课件土壤胶体化学与表面反应.ppt
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1、第五章(一),土壤胶体化学,1、本章的基本原理是理解土壤化学性质的基础;粘土矿物是胶体的基础。2、土壤胶体的表面性质对土壤的理化性质有全面 深刻的影响;学好本章可对各章融会贯通。3、土壤胶体化学是土壤化学的核心内容之一。,教学目标,第一节土壤胶体的种类、构造,土壤胶体土壤胶体的概念土壤胶体的种类土壤胶体的基本构造土壤胶体的基本性质土壤胶体对离子的吸附作用土壤胶体吸附性的含义土壤吸附性的类型及其意义,土壤胶体的概念,胶体:细小颗粒(一般小于0.001mm粘粒)均匀地分散于分散剂中形成的两相体系。土壤胶体:指土壤中的细小颗粒均匀地分散于土壤水中而形成的两相体系。土壤胶体是土壤中最细小、最活跃的部分
2、,土壤胶体的组成和性质对土壤的理化性质,如土壤的吸附性、酸碱性、缓冲性以及土壤结构都有很大的影响。土壤胶体是一种分散系统分散系统通常由两种物质所组成,一种物质的分子呈连续分布状态,称为分散介质;另一种物质的分子是不连续的,称为分散相,分散相均匀地分散在分散介质中,构成胶体分散系统。在一般情况下,是把土壤固相颗粒作为分散相,而把土壤溶液和土壤空气看做分散介质。土壤胶体的大小范围一般将土壤上限规定为0.001 mm,即1 m,这比一般胶体大10倍,因为这样大小的颗粒已明显表现出胶体性质,如黏粒又称为胶粒。,土壤胶体的种类(一),土壤胶体从形态上可分为无机胶体(也称矿质胶体)、有机胶体和有机无机复合
3、胶体。有机胶体 土壤中的有机物质,尤其是腐殖质,是土壤中含有的一类分子量大、结构复杂的高分子化合物,具有明显的胶体性质,故称之为土壤有机胶体土壤腐殖物质是土壤有机胶体的主体,此外,还有少量的蛋白质、多肽,氨基酸以及多糖类高分子化合物也具有胶体的性质。土壤中还有大量的微生物,它们本身也具有胶体性质,是一种生物胶体。它带有大量的活性功能团,尤其是表面的酸性功能团如H+解寓后,使其带有大量的负电荷,阳离子代换量可高达300500cmol(M+)/kg。无机胶体 无机胶体又称矿质胶体,主要是层状铝硅酸盐矿物和无定形氧化物组成,一般为极细微的黏粒,在数量上,无机胶体比有机胶体高几倍到几十倍,通常用土壤中
4、黏粒(d0.001mm)的含量来反映土壤无机胶体的数量。,土壤胶体的种类(二),有机一无机复合体:土壤中的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一无机复合体。土壤有机质因其性质极为活跃,绝大部分是以有机无机复合体的形式存在的。有机无机复合度:一般把土壤的有机无机复合体中含碳量占土壤总碳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5070。有机无机复合体特点:1.有机无机复合体的稳定性比单纯的有机胶体高。2.有机无机复合胶体的黏性、塑性要比黏粒弱,其表面积和代换量一般比复合前有机胶体和无机胶体两者之和小,不具有加和性
5、。3.土壤有机无机复合体是形成良好的稳定性团聚体的基础,其水稳性要比单纯的矿质团聚体高。4.一般把有机无机复合体分为G0、G1、G2组。其中G1组是通钙离子为键桥把有机质和矿物质连接起来的。但这种连结并不牢固,可用中性NaCl溶液拆开。,土壤胶体的基本构造,据双电层理论,胶体微粒在构造上,可分为微粒核和双电层两部分。微粒核(胶核)它是胶体微粒的核心物质,主要由腐殖质、硅酸盐矿物、土壤氧化物、蛋白质分子以及有机无机复合胶体的分子群组成。双电层结构作为胶粒微粒核的物质在溶液中通常是带电荷的,由于静电引力的作用,在微粒核的外围形成一个反号电荷的离子层,这样就构成了双电层。微粒核表面的电荷数量和密度对
6、外层的反号离子的多少及两层电荷间电位具有决定作用,故称为决定电位离子层。外层电荷(离子)对决定电位离子层起补偿作用,使整个胶体微粒达到电中性,故称之为补偿离子层,而这些来源于溶液中的反号高于就称为补偿离子。根据补偿离子的活性又可把补偿离子层分为两层:靠近胶核表面的决定电位离子层的补偿离子被吸附得很紧,活性很小,难以解离,不起交换作用,故称为非活性补偿离子层。另一层距胶核表面较远,吸附的较松,有较大的活动性,可以和周围的寓于交换,称为扩散层(见图),扩散层,第二节 土壤胶体的特性,一、胶体有巨大的表面积和表面能在固体物质的破碎过程中,其总表面积和比表面是不断增加的。所谓比表面是指单位质量的物质的
7、表面积总和,即比表面总面积质量。一定质量的物体,颗粒愈细则总比表面积愈大。不同土壤的胶体组成不同,土壤的比表面积也不同。一般土壤中有机质含量高,2:1型黏粒矿物多,则比表面积较大,如黑土。反之,如果有机质含量 低,1:1型黏粒矿物较多,则其比表面积就较小,如红壤、砖红壤。比表面积愈大,表面能就越高,产生的物理吸附作用就愈强。因此,一般土壤质地愈黏,其物理吸附作用愈强。二、土壤胶体带有电性土壤胶体带电的事实,可以通过电泳现象观察到,当直流电通过一土壤胶体溶液时,胶粒大多向阳极聚集,而所吸附的高于却向阴极聚集。这一现象说明土壤胶体在总体上是带负电的。,土壤电荷的来源是由土壤胶体本身的构造决定的,主
8、要有以下几种情况:同晶代换 硅氧片中的Si4+有时可被大小与其相近的电性相同的其他离子(一般为Al3+)所代换,由于土壤中多数的同晶代换是以低价代换高价的阳离子,故产生的主要是负电荷。矿物晶格断键 矿物在风化破碎的过程中,其晶格边缘的离子,有一部分未被中和,这就产生了剩余价键,它以负电荷居多。以这种方式产生的电荷,高岭石伊利石蒙脱石。表面分子的解离 黏粒矿物的晶格表面的OH差,腐植酸分子的酸性含氧官能团(如羟基、酚羟基)和羧基和黏粒中的无定形胶体(如硅酸胶体、氧化铁、铝等),在介质的pH值发生变化时,就有不同程度的解离,从而使胶粒带电。三、土壤胶体有凝聚和分散现象胶体有两种存在状态。一种是分散
9、相均匀地分散在介质中,称溶胶,另一种是分散相在外因的作用下,相互凝结聚合在一起,称为凝胶。,溶胶和凝胶并不是永久不变的,在一定条件下,可以相互转化。由溶胶变成凝胶的过程称为胶体的凝聚;反之,由凝胶转化为溶胶的过程,称为胶体的分散。土壤胶体在大多数情况下都是凝聚状态,凝聚态的土壤胶体可以用一价的阳离子如Na+、K+使其分散。壤胶体存在状态主要受两种力的作用。一是胶粒之间的静电斥力,它使胶体分散,二是胶粒之间的分子引力,它使胶粒相互吸引呈凝聚的趋势。如果静电斥力大于分于引力,则胶体呈分散的溶胶状,反之,若静电斥力小于分子引力则胶体呈凝胶状。这两种力的大小都与胶粒之间的距离有关。土壤中常见的阳离于按
10、其对胶体的凝聚力的大小,可排成如下顺序:Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+由此可见,阳离子价数高的其凝聚力大于价数低的。高价阳离子浓度低,不能使分散的胶体凝聚下来。相反,低价阳离子的浓度很高,则可以凝聚。,土壤胶体(soil colloid)的表面性质一、土壤胶体表面类型(一)硅氧烷型表面(二)水合氧化物型表面(三)有机物表面,土壤无机胶体主要包括:(1)层状硅酸盐矿物 它是无机胶体的主要组分,大都是呈结晶态的次生矿物,主要有l:1型的高岭石类、2:1型的蒙脱石类及水化云母类。(2)含水氧化物类胶体 含水氧化硅胶体。多为游离的无定形氧化硅的水合物(SiO2nH2O),当发生
11、电离时,使H+解离到溶液中,致使胶体带负电。H2SiO3(Si02nH20)=H+HSiO3-=H+Si032土壤中氧化硅的含量很多,多以石英存在于沙粒和粉粒之中,只有无定形的氧化硅才可能具有胶体性质,无定形的氧化硅可溶于土壤溶液,形成Si(OH)4,通过聚合过程,向稳定状态转化。含水氧化铁、铝胶体。含水氧化铁、铝在土壤中多以结晶态的矿物存在,最常见的铁氧化物是针铁矿和赤铁矿。土壤中的氧化铁一般以两种以上的形态混合存在,土壤中含水氧化铝胶体是矿物风化而来的,有晶态的,也有非晶态的,Al203、A1(OH)3、A100H是晶态,无定形铝主要是羟基铝及其聚合物,A13+在溶液中可形成较大的OH-A
12、1聚合物呈溶胶状。,二、土壤胶体的比表面和表面积,我国几种主要土壤的比表面积:砖红壤 6080m2g-1 红 壤 100150m2g-1 黄棕壤 200300m2g-1,(二)比表面积的测定方法1、仪器法2、吸附法 氮气、甘油、乙二醇醚等,总之:2:1型粘土矿物和有机质的含量越高,土壤的比表面积越大。,三、土壤表面电荷和电位,(一)土壤电荷的起因和种类,1、永久电荷(permanent charge)*永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。,2、可变电荷(variable charge)*随pH的变化而变化的土壤电荷,这种电荷 称为可变电荷。,零点电荷:如果在某个pH值时,粘土矿物表面上即
13、不带正电荷,也不带负电荷,其表面电荷等于零,此时的pH值称为零点电荷(ZPC)。,可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团 的解离:A.含水氧化硅的解离B.粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离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;pH 3.2,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。,(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,土壤胶体组成不同,其所带电荷的数量也不同。,3、土壤胶体组分间的相互作用对电荷数量有影响。,*影响土壤电荷数量的因素主要有:,C.pH值 主要影响可
14、变电荷的数量。,B.土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土壤,它们所带的电荷数量可以完全不同。这是有胶体类型不同所致。,A.质地一般来说,土壤的质地越粘,土粒越细,其电荷总量也越多。所以粘土的电荷数量要比壤土类和砂土类高得多。,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)。,(三)土壤胶体表面电位,图82 双电层模型,离子价数越高,离子浓度越大,K值越大,双电层的厚度越小,因此,增加离子的价数和浓度,可使双层压缩.,1879年,1910年,1924年,1947年,第三节土壤
15、的吸收性能,土壤的吸附性:土壤能吸附并保持一些物质的性质。它主要是吸收(附)并保持土壤溶液中的离子、分子以至一些悬浮物质的性质。土壤吸附性的应用:施用人粪尿作肥料时,常将人粪尿和土壤拌匀,以防止其中的氨挥发损失;堆制有机肥时,覆土而避免养分逸失,也减少臭味的散发和空气污染。,土壤吸附性的类型及其意义,按吸附的机理和作用力的性质可将吸附性分为下列5种类型:机械吸附:是指土壤对进入其中的固体物质的机械阻留作用。机理:土壤是个多孔体系,孔隙的状况极其复杂,如大小孔隙相互连接,孔径弯曲多种多样。这样随水(灌水或降水)进入土壤的一些固体物质,如有机残体,肥料颗粒和细小的黏粒等被截留,使这些物质保存于土壤
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