第八章置换理论.doc

第八章：置換理論 　　土壤最重要的物理特性，是一孔隙介質體，由達西公式的導水係數，K，去特定之。而土壤最重要的化學特性是在土壤微細膠質粒(D2(m) (Colloidal)表面具有吸附與置換陽離子的能力，這種能力稱為陽離子置換性(Cation Exchange)。這現象最早於十九世紀早期的Thompson與Way發現，當在土柱中用(NH4)2SO4 (ammonium sulfate)淋洗，結果淋洗而出的水溶液中主要是含著CaSO4 (calcium sulfate)，可見大部份的NH4+在土壤中置換了Ca++， Cax＋2NH4+　　　(NH4)2x＋Ca++ X為土粒界面。 直到目前有四種理論來描述陽離子置換： Vanselow thermodynamic theory (Vanselow熱動力理論) Davis statistical thermodynamic theory（Davis統計熱動力論） Gouy-Chapman double layer theory（雙層理論） ESP-SAR regression（ESP-JAR統計迴歸） 這四種理論以Double layer theory最為有名與普遍接受為解釋Collodial特性。而ESP-SAR廣泛應用於水質與土質污染，作物鹽害（因為作物細胞也可視為Colloidal）等置換現象用熱動力論來解釋，可以推導出一些常見的吸附(Adsorption)公式。 置換理論之一－Diffuse Double layer 　　Double layer theory或又稱為Diffuse double layer（簡稱為DOL）theory，現在廣泛的運用於土壤污染，土壤肥料，或是土壤分類，或環境水化學，但是起初的推導是來自：當水溶液中有微粒子colloid，發現colloid本身帶有界面電荷(surface charged)，以致水溶液中有一部份的離子去中和colloid的界面電荷，而達到正負電荷平衡，水溶液中和colloid界面的離子稱為逆向離子counter-ion，這表示counter-ion並不是完全吸附在colloid界面，而是逆向的強度依colloid界面電荷的電位潛能(electrical potential, ()而定，愈遠colloid表面，(愈小，所以counter-ion也愈小，所以counter-ion在 surface charge counter-ion (diffuse layer) colloid bulk solution stern charge (or stern layer) Colloid電荷影響區其濃度依電荷擴散(diffuse)而遞減，其擴散區稱為diffuse layer。diffuse layer的離子（如上圖，是正離子）與水溶液(Bulk solution)的離子濃度不同。一般把diffuse layer與colloid表面的surface charge layer稱為diffuse double layer (DDL)。描述counter-ion在Diffuse layer的擴散分佈即稱為DDL theory，這分佈是主要受colloid表面電位潛能(Colloid surface electrical potential, (o)所影響，這可下圖示之。 x稱為DOL thickness 此時(o ( 0 描述這條counter-ion擴散曲線以Gouy-chapman model為代表。這個model本來是在電位化學描述當一枝電極棒插入水中時，其相反電荷(counter-ion)在水溶液中如何來中和電棒上的電位差。 Gouy-Chapman理想model 所以利用Guoy-Chapman model的第一個假設是colloid的界面電荷必須均勻(uniform)，但是在實際上是不均勻，因為土壤colloid的電荷是由isomorphic substitution來產生，而colloid的界面化學組成分複雜（有機與不同的無機成分），所以表面isomorphic substitution的程度也不相同，所以colloid的surface charge必不均勻。Guoy-Chapman model的第二假設是溶液在colloid表面是一個連續流體，即其介電常數(dielectrical constant)，(，為不變， (表示水溶液在一定靜電場裡，與溫度，兩個電荷的電感應參數，依法拉蒂(Faraday)