土壤胶体

(１) 高岭石（１：１型铝硅酸盐矿物）
由一个硅氧片和一个水铝片，通过 共用硅氧顶端 的氧原子连接起Fra Baidu bibliotek来的片状晶格构造。
每个晶层的一面是OH离子 组（水铝片上的），另一面 是O离子（硅氧片上的）， 因而叠加时晶层间可形成氢 键，使各晶层之间紧密相连 从而形成大颗粒，晶粒多呈 六角形片状。
(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
来源
含水铁、铝氧化物的解离（Al2O3· 2O) 3H 腐殖质上某些官能团的解离（如-COOH） 含水氧化硅的解离
a、 黏土矿物晶面上-OH的解离
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.
层状黏土矿物胶体的构造示意图
二、土壤胶体的性质
1、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·-1或cm2· -3。 g cm 物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大， 比面也愈大。
-COOH -OH
H+ + COOH+ + -O-
低pH条件下：
-NH2 -NH3+
d、含水氧化硅的解离
SiO2· 2O（或H2SiO3）的pH0值为2， 土壤pH对于含水 H 氧化硅来讲是碱性条件，所以一般不带正电荷
所带负电荷的量随土壤pH值的升高而增加。 H2SiO3 HSiO3- +H+ SiO32-+H+ （带负电）
3、土壤胶体的分散性和凝聚性
溶胶
胶体的两种状态
分 散 作 用 凝 聚 作 用
胶体微粒均匀分散在水中， 呈高度分散状态
凝胶
胶体微粒彼此联结凝聚在 一起而呈絮状
胶体的凝聚或分散决定于动电电位的高低： 越高，排斥力愈强，溶胶状态。 越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶状态。
土壤胶体由于大多带有负电荷，相互具有负电位，而 互相排斥，不易凝聚。
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 带负电荷的胶体核粒
如Al（OH）3在酸性环境中的解离： Al(OH)3+HCl 胶核中的分子 Al(OH)2++Cl-+H2O 带正电荷的胶体核粒 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。
第八章 土壤胶体和土壤离子交换
主要内容提要
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
胶体的概念
分散体系：一种物质分散在另一种物质中所形成的体系
分散相：被分散的物质 分散介质：分散它物并容纳着分散相的物质 分 散 系 的 分 类
粗分散系：分散相颗粒直径大于100 nm（如 水分饱和的沙层）
胶体分散系是土壤中最活跃的部分，它是土壤各种物、 化性质的基础
第一节 土壤胶体的构造和性质
一、土壤胶体的构造
胶核 胶粒 胶 团 双电层
补偿离子层 决定电位离子层
_ _ _ _ + 非活性补偿离子层 + + + + + +
扩散层
+
土壤胶体构造示意图
1、胶核
胶体的固体部分, 土壤中胶核一般由含水SiO2 ,Fe2 O3,Al2 O3 、
纯净的氢氧化铁的等电点为pH 7.1，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。
Al(OH)3+H+→Al(OH)2++H2O （pH<8.1）
+ OH↓ Al(OH)2O-+ H2O （pH>8.1）
3、水铝英石 （非晶质无定形的胶态）
其成分为水化的硅、铝二三氧化物，简化的分子式为： xSiO2•yAl2O3•nH2O 。 水铝英石的硅氧四面体中由Al3+置换Si4+可产生净负电荷，同时表面有 Al—OH、Si—OH 。 当溶液碱性增加、pH增大时产生以下解离而带负电： =Al - OH pH加大 =Al - O- + H+
b、含水氧化铁、氧化铝的解离 如三水铝石的pH0值为4.8。 当土壤pH低于pH0值时:（相当于酸性环境） Al2O3· 2O 3H 2Al(OH)2++2OH-
当土壤pH高于pH0值时: （相当于碱性环境） Al2O3· 2O 3H 2Al(OH)2O-+2H+
c、腐殖质上某些原子团的解离
高pH条件下：
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。 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。
那么如何才能使胶体凝聚呢？
电解质对溶胶的聚沉作用最重要，电解质可 使溶胶发生聚沉
原因： 加入电解质后，离子浓度增大，部分扩散层中的反离 子进入非活性层，使扩散层变薄，动电电位降低。
电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响： 电解质的浓度愈大，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈 能减小扩散层厚度，使胶粒凝聚。 电解质中异电离子的价数愈高，聚沉能力愈大， 三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子；
6×102
6×103 6×104 6×105
0.000001
0.0000001
1018
1021
600m2
6000m2
6×106
6×107
各粒径土粒的比表面积
土粒 （粒径mm） 粗砂粒（1） 中砂粒（0.1） 细砂粒（0.01） 粘粒（0.001） 比表面积 （cm2·-1） g 22.6 226 2,260 22,600 土粒 （粒径mm） 粘粒（0.0005） 500nm 胶粒（0.0001） 100nm 胶粒（0.00005） 50nm 胶粒（0.00001） 10nm 比表面积 （cm2·-1） g 45,200 226,000 452,000 2,260,000
胶体分散系：分散相颗粒直径（非球形颗粒则指 长、宽、高三向中至少有一个方向的长度）在1～ 100 nm范围 分子、离子分散系：分散相颗粒直径小于1 nm
土壤也是一种分散系，其分散相是土粒，分散介质是 水。 通常条件下，直径小于2 um（或1um）的土粒便具有 胶体的性质，因而被视为土壤胶体颗粒
注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可逆 的。 阳离子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土壤结 构的稳定性有关，钙离子和腐殖质胶结的结构具有水 稳性，而钠离子胶结的不具水稳性。
4、土壤胶体的吸附性和交换能力
由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子或离子有很 强的吸附力，同样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。
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。
≡Si - OH
≡Si - O- + H+
因此，水铝英石表面可吸附很多阳离子，阳离子交换量可达 154~210cmol(+)· -1。 kg
4、黏土矿物 （次生层状铝硅酸盐类）
大多是结晶层状构造，由硅氧片（由硅氧四面体连接而 成）和水铝片（由铝氧八面体连接而成）迭合而成。
①硅氧片、硅氧四面体
硅四面体可以 共用氧原子而形成一
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。
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。
同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离 子本身半径大，或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。
电解质阳离子的凝聚力大小顺序为：
Fe3+> Al3+ > Ca2+> Mg2+ > H+ > NH4+ > K+ > Na+
0.5µm粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度
电解质名 称 NaCl KCl NH4Cl MgCl2 开始凝聚时的浓 度（mol· -1） L 0.0250~0.0125 0.0250~0.0125 0.0250~0.0125 0.0006~0.00025 电解质名 称 CaCl2 AlCl3 FeCl3 HCl 开始凝聚时的浓 度（mol· -1） L 0.0006~0.00025 <0.000042 <0.000042 0.001~0.0005
2、含水氧化铁、铝： （两性胶体）
此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O3•3H2O）、水赤铁矿 （3Fe2O3•H2O）、针铁矿（Fe2O3•H2O）、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。
次生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分子团分子组成 。
2、双电层
决定电位离子层(内层)： 是固定在胶核表面, 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:非活性补偿离子层和扩散层（发生离 子交换）。
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。
层状硅酸盐晶层上的-OH基可以解离出 H+，带负电:
结 -OH 晶 -OH 体
-OH
结 晶 体
-O-O-O+3H+
土壤胶体为什么一 般带负电?
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，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8相当于在碱性环境下， 此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都带负电，表现为对阳离子的 吸 附，只有Fe(OH)3和Al(OH)3带正电，吸附阴离子。故 土壤 胶体在通常情况下以带负电为主。 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 (isoelectric point)。
很显然,土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状多种多样. 只有 砂粒近似球形,但其表面大多不平,大部分粘粒多为片状,棒状,针 状, 实际上胶体的表面积比光滑的球体大得多。
由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能。
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。
第二节 土壤胶体的类型
一、土壤无机胶体
主要包括： 含水氧化铁 含水氧化铝 含水氧化硅 水铝英石 次生铝硅酸盐类 （即粘土矿物）
1、含水氧化硅胶体： （游离态无定型）
SiO2.H2O→H2SiO3 带负电（pH0=2） H2SiO3 H++ HSiO3 2H++ SiO32-
注：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。
层，氧原子排列成为
中空的六角形，称硅 氧片或硅氧层。
②铝氧八面体 由六个氧原子 （或氢离子）环 绕着一个中心铝 离子排列而成， 氧原子排列成两 层，铝原子居于
两 层 中心孔 穴 内 ，
称水铝片。
根据硅氧片和水铝片迭合情况的不同，可将粘土矿物分为 不同类型。
高岭石类 蒙脱石类 蛭石 水云母类
1cm3物质表面积随分散度变化的情况
立方体边长 （cm） 1 0.1 立方体数 目 1 103 总表面积 6cm2 60cm2 比表面积 （cm2· -3） cm 6 6×10
0.01
0.001 0.0001 0.00001
106
109 1012 1015
600cm2
6000cm2 6m2 60m2