土壤胶体化学和表面反应.ppt

第十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、土壤胶体表面类型
土壤胶体:无机胶体（粘粒）和有机胶体（腐殖质）,多呈有机-无机复合胶体。
按表面位置分：
内表面膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子内的表面，其表面反应为缓慢渗入过程。
外表面粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化物等包被的表面，表面反应迅速。按表面的化学结构特点，可分为以下三类表面
1、硅氧烷型表面——硅氧片的表面
硅氧烷Si—O—Si。2∶1型粘粒的上、下两面，
1∶1型粘粒1/2面。非极性的疏水表面。主要电荷来源为同晶置换（Al3+→Si4+），少部分是边角断键。
2、羟基化表面(R－OH)
M（金属离子）—OH，铝醇Al—OH，铁醇Fe—OH，硅醇Si—OH等。水铝（镁）片，铁、铝氧化物及硅片边角断键。极性亲水表面。电荷来源为表面—OH基质子的缔合—OH2+或离解—OH→—O-+H+。可变电荷。
3、有机物表面
腐质物质为主的表面，表面羧基、酚羟基、氨基等活性基团。离解H+或缔合H+产生表面电荷。可变电荷。
以上3类表面往往相互交织。
二、土壤胶体的比面
1、土壤胶体的表面积
比面：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。土粒直径（mm）总表面积（cm2）比面（cm2/cm3）
103.146
131.4260
0.05628.321200
0.0013141660000

膨胀性2∶1型粘土矿物总表面积大，以内表面积为主
非膨胀性2∶1型和1∶1型粘土矿物总表面积小，一般以外表面为主（水化埃洛石例外）。
水铝英石比表面较大，内、外表面各一半。
铁、铝氧化物的比表面与其晶化程度有关，以外表面为主。
土壤有机质的比表面大，表观比表面可达700m2/g
2、比表面的测定方法
（1）仪器法（2）吸附法。
三、土壤表面电荷
1、电荷种类和来源
（1）永久电荷
来源于粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代。
不受介质pH值的影响，也不受电解质浓度的影响。（2）可变电荷
在介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称pH依变电荷。
A、腐殖质产生可变电荷
腐殖质具有很多含氧功能团，这些功能团在介质pH值发生变化时，可解离而带电。
羟基、酚羟基解离使腐殖质带负电，氨基质子化使腐殖质带正电荷。
B、层状铝硅酸盐产生可变电荷
1:1型粘土矿物的晶面特点是一面为硅氧烷型表面，另一面则为羟基化表面，后者在介质pH值发生变化时，吸附或释放一个H+，使表面带电。C、氧化物带可变电荷
氧化物不带电时的pH值称为电荷零点，简称ZPC。
介质pH＞ZPC时氧化物带负电；
pH＜ZPC时，氧化物带正电
氧化物的电荷零点，与金属的价数有关。
土壤中的铁、铝氧化物，一般为M2O3形态，其ZPC大于6.5而小于10.4，故在酸性条件下，一般带负电很少，甚至带正电。
2、影响土壤电荷数量的因素
（1）土壤质地
土壤所带电荷数量，80%集中在粒径小于2微米的部分，故粘粒数量愈多的粘质土，带电愈多。（2）胶体类型
①有机胶体带负电荷的量为150～450cmol/kg,平均为350cmol/kg；无机胶体为5～100cmol/kg，平均为10～80cmol/kg。
②2:1型粘土矿物带负电量大于1:1型粘土矿物；2:1型粘土矿物中蒙脱石类粘土矿物带负电量又大于水云母类粘土矿物带负电荷量。
③土壤中氧化物类胶体，由于电荷零点较高，因此一般带负电荷很少。甚至带正电荷。
（3）土壤酸碱度
①土壤pH值大于胶体的电荷零点，则土壤带负电荷，大得愈多带负电荷也愈多；
②土壤pH值小于胶体的电荷零点，则胶体带正电荷。
（4）有机无机胶体的结合
土壤中有机胶体和无机胶体往往结合在一起成为有机无机复合体，其复合胶体带电量不是二者分散存在时带电量的加和而是负电荷减少，存在非加和性。
①带负电荷的有机胶体与铁（铝）胶体结合后，消耗了有机胶体带负电荷的交换点；
②有机胶体沉淀在无机胶体上，掩盖了无机胶体的交换点。（5）非交换性阳离子的影响
同晶替代所产生的永久电荷可能被粘土矿物晶层间所吸附的非交换性阳离子所补偿，使其带电量降低。
如：伊利石单位晶胞的负电荷比蒙脱石高，但由于伊利石硅层晶穴中所固定的钾离子（非交换性）补偿了同晶替代所产生的负电荷，故实际上伊利石所带负电荷低于蒙脱石所带负电荷。
（6）配位体交换的影响
土壤中氧化物类胶体表面的(-OH)或(-OH2)基与阴离子进行配位体交换后可使土壤所带负电荷量增加。3、土壤胶体表面电位
扩散双电层：土壤带电胶体与溶液界面的双电层——胶体表面的（负）电荷层紧靠表面溶液的反离子或补偿（阳）离子层。
两者电荷数相等，符号相反，维持体系的电中性。静电引力使反离子靠近表面，热运动又使其脱离表面而形成具有扩散特征的反离子层，又称扩散层。其中反