㈠ 阳离子交换作用
岩石颗粒的表面往往带负电荷，因此能吸附某些阳离子。当某种成分的地下水与岩石颗粒接触时，水中某些阳离子被岩石颗粒表面吸附，以代替原来被吸附的阳离子，而原来被吸附的阳离子则进入水中，改变了地下水的化学成分，这种作用称为阳离子交换吸附作用。
阳离子交换的强度取决于很多因素，其中主要的是岩石的粒度、交换阳离子的性质、介质的pH值和水中电解质的浓度。
1.粒度
一般岩石的粒度越细，它的交换性能越强。因此，在黏土和黏土岩中，阳离子交换对水化学成分的影响明显。
2.离子性质
不同阳离子的吸附能不同，在其他条件相同的情况下，吸附能的大小取决于它们的离子价，离子价越高吸附能越强，并易留在岩石上。如果阳离子的电价相同，吸附能随原子量的增加而增大。部分离子吸附能强弱的顺序如下：
H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+
由上可见，Ca2+的吸附能大于Na+，因此在自然界中常可见到地下水中的Ca2+交换吸附岩石颗粒表面的Na+。
水文地球化学基础
阳离子交换吸附作用在含水层中广泛地进行，并且对改变地下水的化学成分及地下水的性质有重大意义。这种作用使硬度大的地下水变为硬度小的软水，形成低矿化度的钠水，如SO4—Na型、HCO3—Na型以及一些其他过渡型水。
3.pH值
在阳离子交换反应中，氢离子有着特殊的作用。它的交换能量不仅高于一价的阳离子，还高于二价和三价的阳离子。介质的pH值影响阳离子的吸附数量，水中的氢离子越多，对其他阳离子进入胶状综合体的阻力越强。增加与土壤处于平衡状态的溶液pH值，土壤的交换性能增强。当介质的pH值由6增加到11时，交换容量增加1～2倍。
4.电解质浓度
离子交换吸附作用并不仅决定于离子的性质，在吸附交换过程中，水中电解质浓度也起着重要作用，浓度大的离子比浓度小的离子易被吸附。因此，如果钠的浓度相当大时，吸附综合体中的部分钙离子将被钠离子排挤出去，水中的Na+与岩石颗粒表面的Ca2+就发生交换吸附的现象，例如海水入侵过程中的Na+与Ca2+的交换吸附。
水文地球化学基础
天然水中的交换主要是阳离子交换，而不是阴离子交换。这是由于岩石和土壤的胶体成分主要是由SiO2、Al2O3和其他带负电的胶粒所组成，它们吸附带正电的阳离子。除阳离子吸附外，在某些情况下也能发生阴离子吸附作用（例如砖红壤），但是对这种过程研究很少。
㈡ 离子交替吸附作用
离子交替吸附作用主要发生在具有固定电荷的固体矿物表面，无论是阳离子还是阴离子，均可发生交替吸附作用，但目前研究得较多的是阳离子交替吸附作用。离子交替吸附作用的一个重要特点就是，伴随着一定量的一种离子的吸附，必然有等当量的另一种同号离子的解吸（图2-5-4）。离子交替吸附作用之所以具有这样的特点，主要是由于吸附剂通常都具有一定的离子交换容量，因此这里首先对离子交换容量予以讨论。
图2-5-3 有机质表面的负电荷
图2-5-4 阳离子交替吸附作用图解
2.5.2.1 离子交换容量
离子交换容量包括阳离子交换容量（CEC—Cation Exchange Capacity）和阴离子交换容量（AEC—Anion Exchange Capacity），我们主要讨论阳离子交换容量，它被定义为每100 g干吸附剂可吸附阳离子的毫克当量数。例如，在蒙脱石的结晶格架中，铝八面体中的三价铝可被二价镁所置换，根据测定，每摩尔蒙脱石中镁的含量为0.67 mol，即蒙脱石的分子式为：Si8Al3.33Mg0.67O20（OH）4。已知蒙脱石的分子量是734 g，因此这种蒙脱石的阳离子交换容量为：
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在实际中，通常都是通过实验来测定吸附剂的阳离子交换容量。尤其是对于野外所采取的土样或岩样，由于其中含有多种吸附剂，实验测定往往是唯一可行的方法。阳离子交换容量的实验测定在多数情况下都是用pH为7的醋酸铵溶液与一定量固体样品混合，使其全部吸附格位被所饱和，然后用其他溶液（例如NaCl溶液）把被吸附的全部交换出来，达到交换平衡后，测定溶液中Na+的减少量，据此便可计算样品的阳离子交换容量。表252列出了一些粘土矿物及土壤的阳离子交换容量，由表可见，与土壤相比，矿物的阳离子交换容量有更大的变化范围。
松散沉积物的阳离子交换容量受到了多种因素的影响，主要有：
（1）沉积物中吸附剂的种类与数量。例如，我国北方土壤中的粘土矿物以蒙脱石和伊利石为主，因此其CEC值较大，一般在20 meq/100 g以上，高者达50 meq/100 g以上；而南方的红壤，由于其有机胶体含量少，同时所含的粘土矿物多为高岭石及铁、铝的氢氧化物，故CEC较小，一般小于20 meq/100 g。
表2-5-2 一些粘土矿物及土壤的阳离子交换容量
（2）沉积物颗粒的大小。一般来说，沉积物的颗粒越小，其比表面积越大，CEC值越高。例如，根据一河流沉积物的粒径及其CEC的实测结果，随着沉积物的粒径为从4.4μm增至1000μm，其CEC从14～65 meq/100 g变到4～20 meq/100 g，最终减小到0.3～13 meq/100 g。
（3）水溶液的pH值。一般来说，随着水溶液pH值的增加，土壤表面的可变负电荷量增多，其CEC相应增加；相反，随着水溶液pH值的减小，土壤表面的可变负电荷量不断减少，其CEC也随之减小。
2.5.2.2 阳离子交换反应及平衡
阳离子交换反应的一般形式可写为：
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式中：Am+、Bn+表示水溶液中的A、B离子；AX、BX表示吸附在固体表面的A、B离子。上述反应的平衡常数可写为：
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式中：a标记溶液中组分的活度；{}表示表示吸附在固体表面上的离子的活度。对于水溶液中的离子，其活度可使用表2-1-1中的公式进行计算；但对于吸附在固体表面上的离子，其活度的计算至今还没有满意的方法。目前主要采用两种替代的方法来处理这一问题，一种是Vanselow惯例，另一种是Gaines-Thomas惯例。Vanselow惯例是由Vanselow于1932年提出的，他建议使用摩尔分数来代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若固体表面仅吸附了A离子和B离子，在一定重量（100 g）的吸附剂表面A、B的含量（mmol）依次为qA和qB，则吸附剂表面A、B的摩尔分数分别为：
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显然，xA+xB=1。这样式（2-5-7）可改写为：
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Gaines-Thomas惯例是由Gaines和Thomas于1953年提出的，他们建议采用当量百分数来代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若用yA和yB分别表示吸附剂表面A、B的当量百分数，则有：
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同样，yA+yB=1，这样式（2-5-7）变为：
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目前，这两种惯例都还在被有关的研究者所使用，各有优点，互为补充。事实上，离子交换反应的平衡常数并不是一个常数，它往往随着水溶液的成分、pH值及固体表面成分的变化而变化，因此许多研究者认为将其称为交换系数（Exchange Coefficient）或选择系数（Selectivity Coefficient）更合适一些（Appelo，1994；Deutsch，1997；Benefield，1982；Kehew，2001）。
若已知两种不同离子与同一种离子在某种吸附剂中发生交换反应的交换系数，则可计算出这两种离子发生交换反应的交换系数。例如，若在某种吸附剂中下述反应：
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交换系数分别为KCa-Na和KK-Na，则在该吸附剂中反应：
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的交换系数为：
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这是因为（以Vanselow惯例为例）：
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故有：
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表2-5-3列出了不同离子与Na+发生交换反应的交换系数（Vanselow惯例），据此便可按照上述的方法求得这些离子之间发生交换反应时的交换系数。
需要说明的是，在表2-5-3中，I离子与Na+之间交换反应的反应式为：
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表2-5-3 不同离子与Na+发生交换反应时的交换系数
其交换系数的定义式如下：
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【例】在某地下水系统中，有一段含有大量粘土矿物、因此具有明显阳离子交换能力的地段，假定：
（1）该地段含水层的阳离子交换容量为100 meq/100 g，含水层中的交换性阳离子只有Ca2+和Mg2+，初始状态下含水层颗粒中Ca2+、Mg2+的含量相等；
（2）在进入该地段之前，地下水中的Ca2+、Mg2+浓度相等，均为10-3 mol/L；
（3）含水层的孔隙度为n=0.33，固体颗粒的密度为ρ=2.65 g/cm3；
（4）含水层中发生的阳离子交换反应为：
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不考虑活度系数的影响，其平衡常数（Vanselow惯例）为：
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试使用阳离子交换平衡关系计算，当地下水通过该地段并达到新的交换平衡后，水溶液中及含水层颗粒表面Ca2+、Mg2+浓度的变化。
【解】：设达到新的交换平衡后，含水层颗粒中Ca2+的摩尔分数为y、水溶液中Ca2+的浓度为x（mmol/L），则这时含水层颗粒中Mg2+的摩尔分数为1-y、水溶液中Mg2+的浓度为2-x（mmol/L），故有：
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整理得：
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已知含水层的CEC=100 meq/100g，因此对于二价阳离子来说，含水层颗粒可吸附的阳离子总量为50 mmol/100 g=0.5 mmol/g。若用z表示达到交换平衡后1 g含水层颗粒中Ca2+的含量，则有：
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以式（2-5-25）带入式（2-5-24）得：
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为了计算上述变化，需要对1 L水所对应的含水层中Ca2+的质量守恒关系进行研究。已知含水层的孔隙度为0.33，显然在这样的含水层中，1 L水所对应的含水层颗粒的体积为0.67/0.33（L），相应的含水层颗粒的质量为：
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故吸附作用前后1 L水所对应的含水层中Ca2+的质量守恒关系为：
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式中的0.25为吸附作用前1 g含水层颗粒中Ca2+的含量（mmol），由式（2-5-27）可得：
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以式（2-5-26）带入式（2-5-28）并整理得：
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这是一个关于z的一元二次方程，求解该方程可得：z=0.2500627 mmol/g。代z入式（2-5-25）和式（2-5-26）可得达到新的交换平衡后含水层颗粒中Ca2+的摩尔分数为0.5001254，水溶液中Ca2+的浓度为0.75 mmol/L，故这时含水层颗粒中Mg2+的摩尔分数为0.4998746、水溶液中Mg2+的浓度为1.25 mmol/L。由此可见，地下水通过该粘性土地段后，尽管Ca2+、Mg2+在含水层颗粒中的含量变化很小，但它们在地下水中的含量变化却较大，Mg2+从原来的1 mmol/L增加到了1.25 mmol/L，Ca2+则从原来的1 mmol/L减少到了0.75 mmol/L。
2.5.2.3 分配系数及离子的吸附亲和力
除了交换系数，还有一个重要的参数需要介绍，这就是分配系数（Separation Factor）（Benefield，1982）。对于反应（2-5-6），它被定义为：
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式中cA和cB分别为水溶液中A、B离子的摩尔浓度。显然，若不考虑活度系数的影响，对于同价离子间的交换反应，QA-B=KA-B。式（2-5-29）可改写为：
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由式（2-5-30）可见，QA-B反映了溶液中B与A的含量之比与吸附剂表面B与A的含量之比之间的相对关系。当QA-B=1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例等于其在吸附剂表面的比例，因此对于该吸附剂，A和B具有相同的吸附亲和力；当QA-B＞1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例大于其在吸附剂表面的比例，因此A与B相比具有更大的吸附亲和力；当QA-B＜1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例小于其在吸附剂表面的比例，因此B与A相比具有更大的吸附亲和力。
事实上，即使对于同一阳离子交换反应，其分配系数也会随着水溶液性质的变化而变化（Stumm and Morgan，1996）。图2-5-5给出了Na—Ca交换反应的分配系数随Na+浓度的变化。沿着图中的虚线，QNa-Ca=1，这时Na+和Ca2+具有相同的吸附亲和力。但在稀溶液中，例如［Na+］=10-3 mol/L和10-2 mol/L，Ca2+在吸附剂中的比例要远大于其在水溶液中的比例，因此在这种情况下Ca2+具有更强的吸附亲和力。随着Na+浓度的增大，Ca2+的吸附亲和力逐渐减弱，Na+的吸附亲和力则逐渐增强，当［Na+］=2 mol/L时，Na+已经变得比Ca2+具有更强的吸附亲和力。Na—Ca交换反应分配系数的这种变化对于解释一些实际现象具有重要的意义，根据这种变化，我们可以推断淡水含水层中通常含有大量的可交换的Ca2+，而海水含水层中通常含有大量的可交换的Na+。这种变化关系也解释了为什么硬水软化剂能够选择性地去除Ca2+，同时通过使用高Na+浓度的卤水溶液进行冲刷而再生。
图2-5-5 溶液中Ca2+的含量对吸附作用的影响
根据离子交换反应的分配系数，可以定量地评价离子的吸附亲和力。一般来说，离子在土壤中的吸附亲和力具有下述的规律：
（1）高价离子比低价离子具有更高的吸附亲和力。例如，Al3+＞Mg2+＞Na+；＞。这是因为离子交换反应从本质上说是一个静电吸引过程，离子价越高，所受到的静电吸引力就越大，它就越容易被吸附剂所吸附。
（2）同价离子的吸附亲和力随着离子水化半径的减小而增大。例如，Ca2+＞Mg2+＞Be2+；＞K+＞Na+＞Li+。这是因为离子的水化半径越小，它越容易接近固体表面，从而也就越易于被固体所吸附。
Deutsch（1997）根据Appelo和Postma（1994）的资料，对二价阳离子的吸附亲和力进行了研究，他所得到了吸附亲和力顺序如下：
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在常见的天然地下水系统中，Ca2+和Mg2+通常为地下水中的主要阳离子，它们在水溶液中相对较高的含量将使其成为含水层颗粒表面的主要吸附离子，尽管一些微量元素可能更紧密地被吸附在含水层颗粒表面上。但在污染地下水系统中，若吸附亲和力更强的Pb2+和Ba2+的含量与Ca2+、Mg2+的含量在同一水平上，则含水层颗粒表面的主要吸附离子将变为Pb2+和Ba2+，这将大大地影响Pb2+和Ba2+在地下水中的迁移能力。
综合来讲，阳离子和阴离子的吸附亲和力顺序分别为（何燧源等，2000）：
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可见，阳离子中Li+和Na+最不易被吸附，阴离子中Cl-和最不易被吸附。
离子交换对地下水质产生重要影响的一种常见情况就是海水入侵到淡水含水层中。当在沿海地带大量抽取含水层中的淡水时，海水将对含水层进行补给。初始状态下含水层颗粒表面吸附的主要是Ca2+和Mg2+，海水中的主要阳离子为Na+，阴离子为Cl-。这样入侵的海水将导致含水层中发生下述的阳离子交换反应：
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由于Cl-通常不易被吸附，也不参与其他的水岩作用过程。所以相对于Cl-来说，该过程将使得Na+的迁移能力降低。
地下水系统中另一种常见的情况与上述过程相反，这就是Ca2+置换被吸附的Na+，反应式如下：
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人们在大西洋沿岸的砂岩含水层（Zack and Roberts，1988；Knobel and Phillips，1988）以及北美西部的沉积盆地中（Thorstenson等，1979；Henderson，1985）均发现了这种天然的软化过程。该反应发生的前提条件是：含水层中含有碳酸盐矿物，CO2的分压较高，含水层颗粒中含有大量的可交换的Na+。
㈢ 土壤阳离子交换作用有哪些特点
土壤阳离子交换是一个可逆的反应，可以迅速达到平衡，而且是等价离子交换，也服从质量作用定律。
㈣ 试述土壤中阳离子交换与吸附作用对污染物的迁移转化的影响
阳离子交换使土壤比较重要的性质之一，使土壤本身的特有属性，主要原因就是土壤胶体的负电特性，其电荷分为可变电荷和固定电荷，当pH较低时（到达等电点时），整个性质就会发生变化。阳离子交换，顾名思义，负电荷的土壤胶体表面吸附有一些可交换态的阳离子如K、Mg、Ca等，当污染物特别是重金属类物质与土壤接触时，由于其于土壤胶体表面基团具有更强的结合能力，从而取代部分正电性基团，但是阳离子交换过程并不稳定，属于静电作用，因此自身并不稳定，如上述内容所说，易受pH影响，低pH条件下容易被淋洗。同时由于其具有很强的水溶性，因此生物有效性较高，容易被动植物吸收而贮藏在体内，是土壤化学反应较为活跃的一部分，受土壤环境影响较大。
吸附作用是一种泛称，涉及内容较多，分配、离子交换、络合等都包括在内，以有机质吸附为例，土壤环境中存在很多的有机污染物如农药（有机氯、有机磷）、PAH、PCBs等，通过分配作用，这些污染物易与土壤中的腐殖质、植物残体、黑炭等结合，这一过程既可以促进有机污染物的分解，也可以抑制该过程。例如一些污染物进入当碳粒内部，从而抑制微生物的降解，也就限制了污染物的降解，但是也有一部分可能络合在碳颗粒表面，碳粒表层有较大的比表面积，提供了大量的微生物附着位点，为其降解提供了条件，本身也可以当做电子受体。
这一问题应因具体环境而异，因污染物性质变化而异，环境是复杂的体系，具体结果如何完全看如何读复杂过程进行解读，现在很多过程还是无法解释清楚的，我们目前位置更多的是控制条件，找出影响因素，因此并不是虽有条件都适用的。
㈤ 土壤阳离子交换作用有哪些特点
土壤阳离子抄交换量是袭随着土壤在风化过程中形成，一些矿物和有机质被分解成极细小的颗粒。化学变化使得这些颗粒进一步缩小，肉眼便看不见。这些最细小的颗粒叫做“胶体”。每一胶体带净负电荷。电荷是在其形成过程中产生的。它能够吸引保持带正电的颗粒 ，就像磁铁不同的两极相互吸引一样。阳离子是带正电荷的养分离子，如钙（Ca)、镁（Mg)、钾（K)、钠（Na)、氢（H)和铵(NH4)。粘粒是土壤带负电荷的组份。这些带负电的颗粒（粘粒）吸引、保持并释放带正电的养分颗粒（阳离子） 。有机质颗粒也带有负电荷，吸引带正电荷的阳离子。砂粒不起作用。
土壤保持和交换阳离子的能力用阳离子交换量（CEC)来表示，可作为评价土壤保肥能力的指标。阳离子交换量是土壤缓冲性能的主要来源，是改良土壤和合理施肥的重要依据。
㈥ 阳离子交换作用特点
阳离子交换作用特点
土壤阳离子交换是一个可逆的反应,可以迅速达到平衡,而且是等价离子交换,也服从质量作用定律.
土壤阳离子交换是一个可逆的反应,可以迅速达到平衡,而且是等价离子交换,也服从质量作用定律.
㈦ 影响阳离子交换能力的因素有哪些
土壤溶液来中的阳离子进行交自换，称为阳离子的交换作用。影响因素有——（1）阳离子的代换能力随离子价数的增加而增大，因为高价阳离子的电荷量大、电性强所以代换能力也大，各种阳离子代换力的大小顺序：Na+<K+<NH4+<Mg2+<Ca2+<H+<Al3+<Fe3+（2）等价离子代换能力的大小，随原子序数的增加而增大（3）离子运动速度愈大，交换力愈强（4）阳离子的相对浓度及交换生成物的性质。
影响土壤阳离子交换量的因素有:阳离子交换量：每千克干土中所含的全部阳离子总量，以厘摩尔（+）每千克土或 c mol(+)kg的-1次幂表示。影响因素——（1）胶体的种类，有机胶体>无机胶体，有机质高的>有机质低的，次生铝硅酸盐（2:1>1:1）>次生氧化物（2）溶液的pH值（3）土壤质地，质地愈细交换量愈高。
㈧ 交换吸附的作用原理
简单的说句是阴阳离子的结合，因此植物吸收矿物质元素都是以离子的形式吸收：
阴————阳
㈨ 吸附主要有哪些类型及其各自的特点是什么
溶质从水中移向固体颗粒表面，发生吸附，是水、溶质和固体颗粒三者相互作用的结果。引起吸附的主要原因在于溶质对水的疏水特性和溶质对固体颗粒的高度亲和力。溶质的溶解程度是确定第一种原因的重要因素。溶质的溶解度越大，则向表面运动的可能性越小。相反，溶质的憎水性越大，向吸附界面移动的可能性越大。吸附作用的第二种原因主要由溶质与吸附剂之间的静电引力、范德华引力或化学键力所引起。与此相对应，可将吸附分为三种基本类型。
(1)交换吸附指溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。通常离子交换属此范围。影响交换吸附势的重要因素是离子电荷数和水合半径的大小。
(2)物理吸附指溶质与吸附剂之间由于分子间力（范德华力）而产生的吸附。其特点是没有选择性，吸附质并不固定在吸附剂表面的特定位置上，而多少能在界面范围内自由移动，因而其吸附的牢固程度不如化学吸附。物理吸附主要发生在低温状态下，过程放热较小，约42kj/mol或更少，可以是单分子层或多分子层吸附。影响物理吸附的主要因素是吸附剂的比表面积和细孔分布。
(3)化学吸附指溶质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的
吸附化学键和表面络合物，吸附质分子不能在表面自由移动。吸附时放热量较大，与化学反应的反应热相近，约84～420kj/mol。化学吸附有选择性，即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用，一般为单分子层吸附。通常需要一定的活化能，在低温时，吸附速率较小。这种吸附与吸附剂的表面化学性质和吸附质的化学性质有密切的关系。
物理吸附后再生容易，且能回收吸附质。化学吸附因结合牢固，再生较困难，必须在高温下才能脱附，脱附下来的可能还是原吸附质，也可能是新的物质。利用化学吸附处理毒性很强的污染物更安全。
在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在，难于明确区分。例如某些物质分子在物理吸附后，其化学键被拉长，甚至拉长到改变这个分子的化学性质。物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化的。同一物质可能在较低温度下进行物理吸附，而在较高温度下所经历的往往又是化学吸附。
㈩ 土壤阳离子交换作用的特征有哪些
土壤阳离子交换是一个可逆的反应,可以迅速达到平衡,而且是等价离子交换,也服从质量作用定律.