《环境化学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第二章 土壤的性质

2.土壤的性质 2.1土壤胶体及其吸附性 2.2土壤的酸碱性 2.3土壤的氧化还原性 3.土壤污染 3.1土壤的污染源和污染物 ·3.2土壤的自净作用和污染防渲

• 2. 土壤的性质 • 2.1 土壤胶体及其吸附性 • 2.2 土壤的酸碱性 • 2.3 土壤的氧化还原性 • 3. 土壤污染 • 3.1 土壤的污染源和污染物 • 3.2 土壤的自净作用和污染防治

土壤胶体分为三类:无机胶体,主要为各种次生矿物,如层状硅 酸盐、水合氧化物、氧化物等矿物;有机胶体,主要为腐殖质; 无机-有机胶体复合体。土壤胶体以其巨大的比表面积和带电性而 使土壤具有吸附性 2.1.1土壤胶体具有极大的比表面积、表面能 蒙脱石 8×10m2/kg 伊利石 1×10m2/kg 高岭石 1~2×104m2/kg Fe、A氧化物3×10mkg 腐殖质 9×105m2/ks

• 土壤胶体分为三类：无机胶体，主要为各种次生矿物，如层状硅 酸盐、水合氧化物、氧化物等矿物；有机胶体，主要为腐殖质； 无机-有机胶体复合体。土壤胶体以其巨大的比表面积和带电性而 使土壤具有吸附性。 • 2.1.1 土壤胶体具有极大的比表面积、表面能 蒙脱石 8×105 m2 /kg 伊利石 1×105 m2 /kg 高岭石 1~2×104 m2 /kg Fe、Al 氧化物 3×104 m2 /kg 腐殖质 9×105 m2 /kg

2.1.2带有电荷永久性负电荷、pH制约电荷、净电荷 pH<零电点,土壤带正电,反之带负电—p制约电荷 OH OH H OH2(+z) OH2(+)<OH9一OH(1) OH(-Z)+2 H,O A OH(+2) oH(-) OH(-Z H酸性 中性 碱性 图高岭石表面产生pH制约电荷图 一般土壤零电点低而pH高,总带有净的负电荷

• 2.1.2 带有电荷 永久性负电荷、pH制约电荷、净电荷 • pH<零电点，土壤带正电，反之带负电——pH制约电荷 • 图 高岭石表面产生pH制约电荷图 • 一般土壤零电点低而pH高，总带有净的负电荷。 Si OH2 Al O H O H H O H O H Si OH Al O H O H Si OH2 Al 1 2 + + 2 1 + 2 1 1 2 - 1 2 -1 - - 2 1 + 2 H2 O H + O H- 2 酸性 中性 碱性

2.1.3土壤的阳离子交换(交换性阳离子)性能 土壤胶体粒子具有吸附某些阳离子或阴离子的性质。在一定条 件下,这些被吸附的阳离子或阴离子可以被土壤溶液中另外的 阳离子或阴离子置换出来,这种现象称为土壤的离子交换。 土壤中含量较多的阳离子有K+、Na+、Ca H+、NH 也是容易发生交换的离子,一些有机阳离子也可以发生交换 含量较多的阴离子有SO2、Cl、PO3、NO3,在20世纪30年代 已经有研究表明土壤的黏土矿粒子能够发生阴离子交换,但是 由于研究阴离子交换比较困难,进展比较缓慢。 土壤的离子交换能力用离子交换容量( ion exchange capacity, IEC)表示,单位为mmol/kg。 土壤的离子交换作用改变了某些阳离子的有效性,使植物对这 些元素的有效利用受到影响,另外,土壤的离子交换作用可以 改变离子在土壤中的迁移能力

• 2.1.3 土壤的阳离子交换（交换性阳离子）性能 • 土壤胶体粒子具有吸附某些阳离子或阴离子的性质。在一定条 件下，这些被吸附的阳离子或阴离子可以被土壤溶液中另外的 阳离子或阴离子置换出来，这种现象称为土壤的离子交换。 • 土壤中含量较多的阳离子有K+ 、Na+ 、Ca2+ 、Mg2+ 、H+ 、NH4 + ， 也是容易发生交换的离子，一些有机阳离子也可以发生交换。 含量较多的阴离子有SO4 2-、Cl-、PO4 3-、NO3 -，在20世纪30年代 已经有研究表明土壤的黏土矿粒子能够发生阴离子交换，但是 由于研究阴离子交换比较困难，进展比较缓慢。 • 土壤的离子交换能力用离子交换容量（ion exchange capacity， IEC）表示，单位为mmol/kg。 • 土壤的离子交换作用改变了某些阳离子的有效性，使植物对这 些元素的有效利用受到影响，另外，土壤的离子交换作用可以 改变离子在土壤中的迁移能力

土壤矿物粒子表面通常带负电荷,吸附阳离子。土壤矿物粒子所 吸附的阳离子被土壤溶液中其它阳离子置换的过程,称为土壤的 阳离子交换。 阳离子交换反应是可逆反应,以化学计量关系进行,交换反应的 速率随黏土矿的种类、阳离子的性质与浓度而变化(高岭土矿的 离子交换速率是最快的)。 k-K N& Mg 2+ af Ca cat H(壤胶体)+3ca2=÷(土壤胶体)+2H+2K2+2NH NH NH Na m 阳离子交换容量(CEC)=交换性阳离子mmol/kg干土壤

• 土壤矿物粒子表面通常带负电荷，吸附阳离子。土壤矿物粒子所 吸附的阳离子被土壤溶液中其它阳离子置换的过程，称为土壤的 阳离子交换。 • 阳离子交换反应是可逆反应，以化学计量关系进行，交换反应的 速率随黏土矿的种类、阳离子的性质与浓度而变化（高岭土矿的 离子交换速率是最快的）。 • 阳离子交换容量（CEC）=交换性阳离子mmol/kg干土壤 H 土壤胶体 + K + K + N a+ Mg2+ N H4 + N H4 H + + 土壤胶体 Ca2+ Ca Ca2+ 2+ N a+ Mg2+ Ca2+ 3 2H 2 2 + K + N H4 + + + + +

2.2.1土壤的酸度 ·活性酸度(有效酸度):土壤溶液中游离H提供,可直接测 潜性酸度:土壤胶体所吸附∏、A3提供 (1)土壤胶体上吸附性H解离 土壤胶体力XH、亠〈士壤胶体(X-y)H ·(2)土壤胶体上吸附性H被其它阳离子所交换 K 土壤胶体)xH+KC=÷(士壤胶体(x-1+r (3)土壤胶体上吸附性A3的作用 Al+hoO AIOH 2+ H AI(OH) +HO Al()2+H Al(OH)2+ho Al(OH)3+H 活性酸度和潜性酸度关系:在同一平衡体系中存在,潜性酸度是 活性酸度的储备,活性酸度是潜性酸度的根本起点。 土壤胶体xH+(x+3y)K、<士壤胶体(x+3y)K+xH+yAl yAI

• 2.2.1 土壤的酸度 • 活性酸度（有效酸度）：土壤溶液中游离H+提供，可直接测 • 潜性酸度：土壤胶体所吸附H+ 、Al3+提供 • （1）土壤胶体上吸附性H+解离 • （2）土壤胶体上吸附性H+被其它阳离子所交换 • （3）土壤胶体上吸附性Al3+的作用 • 活性酸度和潜性酸度关系：在同一平衡体系中存在，潜性酸度是 活性酸度的储备，活性酸度是潜性酸度的根本起点。 土壤胶体 H + x x H + 土壤胶体 - y H + + y + H + 土壤胶体 - H + xH x + 土壤胶体 + KCl K + 1 x + 土壤胶体 H y + 土壤胶体 yAl H x + 3y K + K + x + 3y x Al3+ + + Al3+ H2 O Al(OH) 2+ H + + + + + H Al(OH) 2+ + H2 O H2 O H + + Al(OH) + 3 Al(OH) 2 + Al(OH) 2 +

2.2.2土壤的碱度 ·(1)液相碱度指标CO32、HCO3,主要以碱金属和碱土金属盐存在 (2)固相碱度指标Na+、Mg2+、 y 土壤胶体XNa+yHOH、亠15%时,pH>8.5甚至达到10时土壤碱化

• 2.2.2 土壤的碱度 • （1）液相碱度指标 CO3 2-、HCO3 -，主要以碱金属和碱土金属盐存在 • （2）固相碱度指标 Na+ 、Mg2+ 、…… • Na+>15%时，pH>8.5甚至达到10时土壤碱化 土壤胶体 x + x H + Na 土壤胶体 - + + yHOH y y Na+ yNaOH NaOH H2 CO3 Na 2 + 2 CO3 + 2 H2 O NaOH + H2 CO3 NaHCO3 + H2 O

2.2.3土壤的缓冲性能 2.2.3.1土壤溶液的缓冲作用 (a) H,CO3-Na2CO3 (b)两性物质 RCH(NH2)COOH (c)碱性土壤中Al3对碱起缓冲作用 2 AlO (H2O)6+20H=[Al2(H2O)(Od2+ 4H2O pHH+MC 土壤胶体H+MOH=<土壤胶体》M+H2O <返回

• 2.2.3 土壤的缓冲性能 • 2.2.3.1 土壤溶液的缓冲作用 • （a）H2CO3 -Na2CO3 • （b）两性物质 RCH(NH2 )COOH • （c）碱性土壤中Al3+对碱起缓冲作用 • pH

·氧化还原反应是土壤中无机物和有机物发生迁移转化并对土壤生 态系统产生重要影响的化学过程。 土壤中的主要氧化剂有:土壤中氧气、NO3和高价金属离子,如 Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)、V(V)、Ti(ⅣV)等。土壤中的主要还 原剂有:有机质和低价金属离子。此外,土壤中植物的根系和土 壤生物也是土壤发生氧化还原反应的重要参与者 主要的氧化还原体系氧化态 还原态 铁体系 Fe(lim) Fe(l) 锰体系 Mn(v) Mn(In) 硫体系 SO2 HaS 氮体系 NO NO NO NO3 NHt 有机碳体系 CO CH4

• 氧化还原反应是土壤中无机物和有机物发生迁移转化并对土壤生 态系统产生重要影响的化学过程。 • 土壤中的主要氧化剂有：土壤中氧气、NO3 -和高价金属离子，如 Fe（III）、Mn（IV）、V（V）、Ti（IV）等。土壤中的主要还 原剂有：有机质和低价金属离子。此外，土壤中植物的根系和土 壤生物也是土壤发生氧化还原反应的重要参与者。 主要的氧化还原体系 氧化态 还原态 铁体系 Fe(III) Fe(II) 锰体系 Mn(IV) Mn(II) 硫体系 SO4 2- H2 S NO3 - NO2 - NO3 - N2 氮体系 NO3 - NH4 + 有机碳体系 CO2 CH4

土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧化还原电位(E)来衡量,其 值是以氧化态物质与还原态物质的相对浓度比为依据的。由于土壤中氧 化态物质与还原态物质的组成十分复杂,因此计算土壤的实际E很困难, 主要是以实际测量的土壤E衡量土壤的氧化还原性 一般早地土壤的E为400~700mV,水田的E为-200~300mV。根据土壤的 E可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为 当土壤的E值>700mV时,土壤完全处于氧化条件下,有机物质会迅速分 解;当E值在400~700mV时,土壤中氮素主要以NO3形式存在;当E值

• 土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧化还原电位（Eh）来衡量，其 值是以氧化态物质与还原态物质的相对浓度比为依据的。由于土壤中氧 化态物质与还原态物质的组成十分复杂，因此计算土壤的实际Eh很困难， 主要是以实际测量的土壤Eh衡量土壤的氧化还原性。 • 一般旱地土壤的Eh为400~700mV，水田的Eh为-200~300mV。根据土壤的 Eh可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为。 • 当土壤的Eh值>700mV时，土壤完全处于氧化条件下，有机物质会迅速分 解；当Eh值在400~700mV时，土壤中氮素主要以NO3 -形式存在；当Eh值