本科土壤科学土壤性质与过程

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1、第四章土壤性质与过程第一节土壤胶体（纳米/微米分散系）及其性质1、基本概念胶体：粒径在1-100或1000nm量级的颗粒称胶体颗粒，胶体颗粒分散在分散介质中形成胶体分散体系，简称胶体。纳米颗粒与超微粒子：1-100nm量级颗粒又称纳米颗粒；1-1000nm量级颗粒称超微粒子。介观尺度：1-1000nm量级的空间尺度称介观尺度。2、尺度的重要性与纳米—微米尺度的重要性不同的空间尺度，性质和规律将完全不同；生命过程的基本特征：纳米-微米尺度上的相互作用；生态系统的最小单元：纳米—微米尺度上的“生物/环境”系统：土壤系统功能的基础：纳米-微米尺度上的“有机-无机-生物”相互作用。3、胶体(纳米/

2、微米分散体系)的构造（1）胶核（胶体颗粒）；（2）界面；（3）近界面区域；（4）介质胶核界面近界面区域介质胶核界面电荷扩散层本体溶液4、液相介质中胶体结构的描述（1）胶体颗粒；（2）界面电荷层；（3）扩散层；（4）本体溶液1、表面（界面）电荷及其来源2、表面电荷密度与表面电位3、扩散层及扩散状分布出现的原因4、扩散层分布的Boltzmann方程描述5、电位分布的Poisson方程描述1）、表面（界面）电荷及其来源表面或界面上存在大量电荷是胶体构造中的一个重要特点。表面或界面电荷主要来自三个方面：1、胶核形成过程中电荷平衡的破坏。如：粘土矿物形成过程中的同晶替代作用是土壤电荷的重要来源。同晶

3、替代(isomorphousreplacement)：矿物晶体形成过程中，晶体中的中心离子被电性相同、大小相近的离子所取代，取代的结果晶型不变，但电荷可能失去平衡。常见的同晶替代，比如：Al代Si，Mg代Al,Fe(2+)代Al等。因同晶替代作用产生的电荷是永久电荷，一般带负电。永久电荷(permanentcharge)：电荷性质和电荷数量都不随环境pH值的改变而改变的电荷称永久电荷。如同晶替代产生的电荷。土壤中的永久电荷胶体主要是2:1型粘土矿物胶体，如蒙脱石、伊利石等。高岭石有少量永久电荷。2、表面羟基与质子间的反应：OHOH-O-+H2OH2+H+可变电荷（variablecharg

4、e）：表面电荷性质和电荷数量随溶液pH值的变化而变化，这种表面所带的电荷称可可变电荷。电荷零点（zeropointcharge）:可变电荷表面上正负电荷的数量相等时的pH值是电荷零点。土壤中的可变电荷胶体（凡是表面含羟基的胶体）包括：各种氧化物的水合物，有机大分子，高岭石。3、表面上的配位吸附（专性吸附）：OO-OPbOH+POO常见的配位吸附离子：阴离子主要是磷酸根离子，它往往增加表面的负电荷数量；阳离子主要是一些重金属离子，它增加表面正电荷数量。发生配位吸附的表面往往也是羟基化表面，如氧化物及其水合物表面、有机大分子表面等。2）、表面电荷密度与表面电位表面电荷密度：单位面积颗粒表面的电

5、荷数量，一般用C/m2来表示。CEC:阳离子交换量，即每公斤干土吸附的全部阳离子折合成一价离子的厘摩尔数，用cmolc/kg.S:比表面积，m2/kg.土壤表面电荷密度一般为0-0.4C/m2.表面电位：土壤固体颗粒分散在土壤溶液中形成的固液界面上的电位，一般用mV,V等表示。人们通常把扩散层起始面上的电位也称表面电位。土壤表面电位一般为0-400mV，主要与pH和电解质浓度有关。表面电位与表面电荷密度之间的关系：3）、扩散层的Poisson-Boltzmann描述扩散层形成的原因：静电引力与热运动的共同作用使颗粒表面附近吸附态离子呈现扩散状分布，其分布规律满足Boltzmann分布：扩散

6、层中电位分布满足Poisson方程：根据Bolzmann方程，有：因此，扩散双电层的性质可用Poisson-Boltzmann方程描述：5、胶体（纳米/微米分散体系）的性质1）表面电荷与电场电荷密度与电场强度的关系（平面）：电荷密度与电位的关系：土壤胶体颗粒表面的电荷密度可以达到0.4C/m2，表面电场强度高达10^8-10^9V/m数量级。2）、扩散层厚度与扩散层中电场分布扩散层厚度（Debye特征长度）：不同浓度NaCl溶液中蒙脱石颗粒表面附近电场强度分布：lNalCalK0.00001mol/l0.001mol/l0.05mol/l0.01mol/l0.1mol/l1mol/lx(n

7、m)E(x)(V/m)3）、胶体颗粒间的静电排斥力理论上，只要知道了电场强度和电荷密度，我们就可以计算土壤胶体颗粒之间的静电排斥力。计算过程比较复杂，这里仅给出一个例子来说明颗粒之间的静电排斥力与电解质浓度间的关系。0.1mol/l1mol/l0.01mol/l0.05mol/l0.001mol/l0.00001mol/lx(nm)x(nm)P(atm)P(atm)不同浓度NaCl溶液中蒙脱石颗粒之间的静电排斥压强问题：