第三章土壤的离子交换
第3章 土壤基本性质
可用下式来表示：
土壤 Mg2＋ ＋10NH4＋ 胶粒 AI3＋
K＋
土壤 10NH4+ ＋Ca2＋、Mg2＋、Al3＋、K＋、 2H＋ 胶粒
离子半径及水化程度与交换力的关系 离子半径（A） 离子
Na＋ NH4＋ K＋ Mg2＋ Ca2＋ H＋
价数
1 1 1 2 2 1
绿泥石粘粒矿物结构示意图
由两层四面体与两层八面体构成2：2型矿物
非硅酸盐粘土矿物 （一）氧化铁 （二）氧化铝
（三）氧化硅
起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝 氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子 ，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定， 失去其有效性。
二、土壤胶体的共同特性****
（1）具有巨大的比表面积和表面能 （2）带电性 （3）分散性和凝聚性 （4）吸附代换性
（二）粘土矿物基本类型 与特性
硅氧片和铝氧片如何联结？
硅氧四面体
铝氧八面体
硅氧片
铝氧片 晶层
1:1型粘土矿物 2:1型粘土矿物
晶体颗粒 层状铝硅酸盐矿物
四个类组：
高岭石类 蒙脱石类 水云母类 绿泥石组矿物
高岭石类（1:1型矿物）
包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等 特点：(1）1:1型的晶层结构 （2）膨胀性差 （3）同晶替代极少或没有，保肥力差 （4）胶体特性较弱，主要是晶架上的-OH在一定条件下，H+ 向外解离，使其带负电 （5）六角片状，粘着力和可塑性较弱（与蒙脱石比） 高岭组粘土矿物是 南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在 华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。
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。
土壤地理学 第二章第三章
土壤地理学第二章/第三章第二章：影响土壤形成的环境因素：俄国道库恰耶夫成土学说：主要观点：土壤成土因素主要有五个气候、生物、母质、地形。
时间影响土壤发育的五个主要因素：1、母质因素（不同岩石风化壳）2、生物因素（不同植被类型：草地与森林）3、气候因素（影响风化，控制植被生长）4、地形因素（影响物质与能量的分配）5、时间因素（控制土壤发育进程）地质大循环和生物小循环的关系：1.大循环是小循环的基础，也是土壤形成的基础（矿质养分）；2.小循环是土壤形成的核心（腐殖质）；3.大循环大于小循环，自然界会发生水土流失现象；4.大循环小于或者等于小循环，自然界水土保持。
总之，土壤的形成过程是物质的地质大循环与生物小循环过程矛盾与统一。
形成土壤的两个基本作用：◆风化作用：致密的岩石被破坏，营养元素得以释放，并形成疏松的风化层；◆生物作用：有机质加入，营养元素积聚。
1）土壤胶体及结构①土壤胶体：通常所说的土壤胶体实际上是指直径在1—100 mµm之间的土壤颗粒。
②土壤胶体的种类土壤矿物质胶体（无机胶体）：次生铝硅酸盐、铁铝化合物有机胶体：腐殖质、有机酸、蛋白质等有机-无机复合胶体③土壤胶体结构微粒核：胶核双电层：内外吸附层、扩散层2）土壤胶体的性质①巨大的比表面积和表面能②带电性带电的原因是什么？电性如何？③土壤胶体离子交换作用④分散和凝聚作用第一：粘土矿物胶体带电土壤中粘土矿物胶体一般都带负电荷，其电荷来源有以下几个方面：同晶置换作用粘土矿物晶质中的一种离子被另一种离子取代的过程。
在这个过程中，只改变了矿物质的化学成分，而矿物的结晶构造不变，故叫做同晶置换作用。
晶格破碎边缘带电矿物质风化破碎过程中，晶格边缘离子一部分电荷未被中和而产生剩余电荷，使晶体边缘带电。
第二：腐殖质胶体带电意义？由于腐殖质分子量大、功能团多，解离后带电量大，对土壤保肥供肥性有重要影响。
第三：两性胶体带电，什么是两性胶体？表面既带负电荷，亦带正电荷的土壤胶体称两性胶体。
第三章土壤化学性质
(二)胶体带有电荷 1,胶体带电的原因 土壤胶体表面带有电荷是其最重要的胶体化学特性. 土壤胶体表面带有电荷是其最重要的胶体化学特性. 造成胶体带电的原因主要有以下三种: 造成胶体带电的原因主要有以下三种: (1)同晶代换 (2)断键 (3)表面分子的解离 土壤胶体能解离出H 而带负电的胶体称为酸胶基 土壤胶体能解离出H+,而带负电的胶体称为酸胶基 或负胶体; 或负胶体; 能解离出OH 胶体称为碱胶基或正胶体 碱胶基或正胶体, 能解离出OH-而带正电的 胶体称为碱胶基或正胶体, 能解离出H 也能解离出OH 的则称为两性胶体 两性胶体. 能解离出H+也能解离出OH-的则称为两性胶体.
以上顺序中H 的情况是特殊的,可能与它半径小, 以上顺序中H+的情况是特殊的,可能与它半径小, 电场强度大有关. 电场强度大有关. 电解质的浓度影响凝聚作用,随着浓度的加大,其 电解质的浓度影响凝聚作用,随着浓度的加大, 凝聚作用也增强. 凝聚作用也增强. 胶体凝聚有可逆的也有不可逆的. 胶体凝聚有可逆的也有不可逆的. 由等浓度的一价阳离子凝聚形成的凝胶,如反复用 由等浓度的一价阳离子凝聚形成的凝胶, 水淋洗,凝胶可再分散形成溶胶,这叫做可逆凝聚 可逆凝聚. 水淋洗,凝胶可再分散形成溶胶,这叫做可逆凝聚. 由二价以上的阳离子凝聚形成的凝胶, 由二价以上的阳离子凝聚形成的凝胶,很难或不能 再变成溶胶的凝聚称为不可逆凝聚 不可逆凝聚. 再变成溶胶的凝聚称为不可逆凝聚. 土壤胶体所处的状态直接影响土壤的物理性质, 土壤胶体所处的状态直接影响土壤的物理性质,进 而影响土壤的肥力状况.一些农业技术措施, 而影响土壤的肥力状况.一些农业技术措施,如施 中耕,浇水, 肥,中耕,浇水,烤田等都可使土壤中的电解质发 生变化,从而使胶体的状态发生改变, 生变化,从而使胶体的状态发生改变,或局部发生 改变,尤其是施用钙质肥料, 改变,尤其是施用钙质肥料,由促进土壤形成不可 逆凝聚的显著作用. 逆凝聚的显著作用.
5第三章 土壤的基本性质
粘结性和粘着性:
土壤粘结性: 指土粒与土粒之间由于分子引力而相互 粘结在一起的性质。这种性质使土壤具有抵抗外力破碎的 能力，也是耕作产生阻力的原因。
土粒－土粒（干燥） 土粒－水－土粒（湿润）
土壤粘着性: 是土壤在一定含水量的情况下，土粒粘 着外物表面的性能。
土粒－水－外物
耕层土重=20*10-2*666.67*1.15=153.3t 孔隙度=（1-1.15/2.65）*100%=56.6% 孔隙比=56.6%/1-56.6%=1.3
2、土壤孔隙类型：
土壤孔径（当量孔径）: 是指与一定的土壤水吸力相当的孔径,它与孔隙
的形状及其均匀性无关。 土壤水吸力与当量孔径的关系式为： d = 3/T
一般旱地土壤容重大体在1.00～1.80 g/cm3之间。
土壤容重是一个重要的参数：
➢反映土壤松紧度(作物适宜的容重1.14-1.26 g/cm3) ➢计算土壤的重量
ms=S·h·d (ms：土重，S：面积，h：土层深度，d：容重）
➢计算土壤中各组分的含量 如土壤水分、有机质、养分和盐分等
土壤容重一般是比重的一半左右。
土壤结构性： 土壤结构体的大小、形状、力稳性、水稳性及孔隙状况的综合特征。Fra bibliotek土壤结构
大小
土壤结构体
形状
不良性状 结构体
良性结构体
块状结构 片状结构，鳞片状结构 柱状结构，棱柱状结构 核状结构 团粒结构
微团聚体
孔 性 孔隙度和孔隙级别
协调水、肥、气、热的能力
肥力特性
土壤结构性
改善耕性
水力学稳定性
稳定性 机械学稳定性
Al（OH）3+H+→Al（OH）2++H2O 酸性环境 Al（OH）3 +OH- →Al（OH）2O-+ H2O 碱性环境 c.层状硅酸盐：
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。
第三章 土壤的离子交换
(二) 可变电荷 (pH-dependent charge ， variable charge ） 土壤可变电荷，是数量随介质pH值升降而改 变的电荷。
可变电荷产生的原因：
1、胶核表面分子的解离
如腐殖质具有羧基、酚羟基和羟基，这些功
能团若存在于腐殖质胶粒的表面，可产生解离，
使胶粒上负电荷增加。
高岭石
伊利石 蒙脱石
5～15m.e/100g
20～40m.e/100g 60～120m.e/100g
3、土壤pH 土壤pH值的高低，主要影响可变电荷的数量， 从而影响总电荷量。
4、有机无机胶体的复合程度
在土壤中，有机胶体和无机胶体很难长期单 独存在，总要形成复合体，这种复合对胶体电荷 来讲，是非加和性的，即形成复合体的负电荷， 小于结合前各自电荷的总和。
［Al(H2O)3OH］++ 等。
聚合：在pH4～7时，这些产物可进一步聚合成 环状或链状聚合体，这些聚合体直径较大，电 荷较多，能被牢固地吸附在固相表面。
(二) 土壤胶体矿物组成的影响 粘土矿物的种类不同，其电荷密度不同，因
而吸附阳离子的强度也不同。
(三) 温度 温度升高，离子反应加快，因为温度升高离 子热运动变得剧烈，导致在单位时间内碰撞固相 表面次数增多，增加离子之间相互交换的机率， 缩短达到平衡所需要的时间。
第三章 土壤的离子交换
土壤的离子交换现象，是土壤重要的电化学
性质之一，一般用交换容量大小和离子吸附力的
强弱两个指标来衡量。
这两个指标，同土壤胶体的种类、数量、构
造以及介质中的离子种类，浓度和pH值等环境条
件有关，因而十分复杂，不同土壤之间存在着很
大的差别。
第3章 土壤化学性质
教学内容
3.1土壤离子交换吸附性能 3.2土壤酸碱性 3.3土壤缓冲性
3.1土壤离子交换吸收性能
主要内容： 3.1.1土壤吸收性能； 3.1.2土壤阳离子交换吸收； 3.1.3土壤阴离子吸收
3.1.1土壤吸收性能
土壤吸收性能是指土壤能吸收和保留土壤溶液中的分子和离子，悬液中的
3、化学吸附性
化学吸收性(chemical absorption performance)是指易溶性盐在土壤中转变为难
溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程。
这一过程是以纯化学反应为基础的，称为化学吸收，比如可溶性的磷酸盐， 在土壤中与Ca2+ 、Mg2+、Fe2+、Al3+等，发生化学反应生成难溶性的磷
(3)、符合质量作用定律：根据这一原理，可以通过改变某一反
应物（或产物）的浓度达到改变产物（或反应物）浓度的目的。
2、 阳离子交换能力
（1）阳离子交换能力是指一种阳离子将胶体上 另一种阳离子交换出来有能力。 各种阳离子交换能力大小的顺序为： Fe3+ > Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > K+ > Na+
土壤机械吸收性能的大小主要取决于土壤的孔隙状况。阻留在 土层中的物质可被土壤转化利用，起到保肥的作用，其保留的
养分易被作物吸收利用。
3.1.1土壤吸收性能
2、物理吸收性(physical absorption performance)是指土壤对分子态物质的
保持能力。由于土壤的细粒部分具有巨大的表面积和表面能，
土壤阳离子交换量测定原理
土壤阳离子交换量测定原理
土壤阳离子交换量的测定原理是一种广泛用于检测土壤酸碱度的有效手段，其特性是要求土壤中存在一定比例的阳离子可兑换离子，它可以参与电离方式进行阳离子交换，从而发挥对环境的作用。
土壤阳离子交换量测定原理指的是在不同pH 值土壤中，添加一定量固定电荷溶液，通过测量土壤中阳离子可兑换量，使用pH 计和定标滴定技术，从而计算出土壤的酸碱度。
而土壤的酸碱度是确定其营养元素的释放速度和吸收能力的重要因素之一，如果测量不当，将对土壤的肥力和植物的生长发育产生负面影响。
土壤阳离子交换量的测定原理包括洗液法、替代法和具有统计意义的碘卤化消除法等。
洗液法是土壤准备好后，采用不同酸类溶液或不同碱类溶液来调节土壤中阳离子可兑换量，再用定标滴定技术或电位表测定所得溶液中的离子浓度和碱度，从而测定出土壤的阳离子可兑换量的方法。
替代法是最常用的，即通过上述某种溶液洗液法为基础，在控制pH条件下改变或除去可兑换性阳离子，计算两次测定结果之差，即可得出可兑换性阳离子的数量。
而具有统计意义的碘卤化消除法采用替代法的原理，但其碘卤化消除法更加严谨，不仅可以测定阳离子可兑换量，还可以测定可兑换性碱离子的量。
总而言之，土壤阳离子交换量的测定原理是土壤酸碱度测定的重要方法，它要求土壤中存在一定比例的阳离子可兑换离子，以此进行阳离子交换，进而发挥对土壤的肥力、土壤营养元素的释放和植物的生长发育的作用。
因此，土壤阳离子交换量的测定原理具有重要的意义。