化学：什么是土壤胶体？详细！

2025-02-11 12:18:05

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回答1：

土壤胶体主要是无机胶体，直径为2～0.001μm土粒的通称可以是矿质的，即土壤矿质胶体(无机胶体)，

回答2：

土壤中的氢氧化铝。

回答3：

土壤胶体的种类　　
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。
Ⅰ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。
构造特征：P69图3—5、图3—6
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。
Ⅱ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%。
Ⅲ 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。土壤胶体特性　　1、土壤胶体的比表面和表面能
土壤胶体的表面按位置可分为：
外表面：粘土矿物、Fe、Al、Si等氧化物、腐殖质分子暴露在外的表面。
内表面：主要指的是层状硅酸盐矿物晶层之间的表面以及腐殖质分子聚集体内部的表面。
比表面：单位重量或单位体积物体的总表面积，很显然颗粒越小，比表面越大，从P72页的表3—
4可以看出，砂粒与粗粉粒的比表面相对于粘粒来讲很小，可以忽略不计，所以土壤的比表面实际上主要取决于粘粒。另外土粒的表面凸凹不平，并非光滑的球体，
它的比表面比光滑的球体要大，而且粉粒和粘粒大多呈片状比表面更大。
另外有些无机胶体（比如蒙脱石类粘土矿物）除了有巨大的外表面，而且表面可向晶层之间扩展，还有巨大的内表面。
有机胶体除了有巨大的外表面，同样也有巨大的内表面。所以有机胶体同样有巨大的比表面。比如腐殖质分子比表面可高达1000㎡/g。
由于土壤胶体有巨大的比表面，所以会产生巨大的表面能，我们知道物体内部的分子周围是与它相同
的分子，所以在各个方向上受的分子引力相等而相互抵消。而表面分子则不同，它与外界的气体或液体接触，在内外两面受到的是不同的分子引力，不能相互抵消，
所以具有剩余的分子引力，由此而产生表面能，这种表面能可以做功，吸附外界分子，胶体数量越多，比表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈强。
2、土壤胶体的带电性
土壤胶体的种类不同，产生电荷的机制也不同，根据土壤胶体电荷产生的机制，一般可分为永久电荷和可变电荷。
a：永久电荷：这是由于粘土矿物晶格中的同晶置换所产生的电荷，我们前面介绍过，粘土矿物的结
构单位是硅氧四面体和铝氧八面体，硅氧四面体的中心离子Si4+和铝氧八面体的中心离子Al3+能被其它离子所代替，从而使粘土矿物带上电荷。如果中心离
子被低价阳离子所代替，粘土矿物带负电荷；如果中心离子被高价阳离子所代替，粘土矿物带正电荷。多数情况下是粘土矿物的中心离子被低价阳离子所取代：比如
Al3+→Si4+，Mg2+→Al3+，所以粘土矿物以带负电荷为主，由于同晶置换一般发生在粘土矿物的结晶过程中，存在于晶格的内部，这种电荷一旦形
成就不会受到外界环境（pH、电解质浓度）的影响，称永久电荷。
b：土壤中有些电荷不是永久不变的，这些电荷的数量和性质会随着介质pH的改变而改变称为可变电荷，可变电荷是因为土壤胶体向土壤中释放离子或吸附离子而产生。比如：
①含水氧化硅的解离
pH0=2，一般不产生正电荷.
pH↑，SiO2·H2O的解离越大，所带负电荷越多。
②含水氧化Fe、Al的解离
比如三水铝石：Al2O3·3H2O pH0= 4.8
③粘土矿物晶面上OH基的解离
高岭石的表面就有很多OH，能解离出H+，从而带上负电荷，这是高岭石带负电荷的主要原因。
④腐殖质某些功能团的解离，比如：
以上所介绍的胶体电荷的产生都与pH有关，会随介质pH的改变而改变→可变电荷。
按电性不同可分为：
a：正电荷：土壤中游离的Fe、Al氧化物是产生正电荷的主要物质（酸性条件下解离可带正电荷），高岭石裸露在外的铝氧八面体在酸性条件下的质子化可带正电荷，有机质——NH2在酸性条件下的质子化也能带正电荷。
b：负电荷：同晶置换、含水氧化硅的解离、含水氧化Fe、Al在碱性条件下的解离、粘土矿物表面OH在碱性条件下的解离、腐殖质功能团中R—COOH、R—CH2—OH、—OH等的解离。
净电荷：土壤正负电荷的代数和，由于一般情况下土壤带负电荷的数量远大于正电荷的数量，所以大多数土壤带有净负电荷，只有少数含Fe、Al氧化物较高强酸性土壤上才有可能带净正电荷。
3、土壤胶体的凝集作用和分散作用
土壤胶体有两种不同的状态，一种是土壤胶体微粒均匀地分散在水中，呈高度分散的溶胶，一种是胶体微粒彼此凝集在一起呈絮状的凝胶。
土壤胶体受某些因素的影响，使胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶的过程称土壤胶体的凝集作用，反之，由凝胶分散成溶胶的过程称胶体的分散作用。
土壤胶体是凝集还是分散主要取决于电动电位：通常土壤胶体是带负电荷的，土壤胶体之间带有负的电动电位，是相互排斥的，这种负电动电位越高，排斥力越强，越能成为稳定的溶胶，但当这种负电动电位降低到土壤胶体之间分子引力大于静电排斥力时，胶体就会相互凝集形成凝胶。
比如向溶液中加入多价离子就能降低负电动电位促使胶体凝集。
凝集力：Fe3+ >Al3+>Ca2+> Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+
在土壤中土壤胶体处在凝胶状态时，有利于水稳性团粒的形成，有利于改善土壤结构，所以向土壤中施用石灰能促进胶体凝集，有利于水稳性团粒的形成，对改良土壤结构有良好作用。当土壤胶体处在溶胶状态时，会使土壤粘结性、粘着性、可塑性增加，降低宜耕期，降低耕作质量。

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