吸附的离子（极性分子）可与溶液中的其它离子其它离子进行交换。这种能相互交换的阳离子叫交换性阳离子。土壤胶体NH4NH4KNaKNaHMg+3Ca2+土壤胶体CaCaCaHMg+2K+2Na+2NH4+33致酸离子致酸离子：Al3+和H+,和土壤酸度有密切关系盐基离子盐基离子：其它阳离子盐基饱和土壤盐基饱和土壤和盐基不饱和土壤盐基不饱和土壤盐基饱和度盐基饱和度盐基饱和度交换性盐基量/交换性阳离子总量100影响阳离子吸附的速度、数量和强度速度、数量和强度决定于胶体表面电胶体表面电位、离子价数和半径位、离子价数和半径等因
11、素。34（2）专性吸附）专性吸附 是非静电因素引起的土壤胶体对离子的吸附，是指离子通过与胶体表面离子交换与晶体上的阳离子共享1-2个氧原子，形成共价键而被吸附的现象。OH-1O-M0Fe+M2+Fe+H+OHOH或M2+H2O=MOH+H+OH-1O-MOH-1Fe+MOH+Fe+H+OHOH352、阴离子吸附、阴离子吸附（1）阴离子的静电吸附（交换吸附）阴离子的静电吸附（交换吸附）土壤胶体表面带有少量正电荷对阴离子的吸附。主要吸附的阴离子有Cl-、NO3-、ClO4-等。（2）阴离子的负吸附）阴离子的负吸附一般情况下土壤主要带负电荷负电荷，对阴离子阴离子具有排斥排斥作用，使土壤胶体表面阴离子
12、的浓度低于整体溶液中该离子浓度的现象。36（3）阴离子专性吸附）阴离子专性吸附阴离子进入粘土矿物粘土矿物或氧化物氧化物表面的金属原子的配配位壳位壳中，与配位壳中的羟基羟基或水合基水合基重新配位，并直接通过共价键共价键或配位键配位键结合在固体表面。OH20OH20M+F-M+OH-OHF37阴离子吸附能力分类：阴离子吸附能力分类：根据阴离子阴离子在土壤中吸附能力吸附能力大小，可分为三类：易易被吸附的阴离子阴离子（磷酸根、硅酸根、有机酸根离子）极少极少吸附或负负吸附的阴离子阴离子（氯离子、硝酸根、亚硝酸根）介于两者两者之间的阴离子阴离子（硫酸根、碳酸根离子）各种阴离子阴离子被土壤吸附的次序如下：F
13、- 草酸根柠檬酸根 H2PO4- HCO3- HBO3- SO42- Cl - NO3-38三、土壤的离子交换作用三、土壤的离子交换作用离子交换作用离子交换作用：在土壤溶液中存在的阳离子阳离子可以将胶体上吸附的阳离子阳离子代换下来，即溶液中的离子与胶体表面上的离子互换位置。（一）离子交换的反应过程（一）离子交换的反应过程离子解吸离子解吸离子吸附离子吸附39（二）交换反应的基本规律（二）交换反应的基本规律可逆性可逆性等当量性等当量性受质量作用定律的支配受质量作用定律的支配 K=产物1产物2/反应物1反应物2反应迅速反应迅速土壤阳离子交换作用的特征土壤阳离子交换作用的特征402 胶体的表面性质胶体
14、的表面性质3 酸度与温度条件酸度与温度条件离子的电荷数离子的水化半径离子的浓度Fe3+ Al3+ H+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+（三）影响交换反应的因素和条件（三）影响交换反应的因素和条件1离子交换能力离子交换能力41由库仑定律可知:土壤胶体表面所带的负电荷愈多，吸附的阳离子数量就愈多；土壤胶体表面的电荷密度愈大，阳离子所带的电荷愈多，则离子吸附得愈牢。 M3+M2+M+ Al3Mn2Ca2K+Rb+NH4+K+Na+Li+ 42表82 离子半径与吸附力一价离子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
15、(nm)1.0080.7900.5370.5320.509强强弱弱交换能力43（四）阳离子交换量（四）阳离子交换量阳离子交换量阳离子交换量：土壤能吸附的交换性阳离子的最大量用cmol（+）/kg表示，一般在pH=7的条件下（即用中性的溶中性的溶液作交换剂液作交换剂）测定。(CEC, Cation Exchange Capacity)20cmol(+)/kg干土干土较大较大保肥力和缓冲性能的指标：保肥力和缓冲性能的指标：44CEC的测定原理的测定原理45*影响土壤阳离子交换量的因素有：（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大。质地砂土砂壤土壤土粘土CEC1578151825
16、30（2）有机质 OM % CEC（3）胶体的性质及构造 蒙脱石 高岭石（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤的可变电荷 增加，土壤的阳离子交换量也增加。46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(cmol/kg干土干土)不同不同pH值下粘粒矿物的交换量值下粘粒矿物的交换量胶体种类SiO2/R2O3一般范围平均值蒙脱石46010080伊利石34204030高岭石251510含水氧化铁、铝极微有机胶体20050035047（一）土壤吸收性能对土壤养分状况的影响（一）土壤吸收性能对土壤养分状况的影响（1）影响土壤的保肥性（2）影响土壤的供肥能力（二）影响土壤的酸碱性
17、（二）影响土壤的酸碱性（三）影响土壤的缓冲性（三）影响土壤的缓冲性（四）影响土壤的物理性质（四）影响土壤的物理性质四、土壤吸收性能对土壤肥力的影响四、土壤吸收性能对土壤肥力的影响48本章小结土壤胶体土壤胶体：含义、类型和基本构造含义、类型和基本构造 离子吸附（吸收）作用：离子吸附（吸收）作用：原因、类型及对原因、类型及对土壤性状产生的影响土壤性状产生的影响 土壤的离子交换作用：土壤的离子交换作用：何谓离子交换作用、吸何谓离子交换作用、吸附、解吸和平衡附、解吸和平衡 49思考题思考题1.什么是土壤胶体、土壤阳离子交换、交换性阳离子、盐基饱和度、盐基不饱和度？交换反应的基本规律？2.有机、无机胶体的结合机制和方式有那几种？3.了解土壤的双电层结构。影响土壤胶体凝聚和分散的原因有那些？4.土壤吸收性能有几种？5.阳离子交换量的主要特征是什么？影响阳离子交换量大小的因素有哪些？50
