第九章 土壤胶体和土壤离子交换
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土壤胶体与离子交换作用
盐 基 饱 和 度 （ % ） =
× 1 0 0 %
阳 离 子 交 换 量 （ c m o l / k g ± ）
它与土壤酸碱反应关系密切
当土壤胶体吸附的阳离子全部或大部分为盐基离子时， 则土壤呈盐基饱和状态，这一土壤称为盐基饱和土壤。 （呈中性或碱性反应） 当土壤胶体所吸附的阳离子仅部分地为盐基离子，而其余 一部分为H+和Al3+时, 则这一土壤胶体呈盐基不饱和状态, 称为盐基不饱和土壤。（呈酸性反应）
3.土壤总电荷
土壤总电荷等于永久电荷与可变电荷的 总和。
一般土壤的pH在5~9之间，大部分土壤胶 体都带负电荷。只有两性胶体和少量的同晶 替代可能产生一定量正电荷。
但是，整体上来看，土壤胶体以带负电荷 为主。当pH<5时则可能带较多正电荷。
土壤中80%以上的土壤电荷集中于粘粒上
（三）土壤胶体存在可改变的状态―凝聚 与分散
（二）土壤胶体的带电性 土壤胶体带电性是其主要的特性。
土壤胶体的电荷
永久电荷 可变电荷
1.永久电荷：不受土壤溶液pH值变化而影响的 电荷类型称为永久电荷，也叫恒电荷或结构电 荷。
同晶替代是产生永久电荷的原因。
2.可变电荷 ： 随着土壤溶液pH变化而变 化的电荷叫可变电荷。
可变电荷产生的原因：主要是胶体表面分 子解离。 （1）含水氧化硅分子解离 （2）粘土矿物晶面上羟基解离（1:1型粘 土矿物在pH<5时可以解离） （3）腐殖质分子表面解离 （4）含水氧化铁铝表面解离出OH-，带正 电荷（在pH<5时带正电荷）
溶液中的阳离子。 2.解吸：这些被吸附的阳离子在一定条件下可以
和土壤溶液中的阳离子互相交换，从胶体表面进入 溶液。
3.阳离子交换作用：通过吸附和解吸，引起离 子位置相互交换的作用。
第九章土壤酸碱性
映土壤酸度。
土壤学
水稻土及其母质的pH与pH-0.5pCa的比较 土壤 类型 砖红壤 红 壤 黄棕壤
林 学 院
pH 水稻土 5.23 6.56 6.86 母质 5.12 5.15 5.71 相差 0.11 1.41 1.12 3.40 4.93 5.32
pH –0.5pCa 水稻土 母质 2.29 3.02 3.91 相差 1.11 1.91 1.41
土壤pH表示法：pH(H2O)—水浸提； pH(KCl)—中性盐1mol/L KCl溶液浸提。 一般土壤pH(H2O)＞pH(KCl)。 地理分布。我国土壤大部分pH在4.5~8.5之间。
“南酸北碱，沿海偏酸，内陆偏碱”的地带性特点。
土壤学
2、石灰位 Al3+，其次决定于致酸离子与交换性盐基离子(以
二、土壤酸度的数量指标
1、交换酸
土壤胶体吸附的氢离子或铝离子通过交换进
入溶液后所反映出的酸度。
Al3++3H2O
土壤学
Al(OH)3+3H+
用1mol/L的KCl(pH5.5～6.0)处理土壤，K+
交换出氢离子或铝离子，通过滴定得到的酸度。
交换性酸是酸度的容量因素，单位Cmol/kg。
2、水解酸
具有羟基化表面的土壤胶体，通过解离氢离
土壤学
(2)生物因素
Na、K 、Ca、Mg等盐基生物积累。一些植物 适应在干旱条件下生长，有富集碱性物质的作用。 如:海蓬子含Na2CO3 3.75%，碱蒿含2.76%， 盐蒿含2.14%，芦苇含0.49%。
(3)母质
林 学 院
碱性物质的基本来源。基性岩、超基性岩富含 碱性物质，含盐基物质多，形成的土壤为碱性。
第九章土壤溶液化学反应1
• 在强酸性矿质土壤中以交换性 Al3+和以共价健紧束缚 的 H+ 及 Al3+ 占优势；在酸性土壤中，致酸离子以 Al （OH）2+和Al（OH）2+ 等羟基铝离子为主，而在中 性及碱性土壤中，土壤胶体上主要是交换性盐基离子。
二、土壤碱性形成
土壤碱性反应及碱性土壤形成是自然成 土条件和土壤内在因素综合作用的结果。碱性 土壤的碱性物质主要是钙、镁、钠的碳酸盐和 重碳酸盐，以及胶体表面吸附的交换性钠。形 成碱性反应的主要机理是碱性物质的水解反应。
• 式中：pe为电子活度（e-）的负对数， 当[氧化态]与 [还原态]的比值为1时，pe=（1/n）logK， 即pe0。
• • • •
平衡常数K与反应自由能的关系为： ΔGr0 = -RTlnK 而 ΔGr0 = - nFEh 则 RTlnK = nFEh 或： Eh = （RT/nF)lnK 由于 （1/n）logK = pe 所以得：
2、碳酸钠的水解
(1)2NaHCO3 Na2CO3+H2O + CO2 (2)Na2SiO3 + H2CO3 Na2CO3 +SiO2+H2O (3)CaCO3 +NaCl CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4 CaSO4+ Na2CO3
3、交换性钠的水解
胶 Ca2+ 粒 Mg2+ + 4Na+ 胶粒 xNa + yH2O +CO2 胶 2Na+ 粒 2Na+ + Ca2+ + Mg2+
（三）土壤碱性指标
1、总碱度 总碱度是指土壤溶液或灌溉水中碳酸根、重碳酸根的 总量。我国碱化土壤的总碱度占阴离子总量的50％以上， 高的可达90％，故可用总碱度作为土壤碱化程度分级的 指标之一。即 总碱度= [CO32-] + [HCO3-] [cmol(+)/L ]
土壤胶体和土壤的交换性能
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(四）含水氧化物
3、含水氧化铁或氧化铝的种类
有褐铁矿、赤铁矿、针铁矿、水铝石和三水 铝石。
它们均属两性胶体，所带电荷随pH值变化 有很大不同，在溶液偏酸时，解离出— OH—，成为(OH)2+带正电。
在溶液偏碱时，解离出H+，成为(OH)2O—带 负电。
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（五）腐殖质胶体
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25
1、高岭石（kaolinite）
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（一）高岭石（kaolinite）
3、比表面积： （1）概念： 是单位质量的固体物质与液体或气体之间，
全部界面积的总和。单位m2/g （2）高岭石比表面积： 较小，仅为30m2/g。 只有外表面，没有内表面，无胀缩性.
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4、带电性：带有的电荷是由同晶代换产 生的，带电量比伊利石多。
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(四）含水氧化物
1、含水氧化物的种类： 包括非晶质的硅酸和含水氧化铁或氧化铝。 2、硅酸的带电性： 非晶质的硅酸是各种铝硅酸盐经过化学风
化过程的最后产物，其所带电荷是由H+ 解离产生的。 这种解离只有在碱性范围内才能达到较大 程度的解离。
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8
三、粘土矿物的晶格构造
1、粘土矿物硅酸盐层的基本构造单位： （1）硅氧四面体
硅氧四面体 形成的原因： 一是硅具有正原子价，而氧具负原子价，
二者可相互吸引。 二是与原子大小有关，四个氧原子堆积成
四面体时，其间所形成的空隙与硅原子 的大小基本相似。
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土壤(第九章)土壤酸碱性和氧化还原反应..
土壤碱化度分级：
ESP 5%~10% 10%~15%
＞15%
轻度碱化土 中度碱化土 强碱化土
盐土——土壤表层可溶性盐（以NaCl、Na2SO4等 中性盐为主）超过一定含量（6~20g/kg）。
我国碱土定义：碱化层碱化度＞30%， 表层含盐量＜5g/kg，pH＞9.0
土壤学
资源环境学院土地资源与农业化学系
（2）生物因素 Na、K 、Ca、Mg等盐基的生物积累。 一些植物适应在较干旱条件下生长，而且有
富集碱性物质的作用：海蓬子含Na2CO3 3.75%， 碱蒿含2.76%。盐蒿含2.14%。
土壤学
资源环境学院土地资源与农业化学系
（3）母质 碱性物质的基本来源。基性岩、超基性岩富含
碱性物质。含盐基物质多，形成的土壤为碱性。 （4）施肥和灌溉
碱性土还原pH下降，主要由于在嫌气条件 下有机酸和CO2的积累过程及其综合作用。
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资源环境学院土地资源与农业化学系
第三节 土壤氧化还原反应
一、土壤氧化还原体系
土壤中同一物质可区分为氧化态(剂)和还原态 (剂),构成相应的氧化还原体系 。
土壤学
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1.土壤空气中O2是主要氧化剂 通气良好的土壤中，氧体系控制氧化还原反应，使 多种物质呈氧化态，如NO3－、Fe3+、Mn4+、SO42－等。 2.土壤有机质特别是新鲜有机物是主要还原剂，在 土壤缺O2条件下，将氧化物转化为还原态。 3.土壤中氧化还原体系可分为无机体系和有机体系。
6.土壤氧化还原状况随栽培管理措施特别是灌水、 排水而变化
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资源环境学院土地资源与农业化学系
二、土壤氧化还原指标
1. 强度指标 （1）氧化还原电位（Eh）
土壤学教学大纲-西南林业大学—环境科学与工程学院
《土壤学》教学大纲课程编号：A14101学时：32学分：2.0修读专业：林学、林学（双外语）大纲文本一、课程的主要内容土壤学是研究土壤发生分类分布、土壤理化和生物学性状、利用和改良的科学。
本课程主要内容包括土壤的基本物质组成，土壤的形成，土壤物理、化学和生物学性质、土壤分类、分布等。
根据授课专业特点，基本的章节内容分列如下：第一章绪论1、土壤在农林业生产和生态系统中的作用2、土壤及土壤肥力的基本概念3、近代土壤学的发展概况4、土壤学的学科体系及学习土壤学的作用和任务第二章地质学基础1、地球的一般特征地球的形状，大小，地球的物理性质，地球的圈层结构。
2、矿物矿物的概念，矿物的物理性质，常见造岩矿物的识别特征。
3、岩石岩浆岩、沉积岩、变质岩的形成、特征及常见岩石。
4、地质作用与地形地貌地质内力作用和地形地貌，地质外力作用和地形地貌。
第三章岩石风化和土壤形成1、风化过程风化作用及其类型。
2、风化产物的类型风化产物及其地球化学类型、母质类型。
3、土壤形成土壤形成因素，土壤形成过程中的大小循环学说。
4、土壤剖面及形态特征自然土壤、耕作土壤剖面的形成及其形态特征。
第四章土壤生物1、土壤动物土壤主要动物及其与生态环境的关系。
2、土壤微生物土壤细菌、真菌、放线菌、土壤藻类及其与土壤的关系。
3、植物根系及其与微生物的联合植物根系形态，根际与根际效应，根际微生物，菌根，根瘤。
4、土壤酶土壤酶的来源与存在形态，土壤酶的种类与功能，土壤酶活性及其影响因素。
第五章土壤有机质1、土壤有机质的来源、组成2、土壤有机质的转化土壤有机质矿质化和腐殖化过程。
3、土壤腐殖质土壤腐殖质的分组，土壤腐殖酸的性质。
4、土壤有机质的作用与调节土壤有机质在土壤肥力及生态环境方面的作用，土壤有机质的调节。
第六章土壤质地、结构与孔性1、土壤质地土壤固体颗粒及其性质，土壤质地划分，土壤质地与肥力，土壤质地改良等。
2、土壤结构土壤结构体类型及其形成，土壤结构性评价，土壤结构体的改善等。
土壤胶体的离子交换作用
土壤胶体的离子交换作用离子交换作用包括阳离子交换吸附作用和阴离子交换吸附作用。
一、土壤阳离子交换吸附作用的概念1.土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳离子或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳离子交换吸附作用。
2.当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，即保肥过程；当胶体上的阳离子解离至土壤溶液中时，表示养分的释放，即供肥过程。
二、土壤阳离子交换吸附作用的特点1. 可逆反应：在自然状况下，很难把土壤胶体上某一阳离子完全彻底地代换到溶液中去。
同时，土壤胶体上吸附的阳离子也必然是多种多样的，不可能为单一种离子所组成。
在湿润地区的一般酸性土壤中，吸附的阳离子有Al3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地区的中性或碱性土壤中，主要的吸附性阳离子是Ca2+，其次有Mg2+、K+、Na+等。
2. 等量交换：以等量电荷关系进行，如一个Ca2+可交换两个Na+；一个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。
3. 速度受交换点位置和温度的影响：①位置：如果溶液中的离子能直接与胶粒表面代换性离子接触，交换速度就快；如离子要扩散到胶粒内层才进行交换，则交换时间就较长，有的需要几昼夜才能达成平衡。
高岭石类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以速率很快；蒙脱石类矿物的离子交换大部分发生在胶粒晶层之间，其速率取决于层间间距或膨胀程度；水云母类的交换作用发生在狭窄的晶层间，所以交换速率较慢。
（高岭石〉蒙脱石〉水云母）②温度：高温可加快离子交换反应的速率，因为温度升高，离子的热运动变得更为剧烈，致使单位时间内碰撞固相表面的次数增多。
三、影响阳离子交换作用的因素1.阳离子的交换能力：（指一种阳离子将胶体上另一种阳离子交换下来的能力。
）主要决定于阳离子被胶粒吸附的力量（或称阳离子与胶体的结合强度），它实质上是阳离子与胶体之间的静电能。
a.离子电荷价：M3+> M2+> M+（M表示阳离子）b.离子的半径及水化程度：同价离子，离子半径大水化半径小，交换能力越强。
土壤学 土壤阳离子交换作用
二、土壤阳离子交换作用
1、定义
2、阳离子交换作用的特点
3、阳离子交换能力
Fe3+ > Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > K + > Na
+
问题：低价离子可否代替高价离子？在 什么情况下低价离子可以代替高价离子？
影响阳离子交换能力的因素
（1）电荷的影响
根据库仑定律，阳离子的价数越高，交换 能力也越大。 （2）离子的半径及水化程度 同价的离子，其交换能力的大小是依据其 离子半径及离子的水化程度的不同而不同的。 （3）离子浓度和数量因子
11.15
B
C
40%Ca+60%Mg
40%Ca+60%Na
2.79
2.34
7.83
4.36
在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之 间的相互影响的作用—互补离子效应（陪伴 离子效应）
互补离子效应 effect of complementary ion
胶体表面可同时吸附多种离子，对某一指定离子来说， 伴存的其它离子即为陪补离子(complementary ion)(与 交换反应的离子共存的其它交换性离子总称）也称为陪 补离子。 一般陪补离子与胶体结合力愈强，则所指定的离子交 换性愈大，此种作用称为陪补离子效应。
H Mg Na
2.80 2.79 2.34
11.15 7.83 4.36
二、土壤阳离子交换作用
6、影响交换性阳离子有效度的因素
（1）交换性阳离子的饱和度
（2）陪补离子效应
（3）粘土矿物类型
（４）由交换性离子变为非交换性离子
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+ 扩散层 +
+
1.3 土壤胶体的性质
➢ 巨大的比表面积和表面能 单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积或比面， 单位为cm2·g-1或cm2·cm-3。
• 由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的 表面能---吸附能力是通过表面起作用的，比表面 积越大，起作用的面积越大，吸附能力越强。
1 cm3物质表面积随分散度变化的情况
Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等，这样晶体中就产生了剩余 负电荷，这种电荷一旦产生，就不能改变，故称永久 电荷。
四面体中的硅可被铝代换
Si4+
Al3+
八面体中的铝可被铁、镁代换
Al3+
Fe2+或Mg2+
（2）晶格破碎边缘的断键 在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一 部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。
3.2 吸收阴离子的原因 ➢两性胶体带正电荷
酸性 Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2+ +Cl- +H2O
碱性 Al(OH)3 + NaOH = Al(OH)2O- +Na+ + H2O
➢土壤腐殖质中的—NH2
在酸性条件下吸收H+成为—NH3+ 而带正电
➢ 粘粒矿物表面上的-OH团可与土壤溶液中的阴离子 代换。
粗分散体系：颗粒直径＞100 nm 悬浊液-泥浆 胶体分散体系：颗粒直径1-100 nm 豆浆 分子分散体系：颗粒直径＜1 nm 溶液-盐水、碘酒
1.2 土壤胶体的构造
➢ 胶核
胶核是胶体的固体部分，土壤中胶核一般由含水SiO2 ， Fe2 O3，Al2 O3、腐殖质或蛋白质等分子团组成。 ➢ 双电层
胶体微粒均匀分散在水 中，呈高度分散状态
胶体微粒彼此联结凝聚 在一起而呈絮状
土壤胶体大多带有负电荷，互相排斥，不易凝聚。
➢ 土壤胶体的吸附性和交换能力
• 胶体的巨大表面能，使其对周围分子或离子有 很强的吸附力;
• 胶体的电性使其扩散层的离子与土壤溶液中的 离子有交换能力。
二、土壤阳离子交换作用
2.1 土壤阳离子交换作用的概念 ➢土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳 离子或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳 离子交换作用。
例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，Si—O—Si，Al—O—Al在 断裂后，断面上留下Si—O-、Al—O-，从而带负电。
（3）胶体表面分子的解离 胶核表面的分子或原子团的解离，这种电荷的数量和 性质随介质的pH而改变，故称可变电荷。
黏土矿物晶面上-OH的解离
结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着—OH
当H+解离后，则使胶核带负电。
d. 土壤有机质含量：有机质中的腐殖质含有大量-COOH、 -OH等官能团，且具有很大的吸收表面，其CEC远远 大于无机胶体。
➢CEC与土壤肥力的关系
• 小于10 cmol/kg，保肥力弱； • 10~20 cmol/kg，中等； • 大于20 cmol/kg，强。
➢CEC在生产上的意义
• 指导施肥？
• 阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即 阳离子）的容量有关，是土壤保肥力的重要指标。
➢影响CEC的因素
a. 胶体数量（土壤质地）：土壤胶体物质越多则CEC 越大。
b. 胶体类型：比表面积和表面所带电荷差异
➢影响CEC的因素
c. 土壤pH值：土壤酸碱度影响胶体表面官能团中H+的解 离，因而影响可变电荷的多少。
• 决定电位离子层（内层）：固定在胶核表面，并决定其 电荷和电位的一层离子。
• 补偿离子层(外层)：由于内层电荷的静电引力的作用，吸 附土壤溶液中相反的离子而形成的非活性离子层和扩散 层（发生离子交换）。
1.2 土壤胶体的构造
胶核 胶 团
双电层
_
决定电位离子层
_ _
_
胶粒
+
补偿离子层
+ +
+
+
非活性补偿离子层
6 6×10 6×102 6×103 6×104 6×105 6×106 6×107
➢土壤胶体的带电性
胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子，使胶 粒带电。
土壤中所有胶粒都是带电的，这是土壤产生离子 吸附和交换、离子扩散、酸碱平衡、胶体的分散 与絮凝等现象的根本原因。
• 土壤胶体电荷的来源
（1）同晶异质代换作用 层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其 它相近或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的 结晶构造型式不变。
立方体边长 立方体数
（cm）
目
总表面积
1
1
6 cm2
0.1
103 60 cm2
0.01
106 600 cm2
0.001
109 6000 cm2
0.0001
1012 6 m2
0.00001
1015 60 m2
0.000001
1018 600 m2
0.0000001
1021 6000 m2
比表面积 （cm2·cm-3）
➢等量交换 以等量电荷关系进行。如一个Ca2+可交换两个Na+；一 个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。
2.4 土壤阳离子交换量
➢定义：在一定pH值下，单位土壤能吸附的交换性阳
离子的总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换 性阳离子的厘摩尔数（CEC）。单位：cmo(+)·kg-1 。
• 因为阳离子交换量随土壤pH值变化而变化，一般未特 别注明时，是以pH为7的条件下测定土壤的交换量。
第九章 土壤胶体和土壤离子交换
➢ 土壤胶体的构造和性质 ➢ 土壤阳离子交换作用 ➢ 土壤阴离子交换作用
一、土壤胶体的构造和性质
1.1 概念
➢土壤胶体：颗粒直径在1~100 nm范围内的带电的土壤颗 粒与土壤水组成的分散系。
➢分散体系：一种物质或者几种物质高度分散到另一种物 质(称为分散介质)中所形成的体系叫做分散体系。被分散 的物质叫做分散相，而连续的介质为分散介质。
等），盐基离子为植物所需的速效养分。
➢土壤盐基饱和度的意义 ➢盐基饱和度常常被作为判断土壤肥力水平的重要指 标，盐基饱和度高土壤肥力高。盐基饱和度低肥力较 低。50%、80% ➢盐基饱和度反映土壤中致酸离子的含量，即土壤pH 的高低，可用作判断酸性土壤石灰施用量的依据。
三、土壤阴离子交换作用
3.1 定义 土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴 离子的相互交换作用。 ➢如含水氧化铁、含水氧化铝。在酸性条件下带正电。
➢土壤胶体因素
土壤胶体表面所带的负电荷愈多， 吸附的阳离子数量就愈 多； 土壤胶体表面的电荷密度愈大则离子吸附得愈牢。
➢阳离子自身因素
• 阳离子电荷价：M3+ > M2+> M+（M表示阳离子） • 阳离子水合半径：同价离子，阳离子水合半径越小，吸
附越强
2.3 土壤阳离子交换吸附作用的特点 ➢可逆反应
土壤胶粒
Ca2+ +2KCl = 土壤胶粒
K+ K+ + CaCl2
离子从土壤溶液转移至胶体表面的过程为离子的吸附， 而原来吸附在胶体上的离子迁移至溶液中的过程为离 子的解吸， 二者构成一个完整的阳离子交换反应。
Hale Waihona Puke 2.2 影响土壤阳离子吸附的因素
自然条件下，土壤胶体一般带负电荷，胶体表面通常依靠 静电力吸附着多种带正电荷的阳离子。
当OH-发生解离时，则胶核带正电。
Al(OH)2O- + H+
Al(OH)3 Al(OH)2+ + 3OH-
带负电荷
胶核中的分子 带正电荷
Fe(OH)3或Al(OH)3解离H+而成为带负电的胶体，还是解 离OH-而成为带正电的胶体主要取决于溶液的pH值。
在土壤pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的等电点 低于这个范围，故土壤胶体在通常情况下以带负电 为主，表现为对阳离子的吸附，
2.5 土壤盐基饱和度 ➢定义：指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子 总量的百分率。以算式表示为：
盐基饱和度%
交换性盐基总量(c mol()kg 1 ) 阳离子交换量(c mol()kg 1 )
100
• 阳离子分为两类： • 一类是致酸离子（如H+ 和Al3+）。 • 另一类是盐基离子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+
当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的正 负电荷相等时，此时胶体悬液的pH值称为等电点 。当 外界溶液的pH大于两性离子的pI值，两性离子释放质 子带负电。当外界溶液的pH小于两性离子的pI值，两 性离子质子化带正电。
➢ 土壤胶体的分散性和凝聚性
胶体的两 种状态
溶胶 分凝 散聚 作作 用用 凝胶
+
1.3 土壤胶体的性质
➢ 巨大的比表面积和表面能 单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积或比面， 单位为cm2·g-1或cm2·cm-3。
• 由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的 表面能---吸附能力是通过表面起作用的，比表面 积越大，起作用的面积越大，吸附能力越强。
1 cm3物质表面积随分散度变化的情况
Al3+代Si4+或Fe2+代Al3+等，这样晶体中就产生了剩余 负电荷，这种电荷一旦产生，就不能改变，故称永久 电荷。
四面体中的硅可被铝代换
Si4+
Al3+
八面体中的铝可被铁、镁代换
Al3+
Fe2+或Mg2+
（2）晶格破碎边缘的断键 在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一 部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。
3.2 吸收阴离子的原因 ➢两性胶体带正电荷
酸性 Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2+ +Cl- +H2O
碱性 Al(OH)3 + NaOH = Al(OH)2O- +Na+ + H2O
➢土壤腐殖质中的—NH2
在酸性条件下吸收H+成为—NH3+ 而带正电
➢ 粘粒矿物表面上的-OH团可与土壤溶液中的阴离子 代换。
粗分散体系：颗粒直径＞100 nm 悬浊液-泥浆 胶体分散体系：颗粒直径1-100 nm 豆浆 分子分散体系：颗粒直径＜1 nm 溶液-盐水、碘酒
1.2 土壤胶体的构造
➢ 胶核
胶核是胶体的固体部分，土壤中胶核一般由含水SiO2 ， Fe2 O3，Al2 O3、腐殖质或蛋白质等分子团组成。 ➢ 双电层
胶体微粒均匀分散在水 中，呈高度分散状态
胶体微粒彼此联结凝聚 在一起而呈絮状
土壤胶体大多带有负电荷，互相排斥，不易凝聚。
➢ 土壤胶体的吸附性和交换能力
• 胶体的巨大表面能，使其对周围分子或离子有 很强的吸附力;
• 胶体的电性使其扩散层的离子与土壤溶液中的 离子有交换能力。
二、土壤阳离子交换作用
2.1 土壤阳离子交换作用的概念 ➢土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳 离子或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳 离子交换作用。
例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，Si—O—Si，Al—O—Al在 断裂后，断面上留下Si—O-、Al—O-，从而带负电。
（3）胶体表面分子的解离 胶核表面的分子或原子团的解离，这种电荷的数量和 性质随介质的pH而改变，故称可变电荷。
黏土矿物晶面上-OH的解离
结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着—OH
当H+解离后，则使胶核带负电。
d. 土壤有机质含量：有机质中的腐殖质含有大量-COOH、 -OH等官能团，且具有很大的吸收表面，其CEC远远 大于无机胶体。
➢CEC与土壤肥力的关系
• 小于10 cmol/kg，保肥力弱； • 10~20 cmol/kg，中等； • 大于20 cmol/kg，强。
➢CEC在生产上的意义
• 指导施肥？
• 阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即 阳离子）的容量有关，是土壤保肥力的重要指标。
➢影响CEC的因素
a. 胶体数量（土壤质地）：土壤胶体物质越多则CEC 越大。
b. 胶体类型：比表面积和表面所带电荷差异
➢影响CEC的因素
c. 土壤pH值：土壤酸碱度影响胶体表面官能团中H+的解 离，因而影响可变电荷的多少。
• 决定电位离子层（内层）：固定在胶核表面，并决定其 电荷和电位的一层离子。
• 补偿离子层(外层)：由于内层电荷的静电引力的作用，吸 附土壤溶液中相反的离子而形成的非活性离子层和扩散 层（发生离子交换）。
1.2 土壤胶体的构造
胶核 胶 团
双电层
_
决定电位离子层
_ _
_
胶粒
+
补偿离子层
+ +
+
+
非活性补偿离子层
6 6×10 6×102 6×103 6×104 6×105 6×106 6×107
➢土壤胶体的带电性
胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子，使胶 粒带电。
土壤中所有胶粒都是带电的，这是土壤产生离子 吸附和交换、离子扩散、酸碱平衡、胶体的分散 与絮凝等现象的根本原因。
• 土壤胶体电荷的来源
（1）同晶异质代换作用 层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其 它相近或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的 结晶构造型式不变。
立方体边长 立方体数
（cm）
目
总表面积
1
1
6 cm2
0.1
103 60 cm2
0.01
106 600 cm2
0.001
109 6000 cm2
0.0001
1012 6 m2
0.00001
1015 60 m2
0.000001
1018 600 m2
0.0000001
1021 6000 m2
比表面积 （cm2·cm-3）
➢等量交换 以等量电荷关系进行。如一个Ca2+可交换两个Na+；一 个二价的钙离子可以交换两个一价的氢离子。
2.4 土壤阳离子交换量
➢定义：在一定pH值下，单位土壤能吸附的交换性阳
离子的总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换 性阳离子的厘摩尔数（CEC）。单位：cmo(+)·kg-1 。
• 因为阳离子交换量随土壤pH值变化而变化，一般未特 别注明时，是以pH为7的条件下测定土壤的交换量。
第九章 土壤胶体和土壤离子交换
➢ 土壤胶体的构造和性质 ➢ 土壤阳离子交换作用 ➢ 土壤阴离子交换作用
一、土壤胶体的构造和性质
1.1 概念
➢土壤胶体：颗粒直径在1~100 nm范围内的带电的土壤颗 粒与土壤水组成的分散系。
➢分散体系：一种物质或者几种物质高度分散到另一种物 质(称为分散介质)中所形成的体系叫做分散体系。被分散 的物质叫做分散相，而连续的介质为分散介质。
等），盐基离子为植物所需的速效养分。
➢土壤盐基饱和度的意义 ➢盐基饱和度常常被作为判断土壤肥力水平的重要指 标，盐基饱和度高土壤肥力高。盐基饱和度低肥力较 低。50%、80% ➢盐基饱和度反映土壤中致酸离子的含量，即土壤pH 的高低，可用作判断酸性土壤石灰施用量的依据。
三、土壤阴离子交换作用
3.1 定义 土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子与土壤溶液中阴 离子的相互交换作用。 ➢如含水氧化铁、含水氧化铝。在酸性条件下带正电。
➢土壤胶体因素
土壤胶体表面所带的负电荷愈多， 吸附的阳离子数量就愈 多； 土壤胶体表面的电荷密度愈大则离子吸附得愈牢。
➢阳离子自身因素
• 阳离子电荷价：M3+ > M2+> M+（M表示阳离子） • 阳离子水合半径：同价离子，阳离子水合半径越小，吸
附越强
2.3 土壤阳离子交换吸附作用的特点 ➢可逆反应
土壤胶粒
Ca2+ +2KCl = 土壤胶粒
K+ K+ + CaCl2
离子从土壤溶液转移至胶体表面的过程为离子的吸附， 而原来吸附在胶体上的离子迁移至溶液中的过程为离 子的解吸， 二者构成一个完整的阳离子交换反应。
Hale Waihona Puke 2.2 影响土壤阳离子吸附的因素
自然条件下，土壤胶体一般带负电荷，胶体表面通常依靠 静电力吸附着多种带正电荷的阳离子。
当OH-发生解离时，则胶核带正电。
Al(OH)2O- + H+
Al(OH)3 Al(OH)2+ + 3OH-
带负电荷
胶核中的分子 带正电荷
Fe(OH)3或Al(OH)3解离H+而成为带负电的胶体，还是解 离OH-而成为带正电的胶体主要取决于溶液的pH值。
在土壤pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的等电点 低于这个范围，故土壤胶体在通常情况下以带负电 为主，表现为对阳离子的吸附，
2.5 土壤盐基饱和度 ➢定义：指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子 总量的百分率。以算式表示为：
盐基饱和度%
交换性盐基总量(c mol()kg 1 ) 阳离子交换量(c mol()kg 1 )
100
• 阳离子分为两类： • 一类是致酸离子（如H+ 和Al3+）。 • 另一类是盐基离子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+
当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的正 负电荷相等时，此时胶体悬液的pH值称为等电点 。当 外界溶液的pH大于两性离子的pI值，两性离子释放质 子带负电。当外界溶液的pH小于两性离子的pI值，两 性离子质子化带正电。
➢ 土壤胶体的分散性和凝聚性
胶体的两 种状态
溶胶 分凝 散聚 作作 用用 凝胶