第八章
土壤胶体化学和表面反应
主要内容 (重点 )：
教学目标与要求：
教学方式与手段：
课时安排与进度：
1.土壤胶体的表面性质（重点）
2.土壤胶体对阳离子交换反应（重点）
3.土壤胶体的阴离子的吸附与交换
了解土壤胶体的表面类型、表面电荷来源与
种类，掌握土壤双电层的结构特征；牢记土壤
阳离子交换作用的规律以及影响阳离子有效性
的因素以及阳离子交换对土壤性质的影响。
幻灯，动画演示；案例分析；土壤吸附实验；
课时数,4课时
第八章 土壤胶体化学和表面反应
第一节 土壤胶体 (soil colloid) 的表面性质
一、土壤胶体表面类型
（一）硅氧烷型表面
（二）水合氧化物型表面
（三）有机物表面
二、土壤胶体的比表面和表面积
(一 )土壤胶体的表面积
表 8－ 1 土壤中常见粘土矿物的比表面积（ m2·g -1）
胶体成分 内表面积 外表面积 总表面积
蒙脱石
蛭 石
水云母
高岭石
埃洛石
水化埃洛石
水铝英石
700-750
400-750
0-5
0
0
400
130-400
15-150
1-50
90-150
5-40
10-45
25-30
130-400
700-850
400-800
90-150
5-40
10-45
430
260-800
我国几种主要土壤的比表面积：
砖红壤 60－ 80m2?g-1
红 壤 100－ 150m2?g-1
黄棕壤 200－ 300m2?g-1
(二 )比表面积的测定方法
1、仪器法
2、吸附法 氮气、甘油、乙二醇醚等
总之,2,1型粘土矿物和有机质的含量越
高，土壤的比表面积越大。
三、土壤表面电荷和电位
（一）土壤电荷的起因和种类
1、永久电荷 (permanent charge)***
永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。
2、可变电荷 (variable charge)***
随 pH的变化而变化的土壤电荷，这种电荷
称为可变电荷。
可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团
的解离：
A,含水氧化硅的解离
B,粘粒矿物的晶面上的 OH和 H的解离
C,腐殖质上某些官能团的解离
D,含水氧化和水铝石表面的分子中 OH的
解离； pH< 3.2
从上述四种情况来看，土壤胶体所带的
电荷数量和性质与介质的 pH值有密切关系。
（二）土壤的电荷数量 **
1,土壤电荷主要集中在胶体部分。
2,胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础 。
3,有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。
***影响土壤电荷数量的因素主要有：
C,pH值 主要影响可变电荷的数量。
B,土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土壤，
它们所带的电荷数量可以完全不同。
A,质地 土壤的质地越粘，土粒越细，其电荷总
量也越多。
（三）土壤胶体双电层结构和表面电位
胶体微粒
胶核
双电层
决定电位离子层（内）
补偿离子层（外）
非活性离子层
扩散层
当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表
面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和
一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布
的空间结构，称为 双电层 ***(图 8-2)。
图 8－ 2 双电层模型
Boltzmann方程
Cx=Coexp( )
Gouy（ 1910） 和 Chapman（ 1913） 提出的双电层模型
?x=?o exp(-K?x)
式中 ?o为表面电位,k是与离子浓度、价数、
介电常数和温度有关的常数。在室温下：
k＝ 3× 107 Z ?Co
1/K称为扩散双电层的厚度 。
离子价数越高，离子浓度越大,K值越大，双电层
的厚度越小，因此，增加离子的价数和浓度，可使
双层压缩,
第三节 土壤胶体对阳离子的吸附交换反应
一、离子吸附的一般概念
根据物理化学的反应，胶体在溶剂中呈不
均一的分布状态，固体颗粒表面的离子浓度与
溶液内部不同的现象称为 吸附作用 **。
凡使胶体表面层中溶质的浓度大于液体内部
浓度的作用称为 正吸附, 反之则称为 负吸附,
二、阳离子静电吸附
由库仑定律可知,
土壤胶体表面所带的负电荷愈多，吸附的阳离
子数量就愈多；
土壤胶体表面的电荷密度愈大，阳离子所带的
电荷愈多，则离子吸附得愈牢。
M3+>M2+>M+
Al3＋ >Mn2＋ >Ca2＋ >K+
Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+
1、阳离子静电吸附
表 8－ 2 离子半径与吸附力
一价离子 Li+ Na+ K+ NH+4 Rb+
离子的真实半径 (nm) 0.078 0.098 0.133 0.143 0.149
离子的水合半径 (nm) 1.008 0.790 0.537 0.532 0.509
弱 强交换能力
2,盐基离子与盐基饱和度
（ 1） 盐基离子与致酸离子 ***
第一类 是氢离子和铝离子, 它们是 致酸离
子, 与土壤的酸度有密切关系 。
第二类 是其他的一些金属离子, 如 Ca+2、
Mg+2,K+,NH4+…… 等, 在古典化学上, 它
们都称为 盐基离子 。
（ 2） 盐基饱和度 (base saturation percentage)BSP
在土壤胶体所吸附的阳离子中, 盐基离子的数量
占所有吸附的阳离子的百分比, 叫 盐基饱和度 ***。
盐基饱和的土壤具有 中性或碱性反应 ；
而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为 酸性土壤 ；
克土）量阳离子交换量（毫克当
克土）当量交换性盐基总量（毫克盐基饱和度
100/
100/? ?100%
三、阳离子交换
（一）阳离子交换作用 ***
在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可
以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对
这种能相互交换的阳离子叫做 交换性阳离子,而
把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为 阳
离子交换作用 ***。
（观看演示）
（ 1）阳离子交换作用是 可逆反应 。
（ 2） 交换是 等当量 进行的 。
（ 3）阳离子交换受 质量作用定律的支配 。
*** 阳离子交换作用的特征：
阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标 。
CEC <10 10~20 >20
***土壤阳离子交换量 (cation exchange capacity)-
CEC
是指土壤溶液为中性 （ pH = 7） 时, 每千
克土所含 的全部交换性阳离子的厘摩尔数称为
土壤的 阳离子交换量 。 （ CEC,cmol(+)kg-1 ）
保肥能力 低 中 高
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（ 1） 质地 质地越粘重, 含粘粒越多的土壤,
其阳离子交换量也越大 。
（ 2） 有机质 OM % ? CEC
（ 3） 胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（ 4） pH值 在一般情况下, 随着 pH的升高, 土壤
的可变电荷增加, 土壤的阳离子交换量也增加 。
质地 砂土 砂壤土 壤土 粘土
CEC 1~5 7~8 15~18 25~30
表 8-3 不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体 CEC[cmol(+).kg-1]
腐殖质
蛭 石
蒙脱石
伊利石
高岭石
倍半氧化物
200
100-150
70-95
10-40
3-15
2-4
4,影响阳离子交换能力的因素 **
（ 1） 电荷的影响 ；
根据库仑定律, 阳离子的价数越高, 交换能
力也越大 。
（ 2） 离子的半径及水化程度 同价的离
子, 其交换能力的大小是依据其离子半径及离子的
水化程度的不同而不同的 。
（ 3） 离子浓度和数量因子 。
5,交换性离子的有效度
**影响交换离子有效度的因素主要有：
（ 1） 盐基饱和度
离子的饱和度越大, 被解吸的机会就越大, 有
效度 就越大
（ 2） 土壤中的互补离子效应
（ 3） 粘土矿物类型的影响
（ 4） 由交换性离子变为非交换性离子的有效度问题
表 8-5 互补离子与交换性钙的有效性
土壤 交换性阳离子
组成
小麦幼苗干
重 (g)
小麦幼苗吸钙量
(mg)
A
B
C
40%Ca+60%H
40%Ca+60%Mg
40%Ca+60%Na
2.80
2.79
2.34
11.15
7.83
4.36
在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之间的相互
影响的作用 — 互补离子效应（陪伴离子效应）
四、阳离子的专性吸附
（一）阳离子专性吸附的机理
产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质主要
是铁、铝、锰等的氧化物及其水合物。
层状硅酸盐矿物在某些情况下对重金属
离子也可以产生专性吸附作用
反应的结果使体系的 pH值下降 ！
阳离子专性吸附的实际意义,
由于专性吸附对微量金属离子具有富集
作用的特性，因此，正日益成为地球化学领
域或地球化学探矿等学科的重要内容。
土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧
化物及其水合物，对多种微量重金属离子起
富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更
为明显。
专性吸附在调控金属元素的生物有效性和生
物毒性方面起着重要作用。有试验表明，在被铅
污染的土壤中加入氧化锰，可以抑制植物对铅的
吸收，
土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重
金属污染起到一定的净化作用，并对这些金属
离子从土壤溶液向植物体内迁移和累积起一定
的缓冲和调节作用。另一方面，专性吸附作用
也给土壤带来了潜在的污染危险。
第三节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换
（ 一 ） 土壤吸附的阴离子
土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类：
1,易被吸附的阴离子 最重要是：
H2PO4- HPO42- PO43-
HsiO3- SiO32- C2O42-
2,吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子
Cl- NO3- NO2-
3,中间类型的离子：
SO42- CO32-
各种阴离子被土壤吸收的次序如下：
F- > 草酸根 > 柠檬酸根 > H2PO4-> HCO3- > HBO3- >SO42- > Cl - > NO3-
（ 二 ） 阴离子的负吸附
所谓 阴离子的负吸附, 是指距带负电荷的胶
体表面越近, 阴离子数量越少的现象 。
负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子代
换量的增加而增加 。 但随陪伴阳离子价数的增加而
减少 。 不同的粘粒矿物对负吸附的影响也不同, 他
们递减的次序为：
蒙脱石 ＞ 伊利石 ＞ 高岭石
三、阴离子专性吸附
阴离子专性吸附 是指阴离子进入粘土矿物或
氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳
中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价
键或配位键结合在固体的表面。这种吸附发生
在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。
产生专性吸附的阴离子有 F-离子以及磷酸根、
硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。
如：磷酸根在氧化铁表面的专性吸附
土壤胶体化学和表面反应
主要内容 (重点 )：
教学目标与要求：
教学方式与手段：
课时安排与进度：
1.土壤胶体的表面性质（重点）
2.土壤胶体对阳离子交换反应（重点）
3.土壤胶体的阴离子的吸附与交换
了解土壤胶体的表面类型、表面电荷来源与
种类，掌握土壤双电层的结构特征；牢记土壤
阳离子交换作用的规律以及影响阳离子有效性
的因素以及阳离子交换对土壤性质的影响。
幻灯，动画演示；案例分析；土壤吸附实验；
课时数,4课时
第八章 土壤胶体化学和表面反应
第一节 土壤胶体 (soil colloid) 的表面性质
一、土壤胶体表面类型
（一）硅氧烷型表面
（二）水合氧化物型表面
（三）有机物表面
二、土壤胶体的比表面和表面积
(一 )土壤胶体的表面积
表 8－ 1 土壤中常见粘土矿物的比表面积（ m2·g -1）
胶体成分 内表面积 外表面积 总表面积
蒙脱石
蛭 石
水云母
高岭石
埃洛石
水化埃洛石
水铝英石
700-750
400-750
0-5
0
0
400
130-400
15-150
1-50
90-150
5-40
10-45
25-30
130-400
700-850
400-800
90-150
5-40
10-45
430
260-800
我国几种主要土壤的比表面积：
砖红壤 60－ 80m2?g-1
红 壤 100－ 150m2?g-1
黄棕壤 200－ 300m2?g-1
(二 )比表面积的测定方法
1、仪器法
2、吸附法 氮气、甘油、乙二醇醚等
总之,2,1型粘土矿物和有机质的含量越
高，土壤的比表面积越大。
三、土壤表面电荷和电位
（一）土壤电荷的起因和种类
1、永久电荷 (permanent charge)***
永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。
2、可变电荷 (variable charge)***
随 pH的变化而变化的土壤电荷，这种电荷
称为可变电荷。
可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团
的解离：
A,含水氧化硅的解离
B,粘粒矿物的晶面上的 OH和 H的解离
C,腐殖质上某些官能团的解离
D,含水氧化和水铝石表面的分子中 OH的
解离； pH< 3.2
从上述四种情况来看，土壤胶体所带的
电荷数量和性质与介质的 pH值有密切关系。
（二）土壤的电荷数量 **
1,土壤电荷主要集中在胶体部分。
2,胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础 。
3,有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。
***影响土壤电荷数量的因素主要有：
C,pH值 主要影响可变电荷的数量。
B,土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土壤，
它们所带的电荷数量可以完全不同。
A,质地 土壤的质地越粘，土粒越细，其电荷总
量也越多。
（三）土壤胶体双电层结构和表面电位
胶体微粒
胶核
双电层
决定电位离子层（内）
补偿离子层（外）
非活性离子层
扩散层
当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表
面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和
一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布
的空间结构，称为 双电层 ***(图 8-2)。
图 8－ 2 双电层模型
Boltzmann方程
Cx=Coexp( )
Gouy（ 1910） 和 Chapman（ 1913） 提出的双电层模型
?x=?o exp(-K?x)
式中 ?o为表面电位,k是与离子浓度、价数、
介电常数和温度有关的常数。在室温下：
k＝ 3× 107 Z ?Co
1/K称为扩散双电层的厚度 。
离子价数越高，离子浓度越大,K值越大，双电层
的厚度越小，因此，增加离子的价数和浓度，可使
双层压缩,
第三节 土壤胶体对阳离子的吸附交换反应
一、离子吸附的一般概念
根据物理化学的反应，胶体在溶剂中呈不
均一的分布状态，固体颗粒表面的离子浓度与
溶液内部不同的现象称为 吸附作用 **。
凡使胶体表面层中溶质的浓度大于液体内部
浓度的作用称为 正吸附, 反之则称为 负吸附,
二、阳离子静电吸附
由库仑定律可知,
土壤胶体表面所带的负电荷愈多，吸附的阳离
子数量就愈多；
土壤胶体表面的电荷密度愈大，阳离子所带的
电荷愈多，则离子吸附得愈牢。
M3+>M2+>M+
Al3＋ >Mn2＋ >Ca2＋ >K+
Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+
1、阳离子静电吸附
表 8－ 2 离子半径与吸附力
一价离子 Li+ Na+ K+ NH+4 Rb+
离子的真实半径 (nm) 0.078 0.098 0.133 0.143 0.149
离子的水合半径 (nm) 1.008 0.790 0.537 0.532 0.509
弱 强交换能力
2,盐基离子与盐基饱和度
（ 1） 盐基离子与致酸离子 ***
第一类 是氢离子和铝离子, 它们是 致酸离
子, 与土壤的酸度有密切关系 。
第二类 是其他的一些金属离子, 如 Ca+2、
Mg+2,K+,NH4+…… 等, 在古典化学上, 它
们都称为 盐基离子 。
（ 2） 盐基饱和度 (base saturation percentage)BSP
在土壤胶体所吸附的阳离子中, 盐基离子的数量
占所有吸附的阳离子的百分比, 叫 盐基饱和度 ***。
盐基饱和的土壤具有 中性或碱性反应 ；
而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为 酸性土壤 ；
克土）量阳离子交换量（毫克当
克土）当量交换性盐基总量（毫克盐基饱和度
100/
100/? ?100%
三、阳离子交换
（一）阳离子交换作用 ***
在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可
以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对
这种能相互交换的阳离子叫做 交换性阳离子,而
把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为 阳
离子交换作用 ***。
（观看演示）
（ 1）阳离子交换作用是 可逆反应 。
（ 2） 交换是 等当量 进行的 。
（ 3）阳离子交换受 质量作用定律的支配 。
*** 阳离子交换作用的特征：
阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标 。
CEC <10 10~20 >20
***土壤阳离子交换量 (cation exchange capacity)-
CEC
是指土壤溶液为中性 （ pH = 7） 时, 每千
克土所含 的全部交换性阳离子的厘摩尔数称为
土壤的 阳离子交换量 。 （ CEC,cmol(+)kg-1 ）
保肥能力 低 中 高
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（ 1） 质地 质地越粘重, 含粘粒越多的土壤,
其阳离子交换量也越大 。
（ 2） 有机质 OM % ? CEC
（ 3） 胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（ 4） pH值 在一般情况下, 随着 pH的升高, 土壤
的可变电荷增加, 土壤的阳离子交换量也增加 。
质地 砂土 砂壤土 壤土 粘土
CEC 1~5 7~8 15~18 25~30
表 8-3 不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体 CEC[cmol(+).kg-1]
腐殖质
蛭 石
蒙脱石
伊利石
高岭石
倍半氧化物
200
100-150
70-95
10-40
3-15
2-4
4,影响阳离子交换能力的因素 **
（ 1） 电荷的影响 ；
根据库仑定律, 阳离子的价数越高, 交换能
力也越大 。
（ 2） 离子的半径及水化程度 同价的离
子, 其交换能力的大小是依据其离子半径及离子的
水化程度的不同而不同的 。
（ 3） 离子浓度和数量因子 。
5,交换性离子的有效度
**影响交换离子有效度的因素主要有：
（ 1） 盐基饱和度
离子的饱和度越大, 被解吸的机会就越大, 有
效度 就越大
（ 2） 土壤中的互补离子效应
（ 3） 粘土矿物类型的影响
（ 4） 由交换性离子变为非交换性离子的有效度问题
表 8-5 互补离子与交换性钙的有效性
土壤 交换性阳离子
组成
小麦幼苗干
重 (g)
小麦幼苗吸钙量
(mg)
A
B
C
40%Ca+60%H
40%Ca+60%Mg
40%Ca+60%Na
2.80
2.79
2.34
11.15
7.83
4.36
在土壤胶体上各种交换性盐 基离子之间的相互
影响的作用 — 互补离子效应（陪伴离子效应）
四、阳离子的专性吸附
（一）阳离子专性吸附的机理
产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质主要
是铁、铝、锰等的氧化物及其水合物。
层状硅酸盐矿物在某些情况下对重金属
离子也可以产生专性吸附作用
反应的结果使体系的 pH值下降 ！
阳离子专性吸附的实际意义,
由于专性吸附对微量金属离子具有富集
作用的特性，因此，正日益成为地球化学领
域或地球化学探矿等学科的重要内容。
土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧
化物及其水合物，对多种微量重金属离子起
富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更
为明显。
专性吸附在调控金属元素的生物有效性和生
物毒性方面起着重要作用。有试验表明，在被铅
污染的土壤中加入氧化锰，可以抑制植物对铅的
吸收，
土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重
金属污染起到一定的净化作用，并对这些金属
离子从土壤溶液向植物体内迁移和累积起一定
的缓冲和调节作用。另一方面，专性吸附作用
也给土壤带来了潜在的污染危险。
第三节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换
（ 一 ） 土壤吸附的阴离子
土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类：
1,易被吸附的阴离子 最重要是：
H2PO4- HPO42- PO43-
HsiO3- SiO32- C2O42-
2,吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子
Cl- NO3- NO2-
3,中间类型的离子：
SO42- CO32-
各种阴离子被土壤吸收的次序如下：
F- > 草酸根 > 柠檬酸根 > H2PO4-> HCO3- > HBO3- >SO42- > Cl - > NO3-
（ 二 ） 阴离子的负吸附
所谓 阴离子的负吸附, 是指距带负电荷的胶
体表面越近, 阴离子数量越少的现象 。
负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子代
换量的增加而增加 。 但随陪伴阳离子价数的增加而
减少 。 不同的粘粒矿物对负吸附的影响也不同, 他
们递减的次序为：
蒙脱石 ＞ 伊利石 ＞ 高岭石
三、阴离子专性吸附
阴离子专性吸附 是指阴离子进入粘土矿物或
氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳
中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价
键或配位键结合在固体的表面。这种吸附发生
在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。
产生专性吸附的阴离子有 F-离子以及磷酸根、
硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。
如：磷酸根在氧化铁表面的专性吸附
