文档介绍：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。
,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。
。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。距离内层较远的部分,受引力较小,活动性较大,并逐渐向溶液介质中过渡,称为活性补偿离子层或离子扩散层。就整个胶粒而言,外层的正电荷数目和内层负电荷数目是相等的,电性是中和的。由上述可知,胶体的基本构造为微粒核和双电层。微粒核与双电层的内层合称为微粒团;微粒团和非活性补偿离子层合称为胶粒。胶粒与离子扩散层合称为胶体微粒或胶胞。
由于胶粒的电荷性质决定于直接附着在微粒核上的离子,即决定于内层的电荷。若阴离子被固定在微粒核上,则胶粒就带负电荷。若阳离子被固定在微粒核上,则胶粒就带正电荷。
三、土壤胶体的性质
。物体分割得愈细小,单体数愈多,总面积愈大,比表面也愈大。一个边长为1厘米的立方体,总表面积为6平方厘米,如把它分割成边长为1微米的小立方体,虽然其总重量和总体积不变,但总表面积则达6平方米,增加了1万倍。把它不断分割下去,表面积就更大了(表1—19)。当固体物质分割到粒径小于100毫微米时,就因总的表面积增大而获得胶体性质。
土壤胶体根据其表面的位置,可分为内表面和外表面。除粘土矿物、氧化物与腐殖质胶体存在外表面外,一般膨胀型粘土矿物的晶层间和腐殖质分子聚积体内部存在着内表面。内表面的分子在各方面都和它相似的分子相接触,受它们的相等吸引力所均衡,没有多余的自由能,外表面的分子有些部分与外界的液体或气体介质相接触,因表面分子受到内部和外部两种不同的吸引力,从而产生了多余的自由能。这种由物体表面的存在而产生的能量,称为表面能。物体的比表面愈大,表面能也愈大,吸收性能也愈强。
表1-19 1立方厘米体积的物质细分时总表面和比表面的变化
1)土壤胶体电荷的起因:土壤胶体一般都带有电荷,土壤胶体电荷产生的原因是多方面的,其中主要原因有三方面:
(1)同晶置换作用土壤粘土矿物中,组成铝硅酸盐矿物晶层的硅四面体和铝八面体中,并不完全是硅和铝离子,可因同晶质置换作用而使其带有电荷,如硅氧四面体中的四价硅被三价铝置换,八面体中的三价铝被二价镁或铁置换,都产生过剩的负电荷。相反,当晶形矿物或层状粘土矿物晶格中的低价离子为高价离子置换时,产生的是正电荷,如四价钛离子对三价铁离子的置换等。由于同晶置换作用发生在晶格的内部,其置换电荷的数量决定于晶格中同晶置换的多少,而与溶液pH值变化等无关,故称为永久电荷或恒电荷。一般同晶置换的电荷多带负电荷,故称为永久负电荷。由这种方式形成的负电荷量,以蒙脱石较多,水云母次之,高岭石最少。
(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。粘土矿物因破裂断键而产生的电荷,大多为负电荷