环境化学课件南开大学孙红文博导最新版本第四章讲义

晶架结构
晶层间连接键
大小/m 形状
分子引力
0.01~1.0（小） 不规则片状
钾键
0.1~2.0（中） 不规则片状
氢键
0.1~5.0（大) 六方形晶体
比表面/(m2•g-1)
外表面 内表面 胀缩性 CEC/(cmol•kg-1)
大700~800
高 很高 高 80~120
中 100~120
中 中 中 20~40
过滤层，是土壤中生物最活跃的一层，有机质大部分在这一层。
最大淋溶深度：评价污染物淋溶性能的指标，是指土层中污染
物的残留浓度为500 μg•kg-1时，污染物所能达到的最大深度。
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
1. 土壤矿物质
原生矿物
磷酸盐类 氧化物类 硫化物类 硅酸盐类
土壤矿物质
被水饱和的土壤
排入地下水
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
土壤的分层： 覆盖层、淋溶层、淀积层 淋溶（leaching ）：是指污染物随渗透水在土壤中沿土壤垂
直剖面向下的运动，是污染物在水－土壤颗粒之间吸附－解 吸或分配的一种综合行为。
淋溶层：是指由于淋溶作用使物质下移所经过的土层，也可称
共用底角氧原子
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
共用上下 两层氧原 子形成片
铝氧八面体片
octahedral sheet
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
属2：1型晶格，晶 层之间主要靠弱的 分子间力连接，粒 径小于1µ m，阳离 子交换量极高，它 所吸收的水分植物 难以利用，晶层连 接不紧，水分子易 进入，极易发生同 晶取代。 属1：1型晶格， 晶层之间由氢键 连接，甚为紧密， 粒径0.1~5.0 µ m， 膨胀性小，阳离 子代换量低，极 少发生同晶取代。
次生矿物 secondary minerals

由原生矿物经化学风化形成。 化学风化的三个历程：氧化、水解和酸性水解。

分为三类：简单盐类——原生矿物化学风化的最终产物 ； 三氧化物——硅酸盐矿物彻底风化后的产物 ； 次生铝硅酸盐类——长石等原生硅酸盐矿物风化而成，又 称黏土矿物，分为三大类：伊利石、蒙脱石、高岭石。
Soil Sorption Capacity
四、 土壤的酸碱性
Soil Acidity & Soil Alkalinity
五、 土壤的氧化还原性能
Redox Characteristics of Soil
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
一、土壤的组成
Soil Components
土壤是指地球陆地表面具有一定肥力且能生长植物的疏松表 层。它是由岩石风化和母质的成土两种过程综合作用下形成的产 物。其本质属性是具有肥力，由固、液、气三相组成。 土壤中的水分 及其水溶物 （包括气体）
的暗色、无定形、难于分解、组成复杂的高分子有机物。包括：
富里酸、胡敏酸、胡敏素。其中，富里酸溶于稀酸稀碱；胡敏酸 只溶于稀碱，不溶于稀酸；胡敏素不被碱液提取。
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
土壤有机成分的主要组分 Major Classes of Organic Compounds in Soil Compound type Humus Composition Degradation-resistant residue from plant decay, largely C, H, and O Lipids extractable by organic solvents Significance Most abundant organic component, improves soil physical properties, exchanges nutrients, reservoir of fixed M Generally, only several percents of soil organic matter, may adversely affect soil physical properties by repelling water, perhaps phytotoxic Major food source for soil microorganisms, help to stabilize soil aggregates Provide nitrogen for soil fertility
Oxides
Carbonates Sulfides —— Environmental Chemistry 8th ed. Manahan S E. CRC Press. 2004. 407. Sulfates Halides Native elements
Corundum
Magnetite Calcite Dolomite Pyrite Galena Gypsum Halite
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
由于方方面面的原因，一些地区的土壤受到不同程度的污染，
对生态环境、食品安全和农业可持续发展构成威胁，总体形 势相当严峻。
一是土壤污染程度加剧。据不完全调查，目前全国受污 染的耕地约有1.5亿亩①，污水灌溉污染耕地3250万亩，固体 废弃物堆存占地和毁田200万亩，合计约占耕地总面积的1/10 以 上，其中多数集中在经济较发达的地区（2006年）。
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
土壤层中的主要矿物组分 Major Mineral Groups in the Earth’s Crust
Mineral Group Silicates Examples Quartz Olivine Potassium feldspar Formula SiO2 (Mg, Fe)2SiO4 KAlSi3O8
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
第一节 土壤的组成和性质
4.1 Soil Components & Characteristics
一、 土壤的组成
Soil Components
二、 粒级分组与质地分组
Size Classification & Texture Classification
三、 土壤吸附性
固体50%左右
矿物质45%左右 水 空气 20%~30% 30%~20%
有机质5%左右
空隙 50%左右
Dynamic Nature of Soil
Ideal Too Dry Too Wet
Water
Mineral
Organic
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Air
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
气相 gases
Soil air: CO2，O2，N2，H2S，CH4等
water 土壤 soil
液相 liquids
salts inorganic 固相 solids
Soil solution
minerals
Humus and residue of plants
organic
microorganisms
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
根须 土粒上的吸附水 土粒 土壤孔隙
伊利石 高岭石 蒙脱石
次生矿物
简单盐类 三氧化物 次生铝硅酸 盐类
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
原生矿物 primary minerals

岩石受物理风化，化学组成和结晶构造都未改变。 主要有：石英、长石类、云母类、辉石和角闪石。 土壤中0.001~1 mm的沙和粉沙几乎全部是原生矿物。 四类最重要的原生矿物：磷酸盐类、氧化物类、硫化 物类、硅酸盐类（占岩浆岩质量的80％以上）。
伊利石
illite
伊利石类结晶 构造示意图
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
伊利石
K+ 能发生同晶取代
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
蒙脱石 montmorillonite
蒙脱石类结晶 构造示意图
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
蒙脱石
弱的分子间力 极易发生同晶取代
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矿物质 90%以上 有机质 1.0%~10%
Soil solution is defined as the soil interstitial water, its solutes and dissolved gases.
孔隙中充满空气 porous media
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
小 5~20
低 无 低 3~15
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
请根据图示区分 三种典型黏土矿物：
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
2. 土壤有机质
土壤有机质：土壤中含碳有机化合物的总称。
分为如下两类：

非腐殖质：如蛋白质、糖、有机酸等，占10%~15%。

腐殖质：占85%~90%。腐殖质是地表分布最广的天然有机物， 是动植物残体在土地微生物的作用下，通过复杂的反应转化而成
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3. 对环境的交互作用（净化－污染） 4. 记忆块与基因库
《环境化学》 第四章 土壤环境化学
土壤是各种污染物最终的“宿营地”，世界上90％ 的污染物 最终滞留在土壤内。土壤中的污染物质会向水体中迁移或流失； 附着其上的污染物能够进入大气，并通过大气环流在全球范围内 进行传播。土壤中的有害物质不仅通过食物和水体影响人体健康 ，还会附着在土壤颗粒上，通过呼吸直接进入人体。 大气污染的 干湿沉降
属2：1型晶格， 富含钾，两晶层 之间通过K离子 相连，粒径小于 2µ m，阳离子交 换量较多，膨胀 性小，可发生同 晶取代，但不明 显。
结构与性质 之间的关系
同晶取代：当硅酸盐黏土矿物形成时，晶格内的组成离子， 常被另一种大小相近、电荷符号相同的离子所取代，取代后 的晶体构造并未改变。
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
《环境化学》 第四章 土壤环境化学
第四章 土壤环境化学
Chapter 4. Soil Environmental Chemistry
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
内容提要及要点要求
本章主要介绍土壤的组成及性质；污染物在土壤－
植物体系中的迁移和它的作用机制，以及主要农药和重
金属在土壤中的迁移、转化与归趋。要求了解土壤的组 成与性质，土壤的粒级与质地分组特性；了解污染物在
《环境化学》 第四章 土壤环境化学
高岭石 kaolinite
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
单位晶层
高岭石
瞧：氢键在这里
（牢固） 不易发生同晶取代 内表面 （无）
外表面
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
三大类次生硅酸盐矿物区别
性 质
次生层状硅酸盐矿物
蒙脱石 2:1 伊利石 2:1 高岭石 1:1
土壤－植物体系中迁移的特点、影响因素及作用机制。
掌握土壤的吸附、酸碱和氧化还原特性，重金属离子和 农药在土壤中的迁移原理与主要影响因素，以及主要农
药和重金属离子在土壤中的转化规律与效应。
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
土壤圈(Pedosphere)
特征：
1. 永恒的物质循环与能量交换 2. 最活跃、最富生命力的圈层 5. 时空变化
Al2O3
Fe3O4 CaCO3 CaCO3• MgCO3 FeS2 PbS CaSO4•2H2O NaCl
Fluorite
Copper Sulfur
CaF2
Cu S
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
硅氧四面体片 tetrahedral sheet
工业废物的 任意堆放 工业废水的 任意排放 地表径流带 来的污染
污泥、污水 的施用等 农药和化肥 的过度施用 生活垃圾的 填埋
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土 壤
《环境化学》 第四章 土壤环境化学
世界十大污染事件之一 —— 骨痛病事件
19世纪80年代，日本富山县平原神通川上游的神冈矿 山(铅锌矿)开始采矿活动，然而在采矿过程及堆积的矿渣中 产生的含有镉等重金属的废水却长期直接流入周围的环境 中，在当地的水田土壤、河流底泥中产生了镉等重金属的 沉淀堆积。镉通过稻米进入人体，首先引起肾脏障碍，逐 渐导致软骨症，在妇女妊娠、哺乳、内分泌不协调、营养 性钙不足等诱发原因存在的情况下，使妇女得上一种浑身 剧烈疼痛的病，叫痛痛病，也叫骨痛病，重者全身多处骨 折，在痛苦中死亡。从1931年到1968年，神通川平原地区被 确诊患此病的人数为258人，其中死亡128人，至1977年12月 又死亡79人。
二是土壤污染危害巨大。据估算，全国每年因重金属污 染的粮食达1200万t，造成的直接经济损失超过200亿元。 三是土壤污染防治基础薄弱。
① 1亩=667
m2
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《环境化学》 第四章 土壤环境化学
为全面、系统、准确把握我国土壤污染的真实“家底”，有效 防治土壤污染，确保百姓身体健康，2006年7月18日国家环保总 局（现为环境保护部）和国土资源部联合启动了经费预算达１ ０亿元的全国首次土壤污染状况调查。全国土壤污染状况调查 的范围包括除台湾省和香港、澳门特别行政区以外的各省、自 治区、直辖市所辖全部陆地国土，调查的重点区域是长三角、 珠三角、环渤海湾地区、东北老工业基地、成渝地区、渭河平 原以及主要矿产资源型城市。 根据安排，2006年７月至2007年底是调查的实施阶段，主要任务是 进行野外采样和室内数据分析工作；2008年是调查的总结阶段，主 要任务是编制调查报告，全面总结和集成调查成果。 此外，我国土壤污染标准体系的制定工作也日益受到重视 在2008年12月12日召开的“中国环境修复发展战略论坛”上，国家环 保部科技司刘志全副司长在发言中称，我国目前每年投入3000~4000 万元人民币用于制定土壤污染标准体系的研究，每年要制定100多项 标准，预计在未来1~2年内完成。