土壤学课件：10土壤胶体和土壤离子交换
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土壤胶体和土壤的交换性能
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(四）含水氧化物
3、含水氧化铁或氧化铝的种类
有褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石和三水 铝石。
它们均属两性胶体，所带电荷随pH值变化 有很大不同，在溶液偏酸时，解离出— OH—，成为(OH)2+带正电。
在溶液偏碱时，解离出H+，成为(OH)2O—带 负电。
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（五）腐殖质胶体
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25
1、高岭石（kaolinite）
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26
（一）高岭石（kaolinite）
3、比表面积： （1）概念： 是单位质量的固体物质与液体或气体之间，
全部界面积的总和。单位m2/g （2）高岭石比表面积： 较小，仅为30m2/g。 只有外表面，没有内表面，无胀缩性.
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4、带电性：带有的电荷是由同晶代换产 生的，带电量比伊利石多。
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(四）含水氧化物
1、含水氧化物的种类： 包括非晶质的硅酸和含水氧化铁或氧化铝。 2、硅酸的带电性： 非晶质的硅酸是各种铝硅酸盐经过化学风
化过程的最后产物，其所带电荷是由H+ 解离产生的。 这种解离只有在碱性范围内才能达到较大 程度的解离。
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8
三、粘土矿物的晶格构造
1、粘土矿物硅酸盐层的基本构造单位： （1）硅氧四面体
硅氧四面体 形成的原因： 一是硅具有正原子价，而氧具负原子价，
二者可相互吸引。 二是与原子大小有关，四个氧原子堆积成
四面体时，其间所形成的空隙与硅原子 的大小基本相似。
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9
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土壤学教案-第八章.土壤胶体和土壤离子交换(下)
土壤学课程教案课程编号： _______________________ 章节名称及内容：土壤胶体和土壤离子交换（下）所在课程顺序号：第14个教案授课学时与时长： 1.75学时授课教师：王聪课程类型：学类核心巡一、教学目标1、熟练掌握阳离子交换量和盐基饱，深刻理解离子交换在土壤肥力上的意义二、教学内容1、土壤吸附能力三、教学重点1、阳离子交换量、盐基饱和度、土壤养分离子有效性的影响因素四、教学难点1、影响土壤养分离子有效性的因素五、教学方法课堂讲授、多媒体辅助和板书相结合。
六、教学过程开始课堂讲授前播放一段相关的视频或则提出与本次课程相关的几个问题进行提问并讲解上次课堂留下的问题和作业，然后开始进行课堂讲授，讲授过程穿插问题提问，本次课程结束时布置作业或则留下几个问题进行下次课堂的提问主要内容8.2土壤吸附能力8.2土壤吸附能力8.2.1土壤吸附的概念1概念：土壤的吸附性能：土壤颗粒表面具有能够吸附阴阳离子、气体、液体等物质的能力。
土壤吸附性能是土壤的重要特性，由于具有吸附性能，使土壤起到“库”的作用，避免了土壤养分的淋失，从而达到保蓄养分的能力，这对于植物营养、±壤肥力以及污染土壤的自净能力等方面起极其重要的作用O8.2.2土壤吸附的类型交换性吸附：土壤胶粒带有电荷借静电引力从溶液中吸附带异号电荷的离子或极性分子。
土壤固相从溶液中吸附离子的同时，也伴随着固相表面上交换离子的解吸。
（最主要的吸附类型）专性吸附：非静电因素引起的土壤对离子的吸附作用。
它是指离子通过表面交换与晶体的阳离子共用1个或2个氧原子，形成共价键而被土壤吸附的现象。
负吸附：指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液中该离子或分子的浓度的现象。
8. 2.3土壤阳离子交换与吸附作用1.概述土壤阳离子交换作用：指土壤胶体表面所吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子相互交换的作用。
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。
第九章 土壤胶体和土壤离子交换
+ 扩散层 +
+
1.3 土壤胶体的性质
➢ 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。
• 由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的 表面能---吸附能力是通过表面起作用的，比表面 积越大，起作用的面积越大，吸附能力越强。
1 cm3物质表面积随分散度变化的情况
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。
四面体中的硅可被铝代换
Si4+
Al3+
八面体中的铝可被铁、镁代换
Al3+
Fe2+或Mg2+
（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。
3.2 吸收阴离子的原因 ➢两性胶体带正电荷
酸性 Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2+ +Cl- +H2O
碱性 Al(OH)3 + NaOH = Al(OH)2O- +Na+ + H2O
➢土壤腐殖质中的—NH2
在酸性条件下吸收H+成为—NH3+ 而带正电
➢ 粘粒矿物表面上的-OH团可与土壤溶液中的阴离子 代换。
粗分散体系：颗粒直径＞100 nm 悬浊液-泥浆 胶体分散体系：颗粒直径1-100 nm 豆浆 分子分散体系：颗粒直径＜1 nm 溶液-盐水、碘酒
1.2 土壤胶体的构造
➢ 胶核
胶核是胶体的固体部分，土壤中胶核一般由含水SiO2 ， Fe2 O3，Al2 O3、腐殖质或蛋白质等分子团组成。 ➢ 双电层
+
1.3 土壤胶体的性质
➢ 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。
• 由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的 表面能---吸附能力是通过表面起作用的，比表面 积越大，起作用的面积越大，吸附能力越强。
1 cm3物质表面积随分散度变化的情况
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。
四面体中的硅可被铝代换
Si4+
Al3+
八面体中的铝可被铁、镁代换
Al3+
Fe2+或Mg2+
（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。
3.2 吸收阴离子的原因 ➢两性胶体带正电荷
酸性 Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2+ +Cl- +H2O
碱性 Al(OH)3 + NaOH = Al(OH)2O- +Na+ + H2O
➢土壤腐殖质中的—NH2
在酸性条件下吸收H+成为—NH3+ 而带正电
➢ 粘粒矿物表面上的-OH团可与土壤溶液中的阴离子 代换。
粗分散体系：颗粒直径＞100 nm 悬浊液-泥浆 胶体分散体系：颗粒直径1-100 nm 豆浆 分子分散体系：颗粒直径＜1 nm 溶液-盐水、碘酒
1.2 土壤胶体的构造
➢ 胶核
胶核是胶体的固体部分，土壤中胶核一般由含水SiO2 ， Fe2 O3，Al2 O3、腐殖质或蛋白质等分子团组成。 ➢ 双电层
第七章 土壤胶体和土壤交换性.
全文电子教材土壤与土壤资源学（上篇：土壤学）林学专业第七章土壤胶体和土壤交换性第一节土壤胶体一、概念土壤胶体是指颗粒直径小于0.001mm或0.002mm的土壤微粒。
目前土壤胶体粒径的大小范围，并不是绝对的。
这是因为胶体性质的出现，是随着粒径的减小逐渐加强的。
没有截然划分的界限。
土壤胶体的成分比较复杂，按化学成分和来源，可分无机胶体、有机胶体和有机无机复合胶体三类。
土壤胶体的一系列性质的表现都是由于具有巨大的比表面和带有电荷的原因。
二、几种主要的胶体类型（一）土壤无机胶体土壤无机胶体存在于极微细的土壤粘粒部分。
包括成分较简单的次生含水氧化铁、含水氧化铝、含水氧化硅等，以及成分较复杂的结晶层状次生铝硅酸盐类（即粘土矿物）。
1、含水氧化硅胶体其分子式为SiO2•H2O或H2SiO3。
在一般情况下，含水氧化硅的外层分子发生解离，解离出H+，而把HSiO3-或SiO32-留在胶核表面，组成决定电位离子层，使胶粒带负电。
土壤反应越偏碱性，硅酸的解离度也越大，所带的负电荷也越多。
2 、含水氧化铁、铝胶体此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O3•3H2O）、水赤铁矿（3Fe2O3•H2O）、针铁矿（Fe2O3•H20）、水铝矿（Al2O3•H2O）、三水铝矿（Al2O3•3H2O）等晶质矿物和氢氧化铁[Fe(OH)3]、氢氧化铝[Al(OH)3]等非晶质矿物。
这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两性胶体，其电荷随土壤溶液酸碱反应的变化而变化。
当环境反应在它的等电点的酸性方面时，它带正电；反应在等电点的碱性方面时，它带负电。
纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1，氢氧化铝等电点为pH8.1。
所以它们在大多数酸性或中性土壤中都带正电荷。
但土壤中氢氧化铁、氢氧化铝胶体都覆被有机胶体。
因此，测定这些胶体的等电点时，其pH值都大大低于纯净氢氧化铁、铝的等电点。
未经去除腐殖质的砖红壤胶体的等电点大约在pH4~5之间。
铁铝氧化物常以胶膜状态包被土壤颗粒，使其成为稳定性很强的土壤结构。
土壤的离子交换PPT课件
离子种类
Li+
Na+
K+ NH+4 Rb+
离子真实半径 0.078 0.098 0.133 0.143 0.149
离子水合半径 1.008 0.790 0.537 0.532 0.509
离子交换能力 弱
强
第55页，共129页。
3、离子大小的适应性(几何效应) 离子大小是否适应交换点，能够影响离子吸附
第30页，共129页。
土壤的电荷密度具有不均匀性，不仅在不同种 类的胶体表面电荷密度不同，而且同一胶体颗粒的 不同部位上，电荷密度也不相同。
第31页，共129页。
土壤胶体的表面积，可分为外表面积和内表面 积。内表面积指膨胀性粘粒矿物晶层之间的表面积。
第32页，共129页。
表 3-1土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·g-1）
(三) 零点电荷（Zero point charge, ZPC）
如果在某个pH值时，粘土矿物表面上既不带 正电荷，也不带负电荷，其表面电荷等于零，此时 的pH值称为零点电荷。
第20页，共129页。
二、土壤电荷的数量和密度
土壤电荷的数量决定吸附离子的数量。单位重 量土壤的负电荷愈多，对阳离子的吸附量越大。
第63页，共129页。
温度升高的另一个效应，是可以降低土壤对离子
第64页，共129页。
如果吸附过程为放热反应，由于温度升 高，将导致吸附量减小，所以，从热力学角 度看，温度对某一种离子吸附的影响，决定 于吸附热和解吸热的代数和。
第65页，共129页。
三、阳离子交换量 ( Cation Exchange Capacity，CEC）
Fe(OH)
+ 2
+
土壤学课件：10土壤胶体和土壤离子交换
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。
60000
---内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层 表面和腐植质分子聚集体内部的表面。 ---外表面：指粘土矿物、氧化物和腐 植质分子暴露在外的表面。
表面能：由于表面分子的四周不都是相同的 分子，受到的力不均衡，使表面分子对外表 现有剩余能量，这种能量是由于表面的存在 而产生，所以叫做表面能。
土壤中常见矿物的比表面积（ m2/g）
第八章
土壤胶体和土壤离子交换
内容提要
土壤胶体的构造和性质 土壤胶体的类型 土壤阳离子交换作用 土壤阴离子交换作用
第一节 土壤胶体的构造与性质
胶体的概念
胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。
何为分散体系？
一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为 分散体系或分散系。
根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小， 可把分散系分为：粗分散系、胶体分散系和分子、 离子分散系。
土壤胶体的结构和性质
一 、土壤胶体的概念
颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向 中一个方向的长度）在1~100nm范围内的带电的 土壤颗粒与土壤水组成的分散系。
注 ： 通 常 情 况 下 ， 直 径 小 于 2µm （ 或 1µm）的土粒便具有胶体的性质，因而 被视为土壤胶体颗粒。
二、土壤胶体的构造
胶体分散系
一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、 高三向中一个方向的长度）在1-100纳米范围内 的分散系称胶体分散系。其颗粒大小介于粗分 散系和分子、离子分散系之间。
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。
60000
---内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层 表面和腐植质分子聚集体内部的表面。 ---外表面：指粘土矿物、氧化物和腐 植质分子暴露在外的表面。
表面能：由于表面分子的四周不都是相同的 分子，受到的力不均衡，使表面分子对外表 现有剩余能量，这种能量是由于表面的存在 而产生，所以叫做表面能。
土壤中常见矿物的比表面积（ m2/g）
第八章
土壤胶体和土壤离子交换
内容提要
土壤胶体的构造和性质 土壤胶体的类型 土壤阳离子交换作用 土壤阴离子交换作用
第一节 土壤胶体的构造与性质
胶体的概念
胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。
何为分散体系？
一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为 分散体系或分散系。
根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小， 可把分散系分为：粗分散系、胶体分散系和分子、 离子分散系。
土壤胶体的结构和性质
一 、土壤胶体的概念
颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向 中一个方向的长度）在1~100nm范围内的带电的 土壤颗粒与土壤水组成的分散系。
注 ： 通 常 情 况 下 ， 直 径 小 于 2µm （ 或 1µm）的土粒便具有胶体的性质，因而 被视为土壤胶体颗粒。
二、土壤胶体的构造
胶体分散系
一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、 高三向中一个方向的长度）在1-100纳米范围内 的分散系称胶体分散系。其颗粒大小介于粗分 散系和分子、离子分散系之间。
土壤胶体完美版PPT
一般规律是：离子价越大，其凝聚作用越 强，同价阳离子中，离子半径大的，水膜厚 度小的离子凝聚作用强。土壤中常见的阳离 子引起胶体凝聚作用大小的顺序为:
Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+> H+> NH4+>K+>Na+
胶体凝聚的稳定性
可逆凝聚 不可逆凝聚
五、 土壤的吸收的性能
1、土壤吸收性能的类型
（四）物理化学吸收作用 第一节土壤胶体与与土壤吸收性能 硅氧片与铝氧片（水铝片）称为基本晶片。 这种吸收是化学反应为基础的，也称为化学固定。 两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。 主单位为m2/g、cm2/g。 二、层状硅酸盐粘土矿物 1、层状硅酸盐粘土矿物 2、氧化物及其水合物 基本结构单位 构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。 生物吸收具有三个特点： 六、土壤阳离子交换作用 1、土壤吸收性能的类型 （四）阳离子交换量（CEC) 是指在一定PH时每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 第六章 土壤的酸碱性
土壤化学性 质
第五章 土壤胶体与与土壤吸收性能 第六章 土壤的酸碱性
一、土壤胶体的概念及种类 二、层状硅酸盐粘土矿
物
三、土壤胶体的构造 四、土壤胶体的性质 五、 土壤的吸收性能
六、土壤阳离子交换作用
第一节土壤胶体与与土壤吸收性能
一、土壤胶体的概念及种类
土壤胶体：大小在1-1000nm（在长、宽和高三个方向上，至少有一 个方向在此范围内）的土壤固体颗粒。分三种类型 （水合物 （二）土壤有机胶体 （三）土壤有机无机复合体
铝氧八面体结构示意图
硅氧片和水铝片
Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+> H+> NH4+>K+>Na+
胶体凝聚的稳定性
可逆凝聚 不可逆凝聚
五、 土壤的吸收的性能
1、土壤吸收性能的类型
（四）物理化学吸收作用 第一节土壤胶体与与土壤吸收性能 硅氧片与铝氧片（水铝片）称为基本晶片。 这种吸收是化学反应为基础的，也称为化学固定。 两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。 主单位为m2/g、cm2/g。 二、层状硅酸盐粘土矿物 1、层状硅酸盐粘土矿物 2、氧化物及其水合物 基本结构单位 构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。 生物吸收具有三个特点： 六、土壤阳离子交换作用 1、土壤吸收性能的类型 （四）阳离子交换量（CEC) 是指在一定PH时每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 第六章 土壤的酸碱性
土壤化学性 质
第五章 土壤胶体与与土壤吸收性能 第六章 土壤的酸碱性
一、土壤胶体的概念及种类 二、层状硅酸盐粘土矿
物
三、土壤胶体的构造 四、土壤胶体的性质 五、 土壤的吸收性能
六、土壤阳离子交换作用
第一节土壤胶体与与土壤吸收性能
一、土壤胶体的概念及种类
土壤胶体：大小在1-1000nm（在长、宽和高三个方向上，至少有一 个方向在此范围内）的土壤固体颗粒。分三种类型 （水合物 （二）土壤有机胶体 （三）土壤有机无机复合体
铝氧八面体结构示意图
硅氧片和水铝片
土壤化学性质土壤胶体课件
第8页，共56页。
胶体微粒在构造上可分为微粒核droplet core、决定电位离子层electric potential ion layer和补偿离子层compensation ion layer三部分组成。
第9页，共56页。
• （1）微粒核droplet core ： 主要由腐殖质、无定形的
第21页，共56页。
• b 、可变电荷variable charge： 胶核表面分子或 原子团的解离所产生的电荷，没有永久性质，它的 数量和性质随着介质的pH值而改变。所以称为可变 电荷。电荷的数量和性质随介质pH而改变的电荷。
第22页，共56页。
• c 、土壤的pH0值是表征其可变电荷特点的 一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、 负电荷数量相等时的pH值，或称为可变电 荷零点、等电点pH ( isoelectric pH ]。
第37页，共56页。
1.4 阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体 上另一种阳离子交换出来有能力。各种阳 离子交换能力大小的顺序为：
Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+
第38页，共56页。
• 1.5 影响阳离子交换能力的因素有： a. 电荷的数量 charge number b. 离子半径ionic radius和离子水化半径ion
adsorption后者称为负吸附negative adsorption。 负吸附：是指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液
中该离子或分子的浓度的现象。
第28页，共56页。
产生这种作用的原因是由于固体颗粒界面上的表面自由 能的作用。
气态物质（水气、CO2、NH3等）和细菌的吸附也是物 理吸附。
胶体微粒在构造上可分为微粒核droplet core、决定电位离子层electric potential ion layer和补偿离子层compensation ion layer三部分组成。
第9页，共56页。
• （1）微粒核droplet core ： 主要由腐殖质、无定形的
第21页，共56页。
• b 、可变电荷variable charge： 胶核表面分子或 原子团的解离所产生的电荷，没有永久性质，它的 数量和性质随着介质的pH值而改变。所以称为可变 电荷。电荷的数量和性质随介质pH而改变的电荷。
第22页，共56页。
• c 、土壤的pH0值是表征其可变电荷特点的 一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、 负电荷数量相等时的pH值，或称为可变电 荷零点、等电点pH ( isoelectric pH ]。
第37页，共56页。
1.4 阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体 上另一种阳离子交换出来有能力。各种阳 离子交换能力大小的顺序为：
Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+
第38页，共56页。
• 1.5 影响阳离子交换能力的因素有： a. 电荷的数量 charge number b. 离子半径ionic radius和离子水化半径ion
adsorption后者称为负吸附negative adsorption。 负吸附：是指土粒表面的离子或分子浓度低于整体溶液
中该离子或分子的浓度的现象。
第28页，共56页。
产生这种作用的原因是由于固体颗粒界面上的表面自由 能的作用。
气态物质（水气、CO2、NH3等）和细菌的吸附也是物 理吸附。
土壤胶体和土壤离子交换森林土壤
2:1型单位晶层
由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。
铝
同晶替代 是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。
粘土矿物类型 土壤中最主要的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石，还有蛭石、绿泥石、水铝英石等。
胶体成分
内表面积
外表面积
总表面积
蒙脱石
700—750
15—150
700—850
蛭 石
400—750
1—50
400—800
水云母
0—5
90—150
90—150
高岭石
0
5—40
5—40
埃洛石
0
10—45
10—45
水化埃洛石
400
25—30
430
水铝英石
130—400
130—400
260—800
土壤中常见矿物的比表面积（ m2/g）
主要有: 褐铁矿 2Fe2O3·3H2O 针铁矿Fe2O3·H2O 多水针铁矿3FeO3·4H2O 一水赤铁3Fe2O3·H2O等。
02
含水氧化铁
01
含水氧化铝 主要有水铝石Ai2O3·H2O和三水铝石Al2O3·3H2O等，也是两性胶体，其电性决定于溶液的酸碱性。
表面能：由于表面分子的四周不都是相同的分子，受到的力不均衡，使表面分子对外表现有剩余能量，这种能量是由于表面的存在而产生，所以叫做表面能。
--内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层表面和腐植质分子聚集体内部的表面。 --外表面：指粘土矿物、氧化物和腐植质分子暴露在外的表面。
土壤吸附与离子交换
专性吸附的离子是非交换态的，只能被吸附性更强 的离子置换或部分置换。
在许多情况下，两类吸附同时存在，只是主次不同。
硅氧四面体旋转后的复三方孔穴
1. IHP Inner Helmholtz Layer 2. OHP Outer Helmholtz Layer 3. Diffuse layer 4. Solvated ions 5. Specifically adsorption ions 6. Solvent molecule
非专性吸附的离子同是受到土壤胶体表 面带相同电荷部位的斥力和反电荷部位 的引力，通过静电引力和热运动的平衡 作用，保持在双电层外层，包括外赫尔 莫兹平面。
非专性吸附作用是可逆的，可等当量置 换。
专性吸附则不是由静电引力引起的吸附，通过内圈 配合物机理吸附的作用。
专性吸附的离子能进入硅氧烷表面六角形网孔或氧 化物表面金属原子的配位壳中，穿透配位层与胶体 表面结合。这种吸附发生在双电层的内赫尔莫兹层， 有化学键的形成。
A
8
6
75
B
30
10
33
* 补偿阳离子的效应：当土壤中有对之具有更
强的吸持力的补偿阳离子存在时，可使一种阳 离子对另一种阳离子的代换变得更容易。
例子：以K+为例，如果它的陪补离子是Ca2+，而 Ca2+的结合强度和代换为均大于K+，则可促 进K+的有效性。如果K+的陪补离子是Na+， Na+的结合强度和代换力小于K+，则抑制了K+ 的有效性。
*阳离子的固定
• 根据培济（Page）和巴维尔（Baver）等的“晶格孔穴理 论”，粘土矿物表面存在由六个硅四面体联成的六角形孔 穴，这些孔隙的半径为0.14nm，凡离子大小与此孔径相近 的，即易进入晶孔，而降低其有效性。K+的半径为 0.133nm，NH4+半径为0.143nm，它们的大小都近于晶格孔 隙大小，容易固定于晶孔中，降低有效性。蒙脱石表面的 硅四面体数量多，故这种晶孔固定作用含蒙脱石多的土壤 多于含高岭石多的土壤。
在许多情况下，两类吸附同时存在，只是主次不同。
硅氧四面体旋转后的复三方孔穴
1. IHP Inner Helmholtz Layer 2. OHP Outer Helmholtz Layer 3. Diffuse layer 4. Solvated ions 5. Specifically adsorption ions 6. Solvent molecule
非专性吸附的离子同是受到土壤胶体表 面带相同电荷部位的斥力和反电荷部位 的引力，通过静电引力和热运动的平衡 作用，保持在双电层外层，包括外赫尔 莫兹平面。
非专性吸附作用是可逆的，可等当量置 换。
专性吸附则不是由静电引力引起的吸附，通过内圈 配合物机理吸附的作用。
专性吸附的离子能进入硅氧烷表面六角形网孔或氧 化物表面金属原子的配位壳中，穿透配位层与胶体 表面结合。这种吸附发生在双电层的内赫尔莫兹层， 有化学键的形成。
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6
75
B
30
10
33
* 补偿阳离子的效应：当土壤中有对之具有更
强的吸持力的补偿阳离子存在时，可使一种阳 离子对另一种阳离子的代换变得更容易。
例子：以K+为例，如果它的陪补离子是Ca2+，而 Ca2+的结合强度和代换为均大于K+，则可促 进K+的有效性。如果K+的陪补离子是Na+， Na+的结合强度和代换力小于K+，则抑制了K+ 的有效性。
*阳离子的固定
• 根据培济（Page）和巴维尔（Baver）等的“晶格孔穴理 论”，粘土矿物表面存在由六个硅四面体联成的六角形孔 穴，这些孔隙的半径为0.14nm，凡离子大小与此孔径相近 的，即易进入晶孔，而降低其有效性。K+的半径为 0.133nm，NH4+半径为0.143nm，它们的大小都近于晶格孔 隙大小，容易固定于晶孔中，降低有效性。蒙脱石表面的 硅四面体数量多，故这种晶孔固定作用含蒙脱石多的土壤 多于含高岭石多的土壤。
第八章 土壤胶体和土壤离子交换
土壤中常见阳离子对胶体的凝聚力的大小顺序 为：Fe3+>Al3+> H+ > Ca2+>Mg2+> K+≥ NH4+>Na+
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Mr. Green had a job in a computer company. His boss paid him every Friday. When he got home that day, his wife would make him give her all his money, and then she would give him back only enough to buy his lunch in the office every day. One day Mr. Green came home very excited. He said to his wife, who was listening to the radio, "You'll never know what happened to me today. I won one hundred thousand on the lottery!" "That's great!" said his wife happily. But she thought for a minute and said coldly, "Wait a moment! How could you have the money to buy the ticket?"
H+ K+
Ca+2 H+
Mg+2
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60000
---内表面：指膨胀性粘土矿物的晶层 表面和腐植质分子聚集体内部的表面。 ---外表面：指粘土矿物、氧化物和腐 植质分子暴露在外的表面。
表面能：由于表面分子的四周不都是相同的 分子，受到的力不均衡，使表面分子对外表 现有剩余能量，这种能量是由于表面的存在 而产生，所以叫做表面能。
土壤中常见矿物的比表面积（ m2/g）
430 260—800
土壤有机质的比表面大，表观比表面可达700 m2/g。
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。
土壤胶体Байду номын сангаас结构和性质
注意：
把土壤胶粒完全理解为球形构造，显然是错 误的。现代土壤学的研究说明，只有土壤有 机胶粒，或无定形的氢氧化铁、氢氧化铝、 含水氧化硅和水铝英石等矿质胶粒可以认为 近似圆球形构造。而土壤中大多数矿质胶粒， 例如层状硅酸盐类粘土矿物通过X-射线和电 子显微镜的研究，已经明确是层状构造.
胶体微粒
胶核 决定电位离子层（内）__
胶粒
双电层
非活性离子层
补偿离子层（外）++ 扩散层
1．微粒核（胶核）
微粒核是土壤胶体微粒的核心部分，它是由组 成胶体微粒的基本物质的分子群所组成。土壤中 胶核一般由含水SiO2 ,Fe2 O3,Al2 O3 、次生 铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分子团分子组成 。
2．扩散双电层
土壤胶体的结构和性质
层状黏土矿物胶体的构造示意图
第二节 土壤胶体的性质
一、巨大的比表面积和表面能
比表面积：单位质量或物体的总表面积称
为比表面积或比面，物体愈小比面愈大。
土粒直径(mm) 总表面积(cm2)
比面(cm2/cm3)
10
3.14
6
1
31.42
60
0.05
628.32
1200
0.001
31416
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 胶核中的分子
Al(OH)2O-+Na++H2O
表面既带负电荷，亦带正电
带负电荷的胶体核粒
荷的土壤胶体称两性胶体随 溶液土壤反应的变化而变化
如Al（OH）3在酸性环境中的解离：
Al(OH)3+HCl
Al(OH)2++Cl-+H2O
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。
第八章
土壤胶体和土壤离子交换
内容提要
土壤胶体的构造和性质 土壤胶体的类型 土壤阳离子交换作用 土壤阴离子交换作用
第一节 土壤胶体的构造与性质
胶体的概念
胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。
何为分散体系？
一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为 分散体系或分散系。
根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小， 可把分散系分为：粗分散系、胶体分散系和分子、 离子分散系。
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。
胶体分散系
一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、 高三向中一个方向的长度）在1-100纳米范围内 的分散系称胶体分散系。其颗粒大小介于粗分 散系和分子、离子分散系之间。
分散介质 液 气 固
按聚集状态分类：
分散相
名称
固
溶胶、悬浮液、软膏
液
乳状液
气
泡沫
固 液
气溶胶
固
固态悬浮液
液
固态乳状液
气
固态泡沫
（1）决定电位离子层 是吸附在胶粒核表面，决定胶粒电
荷正负及大小的一层离子。 （2）补偿离子层
分为两个层次。 一、非活性补偿离子层。 二、扩散层。
胶体微粒的扩散双电层构造图式
外 离 子
层
内
胶核
离 子
层
扩
散 层
土壤胶体构造示意图
3、胶团间溶液
即土壤胶体分散系中的分散介质， 也即是土壤溶液。
土粒
土壤溶液
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
土壤胶体的结构和性质
一 、土壤胶体的概念
颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向 中一个方向的长度）在1~100nm范围内的带电的 土壤颗粒与土壤水组成的分散系。
注 ： 通 常 情 况 下 ， 直 径 小 于 2µm （ 或 1µm）的土粒便具有胶体的性质，因而 被视为土壤胶体颗粒。
二、土壤胶体的构造
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 负电。
胶体成分 蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石
水化埃洛石 水铝英石
内表面积 700—750 400—750
0—5 0 0
400 130—400
外表面积 15—150
1—50 90—150
5—40 10—45 25—30 130—400
总表面积 700—850 400—800 90—150
5—40 10—45