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
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
土壤胶体大多带有负电荷，互相排斥，不易凝聚。
➢ 土壤胶体的吸附性和交换能力
• 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;
• 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。
二、土壤阳离子交换作用
2.1 土壤阳离子交换作用的概念 ➢土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳 离子或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳 离子交换作用。
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。
（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。
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
当H+解离后，则使胶核带负电。
d. 土壤有机质含量：有机质中的腐殖质含有大量-COOH、 -OH等官能团，且具有很大的吸收表面，其CEC远远 大于无机胶体。
➢CEC与土壤肥力的关系
• 小于10 cmol/kg，保肥力弱； • 10~20 cmol/kg，中等； • 大于20 cmol/kg，强。
➢CEC在生产上的意义
• 指导施肥？
• 阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即 阳离子）的容量有关，是土壤保肥力的重要指标。
➢影响CEC的因素
a. 胶体数量（土壤质地）：土壤胶体物质越多则CEC 越大。
b. 胶体类型：比表面积和表面所带电荷差异
➢影响CEC的因素
c. 土壤pH值：土壤酸碱度影响胶体表面官能团中H+的解 离，因而影响可变电荷的多少。
• 决定电位离子层（内层）：固定在胶核表面，并决定其 电荷和电位的一层离子。
• 补偿离子层(外层)：由于内层电荷的静电引力的作用，吸 附土壤溶液中相反的离子而形成的非活性离子层和扩散 层（发生离子交换）。
1.2 土壤胶体的构造
胶核 胶 团
双电层
_
决定电位离子层
_ _
_
胶粒
+
补偿离子层
+ +
+
+
非活性补偿离子层
6 6×10 6×102 6×103 6×104 6×105 6×106 6×107
➢土壤胶体的带电性
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，这是土壤产生离子 吸附和交换、离子扩散、酸碱平衡、胶体的分散 与絮凝等现象的根本原因。
• 土壤胶体电荷的来源
（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。
立方体边长 立方体数
（cm）
目
总表面积
1
1
6 cm2
0.1
103 60 cm2
0.01
106 600 cm2
0.001
109 6000 cm2
0.0001
1012 6 m2
0.00001
1015 60 m2
0.000001
1018 600 m2
0.0000001
1021 6000 m2
比表面积 （cm2·cm-3）
➢等量交换 以等量电荷关系进行。如一个Ca2+可交换两个Na+；一 个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。
2.4 土壤阳离子交换量
➢定义：在一定pH值下，单位土壤能吸附的交换性阳
离子的总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换 性阳离子的厘摩尔数（CEC）。单位：cmo(+)·kg-1 。
• 因为阳离子交换量随土壤pH值变化而变化，一般未特 别注明时，是以pH为7的条件下测定土壤的交换量。
第九章 土壤胶体和土壤离子交换
➢ 土壤胶体的构造和性质 ➢ 土壤阳离子交换作用 ➢ 土壤阴离子交换作用
一、土壤胶体的构造和性质
1.1 概念
➢土壤胶体：颗粒直径在1~100 nm范围内的带电的土壤颗 粒与土壤水组成的分散系。
➢分散体系：一种物质或者几种物质高度分散到另一种物 质(称为分散介质)中所形成的体系叫做分散体系。被分散 的物质叫做分散相，而连续的介质为分散介质。
等），盐基离子为植物所需的速效养分。
➢土壤盐基饱和度的意义 ➢盐基饱和度常常被作为判断土壤肥力水平的重要指 标，盐基饱和度高土壤肥力高。盐基饱和度低肥力较 低。50%、80% ➢盐基饱和度反映土壤中致酸离子的含量，即土壤pH 的高低，可用作判断酸性土壤石灰施用量的依据。
三、土壤阴离子交换作用
3.1 定义 土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴 离子的相互交换作用。 ➢如含水氧化铁、含水氧化铝。在酸性条件下带正电。
➢土壤胶体因素
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则离子吸附得愈牢。
➢阳离子自身因素
• 阳离子电荷价：M3+ > M2+> M+（M表示阳离子） • 阳离子水合半径：同价离子，阳离子水合半径越小，吸
附越强
2.3 土壤阳离子交换吸附作用的特点 ➢可逆反应
土壤胶粒
Ca2+ +2KCl = 土壤胶粒
K+ K+ + CaCl2
离子从土壤溶液转移至胶体表面的过程为离子的吸附， 而原来吸附在胶体上的离子迁移至溶液中的过程为离 子的解吸， 二者构成一个完整的阳离子交换反应。
Hale Waihona Puke 2.2 影响土壤阳离子吸附的因素
自然条件下，土壤胶体一般带负电荷，胶体表面通常依靠 静电力吸附着多种带正电荷的阳离子。
当OH-发生解离时，则胶核带正电。
Al(OH)2O- + H+
Al(OH)3 Al(OH)2+ + 3OH-
带负电荷
胶核中的分子 带正电荷
Fe(OH)3或Al(OH)3解离H+而成为带负电的胶体，还是解 离OH-而成为带正电的胶体主要取决于溶液的pH值。
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，故土壤胶体在通常情况下以带负电 为主，表现为对阳离子的吸附，
2.5 土壤盐基饱和度 ➢定义：指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子 总量的百分率。以算式表示为：
盐基饱和度%

交换性盐基总量(c mol()kg 1 ) 阳离子交换量(c mol()kg 1 )
100
• 阳离子分为两类： • 一类是致酸离子（如H+ 和Al3+）。 • 另一类是盐基离子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+
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 。当 外界溶液的pH大于两性离子的pI值，两性离子释放质 子带负电。当外界溶液的pH小于两性离子的pI值，两 性离子质子化带正电。
➢ 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