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土壤胶体一般可分为无机胶体、有机胶体、有机无机复合胶体

发布时间:2016-10-10 关键词:

胶体是指直径在1—100nm之间的颗粒,但是实际上土壤中直径<1000 nm的粘粒都具有胶体的性质,所以通常所说的土壤胶体实际上是指直径在1—1000 nm之间的土壤颗粒,它是土壤中最细微的部分。

土壤胶体一般可分为无机胶体、有机胶体、有机—无机复合胶体。下面我们介绍这三类胶体。

一、无机胶体:无机胶体在数量上远比有机胶体要多,主要是土壤粘粒,它包括Fe、Al、Si等含水氧化物类粘土矿物以及层状硅酸盐类粘土矿物。

1、Fe、Al、Si等含水氧化物

含水氧化硅:多写成SiO2·H2O,也可写成偏硅酸H2SiO3,SiO2·H2O发生电离时能解离出H+而使胶体带负电荷。

含水氧化Fe、Al:多写成Fe2O3·nH2O、Al2O3·nH2O,也可用Fe(OH)3、Al(OH)3的形式来表示,它是硅酸盐矿物彻底风化的产物,在风化程度高的土壤上这类矿物较多。

这类矿物属两性胶体,它的带电情况主要取决于土壤的酸碱反应,酸性条件(pH<5)带正电荷,碱性条件下带负电荷。

2、层状硅酸盐类矿物

层状硅酸盐类矿物,从外部形态上看是极细微的结晶颗粒,从内部构造上看,都是由两种基本结构单位硅氧四面体和铝氧八面体所构成,并且都含有结晶水只是化学成分和水化程度不同而已。

a:基本结构单位:构成层状硅酸盐矿物的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。

硅氧四面体:由一个硅离子(Si4+)和四个氧离子(O2-)组成,其中三个氧离子(O2-)构成三角形为底,Si4+属于这个三角形之上,三个氧离子(O2-)的中心底凹处,第四个O2+属于顶部,恰好把Si2+盖在下面,象这样的构造体从外表面看有四个面,每个面有三个O2+组成,Si4+居于四个面的中心,我们称为硅氧四面体。

铝氧八面体:由一个铝离子(Al3+)和六个氧离子O2-(或氢氧离子)组成,六个O2-排成上下两层,每层三个O2-(或OH—)构成三角形,但上层的O2-和下层的O2-位置相互交错,Al3+居于两层之间的中心孔穴内,这种结构体从外表上看有八个面,每个面都有三个O2+组成,Al3+居于八个面的中心,我们称为铝氧八面体。

b:单位晶片:从化学式上看,硅氧四面体(SiO4)4-和铝氧八面体(AlO6)9- 都还不是化合物,在形成硅酸盐矿物之前,硅氧四面体和铝氧八面体需要各自分别聚合,在平面上这种成单位晶片:硅氧四面体通过共用底部氧的方式在平面上连接成四面体片——硅片,硅片顶端的氧仍带有负电荷。

铝氧八面体通过共用两端氧的方式在平面上连接成八面体片——铝片,铝片上下两端的氧都带有剩余负电荷。

c:单位晶层:由于硅片n(SiO10)4-、铝片n(Al4O12)12-都还带有负电荷,不稳定,必需重叠化合以后,才能形成稳定的化合物,硅片和铝片以不同的配合方式在垂直方向上重叠成单位晶层,根据形成单位晶层时硅片和铝片的配合比例不同可形成2:1型、1:1型、2:1:1型的单位晶层。

1:1型单位晶层:由一层硅片和一层铝片组成,硅片顶端的活性氧、铝片底层的活性氧通过共用的方式连接在一起。

2:1型单位晶层:由两层硅片夹一层铝片组成,两层硅片顶端的活性氧都朝向铝片、铝片两端的氧分别与两层硅片顶端的氧通过共用的方式连接在一起。

2:1:1型的单位晶层:在2:1型单位晶层的基础上多了一个水镁片和水铝片。

d:层状硅酸盐矿物:单位晶层相互重叠后形成层状硅酸盐矿物,根据构成层状硅酸盐矿物的单位晶层类型的不同,可以把层状硅酸盐矿物分为以下几类:

蒙脱石类矿物:2:1型膨胀性矿物,比如蒙脱石、蛭石、绿泥石

(1)2:1型晶层结构:单位晶层是由两层硅片夹一层铝片组成,硅片:铝片=2:1,以蒙脱石最为典型。

(2)胀缩性大:这组矿物相邻两个晶层的层面都是Si—O面,晶层与晶层之间只能形成很小的分子引力,连接力弱,晶层间胀缩性大,晶层之间随着水分的进入而膨胀,失去水分则收缩。

(3)电荷数量大:电荷数量大的原因是因为该组矿物同晶代换比较普遍。

同晶代换:组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子代替而晶格构造保持不变的现象。

①替代与被替代的离子大小必须相近,才能保证替代后晶形不发生改变。

比如Fe3+的半径为0.064nm,八面体的中心离子Al3+的半径为0.057nm,半径相近可以发生替代而不会改变晶体形状,而La(镧)和Al是同族元素,性质更相近,但是La3+的半径比Al3+大一倍以上,La3+不能代替Al3+。

②替代与被替代的离子电性必须相同,电价可以同价或不同价。

如果互换的两个离子是同价的,互换后不仅晶形不变,而且仍保持电荷中性,如果互换的两个离子是不同价的,就会使晶体带正电荷或带负电荷。

晶体的中心离子被低价阳离子取代——晶体带负电荷

晶体的中心离子被高价阳离子取代——晶体带正电荷

实际上硅酸盐矿物中最常见的是晶体中心离子被低价阳离子取代:比如四面体中心离子Si4+被Al3+所取代,八面体中心离子Al3+被Mg2+所取代,所以粘土矿物是以带负电荷为主的。

同晶置换是发生在晶体形成过程中,同晶置换产生的负电荷是存在于晶体内部,晶体一旦形成后,这种负电荷就被包蔽在晶体内部,它不会随着外界环境(pH、电解质浓度)的改变而改变,所以同晶置换所产生的负电荷属永久电荷。

同晶置换的结果,使蒙脱石类矿物带有大量的负电荷,能吸附保存大量的阳离子,所以含蒙脱石类矿物高的土壤,其保肥性能良好。蒙脱石的同晶代换主要发生在铝片中,以Mg2+代替Al3+,蛭石的同晶代换主要发生在硅片中,以Al3+代替Si4+。

(4)胶体特性突出:这一组粘土矿物,颗粒特别细,总表面积大,其可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性都很显著,对耕作不利。

高岭石类矿物:也称1:1型矿物,主要包括高岭石、珍珠陶土、迪岩石及埃落石等。

(1)1:1型晶层结构:单位晶层是由一层硅片和一层铝片组成,硅片:铝片=1:1,所以这一组矿物又称1:1型矿物,以高岭石最为典型。

(2)非膨胀性:相邻两个晶层的层面,一个是硅片的Si—O面,一个是铝片的Al—OH面,这样在两个晶层之间能形成键能较强的氢键,连接力强,晶层间不易膨胀。

(3)电荷数量少:这一组矿物硅片和铝片中没有或极少有同晶代换现象,其电荷的来源主要来源于两个方面:一方面是晶体表面的断键,另一方面是晶体表面的OH基在中性或碱性条件下的解离,所以电荷数量少。含1:1型粘土矿物高的土壤其保肥性能差。

(4)胶体特性弱:虽然颗粒的大小在胶体范围内,但颗粒直径仍比其它硅酸盐粘土矿物要大,而且外形大部分呈片状,颗粒的总表面积相对较少,其可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性小。

水云母组:2:1型非膨胀性矿物,比如水云母、伊利石。

(1)2:1型的晶层结构:晶层结构与蒙脱石相似,同样是由两层硅片夹一层铝片组成,硅片:铝片=2:1,以伊利石最为典型。

(2)非膨胀性:主要是伊利石的晶层与晶层之间吸附有K+,K+是半陷在晶层层面6个氧离子构成的六角形孔穴中,它同时受到相邻两个晶层负电荷的吸附,使相邻两个晶层产生了很强的键联效果,连接力强,晶层不易膨胀。

(3)电荷数量大:同晶置换普遍,主要发生在硅片中,以Al3+→Si4+,铝片中也有少量的Fe3+、Mg2+→Al3+,所以电荷数量大:但是因为部分的负电荷被K+中和,所以电荷数量介于高岭石和蒙脱石之间。

(4)胶体特性:因颗粒大小,总表面积介于高岭石和蒙脱石之间,所以可塑性、粘结性、粘着性、吸湿性也介于高岭石和蒙脱石之间。

二、有机胶体

有机胶体主要指的是土壤中的腐殖质。

a.腐殖质颗粒很细小,具有巨大的比表面积。

每1克腐殖质的总表面积可达1000㎡,比表面积是极其巨大的。

b.带有大量的负电荷

腐殖质组成中有很多的功能团,比如R—COOH、R—CH2—OH等这些功能团解离后能带有大量的负电荷,腐殖质所带负电荷的数量比粘土矿物要大得多,所以保存阳离子的能力也比粘土矿物要大得多。

另外腐殖质功能团中R—NH2的质子化,还能使腐殖质带正电荷。

c.腐殖质是亲水胶体,具有高度的亲水性。

腐殖质可以吸附大气中的水汽分子,吸水最大量时可以达到自身重量的80—90%。

三、有机—无机复合胶体

在土壤中有机胶体一般很少单独存在,绝大部分与无机胶体紧密结合在一起形成有机—无机复合胶体,有机胶体与无机胶体的连接方式是多种多样的,但主要是通过二价、三价等多价阳离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等)作为桥梁把腐殖质与粘土矿物连在一起,或者通过腐殖质表面的功能团比如—COOH、—OH以氢键的方式与粘土矿物连在一起。