土壤学教案-第八章.土壤胶体和土壤离子交换(上）.docx

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1、土壤学课程教案课程编号：章节名称及内容：土壤胶体和土壤离子交换（上）所在课程顺序号：第13个教案授课学时与时长：175学时授课教师：王聪课程类型：学类核心课一、教学目标1、熟练掌握阳离子交换量和盐基饱，深刻理解离子交换在土壤肥力上的意二、教学内容1、土壤胶体三、教学重点1、阳离子交换量、盐基饱和度、土壤养分离子有效性的影响因素四、教学难点1、影响土壤养分离子有效性的因素五、教学方法六、教学过程开始课堂讲授前播放一段相关的视频或则提出与本次课程相关的几个问题进行提问并讲解上次课堂留下的问题和作业，然后开始进行课堂讲授，讲授过程穿插问题提问，本次课程结束时布置作业或则留下几个问题进行下次课堂的提问

2、主要内容8.1 土壤胶体8.2 土壤胶体8.11土壤胶体的概念（掌握）胶体是指直径在11OOnm之间的颗粒。VInm称为分子、离子分散系。实际上土壤中直径V1OOOnm的粘粒都具有胶体的性质，土壤胶体实际上是指直径在1IOOOnm之间的土壤粘粒颗粒，它是土壤中最细微的部分。土壤胶体是土壤最活跃的部分，很多重要的土壤性质都发生在土壤胶体和溶液的界面上，它们对土壤的发生、发展、土壤的理化性质及保肥性有很大影响。1000（2000）nm,胶核、双电层（决定电位离子层、补偿离子层）。胶核由SiO2,Fe2O3,A13O4,次生铝硅酸盐，腐殖酸等分子团组成。决定电位离子层（双电层内层）固定在胶核表面，决

3、定胶核电荷和电位的一层离子。由胶核分子解离出的或吸附的离子构成，决定胶粒的电荷电位。补偿离子层（双电层外层）为决定电位离子层吸附土壤中带相反电荷的离子，形成补偿离子。补偿离子层内层受到静电引力大，活动性小，为非活性补偿离子层。扩散层在非活性补偿离子层外层，引力小，随着距离增大，阳离子减少。扩散层离子交换能力强。胶粒为胶核到非活性补偿离子层。连通扩散层全部构造为胶团或胶胞。8.1.2土壤胶体的性质（掌握）土壤胶体特性对土壤理化性质和肥力状况起着巨大影响。其中影响最大的特性有三个：巨大的比表面积和表面能带电性凝聚与分散1、土壤胶体的比表面积和表面能（掌握）比表面积也称比面积，是指每单位重量（或体积

4、）物体的总表面积：比面积=表面积/重量土壤颗粒愈小，比面积愈大。如高岭石比面积的典型值是5-20m2g,水云母石为100-120m2g,蒙脱石为700800m2g,有机质胶体为I（XX）m2/g。由于表面的存在而产生的能量，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。3种主要硅酸盐粘粒胶体性质的比较崛粘粒类型蒙脱石水云母高岭石大小（11IU）0.011.00.12.90.15.0形状不规则片状不规则片状六方型晶体比表面（m2g）700800100120520外表面大中等小内表面很大中等无内聚力，可塑性高中等低膨胀度高中等低阳离子交换量（cm

5、o1g）8010020-405152、土壤胶体的带电性（1）胶体带电的原因（掌握）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：同晶代换断键表面分子的解离从土壤胶体中解离出H+而带负电的胶体称酸胶基或负胶体；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（掌握）永久电荷由同晶置换作用产生的电荷。同晶置换中低价离子取代高价离子，使晶层产生剩余负电荷，它不受外界环境的影响，故称为永久电荷。可变电荷指随土壤溶液PH值的变化而发生电荷数量、符号变化的那部分电荷。有机胶体、氧化物胶体的电荷属可变电荷

6、，层状硅酸盐矿物既有永久电荷，也有可变电荷。3、土壤胶体的凝聚与分散土壤胶体有两种状态：溶胶状态胶粒带同种电荷，彼此互相排斥，胶体微粒稳定、均匀地分散在土壤溶液中。凝胶状态胶粒之间互相联结凝聚在一起形成无定形絮状沉淀。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。电解质可聚沉溶胶，中和电性，发生聚沉。高价位产生的凝聚可能会不可逆（吸引力太大）。为保证土壤结构的稳定，必须要促进土壤胶体的凝聚。因土壤中的胶体一般情况下多带负电，所以加入阳离子有使胶体凝聚的作用。凝聚的速度和强度与两个因素有关：一是电解质浓度；二是电解质种类各种阳离子促使胶体凝聚的作用能力不同。一般规律是

7、：离子价越高，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。土壤中常见阳离子凝聚力的排列顺序是：Fe3+A13+Ca2Mg2+H+K+NH4+Na+胶体的凝聚作用，有可逆的，也有不可逆的。当土壤干燥时，土壤溶液中的电解质浓度相应增大,土壤胶体易成凝胶状态。相反，当土壤水分增多土壤溶液浓度相应降低，土壤胶体便会带有多余的负电荷，互相排斥而成溶胶状态。一般土壤胶体处于凝胶状态。当渍水过多，或胶体吸附的阳离子主要是NH4+、Na+,而且又处于稀溶液中，土壤胶体才呈溶胶状态。NH4+、Na+价态不那么高，所以主要还是负电。8.1.3土壤胶体的种类概述、土壤胶体的种类分为三大类

8、土壤无机胶体层状硅酸盐粘土矿物，硅、铁、铝氧化物及其水合物。土壤有机胶体主要是腐殖质及其各种组分，此外还有少量的蛋白质或氨基酸，多肽，多糖类化合物。土壤有机一无机复合体有机胶体与矿质胶体通过表面分子缩合、阳离子桥接及氢键合等作用连结在一起。土壤中的胶体大部分以这种形式存在。1、无机胶体即：粘土矿物(C1ayminera1)(1)非硅酸盐粘土矿物铁、铝、硅、锌等的氧化物及其水合物、水铝英石。结晶质和非晶质可变电荷，表面羟基的质子化或离解，因介质PH而异，可正可负(两性胶体)低PHM-OH+H+fM-0H2+(水合基)高PHM-OH+OH-fM-O-+H201氧化铁(IrOnoxide)土壤主要矿

9、质染色剂。针铁矿(Fe203H20)：晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核。赤铁矿(Fe203)：红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜纤铁矿(Y-FeO(OH)：棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。无定形铁(Fe(OH)3)：棕色，胶膜，锈水。氧化铁的水合物。血液也是红色，也是因为铁红蛋白。南方土壤元素中含铁.铝含量较多，这些元素水解会显百酸性。而且南方雨水较多，雨水本身因为含有度大量的二氧化碳而呈现酸性.土壤淋溶厉害问，很多离子如Ca、Mg等都会被冲走。另外,南方的温度高,腐殖质分解产生大量的腐植答酸等酸性物质，土专壤的酸性就明显了。Y相的

10、氢氧化物矿物2 .氧化铝(AIUminiUn1oxide)硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石A1203-3H20,AI(OH)3和粘土矿物。湿热强度风化一一脱硅富铝化的指标之一。我国北纬30度以南土壤(红壤、砖红壤等)中才出现。花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石存在。无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固定H2P04-等阴离子，减低其有效性。酸性，CEC低，甚至能吸附阴离子。PH低的时候，H+多，胶体带正电。3 .氧化硅(Si1ieonoxide)晶质以a石英为主非晶质为蛋白石(SiO2nH2O),脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。土壤中部分蛋白石来

11、源于有机体，其含量常与有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。4 .水铝英石(AI1OPhane)非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物，Si/A1变化在1-2之间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液pH。温带半湿润和湿润地区土壤常见。一般负电，一般水化程度高负电程度越低，pH过低的时候也能带正电(2)层状硅酸盐粘土矿物1.基本结构单位A、硅氧四面体Si4硅氧四面体和硅片（硅氧片）示意图通过共用氧离子形成硅氧片B、铝氧八面体铝氧八面体和铝片（水铝片）示意图图中表示带负电。其实A13+,0-2o通过共用氧离子形成硅氧片，图中共用22.单位晶层A、1:1型：一层硅层与

12、一层铝层重叠而成1:1型层状硅酸盐（高岭石）晶体结构示意图南方酸性红壤。晶层间联结力强。铝氧共用4个0,硅氧共用2个0。B、2:1型：两层硅层中间夹一铝层2:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图北方多。蒙脱石（膨胀型）、水云母（非膨胀型）。晶层间联结力弱C、2:1:1型：2:1型基础上增加一铝层（或镁层）2:1:1型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图一种特殊的2：1型含水的层状铝硅酸盐矿物。3.同晶替代（同晶置换）指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。如硅氧片中的Si4+被A13+所取代，水铝片中的A13+被Mg2+、Fe2+所取代，发生同晶替代

13、后，硅酸盐矿物产生负电荷。（3）硅酸盐粘土矿物的种类1 .高岭石组包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。1:1型SiO2A1203=4/2=2膨胀性小：晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键电荷数量少：同晶替代极少颗粒较大（有效直径0.22um）：可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱主要分布在南方热带和亚热带土壤中。2 .蒙脱石组（2:1型膨胀性矿物）包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。2:1型Si02A1203=82=4膨胀性大：晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石0.962.14nm蛭石0.96145nm0电荷数量大：同晶替代现象普遍。颗粒较细，呈片状：可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利

14、。蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中。3 .水云母（伊利石）组（2:1型非膨胀性矿物）包括：伊利石、云泰、绢云母等。4 :1型SiO2/A12O3:34非膨胀性：晶层之间吸附的K+的强吸附力，层间距1Onm。电荷数量大：同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K+中和，有效电荷量少于蒙脱石。可塑性等性质介于高岭石组和蒙脱石组之间。主要存在于我国北方干旱地区土壤中。4.绿泥石组以绿泥石为代表，富含镁、铁。2:1:1型同晶替代现象普遍:硅片、水铝片和水镁片上均有发生,硅片中A13+代Si4+、铝片中Mg2+代A13+产生负电荷，水镁片中A13+代

15、Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间。颗粒较小，可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中。（4）硅铝率1概念硅铝率：土壤粘粒部分Si02和A1203的克分子比率。硅铝铁率：土壤粘粒部分的Si02和Fe203、A1203硅铁率：土壤粘粒部分Si02和Fe203的克分子比率。硅铝率越大，风化越弱。克分子比率就是摩尔比2 .硅铝率的计算例1：某土壤粘粒部分SiO2含量为4189%,A1203为33.27%,Fe203为I185%,求其硅铝率、硅铁率。（Si：28）解：Si02的克分子含量=41.89/60=0.698A1203的克分子含量=33.27/102=0.326Fe203的克分子含量=11.85/160=0.074硅铝率=0.698/