第八章 土壤胶体与土壤离子交换-胶体性质

土壤胶体的结构和性质
4. 土壤胶体的吸附性和交换能力
由于胶体的巨大表面能，使其对周围分 子或离子有很强的吸附力，同样胶体的电 性使其扩散层的离子与土壤溶液中的离子 有交换能力。
比表面积 （cm2·g-1）
45,200
226,000
452,000
2,260,000
很显然,土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状多种多样. 只有砂粒近 似球形,但其表面大多不平,大部分粘粒多为片状,棒状,针状, 实际上胶 体的表面积比光滑的球体大得多。
由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能。
立方体数 目 1 103 106 109 1012 1015 1018 1021
总表面积
6cm2 60cm2 600cm2 6000cm2 6m2 60m2 600m2 6000m2
比表面积 （cm2·cm-3）
6 6×10 6×102 6×103 6×104 6×105 6×106 6×107
土壤胶体的结构和性质
土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减 小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等 措施也就起了这个作用，所以晒、冻垡有利于土壤形成结构； 相反，土壤水分过多，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚， 胶粒互相排斥而成溶胶状。 常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差， 栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下， 施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+浓度，对沉实土壤， 改良土性，有明显效果。
H2SiO3
HSiO3- +H+
SiO32-+H+ （带正电）
土壤胶体的结构和性质
3. 土壤胶体的分散性和凝聚性
胶体的两种状态
溶胶
分
凝
散
聚
作
作
用
用
凝胶
胶体微粒均匀分散在水中， 呈高度分散状态
胶体微粒彼此联结凝聚在 一起而呈絮状
胶体的凝聚或分散决定于动电电位的 高低： 越高，排斥力愈强，溶胶状态。 越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶 状态。
负电。
土壤胶体的结构和性质
(3)胶体表面分子的解离 胶核表面的分子或原子团的解离,这种电荷的数量
和性质随介质的pH而改变,故称可变电荷。
来源
黏土矿物晶面上-OH的解离 含水铁、铝氧化物的解离（Al2O3·3H2O) 腐殖质上某些官能团的解离（如-COOH） 含水氧化硅的解离
土壤胶体的结构和性质
同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离子本身 半径大或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。
电解质阳离子的凝聚力大小顺序为： Fe3+> Al3+ > Ca2+> Mg2+ > H+ > NH4+ > K+ > Na+
土壤胶体的结构和性质
0.5 µm粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度
当土壤pH高于pH0值时: （相当于碱性环境）
Al2O3·3H2O
2Al(OH)2O-+2OH-
土壤胶体的结构和性质
c. 腐殖质上某些原子团的解离
高pH条件下：
-COOH
H+ + COO-
-OH
H+ + -O-
低pH条件下：
-NH2
-NH3+
土壤胶体的结构和性质
d. 含水氧化硅的解离
SiO2·H2O（或H2SiO3）的pH0值为2， 在土壤中 一般不产生正电荷，所带负电荷的量随土壤pH 值的升高而增加。
土壤胶体由于大多带有负电 荷，相互具有负电位，而互 相排斥，不易凝聚。
土壤胶体的结构和性质
电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响：
电解质的浓度愈大，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩 散层厚度，使胶粒凝聚。
电解质中异电离子的价数愈高，聚沉能力愈大， 三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子；
a. 黏土矿物晶面上-OH的解离
结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着—OH原子团，在 一定条件下： 当H+解离后，则使胶核带负电，如H2SiO3和层状硅铝 酸盐粘土矿物中解离H+后使胶核带负电。 当OH-发生解离时，则胶核带正电，如Fe(OH)3或 Al(OH)3中的OH-解离后则带正电。这种作用与普通酸碱 解离相似，受溶液的pH影响，因此称为可变电荷。
如Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等,这样晶体中就产生了剩余负电荷,这种电荷一 旦产生,就不能改变,故称永久电荷。
土壤胶体的结构和性质
四面体中的硅可被铝代换 Si4+
八面体中的铝可被铁、镁代换 Al3+
Al3+ Fe2+或Mg2+
土壤胶体的结构和性质
(2)晶格破碎边缘的断键 在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一 部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。 例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，Si—O—Si，Al— O—Al在断裂后，断面上留下Si—O-、Al—O-，从而带
因此，土壤胶体的带电性对土壤肥 力性质有重要影响。
土壤胶体的结构和性质
土壤胶体电荷的来源
指组成矿物的中心离子被电性 相同、大小相近的离子替代而 晶格构造保持不变的现象。
(1)同晶异质代换作用
层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其它相近 或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式 不变。
土壤胶体的结构和性质
如Al（OH）3在碱性环境中的解离：
Al(OH)3+NaOH
Al(OH)2O-+Na++H2O
胶核中的分子 带负电荷的胶体核粒
如Al（OH）3在酸性环境中的解离：
Al(OH)3+HCl
Al(OH)2++Cl-+H2O
胶核中的分子 带正电荷的胶体核粒
Fe(OH)3或Al(OH)3解离H+ 而成为带负电的胶体，还 是解离OH-而成为带正电
土壤胶体的结构和性质
2. 土壤胶体的带电性 由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子,使胶粒带电.
土壤中所有胶粒都是带电的（胶体的基本条件）， 这是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平 衡、氧化还原反应以及胶体的分散与絮凝等现象的 根本原因，而这些反应都直接或间接关系到土壤的 水、肥、气、热性质。
当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的正负电 荷相等时，此时胶体悬液的pH值称为等电点 (isoelectric point)。
土壤胶体的结构和性质
b. 含水氧化铁、氧化铝的解离
如三水铝石的pH0值为4.8。
当土壤pH低于pH0值时:（相当于酸性环境）
Al2O3·3H2O
2Al(OH)2++2OH-
各粒径土粒的比面
土粒 （粒径mm） 粗砂粒（1）
中砂粒（0.1）
细砂粒（0.01）
粘粒（0.001）
比表面积 （cm2·g-1）
22.6
226
2,260
22,600
土粒 （粒径mm）
粘粒（0.0005） 500nm
胶粒（0.0001） 100nm
胶粒（0.00005） 50nm
胶粒（0.00001） 10nm
电解质名称
NaCl NH4Cl
KCl MgCl2
开始凝聚时的浓度 （mol·L-1） 0.0250~0.0125 0.0250~0.0125 0.0250~0.0125
0.0006~0.00025
电解质名称
CaCl2 AlCl3 FeCl3 HCl
开始凝聚时的浓度 （mol·L-1）
0.0006~0.00025 <0.000042 <0.000042
0.001~0.0005
注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆的。 阳离 子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土壤结构的稳定性有关， 钙离子和腐殖质胶结的结构具有水稳性，而钠离子胶结的不具 水稳性。
土壤胶体的结构和性质
在生产上的意义
凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。
农业上促进土壤团粒结构形成措施的理论解释：
的胶体主要取决于溶液的 pH值。
土壤胶体的结构和性质
层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出 H+，带负电:
结 -OH 晶 -OH 体 -OH
结 -O-

土壤胶体为什么 一般带负电?
在土壤pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的等电点低于这个 范围，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8相当于在碱性环境 下，此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都带负电，表现为对阳 离子的吸附，只有Fe(OH)3和Al(OH)3带正电，吸附阴离子。 故 土壤胶体在通常情况下以带负电为主。
土壤胶体的结构和性质
三 、土壤胶体的性质
1. 巨大的比表面积和表面能
单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积 或比面，单位为cm2·g-1或cm2·cm-3。 物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大， 比面也愈大。
土壤胶体的结构和性质
1 cm3物质表面积随分散度变化的情况
立方体边长 （cm）
1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001 0.0000001