第八章 土壤胶体化学与表面反应
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第八章 土壤胶体化学和表面反应
C. pH值 主要影响可变电荷的数量。
（三）土壤胶体双电层结构和表面电位
胶体微粒
胶核 双电层
决定电位离子层（内） 非活性离子层
补偿离子层（外） 扩散层
当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表 面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和 一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布 的空间结构，称为双电层***(图8-2)。
们都称为盐基离子。
（2）盐基饱和度(base saturation percentage)BSP
在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数量
占所有吸附的阳离子的百分比，叫盐基饱和度***。
盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应； 而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；
盐基饱和交阳度换离性子盐交基换总量当量量（/量1/1（ 0毫 0克0克0毫克土土克当））100%
中
高
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。
质地
砂土 砂壤土 壤土
粘土
CEC
1~5
7~8
（2）有机质 OM % CEC
15~18
25~30
（3）胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤 的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。
表8-3 不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体
CEC[cmol(+).kg-1]
腐殖质 蛭石 蒙脱石 伊利石 高岭石 倍半氧化物
200 100-150 70-95 10-40
3-15 2-4
4．影响阳离子交换能力的因素**
（1）电荷的影响；
（三）土壤胶体双电层结构和表面电位
胶体微粒
胶核 双电层
决定电位离子层（内） 非活性离子层
补偿离子层（外） 扩散层
当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表 面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和 一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布 的空间结构，称为双电层***(图8-2)。
们都称为盐基离子。
（2）盐基饱和度(base saturation percentage)BSP
在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数量
占所有吸附的阳离子的百分比，叫盐基饱和度***。
盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应； 而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；
盐基饱和交阳度换离性子盐交基换总量当量量（/量1/1（ 0毫 0克0克0毫克土土克当））100%
中
高
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。
质地
砂土 砂壤土 壤土
粘土
CEC
1~5
7~8
（2）有机质 OM % CEC
15~18
25~30
（3）胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤 的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。
表8-3 不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体
CEC[cmol(+).kg-1]
腐殖质 蛭石 蒙脱石 伊利石 高岭石 倍半氧化物
200 100-150 70-95 10-40
3-15 2-4
4．影响阳离子交换能力的因素**
（1）电荷的影响；
第八章土壤化学性质
第八章土壤化学性质第八章土壤胶体化学和表面反应土壤胶体的表面性质第一节一、土壤胶体表面类型林学院土壤胶体:无机胶体(粘粒)和有机胶体(腐殖质),多呈有机-无机复合胶体。
按表面位置分：内表面膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子内的表面，其表面反应为缓慢渗入过程。
外表面粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化物等包被的表面，表面反应迅速。
土壤学按表面的化学结构特点，可分为以下三类表面1、硅氧烷型表面——硅氧片的表面林学院硅氧烷Si—O—Si。
2∶1型粘粒的上、下两面，2、羟基化表面(R-OH)M(金属离子)—OH,铝醇Al—OH,铁醇Fe—OH,硅醇Si—OH等。
水铝(镁)片，铁、铝氧化物及硅片边角断键。
土壤学的缔合—OH2+或离解—OH→—O-+H+。
可变电荷。
林学院3、有机物表面腐质物质为主的表面，表面羧基、酚羟基、氨基等活性基团。
离解H+或缔合H+产生表面电荷。
可变电荷。
以上3类表面往往相互交织。
二、土壤胶体的比面1、土壤胶体的表面积比面：单位重量(体积)物体的总表面积。
土壤学物体颗粒愈细小，表面积愈大。
土粒直径(mm)总表面积(cm2)比面(cm2/cm3)10林学院3.1431.426600.050.001628.3231416120060000膨胀性2∶1型粘土矿物总表面积大，以内表面积为主非膨胀性2∶1型和1∶1型粘土矿物总表面积小，一般以外表面为主(水化埃洛石例外)。
水铝英石比表面较大，内、外表面各一半。
土壤学铁、铝氧化物的比表面与其晶化程度有关，以外表面为主。
土壤有机质的比表面大，表观比表面可达700m2/g2、比表面的测定方法(1)仪器法(2)吸附法。
不受介质pH值的影响，也不受电解质浓度的影响。
土壤学(2)可变电荷在介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称pH依变电荷。
A、腐殖质产生可变电荷腐殖质具有很多含氧功能团，这些功能团在介质pH值发生变化时，可解离而带电。
(土壤学教学课件)第八章-土壤胶体表面化学-2
盐基饱和度
在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数 量占所有吸附阳离子的百分比，称为盐基饱和 度〔base saturation，BS%〕。
交 换 性 盐 基 总 量
盐 基 饱 和 度 =
100%
阳 离 子 交 换 量
计算题：
测得某土壤的交换性阳离子含量分别为： Ca2+ 6 cmol(+)/kg Mg2+ 5 cmol(+)/kg H+ 2 cmol(+)/kg K+ 5 cmol(+)/kg Na+ 4 cmol(+)/kg Al 3+ 28 cmol(+)/kg 试计算土壤的盐基饱和度。
土壤胶体 腐殖质 蛭石 蒙脱石 伊利石 高岭石 氧化物
CEC [cmol(+)/kg] 200
100-150 70-95 10-40
3-15 2-4
判断题
1．一价的阳离子不能置换胶体上吸附的二价或 三价阳离子。
2．土壤溶液中的阳离子，一旦被土壤胶体所吸 附就永远对作物无效了。
盐基离子
土壤胶体外表吸附的阳离子可以分为两种 类型，一是盐基离子，如Ca2+、Mg2+、K+、 NH4+等，二是致酸离子，包括土壤胶体吸附 的H+、A13+离子。
离子吸附与离子解吸构成完整的离子交换反响。
C olloid Humus V erm iculite S m ectite Illite K aolinite F e & A l O xides
N egative charge
200 120 100 40 12
5
P ositive charge
土壤学——土壤胶体和表面性质
第八章
土壤胶体化学和表面反应
第八章
土壤胶体化学和表面反应
主要内容（重点）：
1.土壤胶体的表面性质（重点） 2.土壤胶体对阳离子交换反应（重点） 3.土壤胶体的阴离子的吸附与交换
教学目标与要求：
了解土壤胶体的表面类型、表面电荷来源 与种类，掌握土壤双电层的结构特征；牢记土 壤阳离子交换作用的规律以及影响阳离子有效 性的因素以及阳离子交换对土壤性质的影响。
C. 腐殖质上某些官能团的解离
D. 含水氧化和水铝石表面的分子中 OH 的解离；
从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和 性质与介质的pH值有密切关系。
第八章
土壤胶体化学和表面反应
第一节
土壤胶体(soil colloid)的表面性质
（二）土壤的电荷数量**
1、土壤电荷主要集中在胶体部分。 2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础。 3、有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。
（3）粘土矿物类型的影响
（4）由交换性离子变为非交换性离子的有效度问题
第八章
土壤胶体化学和表面反应
第二节 表8-5
土壤
土壤胶体对阳离子的吸附交换反应
互补离子与交换性钙的有效性
交换性阳离子 组成 小麦幼苗干 重(g) 小麦幼苗吸钙量 (mg)
A B C
40%Ca+60%H 40%Ca+60%Mg 40%Ca+60%Na
表8－1 土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2· g-1）
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
土壤胶体化学和表面反应
第八章
土壤胶体化学和表面反应
主要内容（重点）：
1.土壤胶体的表面性质（重点） 2.土壤胶体对阳离子交换反应（重点） 3.土壤胶体的阴离子的吸附与交换
教学目标与要求：
了解土壤胶体的表面类型、表面电荷来源 与种类，掌握土壤双电层的结构特征；牢记土 壤阳离子交换作用的规律以及影响阳离子有效 性的因素以及阳离子交换对土壤性质的影响。
C. 腐殖质上某些官能团的解离
D. 含水氧化和水铝石表面的分子中 OH 的解离；
从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和 性质与介质的pH值有密切关系。
第八章
土壤胶体化学和表面反应
第一节
土壤胶体(soil colloid)的表面性质
（二）土壤的电荷数量**
1、土壤电荷主要集中在胶体部分。 2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础。 3、有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。
（3）粘土矿物类型的影响
（4）由交换性离子变为非交换性离子的有效度问题
第八章
土壤胶体化学和表面反应
第二节 表8-5
土壤
土壤胶体对阳离子的吸附交换反应
互补离子与交换性钙的有效性
交换性阳离子 组成 小麦幼苗干 重(g) 小麦幼苗吸钙量 (mg)
A B C
40%Ca+60%H 40%Ca+60%Mg 40%Ca+60%Na
表8－1 土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2· g-1）
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
第8章土壤胶体化学和表面反应
吉林大学植物科学学院农业资源与环境系
土壤学
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土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2/g)
胶体成分 蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石 内表面 700~750 400~750 0~5 0 0 外表面 15~150 1~5 90~150 4~40 10~45 总表面 700~850 400~800 90~150 5~40 10~45
吉林大学植物科学学院农业资源与环境系
土壤学
Isomorphic substitution（同晶替代作用） Critical to understanding how soils develop the capacity to attract and retain cations
Net negative charge O
有机胶体和无机胶体通过物理、化学或物理化学的作用，相互结合在 一 起 形 成 有 机 - 无 机 复 合 胶 体 。 又 称 “ 吸 收 性 复 合 体 ” /absorptive complex
有机-无机复合度(degree of organo-mineral complexation)：把土壤有机 无机复合体中含C量占土壤总C量的百分数称为有机无机复合度，作为衡 量土壤有机无机复合体的数量指标。土壤有机无机复合度可达到50~70%。
3、有机物表面 (Organic matter surface) 腐质物质为主的表面，表面羧基、酚羟基、氨基等活性基团。离解H+或缔 合H+产生表面电荷。可变电荷。
以上3类表面往往相互交织。
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土壤学
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土壤学
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8.1.4土壤胶体的比表面和表面积
土壤学——第八章
壤表面分为硅氧烷型表面，水合氧化物，有 机物表面
硅氧烷型表面：2：1型粘土矿物，如云母，1：
主 讲
1型，如高岭石
： 水合氧化物：金属阳离子和氢氧基组成的表面，
赵 双
M-OH
飞 有机物表面：具有活性基团
土 二、土壤胶体的比表面和表面积
壤
学
土壤胶体表面积通常以比表面来表示
比表面是指用一定试验技术来测得的单位质量
土壤（土壤胶体）的表面积 主
讲
土壤胶体的晶核对土壤的表面积有重要贡献，
：
此外是土壤胶体的有机成分和无机胶膜
赵
双
测定方法：
飞
仪器法，采用电子显微镜和X射线衍射仪
吸附法，利用指示吸附质
土 壤
三、土壤表面电荷和电位
学 土壤电荷通过电荷数量和电荷密度两种方
式对土壤发生影响
主 1、电荷的起因和种类
讲 ：
1）永久电荷：同晶置换
： 赵 双
2）遵循等价交换原则 3）符合质量作用定律
飞 一般高价离子交换能力大于低价离子，同价离
子，水化半径小的交换能力强（H＋除外）
土 2、阳离子交换量
壤 学
土壤阳离子交换量（CEC）是指土壤所能吸附 和交换的阳离子的容量，用每千克土壤的一
价离子的厘摩尔数表示即cmol(+)/kg
主
讲 一般认为阳离子交换量>20cmol(+)/kg 保肥力强
： 赵
＝20～10
中
双
<10
弱
飞
土 3、盐基饱和度
壤 学
土壤中阳离子分2类:致酸离子和盐基离子
当土壤胶体上吸附的阳离子全部是盐基离子时
主 土壤呈盐基饱和状态，称之为盐基饱和的土壤 讲 ： 反之则为盐基不饱和土壤 赵 双 盐基饱和土壤具有中性或碱性， 飞 盐基不饱和土壤则呈酸性
硅氧烷型表面：2：1型粘土矿物，如云母，1：
主 讲
1型，如高岭石
： 水合氧化物：金属阳离子和氢氧基组成的表面，
赵 双
M-OH
飞 有机物表面：具有活性基团
土 二、土壤胶体的比表面和表面积
壤
学
土壤胶体表面积通常以比表面来表示
比表面是指用一定试验技术来测得的单位质量
土壤（土壤胶体）的表面积 主
讲
土壤胶体的晶核对土壤的表面积有重要贡献，
：
此外是土壤胶体的有机成分和无机胶膜
赵
双
测定方法：
飞
仪器法，采用电子显微镜和X射线衍射仪
吸附法，利用指示吸附质
土 壤
三、土壤表面电荷和电位
学 土壤电荷通过电荷数量和电荷密度两种方
式对土壤发生影响
主 1、电荷的起因和种类
讲 ：
1）永久电荷：同晶置换
： 赵 双
2）遵循等价交换原则 3）符合质量作用定律
飞 一般高价离子交换能力大于低价离子，同价离
子，水化半径小的交换能力强（H＋除外）
土 2、阳离子交换量
壤 学
土壤阳离子交换量（CEC）是指土壤所能吸附 和交换的阳离子的容量，用每千克土壤的一
价离子的厘摩尔数表示即cmol(+)/kg
主
讲 一般认为阳离子交换量>20cmol(+)/kg 保肥力强
： 赵
＝20～10
中
双
<10
弱
飞
土 3、盐基饱和度
壤 学
土壤中阳离子分2类:致酸离子和盐基离子
当土壤胶体上吸附的阳离子全部是盐基离子时
主 土壤呈盐基饱和状态，称之为盐基饱和的土壤 讲 ： 反之则为盐基不饱和土壤 赵 双 盐基饱和土壤具有中性或碱性， 飞 盐基不饱和土壤则呈酸性
土壤胶体化学和表面氧化反应
第八章土壤胶体化学和表面反应一土壤胶体表面类型1硅氧烷型表面2：1型粘土矿物的单位片层是由八面体铝氧片或镁氧片夹在两层硅氧四面体片中间所组成。
它所暴露的基面是氧离子层紧接硅离子层所组成的硅氧烷，故将其基面称为硅氧烷型表面。
高岭石和其他1：1型粘土矿物只有一半的基面是硅氧烷型表面。
硅氧烷型表面是非极性的疏水表面，不易解离。
活性较弱，电荷来源主要是晶体内部同晶替代产生的多余电荷，电荷不随pH、阳离子和电解浓度的变化而变化。
2水合氧化物表面指的是由金属阳离子和氢氧基组成的表面。
水合氧化物型表面是极性的亲水表面。
水合氧化物表面质子的缔结和离解可以产生电荷，这种电荷的数量因土壤溶液的pH和电解质浓度的变化而变化。
3有机物表面有机物因有明显的蜂窝状特征而具有较大的表面。
表面存在大量含氧功能团。
二土壤胶体的比表面和表面积比表面，它是用一定实验技术测得的单位质量土壤的表面积土壤胶体的晶核对土壤的表面积有重要的贡献。
晶质粘土矿物是土壤胶体晶核的主体。
粘土矿物的类型不同,其表面积的大小和表面类型的差别相当大。
土壤胶体的有机成分和无机胶膜对胶体表面积也有一定的贡献。
土壤表面电荷和电位（1）永久电荷：该电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。
同晶替换一般形成于矿物的结晶过程，一旦晶体形成，它所具有的电荷就不受外界环境影响。
同晶替换作用是2：1型层状粘土矿物负电荷的主要来源。
（2）可变电荷：随pH的变化而变化的电荷，称为可变电荷。
可变电荷的数量和符号取决与可变电荷表面的性质、介质pH和电解质浓度等。
（3）正电荷：一般认为，土壤中游离氧化铁是土壤产生正电荷的主要物质，而游离的铝化合物对正电荷的贡献较为次要。
蒙脱石和伊利石的边面也可能出现正电荷。
水铝英石和有机物质在低pH下都可能接受质子而带正电荷。
（4）净电荷：土壤的正电荷和负电荷的代数和就是土壤的净电荷。
大多数土壤带有净负电荷。
土壤的电荷数量土壤电荷的数量一般用每千克物质吸附离子的厘摩尔数来表示土壤电荷数量的影响因素：（1）土壤电荷主要集中在胶体部分（2）胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础，含较多蛭石、蒙脱石（蒙蛭组）或有机质的土壤胶体，其电荷量一般较高。
第8章 土壤胶体化学和表面反映
CEC 取决于: (1) CEC的概念, (2) 分析方法和pH, (3) 胶体类型 (4) 胶体数量. CEC = ∑cmol exchangeable cations per kg soil ECEC = ∑NH4-acetate exchangeable bases + 1 M KCl extractable Al
Adsorbed cations
(a) 盐基离子（basic cation Na+
(b) 致酸离子（acidic cations） : acidic cations
H+ and Al+3
(c) 吸附强度（strength of adsorption）:
Al+3> Ca+2 = Mg+2 > K+ = NH4+ > Na+
离子交换能力
(a) 阳离子相对浓度 (质量作用定律 质量作用定律); 质量作用定律 (b) 离子价态 (higher valence ions are more efficient); (c) 不同阳离子的扩散速度 (the smallest moving the fastest).
一般说来：
Cs > Rb > K > Na > Li Th > La > Ba > Sr > Ca > Mg Cu > Zn > Co > Pb > Mn (on goethite)
阳离子专性吸附(Specific adsorption)
• 机理 • 影响因素 (1) pH (2) types of soil colloids • 作用 (1) Agriculture and food quality (2) Environment
第八章土壤胶体表面化学
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。
质地
砂土 砂壤土 壤土
粘土
CEC
1~5
7~8
（2）有机质 OM % CEC
15~18
25~30
（3）胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤 的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。
土壤胶体的大小、形状、表面积、表面 电荷密度以及表面电荷变化等是理解土壤中 离子和分子的吸附与解吸、养分离子和污染 物质活性与生物有效性。絮凝、分散、传输 过程及产生的土壤水力特征和化学迁移的基 础。
根据表面结构，分 为3种类型：
一、硅氧烷型表面
土壤无机胶体（矿质胶体） 1、层状硅酸盐粘土矿物（2：1型和1：1型 等粘土矿物） 2、氧化物及其水合物
（一）阳离子专性吸附的机理
➢能够产生专性吸附的土壤胶体是铁、铝、锰等的氧化物及其水 合物。土壤中氧化物属于配位化合物，在氧化物-水体系中，处 于表面的中心离子（Fe、Al、Mn、和Si等）因为配位数未能满 足，而从水中缔合质子或羟基构成氧化物配位壳的一部分，导 致表面羟基化。中心离子周围的氧原子的较强的亲核性，决定 其对质子和金属离子（M2+）都有较强的亲合力，并与之形成羟 桥键合和环状结构。水合氧化物的这些特点就为专性吸附提供 了可能。
强
Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+
三、阳离子交换
在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以 被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种
能相互交换的阳离子叫做交换性阳离子，而把发生在 土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换作 用***。
8土壤胶体化学和表面反应PPT课件
从上述四种情况来看，土壤胶体所带的 电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。
16
3、正电荷 荷的代数和就是土壤的净电荷。
17
（二）土壤的电荷数量**
• 土壤电荷数量一般用每千克干土吸附 离子的厘摩尔数来表示，最常见的阳 离子交换量即为pH为7时土壤的净负 电荷。（阳离子交换量，CEC，cation exchange capacity )
由于土壤胶体有巨大的比表面，所以会产生巨大的 表面能，物体内部的分子周围是与它相同的分子，所 以在各个方向上受的分子引力相等而相互抵消。
而表面分子则不同，它与外界的气体或液体接触， 在内外两面受到的是不同的分子引力，不能相互抵消， 所以具有剩余的分子引力，由此而产生表面能，这种 表面能可以做功，吸附外界分子，胶体数量越多，比 表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈强。
• 阴离子交换量（AEC，anion exchange capacity
• CECp,CECv
18
土壤胶体的分布特征？
1、土壤电荷主要集中在胶体部分。小于2微米的
土壤胶体是土壤电荷的主题，80%以上的电荷集 中在胶体部分。
2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础，
土壤胶体组成不同，其所带电荷的数量也不同。 含有较多蛭石、蒙脱石、有机质的土壤胶体，电 荷数量较多。
第八章 土壤胶体化学和表面反应
1
整体概况
+ 概况1
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概况2
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概况3
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第八章 土壤胶体化学和表面反应
教学目标
1、本章的基本原理是理解土壤化学性质的基础； 2、土壤胶体的表面性质对土壤的理化性质有全面
16
3、正电荷 荷的代数和就是土壤的净电荷。
17
（二）土壤的电荷数量**
• 土壤电荷数量一般用每千克干土吸附 离子的厘摩尔数来表示，最常见的阳 离子交换量即为pH为7时土壤的净负 电荷。（阳离子交换量，CEC，cation exchange capacity )
由于土壤胶体有巨大的比表面，所以会产生巨大的 表面能，物体内部的分子周围是与它相同的分子，所 以在各个方向上受的分子引力相等而相互抵消。
而表面分子则不同，它与外界的气体或液体接触， 在内外两面受到的是不同的分子引力，不能相互抵消， 所以具有剩余的分子引力，由此而产生表面能，这种 表面能可以做功，吸附外界分子，胶体数量越多，比 表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈强。
• 阴离子交换量（AEC，anion exchange capacity
• CECp,CECv
18
土壤胶体的分布特征？
1、土壤电荷主要集中在胶体部分。小于2微米的
土壤胶体是土壤电荷的主题，80%以上的电荷集 中在胶体部分。
2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础，
土壤胶体组成不同，其所带电荷的数量也不同。 含有较多蛭石、蒙脱石、有机质的土壤胶体，电 荷数量较多。
第八章 土壤胶体化学和表面反应
1
整体概况
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第八章 土壤胶体化学和表面反应
教学目标
1、本章的基本原理是理解土壤化学性质的基础； 2、土壤胶体的表面性质对土壤的理化性质有全面
第八章 土壤胶体化学和表面反应.
第一节 土壤胶体的表面性质
二、土壤胶体的比表面
4、测定方法 1）仪器法：用电子显微镜或X射线衍射仪测定颗粒大小、形状，计算出理 论比表面积。 适用于：结晶良好，组成一定的纯矿物，不适用于土壤。 2）吸附法：用分子大小已知的指示吸附物质，在土粒表面形成单分子层， 计算出比表面，常用吸附物质有：（N2、H2O、溴化十六烷基吡啶、甘油、 乙二醇乙醚）。
第二节 土壤胶体对阳离子的吸附
三、阳离子交换作用
4、盐基饱和度（BS） 土壤胶体吸附的阳离子分为两类，一类致酸离子H+、Al3+，其它为盐基 离子。 盐基饱和度：指交换性盐基离子占阳离子交换量的百分数。
盐基饱和度%
交换性盐基 100% CEC 代换性H 、Ａl３＋ 盐基不饱和度% １００％ ＣＥＣ
第一节 土壤胶体的表面性质
三、土壤表面电荷和电位
5、土壤胶体的分散和凝聚 土壤胶体分散状态为溶胶，发生凝聚作用，形成凝胶。 原理：当电动电位大时，两个胶粒之间电荷斥力大，胶体处于分散状态。 当扩散层变薄，电动电位降电，两胶粒碰撞，其分子间引力大于静电斥力时， 胶体发生凝聚。电动电位减小，胶体发生凝聚。 1）补偿离子改变：土壤中Na+多，分散； 土壤中Ca2+多，结构好。 2）溶液中电解质增加，阳离子浓度大，扩散层薄，发生凝聚作用。 一价离子Na+ H+ K+引起胶体凝聚是可逆的。水分增加，阳离子浓度下 降，凝胶—溶胶。 二、三价离子产生凝聚不可逆，形成水稳性团聚体。 3）带相反电荷胶体，相遇发生凝聚作用。
第二节 土壤胶体对阳离子的吸附
三、阳离子交换作用
3、阳离子交换量（CEC） 阳离子交换量（CEC）是指pH=7时，每kg土吸附交换阳离子的厘摩尔 数。Cmol(+)/kg 影响因素： 1）胶体种类：有＞蒙＞伊＞高 2）土壤质地：细，有机质多，粘土矿物多 3） pH： pH下降，CEC降低 反映土壤的保肥能力： ＞20 Cmol(+)/kg高 20-10 Cmol(+)/kg中 ＜10 Cmol(+)/kg低
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第一节 土壤胶体的表面性质
第二节 土壤阳离子交换作用
第三节 土壤胶体对阳离子的专性吸附 第四节 土壤胶体对阴离子的专性吸附
第一节 土壤胶体的表面性质 Section 1 Soil colloidal surface nature
Section 1 Soil colloidal surface nature
Section 1 Soil colloidal surface nature
3、有机物表面 organic matter surfaces 土壤中的腐残质、有机酸、碳水化合物等的表面属于有机的表面 。其表面含有羧基（－COOH）、羟基（－OH）、醌基（=O） 、醛基（－CHO）、甲氧基（－OCH3）、氨基（－NH2）等功 能团。这些表面功能团可离解H＋离子而使表面带负电荷。
第七章 土壤胶体化学与表面反应
Chapter 7 Soil Colloidal Chemistry and Soil Surface Reaction
本章教学要求
1、了解土壤胶体及其在农学和环境学中的意义 2、掌握土壤胶体构造、表面、电荷及电位 3、掌握土壤阳离子交换作用
4、理解土壤对阳离子和阴离子的专性吸附
2、水合氧化物型表面 hydrous oxide surfaces
由金属离子和氢氧基组成的表面。一般用M－OH表示，M 为金属离子。 1:1型层状粘土矿物的羟基铝层基面、晶形或非晶形水合氧 化物与氢氧化物表面等都是水合氧化物型表面。 水合氧化物型表面是一个可逆表面 (Reversible surface)，通过 表面羟基对质子的缔合或解离产生电荷
分为硅氧烷表面 Siloxane surface 、 水合氧化物表面 Hydrous oxide surface 有机物表面 Organic matter surface
粘土矿物的表面
胶体电子 显微图像
Section 1 Soil colloidal surface nature
1、硅氧烷型表面Silicone-type surface
粘土矿物的比表面
土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2/g) 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 腐殖质 内表面 700-750 400-750 0-5 0 0 400 130-140 外表面 15-150 1-5 90-150 4-40 10-45 25-30 130-140 总表面 700-850 400-800 90-150 5-40 10-45 430 260-800 800-900
土 类
棕钙土
褐土
黄棕壤
红壤
砖红壤
负电 荷量 含主要 矿物
40~60
90
35~40
45~60 水化云 母，蛭 石
40 水化云 母，高 岭石
15~25<10 Nhomakorabea以蒙脱石为主
水化云 母为主
高岭石， 高岭石 水化云 母
Section 1 Soil colloidal surface nature
（2）土壤质地 Soil texture
H2 R－COOH O R－COO－＋H 3O＋
Section 1 Soil colloidal surface nature
（二）土壤胶体的表面积 The surface area of soil colloid
比表面 The specific surface area ，用一定实验技术测得的单 位质量土壤的表面积。
五、电荷零点（zero point of charge，ZPC；point of zero charge, PZC)
电荷零点（零点电荷）：土壤粘土矿物表面不带正电荷， 也不带负电荷，其表面电荷等于零，此时的pH值称为电 荷零点。 ZPC 是表征胶体表面电荷性质的一个重要参数。体系 pH<ZPC时，胶体表面带正电荷；体系pH>ZPC时带负电 荷；体系pH=ZPC时，则表面不带电荷。 土壤中重要氧化物的ZPC
一、土壤胶体概念（soil colloid） 土壤中直径为0.002～2μm土粒。 在土壤中，土壤胶体含量一般为2～50%。
electron micrographs of the clay minerals montmorillonite
Section 1 Soil colloidal surface nature
氧化物
SiO2
TiO2
MnO2
Fe2O3
Al2O3
ZPC
2
4.5
4
6.5~8
7.5~9.5
五、电荷零点（ZPC）
土壤类 型 ZPC
砖红壤
4.0
红壤
3.0
黄棕壤
2.35
黑土
2.15
第二节土壤阳离子交换作用 Section 2 Cation Exchange Function
一、土壤阳离子交换的概念
三、土壤胶体微粒的构造 Colloidal particles of soil structure 1、胶核 Plastic nuclear（如粘土矿物、腐殖质、粘粒氧 化物等） 2、决定电位离子层 Ion of the potential decision（土壤 胶体表面的一层离子，决定土壤电荷量和电性） 3、补偿离子层 Compensation ionosphere 非活性补偿离子层Non-ionic layer of compensation（靠近胶体表面） 扩散层 Diffusion layer
(四）土壤胶体电位 Potential soil colloid
Section 1 Soil colloidal surface nature
(四）土壤胶体电位 Potential soil colloid
1、全电位 All potential：决定电位离子层与土壤溶液 之间的电位差。又称热力学电位。 2、动电电位Dynamic Potential：非活性离子层与土壤 溶液之间的电位差。
层状硅酸盐中硅氧四面体底面互相连结而成的六方网状平面 层
（－Si―O―Si－）。
2：1型粘土矿物 2:1 type of clay minerals 两个面都是硅氧烷表面，高岭石只有一半的面是硅 氧烷型表面。 复三方网孔分布在硅氧烷表面上
Section 1 Soil colloidal surface nature
土壤胶体 无机胶体 Inorganic colloid （矿质胶体） 有机胶体 Organic colloid 有机-无机复合胶体 Organic - inorganic composite
colloidal
二、土壤胶体类型 （一）无机胶体Inorganic colloid （矿质胶体） 粘土矿物如高岭石、蒙脱石、伊利石等，粘粒氧化物如氧化 铁、氧化铝等。
一价离子 Li+ Na+ K+ NH+4 Rb+
同价的离子，其交换能力与离子半
离子半径(nm)
离子水合半径(nm)
0.078
1.008
0.098
0.790
0.133
0.537
0.143
0.532
0.149
0.509
交换能力
弱
强
Section 2 Cation exchange function
土壤中常见阳离子的交换能力顺序：
Section 1 Soil colloidal surface nature
2、可变电荷 Variable charge
环境pH变化，土壤胶体的表面电荷的数量和符号
发生改变的电荷。
（1）土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中
释出离子所引起的，如水合氧化物型表面对质子的
缔合和解离。
（2） 层状硅酸盐粘土矿物的边面及表面断键。
Section 1 Soil colloidal surface nature
（三）土壤胶体电荷 Variable charge 1、永久电荷 Permanent charge（也叫 恒电荷或结构电荷 ） 来自土壤胶体内同晶替代，不随环境pH 变化而改变的电荷。 同晶置换作用是2:1型层状粘土矿物负电 荷的主要来源 ，这些负电荷主要分布在 硅氧烷型表面的复三方孔穴周围 。
Section 1 Soil colloidal surface nature
3、土壤阳离子交换量Cation exchange capacity, CEC 每千克土壤吸附阳离子的厘摩尔数，单位：c mol/kg。 影响土壤CEC的因素是： （1）粘土矿物 Clay minerals
黑土 栗钙土 暗栗 钙土
Section 2 Cation exchange function
Section 2 Cation exchange function
Section 2 Cation exchange function
二、阳离子交换作用的特点 Characteristic of cation exchange
（二）有机胶体Organic colloid 土壤腐殖质和各种高分子有机化合物，如蛋白质、纤维素、脂 肪、多糖等。土壤微生物也具有胶体性质，属于一种生物胶体。 （三）有机-无机复合胶体 Organic - inorganic composite colloidal
Section 1 Soil colloidal surface nature
（1）Cation exchange reactions are reversible processes. （2）Exchange between ions of different valencies has to take into account the fact that ions are exchanged by the same number of equivalents of other ions.