土壤学(第七章) 土壤胶体化学和表面反应

第一章土壤矿物质土壤三相组成：固相（矿物质95%、有机质5%）、液相（土壤液体）、气相（土壤气体）矿物：是经各种地质作用，自然产生于地壳中的化合物或化学元素，是具有一定化学成分和物理性质的自然均质体，是组成岩石的基本单位。

原生矿物：是指那些经过不同程度的物理风化，为改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。

土壤原生矿物以硅酸盐、铝硅酸盐占绝对优势。

次生矿物：原生矿物在风化和成土作用下，新形成的矿物，如各种盐类CO32-、SO42- 、SiO42- 、Cl-等。

次生粘土（粒）矿物：层状硅酸盐类和含水氧化物类，是土壤粘粒的主要组成。

粘粒（土）矿物：组成粘粒的次生矿物，主要包括：层状的硅酸盐矿物和氧化物类。

前者是晶型矿物，后者有晶型的，也有非晶型的。

粘土矿物分类：（一）层状硅酸盐a。

硅氧四面体b。

铝氧八面体单位晶层：（1:1型单位晶层铝氧片和硅氧片特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密内部空隙小，电荷量少，单位个体小，分散度低。

多出现与酸性土壤，如高岭石类。

2:1型单位晶层两层硅氧片夹一层铝氧片，特点：胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以Al3+代Si4+，有时可在硅铝片中，一般以Mg2+代Al3+→带负电→吸附阳离子。

如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。

2:1:1型单位晶层）同晶替代：是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格结构保持不变的现象。

同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，使土壤具有保肥能力。

（可变电荷）同晶替代的规律：1、高价阳离子被低价阳离子取代的多；因此，土壤胶体一般其净电荷为阴性。

2、四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。

3、同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对较少。

硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性：（1）高岭组1:1型矿物无膨胀性电荷数量少阳离子交换量小胶体特性较弱华北、西北、东北（2）蒙蛭组2:1型胀缩性大电荷数量大同晶替代胶体特性突出东北、华北、西北蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2+代Al3+，蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。

土壤学复习重点第一章绪论1、土壤的物质组成 : 土壤由矿物质、有机质 ( 土壤固相 ) 、土壤水分 ( 土壤液相 ) 、和土壤空气 ( 土壤气相 ) 三相四类物质组成。

2、土壤肥力 : 指土壤在某种程度上能同时不断地供给和调节植物正常生长发育所需要的水分、养分、空气、热量的能力。

3、土壤生产力 : 土壤生长植物并提供产品的能力, 由土壤本身的肥力属性和发挥肥力作用的外界条件所决定。

4、成土因素 : 气候、生物、地形、母质和时间。

第二章土壤的矿物组成1、矿物 : 矿物是天然产生与地壳中具有一定化学组成、物理性质和内在结构的化合物或单质。

土壤矿物按矿物来源, 可分为原生矿物和次生矿物; 按矿物的结晶状态 , 可分为结晶质和非晶质。

2、岩石 : 岩石是指由一种或数种矿物组成的自然集合体。

3、风化作用 : 风化作用是指地壳最表层的岩石在空气、水、温度和生物活动的影响下 , 发生机械破碎和化学变化的过程。

包括物理风化、化学风化、生物风化三种类型。

4、物理风化 : 指岩石因受物理因素作用而逐渐崩解破碎的过程。

特点: 只能引起岩石形状大小的改变 , 而不改变其矿物组成和化学成分。

5、化学风化 : 指岩石在化学因素作用下, 其组成矿物的化学成分发生分解和改变 , 直至形成在地表环境中稳定的新矿物。

特点: 不仅使已破碎的岩石进一步变细,更重要的是岩石发生矿物组成和化学成分的改变, 产生新的物质。

6、生物风化 : 指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用。

7、构成层状硅酸盐粘土矿物的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。

8、同晶替代 : 是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。

9、高岭组 :1:1型粘土矿物,晶层由一层硅片和一层铝片重叠而成。

两个晶层的层面间产生了键能很强的氢键 , 不易膨胀。

基层内没有或极少同晶替代现象 , 其电荷数量少。

颗粒较粗、总表面积相对较小 , 可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都较弱。

全文电子教材土壤与土壤资源学（上篇：土壤学）林学专业第七章土壤胶体和土壤交换性第一节土壤胶体一、概念土壤胶体是指颗粒直径小于0.001mm或0.002mm的土壤微粒。

目前土壤胶体粒径的大小范围，并不是绝对的。

这是因为胶体性质的出现，是随着粒径的减小逐渐加强的。

没有截然划分的界限。

土壤胶体的成分比较复杂，按化学成分和来源，可分无机胶体、有机胶体和有机无机复合胶体三类。

土壤胶体的一系列性质的表现都是由于具有巨大的比表面和带有电荷的原因。

二、几种主要的胶体类型（一）土壤无机胶体土壤无机胶体存在于极微细的土壤粘粒部分。

包括成分较简单的次生含水氧化铁、含水氧化铝、含水氧化硅等，以及成分较复杂的结晶层状次生铝硅酸盐类（即粘土矿物）。

1、含水氧化硅胶体其分子式为SiO2•H2O或H2SiO3。

在一般情况下，含水氧化硅的外层分子发生解离，解离出H+，而把HSiO3-或SiO32-留在胶核表面，组成决定电位离子层，使胶粒带负电。

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。

2 、含水氧化铁、铝胶体此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O3•3H2O）、水赤铁矿（3Fe2O3•H2O）、针铁矿（Fe2O3•H20）、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，其电荷随土壤溶液酸碱反应的变化而变化。

当环境反应在它的等电点的酸性方面时，它带正电；反应在等电点的碱性方面时，它带负电。

纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1，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。

但土壤中氢氧化铁、氢氧化铝胶体都覆被有机胶体。

因此，测定这些胶体的等电点时，其pH值都大大低于纯净氢氧化铁、铝的等电点。

未经去除腐殖质的砖红壤胶体的等电点大约在pH4~5之间。

铁铝氧化物常以胶膜状态包被土壤颗粒，使其成为稳定性很强的土壤结构。

土壤胶体表面化学考研知识点总结●土壤胶体的表面类型与构造●土壤胶体：一般将半径 d＜0.001mm（即1 μm）的球形颗粒称为胶体(土壤粘粒又称为土壤胶粒)。

●❗❗❗胶粒基本构造：胶核与双电层●❗❗❗三类表面●硅氧烷型表面(硅氧片的表面)：2∶1型粘粒(蒙脱石、蛭石)的上、下两面；1∶1型粘粒(高岭石)1/2面。

是非极性的疏水表面。

●水合氧化物型表面：羟基化表面(R－OH)；水合氧化物型表面是极性的亲水表面。

电荷来源为表面-OH基质子的缔合(-OH2+)或解离(-OH→-O- + H+)。

产生的电荷为可变电荷。

●有机物型表面：腐质物质为主的表面，表面羧基（—COOH）、酚羟基（R-OH）、氨基（—NH2）、醌基、醛基、甲氧基等活性基团。

解离 H+ 或缔合H+ 产生表面电荷。

产生的电荷为可变电荷。

●土壤胶体表面性质●土壤胶体的表面积●❗比表面 (specific surface) ：单位重量（体积）物体的总表面积。

物体颗粒愈细小，表面积愈大。

●非结晶型氧化物比表面积比结晶型大很多。

●土壤胶体表面电荷●❗❗❗❗❗种类●永久电荷：起源于矿物晶格内部离子的同晶置换，具有的电荷就不受外界环境(如pH、电解质浓度等)影响。

●可变电荷：1）水合氧化物型表面对质子的缔合和解离。

2)土壤有机质表面的可变电荷可来自羧基、氨基、酚羟基等功能团的质子化或解离。

●土壤电荷数量●一般用每千克物质吸附离子的厘摩尔数[cmol (+) /kg]表示●❗❗阳离子交换量CEC ，即土壤净负电荷的数量，非恒值，随pH变化●土壤胶体对阳离子的吸附与交换●吸附●定义：根据物理化学的反应，溶质在溶液中呈不均一的分布状态，溶液表面层中的浓度与其内部不同的现象称为吸附作用。

●阳离子的静电吸附●土壤胶体一般带有大量负电荷●通过静电力(库仑力)使土壤胶体表面能从土壤溶液中吸附阳离子，在胶体表面形成扩散双电层（完全解离，自由移动）●被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●❗❗阳离子静电吸附的速度、数量和强度决定因素●表面负电荷愈多，吸附的阳离子数量就愈多●离子的价态愈高，受胶体的吸持力愈大，吸附能力愈强●同价的离子，离子半径愈大，水化半径愈小，吸附强度愈大●阳离子的交换●定义：交换性阳离子发生交换吸附的反应●作用特点●快速的可逆反应，容易达到动态平衡●遵循等价交换的原则●符合质量作用定律●❗❗阳离子交换量的影响因素●胶体的类型含腐殖质和2:1型粘土矿物较多的土壤，其阳离子交换量较大，而含高岭石和氧化物较多的土壤，其阳离子交换量较小。

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。