09 胶体化学和表慢反应

黄昌勇 土壤学 第八章，参考华南农业大学同步课程制作。土壤胶体化学和表面反应，详细的总结了土壤胶体的表面性质，土壤胶体对阳离子的吸附交换作用，土壤交替对阴离子的吸附与交换。

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
  • 一、土壤胶体种类
    • 无机胶体（矿质胶体）
      • 次生层状硅酸盐
      • 氧化物
      • 简单盐类
    • 有机质胶体(有机胶体)
    • 有机矿质胶体（有机无机复合胶体）
  • 二、土壤胶体构造
    • 胶粒
      • 胶核（负电）
      • 双电层
        • 内层：决定电位离子层（负电）
        • 外层：补偿离子层（正电）
          • 非活性补偿离子层
          • 扩散层
    • 粒间溶液
  • 三、土壤胶体表面类型
    • 硅氧烷型表面：2：1型粘土矿物，非极性疏水表面，不易解离。
    • 水合氧化物型表面：M-OH，极性的亲水表面，羟基型表面。
    • 有机物表面：有机物因有明显的六角蜂窝状特征而具有较大的表面。
  • 四、土壤胶体性质
    • （一）巨大的比表面积
      • 1.土壤胶体的表面积：通常以比表面来表示，可用来评价土壤表面化学活性。
        • 内表面：膨胀性黏土矿物层间的表面
        • 外表面：黏土矿物外表面及腐殖质、游离氧化铁铝等胶膜表面
      • 2.比表面：用一定实验技术测得的单位质量土壤的表面积
      • 3.比表面积的测定方法
        • 仪器法：常用的仪器是显微镜和X射线衍射仪
        • 吸附法：用分子大小为已知的指示、吸附质在图里表面形成单分子层吸附
    • （二）带电性：所有土壤胶体都带电，通常带负电。
      • 1.土壤电荷的起因和种类
        • 永久电荷
          • 带电原因：同晶置换
          • 同晶置换 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（PH、电解质浓度）影响，故称之为永久电荷
          • 2：1型粘土矿物负电荷的主要来源
        • 可变电荷
          • 特点：随PH的变化而变化（有机质）
          • 带电原因
            • 表面分子解离
              • 如：解离出氢离子。多数土壤胶体产生电荷的原因
            • 断键
              • 高岭石带电的主要原因
            • 胶体表面从介质中吸附离子
          • 可变电荷的数量和符号主要取决于可变电荷表面的性质，介质PH 和电解质浓度
        • 正电荷：土壤中的游离氧化铁是土壤产生正电荷的主要来源，而游离的铝化合物对正电荷的贡献较为次要
        • 净电荷：土壤正负电荷的代数和，大多数土壤带有净负电荷
      • 2.土壤电荷数量的影响因素
        • 土壤电荷主要集中在胶体部分，80%
        • 胶体组成成分（决定其电荷数量的物质基础）
        • 土壤胶体组分间的相互作用
      • 3.土壤胶体表面电位：胶体表面带有负电荷（K值越大，双电子层厚度越小）
    • （三）分散性与凝聚性
      • 1.分散性与凝聚性：土粒与土粒之间
      • 2.动电电位：水化半径越大，凝聚性越小
      • 3.应用：用钙盐改良烂泥田
• 第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换作用（土粒与溶液之间）
  • 一、离子吸附的一般概念
    • 吸附作用：土壤溶液分子、离子和原子在固相表面富集的过程。
      • 交换性吸附：静电引力
      • 专性吸附：共享氧原子，形成共价键
      • 负吸附：离子浓度＜溶液浓度
      • 正吸附：离子浓度＞溶液浓度
  • 二、阳离子的静电吸附
    • 1.土壤胶体一般带负电荷，通常吸附多种带正电荷和阳离子
    • 2.吸附特点
      • 胶体表面所带负电荷越多，吸附阳离子数量越多；
      • 胶体表面的电荷密度越大，吸附越牢
    • 3.亲和力大小顺序：高价＞低价
    • 4.吸附力亲和力顺序：铅>铵>钾>钠>锂离子
  • 三、阳离子交换
    • 1.阳离子交换
      • （1）阳离子交换
        • 概念：土壤胶体表面所吸附的阳离子与土壤溶液中的其他阳离子相互交换的过程。
        • 反应式
      • （2）阳离子交换作用
        • 概念：发生在土壤胶体表面的交换反应
        • 特点
          • 可逆反应
          • 遵循等价离子交换原则
          • 符合质量作用定律
        • 影响因素
          • 电荷价
          • 离子水化半径
          • 离子浓度
        • 强弱顺序
      • （3）阳离子交换量CEC：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
        • 影响因素
          • 胶体类型：含氧化物和高岭石较多的土壤，CEC较小；含腐殖质和2：1型粘土矿物较多的土壤，CEC较大
          • 土壤质地：粘粒越多，CEC越大
          • 土壤PH：PH升高，CEC越大
        • 南北方CEC比较
          • 北方 较高
          • 长江中下游地区20~30
          • 南方小
    • 盐基饱和度BSP
      • 类型
        • 盐基离子：钾离子，钠离子，钙离子，镁离子，铵根离子
          • 盐基饱和土壤：当土壤胶体上吸附的阳离子全为盐基离子时，土壤呈盐基饱和状态，盐基饱和土壤具有中性或碱性反应
        • 致酸离子：氢离子，铝离子
          • 盐基不饱和土壤：当土壤胶体吸附的阳离子仅部分为盐基离子，而其余部分则为致酸离子时，土壤呈盐基不饱和状态，盐基不饱和土壤呈酸性反应
      • 盐基饱和度：交换性盐基离子占阳离子交换量的百分数
      • 盐基饱和度≥80%——土壤很肥沃，50——80%中等肥力，饱和度＜50%肥力较低
      • 离子致酸机制
      • 盐基离子
    • 交换性阳离子的有效度影响因素
      • 离子饱和度：交换性阳离子有效度不仅与该离子在土壤中的绝对量有关，更决定于该离子占交换性阳离子总量之比，即离子饱和度。离子饱和度高，被交换解吸的机会多，有效度大，此外，土壤质地可影响离子饱和度，间接影响交换性阳离子的有效度
      • 互补离子效应：一般来说，某离子的互补离子被土壤胶体吸附的力越强，该离子的有效度越高（互补离子：土壤胶体表面总是吸附着多种交换离子，对某一指定离子，其它同时存在的离子都认为是他的互补离子，也称陪补离子）
      • 粘土矿物类型：不同粘土矿物的晶格构造不同，因而吸附阳离子的牢固程度也不同。在一定的盐基饱和度范围，蒙脱石类矿物吸附的阳离子一般位于晶层之间，吸附比较牢固，因而有效性较低，而高岭石类矿物吸附的阳离子通常位于晶格的外表，吸附力较弱，因而有效度高
  • 四、阳离子的专性吸附
    • 1.机理
    • 2.影响因素
      • PH
      • 土壤胶体类型
    • 3.实际意义
      • 对多种微量重金属起富集作用
      • 控制土壤溶液中的金属离子浓度
      • 土壤是重金属元素的一个汇
• 第三节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换
  • 一、阴离子的静电吸附
    • 由于土壤胶体表面带有正电荷所引起
    • 作用力：胶体表面与阴离子之间的静电引力
  • 二、阴离子的负吸附：电解质溶液加入土壤后阴离子浓度相对增大的现象
  • 三、阴离子的专性吸附：阴离子进入粘土矿物或氧化物表面的金属原子的配合壳中，与配位壳中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价键或配位键结合在固体表面