土壤阳离子交换作用
土壤对阳离子的吸附
土壤对阳离子的吸附
土壤是一种天然的资源，具有吸附阳离子的能力。
阳离子是带有正电荷的离子，在土壤颗粒的表面或孔隙中通过吸附作用与土壤颗粒结合，形成吸附羟基、螯合配位的形式。
土壤颗粒表面的氧化物、氢氧化物、有机质等，具有一定的负电荷，可以很好地吸附阳离子。
土壤的离子交换容量决定了其吸附阳离子的能力大小，较高的离子交换容量意味着土壤能吸附更多的阳离子。
土壤的吸附作用对生态环境和农业生产都具有重要意义。
一方面，土壤吸附阳离子可以减少它们在水体中的浓度，减少水污染和生态风险；另一方面，土壤吸附阳离子可以提供植物生长所需的养分，促进植物健康生长。
因此，合理管理土壤的阳离子吸附能力，对环境保护和农业生产具有重要意义。
不同类型的土壤对阳离子的吸附能力有所差异。
例如，含有高度发育的氧化铁和氢氧化铁的红壤具有很强的吸附能力，而含有高度发育的腐殖质的沼泽土则具有较低的吸附能力。
此外，土壤的pH值、电导率、粘粒含量等也会影响土壤对阳离子的吸附能力。
总之，土壤对阳离子的吸附能力是土壤的重要性质之一。
合理管理土壤吸附能力，可以保护环境、提高农业生产效益，促进可持续发展。
土壤阳离子交换性能的分析
土壤阳离子交换性能的分析1.1概述土壤中阳离子交换作用，早在19世纪50年代已为土壤科学家所认识。
当土壤用一种盐溶液（例如醋酸铵）淋洗时，土壤具有吸附溶液中阳离子的能力，同时释放出等量的其它阳离子如Ca2+、Mg2+、K+、Na+等。
它们称为交换性阳离子。
在交换中还可能有少量的金属微量元素和铁、铝。
Fe3+ (Fe2+)一般不作为交换性阳离子。
因为它们的盐类容易水解生成难溶性的氢氧化物或氧化物。
土壤吸附阳离子的能力用吸附的阳离子总量表示，称为阳离子交换量[cation exchange capacity，简作（Q）]，其数值以厘摩尔每千克（cmol·kg-1）表示。
土壤交换性能的分析包括土壤阳离子交换量的测定、交换性阳离子组成分析和盐基饱和度、石灰、石膏需要量的计算。
土壤交换性能是土壤胶体的属性。
土壤胶体有无机胶体和有机胶体。
土壤有机胶体腐殖质的阳离子交换量为200～400cmol·kg-1。
无机胶体包括各种类型的粘土矿物，其中2:1型的粘土矿物如蒙脱石的交换量为60～100cmol·kg-1，1:1型的粘土矿物如高岭石的交换量为10～15cmol·kg-1。
因此，不同土壤由于粘土矿物和腐殖质的性质和数量不同，阳离子交换量差异很大。
例如东北的黑钙土的交换量为30～50cmol·kg-1，而华南的土壤阳离子交换量均小于10cmol·kg-1，这是因为黑钙土的腐殖质含量高，粘土矿物以2:1型为主；而红壤的腐殖质含量低，粘土矿物又以1:1型为主。
阳离子交换量的测定受多种因素影响。
例如交换剂的性质、盐溶液的浓度和pH等，必须严格掌握操作技术才能获得可靠的结果。
作为指示阳离子常用的有NH4+、Na+、Ba2+，亦有选用H+作为指示阳离子。
各种离子的置换能力为Al3+> Ba2+>Ca2+> Mg2+> NH4+> K+> Na+。
土壤离子吸附和交换
第七章土壤离子吸附与交换第一节土壤胶体一、土壤胶体土壤胶体是土壤中高度分散的部分，是土壤中最活跃的物质，其重要性犹如生物中的细胞，土壤的许多理、化现象，例如土粒的分散与凝聚、离子吸附与交换、酸碱性、缓冲性、粘结性、可塑性等都与胶体的性质有关。
所以，只有深入研究土壤胶体的性质，才能了解土壤理、化现象发生的本质。
二、土壤胶体的种类和构造在胶体化学中，一般指分散相物质的粒径在1—100毫微米之间的为胶体物质，而土壤胶体微粒直径的上限一般取2000毫微米。
1.胶体的种类土壤胶体按其成分和特性，主要有三种：1）土壤矿质胶体：包括次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石等）、简单的铁、铝氧化物、二氧化硅等。
2）有机胶体：包括腐殖质、有机酸、蛋白质及其衍生物等大分子有机化合物。
3）有机-无机复合胶体：土壤有机胶体与矿质胶体通过各种键（桥）力相互结合成有机-无机复合胶体。
在土壤中有机胶体和无机胶体很少单独存在，只要存在这两类胶体，它们的存在状态总是有机-无机复合胶体。
2.土壤胶体的构造胶体的构造有两种形式。
若胶体内部组成的分子或离子排列组合有严格规律的为晶形胶粒；若排列无严格规律的则属非晶形胶粒。
土壤无机胶体多属晶形胶体，有机胶体多属非晶质胶体。
土壤胶体微粒构造，从内向外可分为几个圈层：胶核是胶粒的核心，土壤胶体胶核的成分由二氧化硅、氧化铁、氧化铝、次生铝硅酸盐腐殖质等的分子团所组成的微粒核。
微粒核表面的分子向溶液介质解离而带有电荷，形成一个内离子层；在内离子层外面，由于电性吸引，形成带有相反电荷的外离子层。
这两个电性相反组成的电层，称为双电层。
在双电层中，由于内离子层决定着胶体的电位，故又称决定电位离子层；双电层的外层，由于其电荷符号与内层相反，故又称反离子层，亦称补偿离子层。
补偿离子层的离子，因距离内层远近不同，所受的电性引力的大小也不同。
距离近者受吸引力大，不能自由活动，这一部分的离子层，称为非活性补偿离子层。
土壤阳离子交换量的正常范围
土壤阳离子交换量的正常范围土壤阳离子交换量是衡量土壤质量和肥力的重要指标之一。
它是指土壤中与土壤颗粒表面带电的阴离子吸附或排斥的阳离子的总量。
土壤阳离子交换量的正常范围是指土壤中阳离子交换能力正常的范围。
土壤阳离子交换量的正常范围受到多种因素的影响，包括土壤类型、土壤pH值、有机质含量、土壤质地等。
一般来说，土壤阳离子交换量在2-20 cmol/kg之间被认为是正常范围。
土壤类型是影响土壤阳离子交换量的重要因素之一。
不同土壤类型的阳离子交换能力存在差异。
例如，黄壤和黑土的阳离子交换能力通常较高，而沙质土壤的阳离子交换能力较低。
这是因为黄壤和黑土富含粘粒和腐殖质，能够吸附更多的阳离子，而沙质土壤由于颗粒较大，阳离子吸附能力较弱。
土壤pH值也对土壤阳离子交换量有影响。
土壤呈酸性时，土壤颗粒表面带正电荷的氢离子增多，会排斥更多的阳离子。
而土壤呈碱性时，土壤颗粒表面带负电荷的氢氧根离子增多，可以吸附更多的阳离子。
因此，土壤pH值的变化会导致土壤阳离子交换量的变化。
有机质含量是影响土壤阳离子交换量的重要因素之一。
有机质可以增加土壤的阴离子吸附能力，从而减少阳离子的吸附。
因此，土壤中有机质含量越高，阳离子交换量越低。
土壤质地也会影响土壤阳离子交换量。
粘土质地的土壤颗粒较小，比表面积大，能够吸附更多的阳离子；而砂质土壤颗粒较大，比表面积小，阳离子吸附能力较弱。
因此，土壤质地越重，阳离子交换量越高。
除了以上因素，土壤中的盐分含量、土壤水分、土壤温度等也会对土壤阳离子交换量产生影响。
例如，土壤中的盐分含量过高会导致土壤颗粒带电减弱，从而降低阳离子交换能力；土壤过湿或过干也会影响阳离子的吸附和交换过程。
土壤阳离子交换量是反映土壤肥力和质量的重要指标，其正常范围在2-20 cmol/kg之间。
土壤类型、土壤pH值、有机质含量、土壤质地等因素对土壤阳离子交换量有重要影响。
了解土壤阳离子交换量的正常范围，有助于合理施肥和土壤改良，提高土壤肥力和农作物产量。
7第七章 土壤阳离子交换性能的分析
① Ca2+、Mg2+ 的总量 以铬黑T为指示剂（加缓冲液） ② Ca2+的量 Ca指示剂，用NaOH调pH>10，使Mg沉淀。
注意：
三乙醇胺：掩蔽剂，排除Fe3+、Al3+等的干扰。 盐酸羟胺：保持还原条件，防止铬黑T被氧化失效（在碱性液
中，铬黑T易氧化而褪色 ）
酸度控制（pH）：单测Ca2+时， pH>10.
玻璃电极与泥糊接触
土壤pH（活性酸）的测定
操作步骤 仪器校准 测定 注释（P165）
二、土壤交换酸的测定 （容量指标）
土壤用一种盐溶液处理，然后用标准碱滴定滤液中的酸，称 总酸度，包括活性酸和潜在酸。
BaCl2-TEA法 潜在总酸度 1N 中性NH4OAc 交换酸总量 1N KCl或0.2M CaCl2 盐可提取酸度 NaOAc（用于强酸性土，Al3+） 土壤水解性总酸度
（5）EDTA—铵盐快速法（中性、酸性、石灰性土壤都适用）
0.5M EDTA和1N NH4OAc配合液作交换剂 ，EDTA与阳离 子(Ca、Mg)形成络合物，NH4+再代换。
二、CEC的测定（NH4OAc淋洗法）
原理：
第一步进行完后：
NH4+交换，查Ca2+：确保所有交换 性阳离子已被置换完全； 乙醇洗余NH4+ ，查NH4+：确保乙醇 把多余的NH4OAc淋洗液去除完； （1）
溶解: K2CO3 …+ 2HCl(过量) → 2KCl+CO2↑+H20 滴定： HCl （过量）+ NaOH → NaCl + H20 问题讨论：
1. 其他碳酸盐类（Fe，Al）也会消耗HCl，结果偏大。
土壤阳离子交换量测定
实验四土壤阳离子交换量的测定土壤是环境中污染物迁移、转化的重要场所，土壤胶体以其巨大的比表面积和带电性，而使土壤具有吸附性。
在土壤胶体双电层的扩散层中，补偿离子可以和溶液中相同电荷的离子以离子价为依据作等价交换，称为离子交换。
土壤的吸附性和离子交换性能又使它成为重金属类污染物的主要归宿。
土壤阳离子交换性能，是指土壤溶液中的阳离子与土壤固相的阳离子之间所进行的交换作用。
它是由土壤胶体表面性质所决定。
土壤胶体指土壤中粘土矿物与腐殖酸以及相互结合形成的复杂的有机矿物质复合体，其所吸收的阳离子包括K+、Na+、Mg2+、NH4+、H+、Al3+等。
土壤交换性能对于研究污染物的环境行为有重大意义，它能调节土壤溶液的浓度，保证土壤溶液成分的多样性，因而保持了土壤溶液的“生理平衡”，同时还可以保持各种养分免于被雨水淋失。
土壤交换性能的分析包括阳离子交换量的测定、交换性阳离子分析及盐基饱和度的计算。
阳离子交换量（Cation Exchange Capacty，简称CEC），是指土壤胶体所能吸附的各种阳离子的总量，以每千克土壤的厘摩尔数表示（cmol/kg）。
阳离子交换量的大小，可作为评价土壤保肥能力的指标。
阳离子交换量是土壤缓冲性能的主要来源，是改良土壤和合理施肥的重要依据。
因此，对于反映土壤负电荷总量及表征土壤性质重要指标的阳离子交换量的测定是十分重要的。
土壤阳离子交换量的测定受多种因素的影响，如交换剂的性质、盐溶液浓度和pH、淋洗方法等，必须严格掌握操作技术才能获得可靠的结果。
联合国粮农组织规定用于土壤分类的土壤分析中使用经典的中性乙酸铵法或乙酸钠法。
中性乙酸铵法也是我国土壤和农化实验室所采用的常规分析方法，适于酸性和中性土壤。
最近的土壤化学研究表明，对于热带和亚热带的酸性、微酸性土壤，常规方法由于浸提液pH值和离子强度太高，与实际情况相差较大，所得结果较实际情况偏高很多。
新方法是将土壤用BaCl2饱和，然后用相当于土壤溶液中离子强度那样浓度的BaCl2溶液平衡土壤，继而用MgSO4交换Ba测定酸性土壤阳离子交换量。
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
2章-4节-土壤化学性质及其生态效应-《环境土壤学》
（四）土壤生物吸收：生物有机体对养分选择吸收，并以有机质形式在土壤中积 累过程，在通过微生物分解，将养分释放供植物利用。
（五）土壤物理化学吸收：土壤胶体对溶液中的离子态物质的吸附作用。对土壤 离子态物质迁移，养分供给，土壤缓冲性有重大影响。
二、土壤胶体及其性质
铁铝水化氧化物在不同pH下带不同电荷
+
OH2
H+
M OH2
OH
M OH2
OH-
_
OH
M OH + H2O
三水铝石在酸性环境中带正电荷
OH2 +
OH
O-
2 .4 土壤胶体的性质
（3）土壤胶体的电位
电位又称电势，是指单位电荷在静电场 中的某一点所具有的电势能。电位是电 能的强度因素，它的大小取决于电势零 点的选取，其数值只具有相对的意义。
造
使胶体具有双电层结构。
图
示
胶体微粒
胶核 双电层
决定电位离子层（内） 非活性离子层
补偿离子层（外） 扩散层
2.4 土壤胶体的性质
（1）具有较大的比表面积，包括外表面积和内表面积，因此具有表面能，是土 壤具有物理吸附性能的动力机制。 我国几种主要土壤的比表面积：
砖红壤 60－80m2g-1；红壤 100－150m2g-1；黄棕壤 200－300m2g-1 ，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。
• 胶体（英语：Colloid）又称胶状分散体（colloidal dispersion）是一种均匀混合物，在胶体中含有两种不同状 态的物质，一种分散，另一种连续。分散的一部分是由微 小的粒子或液滴所组成，分散质粒子直径在1nm—100nm 之间的分散系；胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体
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胶体可逆凝聚：由等浓度的一价阳离子凝聚形成的 凝胶，如反复用水淋洗，凝胶可再分散形成溶胶， 这叫做可逆凝聚。 胶体不可逆凝聚：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。
注意区分松散与分散
作业
1.概念：土壤胶体、同晶代换。 2.土壤胶体的种类，说明层状铝硅酸盐 中的蒙脱石的性质特点。 3.土壤胶体的构造。 4.土壤胶体的性质。
（一）土壤胶体的比表面积和表面能
比表面：是指每单位重量（或体积）物体的总表面 积。比面积＝表面积/质量
如高岭石比面积的典型值是10－20m2/g，蒙脱石是 600－800m2/g，有机胶体的比表面可达1000m2/g以 上。
由于表面的存在而产生的能量（表面分子的引力或张力），叫 做表面能。物质的比面积越大，吸附能力也越强，由于土壤胶 体具有巨大的表面积，因而具有巨大的表面能。 。
层状铝硅酸盐基本构造
硅氧四面体
硅氧片
铝氧八面体 （水铝八面体）
铝氧片
（水铝片）
1:1型矿物
铝氧片
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，单位个体大，分散度低。多出现
于风化强烈的酸性土壤。如高岭石类。
2:1型矿物
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→吸附负离子。 颗粒细小，比表面大。 如蒙脱石，这类矿物多出现于 北方土壤。
土壤胶体带负电的为多，加入阳离子有使胶体凝
聚的作用。
影响胶体分散与凝聚的因素主要有：
①电解质的种类。离子价越大，其凝聚作用越强；同价阳 离子中，离子半径大的，水膜厚度小的离子凝聚作用强。 ②电解质的浓度。浓度越大，其凝聚作用越强。
土壤中常见的阳离子引起胶体凝聚作用大小的顺
序为: Fe3+>Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+
离子解吸：胶体表面的离子脱离胶体进入溶液。 K+ 2+ + K+ + Ca +NH4 K+
土壤 胶粒
Ca2+
NH4+
+3K+
土壤 胶粒
（二）阳离子交换作用的基本特征
1、可逆反应 2、等价交换 3、受质量作用定律的支配
（三）影响阳离子交换的因素
1、离子价： M3+ > M2+ >M+ ; 2、离子半径和离子水化半径，同价离子，离子半径大的、水化半 径小的交换能力大， K+ > Na+ （离子的运动速度
第二节 土壤的保肥性与供肥性
主要内容 1.土壤的吸收保肥方式（重点） 2.土壤的阳离子交换（重点、难点） 3.土壤阴离子交换（了解） 4.土壤供肥性（重点、难点）
一、 土壤吸收性能的概念、类型
土壤吸收性能的概念：
土壤吸收性能：土壤能吸收和保持土壤溶液中的分子 和离子悬液中的悬浮颗粒、气体以及微生物的能力。
在农业土壤上，有机胶体一般很少单
独存在，约有50%-90%是与矿质胶体结 合，形成有机无机复合体（又称吸收 性复合体）。
三、 土壤胶体的构造
胶核 胶体微粒 土壤胶体分散系 土壤溶液 双电层 补偿离子层 决定电位离子层 非活性层 扩散层
胶粒
四、土壤胶体的性质与作用
（一）土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能 （二）胶体带电性 （三）土壤胶体凝聚与分散
硅氧片
铝氧片 硅氧片
2.有机胶体
有机胶体主要是腐殖质，还包括少量的木质 素、蛋白质、纤维素等。腐殖质胶体含有多种官 能团（羧基和酚羟基），属两性胶体，在土壤中 一般带负电，对土壤胶体电荷影响较大，因而影 响到土壤的保肥与供肥性。但有机胶体的稳定性 低于无机胶体，容易被微生物所分解。
3.有机 - 无机（矿质）复合体
1 .机械吸收作用
机械吸收作用是指土壤对进入其中的固体物质的机械 阻留作用。机械吸收作用对养分的保存只能起部分极
其有限的作用。
土壤吸收性能的类型
类型
机械吸收 作用
物理吸收 作用
作用主体 作用机制
土壤细孔
土壤细粒 活性离子 土壤胶体
作用对象
颗粒状外来物质
分子态物质 外来活性离子 活性离子
特点
机械阻挡
（二）胶体带有电荷 1、胶体带电的原因 主要有以下三种： （1）同晶代换 （2）晶格断键 （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或负胶体；
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。
2．土壤胶体电荷的种类 （1）永久电荷 ：主要是同晶代换。
第三章 土壤化学性质
第一节 土壤胶体 第二节 土壤吸收保肥性 第三节 土壤酸碱性与缓冲性
Байду номын сангаас
第一节
土壤胶体
1.土壤胶体的概念（重点） 2.土壤胶体的种类（重点） 3.土壤胶体的构造（难点、难点） 4.土壤胶体的性质、作用（重点、难点）
一、土壤胶体的概念
胶体化学中胶体的范围是1——100nm（至少在
分子引力 化学沉淀 静电引力
化学吸收 作用
物理化学 吸收作用 生物吸收 作用
养分失效
土壤生物
选择吸收
有效养分
选择性、创新 性、暂时性
二、土壤阳离子交换作用
（一）概念：
1、 阳离子交换作用：土壤溶液中的阳离子与胶体表面的
阳离子相互交换的作用。 包含两个同时进行的过程：
离子吸附：溶液中的离子被吸附到胶体表面上。
同晶置换：是指铝硅酸盐矿物中硅氧片或水铝片中的 配位中心离子，被与其大小相近而电性符号相同的离子 所取代，但其晶层结构未变的现象。
（2）可变电荷：主要是胶体表面分子的电离引起 的，其次来自矿质胶体晶格的断键。 指胶体随土壤溶液pH值的 变化而发生电荷数量、 符号变化的那部分电荷。
（三）土壤胶体凝聚与分散 土壤胶体由两种存在的状态，一种是胶体微粒均 匀地分散在介质中形成的一种外观颇似溶液的胶 体溶液，称为溶胶。 另一种是在外因作用下，胶体微粒聚合在一起形 成的 处于凝聚状态的胶体，称为凝胶。 溶胶转变为凝胶，这一过程称为凝聚；凝胶也可 以转变为溶胶，这一过程称为分散。
长、宽、高三个方向中有一个方向在这个范围）。
一般把土壤中1——1000nm的细粒均称为土壤
胶体或土壤准胶体。
二、 土壤胶体的种类
胶体
无机胶体
含 水 氧 化 硅 含 水 氧 化 铁 、 铝 层 状 铝 硅 酸 盐
有机胶体
腐殖质、蛋白质、纤维素等 1： 1型 2：1型胀缩性 2：1型非胀缩性
有机无机 复合胶体