土壤学课件第二章土壤矿物质2

Triangle
Tetrahedron Octahedron
2
4 8
3
4 6
0.155
0.255 0.414
Cube
Dodecahedron
6
12
8
12 or 14
0.732
>1.00
Ions found in Phyllosilicate Minerals
common constituents ion O2Si4+ Al3+ Fe2+ Fe3+ Mg2+ radius (nm) 0.135 0.040 0.055 0.080 0.067 0.078 . rc/ro 0.30 0.41 0.59 0.54 0.58 Occasional constituents ion Ni2+ Ti4+ Zn2+ Mn2+ Mn3+ Mn4+ Li+ Cr3+ Cu+ radius (nm) rc/ro 0.074 0.060 0.057 0.083 0.072 0.052 0.076 0.065 0.095 0.55 0.44 0.42 0.61 0.53 0.39 0.56 0.48 0.70 Cations found in interlayer spaces ion Na+ K+ Cs+ Ca2+ Ba2+ Sr2+ H2O NH4+ radius (nm) 0.101 0.134 0.163 0.105 0.140 0.118 0.145 0.143 .. rc/ro 0.75 1.00 1.24 0.78 1.03 0.87 .. .
（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律
2.硅铝铁律概念 硅铝率（silica-alumina ratio) 又称Sa 值：土壤粘粒中二氧化硅与 三氧化二铝的分子数（摩尔数）之比。 Sa=SiO2/Al2O3 硅铝铁率（silica-sesquioxide ratio）又称Saf值：土壤粘粒矿物 的二氧化硅分子数与三氧化二铁、三氧化二铝分子数之和的比。 Saf=SiO2/Fe2O3+Al2O3) =SiO2/R2O3 意义 （1）判断粘土矿物的组成及大体特征。 （2）与土壤母岩对比，分析土壤成土过程；Sa增大，土壤有脱铝 现象（酸性淋溶---灰化土）；Sa减小，土壤有富铝化作用（红壤） （3）对照土壤剖面上下各层硅铝率，说明物质淋溶状况。 （4）判断土壤带电性。SiO2叫酸胶基，带负电； R2O3叫碱胶基， 带正电。
白云母 黑云母 铁锰硅酸盐 闪石 辉石 橄榄石 磷灰石
土壤矿物和母质区别
土壤原生矿物
3.原生矿物对土壤肥力的贡献 (1)构成了土壤的骨骼—粗的土粒 (2)提供潜在养分—通过风化作用逐渐释放 原生矿物的组成和比例很少能反映土壤形成过 程特点，但是，它们说明成土母质成因特征。土壤 中原生矿物丰富，说明土壤相当年轻。随着土壤年 龄增长，原生矿物含量和种类逐渐减少。 传统观念：黄土不缺钾来由（？） 钾素与质地关系（砂土钾素问题）
土壤矿物元素组成主要是：氧、 硅、铝、铁，其它元素的量相对较 比较少。
一.土壤矿物基本组成 composition of soil minerals
原生矿物
Primary minerals 高岭石
土壤矿物
Soil minerals
层状铝硅酸盐
蒙脱石
伊利石
结晶态 Crystalline
次生矿物
Secondary minerals
（二） 次生矿物 secondary minerals
1.次生矿物的概念 在风化和成土过程中新形成的矿物。次生矿物一般比较小，属于 粘粒范围，因此，也有人叫它粘土矿物或者粘粒矿物(clay minerals). 粘土矿物（粘粒矿物）clay mineral ；粒径大小在粘粒范围内的 次生矿物称之。 2.粘土矿物意义:粘土矿物的类型和特征综合地反映土壤的风化和成 土条件。研究和鉴定它的类型、数量和特征具有以下意义： （1）可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在土壤分类 学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。 （2）有助于了解土壤一系列理化性状（吸湿性、可塑性、胀缩 性、离子吸附性），判断土壤肥力特征。 （必须更加关注粘土矿物）
硅氧四面体片 tetrahedral sheet 我们还带一个 负电荷，么办?
哈哈，我 们满意了
公用底角氧原子
唉。上层氧原 子电价未平衡
硅氧四面体片 底层有六角形 网眼要记住！ 哇噻，网眼半 径1.32埃。谁
会被陷进去？
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
第二节 土壤矿物 soil minerals
Silicon (Si) and oxygen (O) are the two most abundant elements in the earth’s crust -27 percent and 47 percent, respectively. These two elements, along with lesser amounts of others, combine in different ways to form a huge array of minerals.
凹凸 棒石
膨润土
二.粘土矿物 clay mineral
高岭石 海泡石
粘粒形状 clay shape
二. 粘土矿物 clay minerals
（一）铝硅酸盐粘土矿物的构造特征 1.粘土矿物的基本结构单元 Most clay minerals are aluminosilicates, the major elements in their structure being oxygen, silicon ,and aluminum. Silicon atoms are in tetrahedra, and the aluminumu atoms are in octahedra.
同晶替代概念 (同晶置换，同形异质现象)：粘土矿物晶架结构中原子被另外一个 大小相近、典型相同的离子代替，但不破坏晶架结构的现象 The atoms’ arrangement (morphology) in the minerals does not change ;Only the kinds of atoms )composition) change. Isomorphous substitution occurs when the minerals is forming. The amount and kind of Isomorphous substitution are determined by the environmental conditions under which the mineral forms .For example, if the solution from which the silicate clay forms is rich in iron, Fe2+ may substitute for AL3+in the octahedral layer. If the solution is rich in Al3+ compared to Si4+,Al3+ will substitute for Si in some tetrahedral. positions. Once the mineral has 同晶替代条件：大小相近；电性相同 产生结果：晶架结构可能产生了剩余负电荷（以低价代替高价较为 普遍)。 同价离子相互取代，晶价电荷数量不变； 土壤带电原因之一 低价离子代替高价，负电荷增加（常见） 高价代替低价正电荷增加（自然界很少见） 高价代替低价和低价代替高价同时发生在相邻部位，无剩余负电荷产生 现象：四面中硅被铝取代;八面体中铝被镁、铁取代，尽管有人提出P、Mn也可 以带替si，但缺乏证据。
（二） 次生矿物 secondary minerals
3.次生矿物主要类型
（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律
1.土壤矿物质元素组成
（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律
（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律
土壤矿物质元素组成特点： 1.土壤矿物质主要元素组成为O、Si、Al、Fe. O+Si=76%, O+Si+Fe+Al=88.7% 2.不同粒级颗粒的矿物质化学组成有所不同 3.在地壳中植物生长的必须营养元素含量很低，其 中P+S<0.1% N<0.001%,且分布不均匀。
高岭石
单位晶层
瞧：氢键在这里 （牢固） 内表 面 （无）
外表 面
高岭石结构模型
kaolinite
2：1型单位晶层构造
2.蒙脱石 (montmorillonite)
2.蒙脱石(montmorillonite)
蒙脱石特征(2:1型胀缩性矿物）
---------------------------------------------------------------------------------------------------------这一组矿物主要有：蒙脱石，拜来石，绿脱石，蛭石等 1.晶层结构为2:1型（2:1layer silicates） 2 si tetrahedral sheet 1 Al octahedral sheet 2.分子式 Al2Si4O10（OH)2 .nH2O--Al2O3.4SiO2.H2O.n H2O Sa=4
同晶替代 isomorphous substitution
（二）粘土矿物基本类型 与特性
硅氧片和铝氧片如何联结？
1：1粘土矿物单位晶层构造
1.高岭石组
高岭石结构模型
kaolinite
高岭石特征(1:1型矿物）
----------------------------------------------------------------------
硅氧四面体 tetrahedron 铝氧八面体 octahedron
粘土矿物的 基本结构单元
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
硅氧四面体 tetrahedra
Si0.39埃
化学结构式
[SiO4]-4
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
这一组矿物主要有：高岭石，珍珠陶土，迪凯石，埃洛石等 1.晶层结构为1:1型（1:1layer silicates） 1 si tetrahedral sheet
1 Al octahedral sheet
2.分子式 Al2Si2O5（OH）4--Al2O3.2SiO2.2H2O Sa值=SiO2/Al2O3=2 3.晶架结构内部同晶替代少(little isomorphous substitution)（永久电荷少） 4.晶层之间为H键，胀缩性小（little shrink-swell) 5.只有外表面，无内表面 6.高岭石外表面氢（H）离子可以被解离，表面带负电荷（可变电荷多） 7.外形是片状(明显的六角形片状，粒径在0.10~5.多数在0.2~2 8,粘着力、可塑性弱。 这类矿物主要分布在南方热带和亚热带土壤中，而华北、东北、西 北及西藏高原土壤中含量较少
铝氧八面体 octahedra
每个氧原子带 1.5个负电荷
化学结 构式
[AliO6]-9
粘土矿物构造特征 Structure of some silicate minerals
铝氧八面体片 octahedral sheet
氧还有一个 负电荷未得 到平衡， 怎么办？
公用上下l两层氧原子形成片
铝氧八面体片 octahedral sheet
二八面体 （dioctahedral sheet）八面 体中仅2/3空隙被Al原子占据着。 三八面体：（trioctahedral sheet) 八 面体中3/3空隙被二价镁等占据。
为什么氧原子和硅原子形成四面 体构造，而铝原子和氧原子形成八面 体构造？ 电性平衡、几何原因，追求稳定性
TYPES OF POLYHEDRA Polyhedron Sides Coordination Number Minimum Radius Ratio
结晶态氧化物 胶膜态
氧化铁 氧化铝
粘粒矿物 粘土矿物
Байду номын сангаас
非结晶态
Clay mineral
凝胶态 amorphous 其它 碳酸盐、硫酸盐、氯化物 others
（一）原生矿物 primary minerals
1.原生矿物概念：在风化合成土过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。
2.土壤中主要原生矿物
正长石 斜长石