环境土壤学：第一节 土壤矿物质(原)

第一节 土壤矿物质
一、原生矿物 二、次生矿物 三、我国土壤中粘粒矿物的分布规律
一、原生矿物（primary minerals）
土壤形成过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。 土壤中最主要的原生矿物有四类：硅酸盐类、氧化物类、硫化物类、磷酸盐类矿物。
1.硅酸盐类矿物：基本结构Si—O四面体，以晶体化学分类为基础 ❖ 橄榄石类：岛状结构硅酸盐，其Si—O四面体以孤岛状排列。
❖ 八面体片（O）
底部O原子排列成近似Baidu Nhomakorabea边形
由铝氢氧八面体通过共用相邻两个八面体中的两个O原子或OH原子团联接 而成八面体片。
可分为二八面体片和三八面体片
4.单位晶层
❖ 四面体片（T）和八面体片（O）以不同方式在C轴上堆叠， 联结成单位晶层，简称为层（layer）。
❖ 按照T和O的配合比例不同而构成1:1型（T—O）、2:1型 （T—O—T），以及由2:1型单位晶层+水镁石片组成的2:1:1 型。
第一章 土壤环境组成化学
土壤
固相物质
矿物质：占固相重量95%左右，总体积的38%左右 有机质 ：占固相重量5%左右，总体积的12%左右
气相 ：组成与大气有差异，取决于生物活动
粒间物质
与气体交换的难易
生物体
液相 ：粒间水分及溶解于其中的溶解质 土壤动物：各类昆虫、线虫、节肢动物 土壤微生物：一般1g土壤中数量可达10亿左右
由中心离子Al3+ 或Mg2+的周围等距离地 连接6个O2-或OH-构成。 O原子或OH原子团排列成平行的二个平 面，Al或Mg原子居于两个平面中间。
3.单位晶片
层状硅酸盐粘土矿物的基本结构单元是两种单位晶片：
❖ 四面体片（T） 由硅氧四面体组成，底部的三个O分别与相邻的三个硅氧四面体共用，在 二维平面 上无限伸展，与顶端不共用的O原子构成一个片（sheet）。
❖ 晶体中，原子间或分子间存在的相互作用力有五种：离子键、共价键、金 属键、范德华力和氢键。
❖ 层状硅酸盐主要由O和Si、Al、Fe、Ti、Ca、Mg、K、Na等元素以离子键 或共价键结合而成。
❖ 离子键性质的百分数可以用阴、阳离子的电负性之差来计算。
(P9表1-2)
❖ 不同原子间形成的共价键，在键的两端会出现极性，其极性的强弱也取决 于电负性的差值。
❖ 离子晶体中配位数是由阴阳离子的相对大小决定的，可由所含离子的半 径比ρ来计算。半径比值越大，配位数就越大。 阳离子半径
ρ=M+/X阴离子半径
❖ 正、负离子半径比与阳离子配位数及配位多面体形状
❖ 硅酸盐中最常见的Si4+ 、Al3+与 O2-的配位数（P11）
Si4+ 的离子半径为0.041nm， O2-的离子半径为0.132nm，其ρ值为0.32， CN为4，配位多面体形状为四面体，称为硅氧四面体。
（Al2SiO5），相当稳定，不易风化，养分意义不大。
3.硫化物类：黄铁矿和白铁矿（FeS2），极易风化，硫素主要来源。 4.磷酸盐类：氟磷灰石［Ca5(PO4)3F］和氯磷灰石［Ca5(PO4)3Cl]，无机磷的
重要来源.
土壤中原生矿物的种类和数量取决于什么？
❖ 母岩的成分 ❖ 土壤的发生环境 ❖ 土壤的发育程度
（一）次生硅酸盐类矿物
是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成，是构成土壤粘 粒的主要成分，故又称为粘土矿物（clay minerals）或粘 粒矿物。呈薄片层状结晶构造，稳定性高。
层状硅酸盐结构化学基本概念
1.化学键 2.配位数 3.单位晶片 4.单位晶层 5.同晶置换
1.化学键（chemical bonds）
三个氧位于硅原子底部，且处于同一平面上，第 四个氧位于硅原子顶部恰好盖在硅原子上部。
Al3+的离子半径为0.132nm，其与O2- 的ρ值为0.39，接近配位数4和6的边 界值0.414附近，因此其CN可以是4也可以是6，既可以形成四面体， 也可以形成八面体，但以八面体为主。 高温条件下结晶适合低配位数，形成 四面体，低温条件下形成八面体。
典型矿物如橄榄石，极易风化。
Si:O=1:4
❖ 辉石与角闪石类：链状结构硅酸盐，其Si—O四面体沿一维方向延伸。
辉石是单链结构
两个顶点被共用
角闪石是双链结构。
Si:O=1:3
两条单链相互连接而成
Si:O=1:2.75
❖ 云母类：层状结构硅酸盐，[SiO4］四面体分布在一个平面内，彼此以3 个角顶相连，从而形成二维延展的网层(最常见的为六方形网)，称四面 体片。 Si:O=1:2.5
不同矿物抗风化能力不同
上述硅酸盐类矿物，其抗风化顺序为：架状硅酸盐 >层状硅酸盐>链状硅酸盐>岛状硅酸盐。
课本P9表1-1
二、次生矿物（secondary minerals）
成土过程中重新形成的新矿物，其化学组成和 构造都有所改变而不同于原来的原生矿物。
土壤中次生矿物的颗粒很小，粒径一般小于 0.25mm。土壤中次生矿物的种类很多，通常据其构 造和性质可分为三类：次生硅酸盐类、氧化物类和 简单盐类。
❖ 层状硅酸盐矿物中，几种键同时存在，矿物的许多理化性质如硬度、熔点、 抗风化能力等都与键的种类有关，特别是由层间键的种类和性质所决定。
2.配位数（coordination number，CN）
❖ 与中心离子(或原子)直接成键的离子(或原子)称为配位离子(或原子)。配 位离子(或原子)的数目称为配位数。
Si—O（3.5-1.74）, 离子键性质50%；Al—O（3.5-1.47）,63%； Mg—O（3.5-1.23）,73%；K—O（3.5-0.91）,82%
共价键的健能较离子键大得多，因此具有共价键性质的化合物比较稳定。
❖ 层状硅酸盐中,范德华力和氢键也存在，特别是在层间。如高岭石层间以氢 键联结，不易胀缩。
白云母和黑云母的风化产物是土壤中Fe、Mg、K元素的重要来源。
❖ 长石类：架状结构硅酸盐，其Si—O四面体沿三维方向延伸，［SiO4］ 四面体的所有4个角顶都与毗邻的四面体共顶。 Si:O=1:2
是土壤中最难风化的原生矿物之一。
2.氧化物类：石英（SiO2）、赤铁矿（Fe2O3）、金红石（TiO2）、蓝晶石
❖ 四面体片和八面体片之间的联结是通过共用氧原子和氢氧根 来实现的。
1:1型和2:1型粘土矿物结构示意