PROPIEDADES QUÍMICASPROPIEDADES QUÍMICASADSORCIÓN E ADSORCIÓN E

INTERCAMBIO IÓNICOINTERCAMBIO IÓNICOVladimir OrsagVladimir Orsag

Los Elementos Químicos en el Suelo

Los elementos químicos constituyentes del suelo pueden ocupar distintas posiciones:

En la Fase Sólida Inmovilizados en una estructura mineral cristalina, en

aluminio-silicatos amorfos, y en compuestos orgánicos.En la Fase Sólido-Líquida

Localizados en la superficie de determinadas partículas y en su área de influencia. Tiene lugar reacciones de superficie con uniones de distintos tipo entre el elemento y la superficie.

En la Fase LíquidaEn la Fase Líquida

El agua del suelo puede contener El agua del suelo puede contener elementos en solucióelementos en solución, n, así como particular sólidas en suspensión, material coloidal así como particular sólidas en suspensión, material coloidal soluble o pseudosoluble.soluble o pseudosoluble.

La La HHidratación de los Eementosidratación de los Eementos tiene efectos tiene efectos importantes sobre las importantes sobre las reacciones de superficie y la reacciones de superficie y la movilidad del ión afectadomovilidad del ión afectado, ya que el centro del ión , ya que el centro del ión hidratado está más alejado de la superficie y el grado de hidratado está más alejado de la superficie y el grado de unión será menor.unión será menor.

Los elementos de la Los elementos de la fase líquida presentan una elevada fase líquida presentan una elevada movilidadmovilidad,, pudiendo ser transportados dentro del suelo pudiendo ser transportados dentro del suelo (translocados) o bien fuera de él (perdidos por lavado).(translocados) o bien fuera de él (perdidos por lavado).

Fenómenos de Adsorción

La adsorción: Es la asociación de materia (átomos, moléculas o iones), a las superficies de los sólidos (interfase sólido-líquido).

Entre los Mecanismos que dan lugar a la Entre los Mecanismos que dan lugar a la AdsorciónAdsorción pueden hallarse implicadas:pueden hallarse implicadas:

- - Las Fuerzas de Enlace Las Fuerzas de Enlace Entre MoléculasEntre Moléculas sin sin Carga: (fuerzas físicas) Carga: (fuerzas físicas) tales como:tales como: Fuerzas de Van der Waals.Fuerzas de Van der Waals. Fuerzas de enlace por puentes de hidrógeno.Fuerzas de enlace por puentes de hidrógeno.

- - Fuerzas de Enlace entre Átomos debidas a:Fuerzas de Enlace entre Átomos debidas a: Enlace iónico.Enlace iónico. Enlace covalente Enlace covalente..

Las Cargas de Superficie que presentan las Arcillas y el Humus pueden tener su origen en:

- Estructura Mineral (arcillas) :

Son debidas a. Sustituciones IsomórficasLa magnitud de la fuerza electrostática en la superficie del mineral dependerá de sí la sustitución isomórfica se halla en la Capa Tetraédrica ( Al+3 por Si+4) o en la Octaédrica y (Mg+2 por Al+3).

Roturas en los Bordes y en los Grupos Funcionales

Dependen de las condiciones de PH (cargas variables)

En Componentes Minerales:Se trata de cargas localizadas en los bordes del mineral, en los que se producen las roturas de los grupos OH (caolinitas y en óxidos, oxihidróxidos, alófana e imogolita).Los grupos OH pueden:

Disociarse en medios básicos (genera cargas negativas). Unirse a iones H+ en medio ácido (Genera cargas positivas).

En Componentes Orgánicos:En Componentes Orgánicos:

La Disociación y la Unión de H+ afecta La Disociación y la Unión de H+ afecta a los a los Grupos Funcionales hidroxilo (-Grupos Funcionales hidroxilo (-OH), carboxilo (-COOH), fenólico (-OH), carboxilo (-COOH), fenólico (-C6H4O) y amina (-NH2)C6H4O) y amina (-NH2) de los de los componentes orgánicos.componentes orgánicos.

Doble Capa Difusa ySolución ExternaLos cationes están sometidos,por un lado, a la atracción delcampo eléctrico creado porla superficie cargada, y por otro, tienden a difundir desdela superficie hacia laSolución al existir ungradiente de concentración.

Distribución de Iones en Sistemas Arcilla-Agua

La superficie de la partícula cargada (carga negativa) y los iones de signo contrario (carga positiva) constituyen la Doble Capa Eléctrica.

A una cierta distancia de la superficie se igualan las concentraciones de cationes aniones, lo que permite establecer dos zonas (la Doble Capa Difusa y la Solución Externa)

Modelos de Distribución: Descripción

Cualitativa

En una partícula de arcilla seca, los iones de signo

contrario estarán adsorbidos sobre la superficie del

cambiador en dos capas eléctricas y rígidas (Modelo de

Helmholtz). La concentración es mayor en la superficie y

decrece exponencialmente con la distancia.

Intercambio CatiónicoEn un Sistema de Intercambio cabe distinguir:AdsorbentesComponentes del suelo que pueden acumular materia en su superficie, con formación de complejos de superficie.

Cambiadores Componentes del suelo en cuyas superficies pueden acumular iones de forma reversible, al tener lugar reacciones que dan lugar a complejos de superficie de esfera externa. Ejemplos ( minerales de arcilla y MO).

Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)

Propiedad de un Cambiador:Adsorber cationes de la fase líquida, desabsorbiendo al mismo tiempo cantidades equivalentes de otros cationes.

Sede de Intercambio

La sede de intercambio va siendo sucesivamenteOcupada por distintos iones, con mayor o menorprobabilidad), según la concentración de cada uno deellos en la solución externa y su valencia.

La La Propiedad del Suelo (intercambiar ionesPropiedad del Suelo (intercambiar iones)) en la en la interfase interfase sólido – líquidsólido – líquidoo, y en concreto el , y en concreto el tipo y clase tipo y clase de de intercambio,intercambio, tiene grandes repercusiones en el comportamiento tiene grandes repercusiones en el comportamiento del suelo:del suelo:

-Controla la -Controla la Disponibilidad de NutrientesDisponibilidad de Nutrientes ( ( K K++, Ca, Ca2+, 2+, MgMg2+, 2+, entre entre otros).otros).

-Interviene en los-Interviene en los Procesos de Floculación- Dispersión de Procesos de Floculación- Dispersión de las arcillas las arcillas (Desarrollo de Estructura y Estabilidad de los (Desarrollo de Estructura y Estabilidad de los Agregados)Agregados)..

-Determina el -Determina el Papel del Suelo Depurador Natural Papel del Suelo Depurador Natural ( Retención ( Retención de Elementos Contaminantes).de Elementos Contaminantes).

La Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC), de un suelo o de alguno de sus componentes, expresa:

El Número de Moles de Iones Carga Positiva Adsorbidos, que pueden ser Intercambiados que pueden ser Intercambiados por Unidad de Masa Sepor Unidad de Masa Seca, en condiciones dadas de: temperatura, presión, composición de la fase líquida y una relación de masa-solución dada.

Un mol de carga positiva equivale a 6.02x1023 cargas de cationes adsorbidos.

La CIC se expresa en centimoles de carga

positiva por Kilogramo cmol (+) kg-1 o

meq/100 g).

La CIC depende de la densidad de carga

superficial (o) y de su superficie

específica (S).

Los Cationes Intercambiables (TBI)

proceden :

-De la meteorización del material

originario

-De la mineralización de la MO, y

-De aportes externos superficiales y

subterráneos.

Los cationes intercambiables más

frecuentes en clima templado son Ca, Mg,

K, Na, donde la presencia y predominio

De unos u otros dependerá de las

Condiciones del medio y de las

interacciones en la

Suelos Calizos de Regiones Semiáridas

y Áridas

Ca2+ > Mg2+ > Na+ > K+

El Porcentaje de Saturación con Bases

(V) viene dado por la expresión:

CIC

Ca2+ +Mg2+ + Na+ + K+

V= * 100

Suelos Sódicos y Endopediones Nátricos

El Porcentaje de Sodio Intercambiable

(PSI o ESP ) viene dado por la expresión:

PSI = Na /CIC *100PSI = Na /CIC *100

Suelos Minerales Fuertemente Ácidos (PH<5.5)

El catión intercambiable más importante es el Al, Mn , Fe,H

Suelos Orgánicos Ácidos.

En este caso tienen importancia los iones H+ como catiónintercambiable.

La composición del complejo de intercambio se debe a la selectividad en la adsorción de los distintos cationes (series litróficas o de Hofmeister), No existe una secuencia de adsorción que tenga validez generalaunque, a modo de ejemplo, cabe citar:

Al 3+ >> Ca2+ > Mg2+ >> Na+ > K+ > H+ > Li+.

El distinto comportamiento de los cationes en la doble capa se puede explicar atendiendo a su carga y al proceso de deshidratación de los iones en la superficie del cambiador.

Las Reacciones de Intercambio Catiónico presentan las Las Reacciones de Intercambio Catiónico presentan las siguientes propiedades:siguientes propiedades:

-Son -Son reversibles, en casi todos los casosreversibles, en casi todos los casos. . Los cationes Los cationes polivalentes pueden ser, más difíciles de intercambiar alpolivalentes pueden ser, más difíciles de intercambiar alformar enlaces covalentes fuertesformar enlaces covalentes fuertes..

-Son -Son estequiométricasestequiométricas: : las cantidades intercambiadas las cantidades intercambiadas son químicamente equivalentesson químicamente equivalentes..

--Son Son rápidasrápidas; en laboratorio son instantáneas. En ; en laboratorio son instantáneas. En campo pueden verse frenadas por la tasa de difusión del campo pueden verse frenadas por la tasa de difusión del ión hacia la superficie del cambiador.ión hacia la superficie del cambiador.

-Cumplen -Cumplen la ley de acción de masasla ley de acción de masas: La dirección de la : La dirección de la Reacción depende de las Concentraciones Relativas.Reacción depende de las Concentraciones Relativas.

Intercambio AniónicoIntercambio Aniónico

Los suelos desarrollados a partir de Los suelos desarrollados a partir de materiales materiales volcánicos (Andisoles) o los suelos ácidos de volcánicos (Andisoles) o los suelos ácidos de zonas tropicales zonas tropicales y, en general, aquellos que tienen y, en general, aquellos que tienen cargas variables pueden presentar cargas variables pueden presentar capacidad para capacidad para adsorber aniones (CIA)adsorber aniones (CIA). .

Esta es mayor en suelos con Esta es mayor en suelos con cantidades importantes cantidades importantes de óxidos de aluminio, de hierro y constituyentes de óxidos de aluminio, de hierro y constituyentes tales como la alófana y caolinita en condiciones de tales como la alófana y caolinita en condiciones de acidez.acidez.

Al Al aumentar la CIC disminuye la CIA aumentar la CIC disminuye la CIA ( suelos ( suelos jóvenes y suelos muy meteorizados): jóvenes y suelos muy meteorizados):

suelos jóvenes suelos muy meteorizados

La Adsorción de Aniones puede afectar a la nutrición de las plantas al no estar a disposición de éstas tales como fosfatos, sulfatos y otros.

La secuencia de adsorción aniónica generalmente admitida es:

NO3- = Cl- < SO4

2- < MoO42- < HPO4

2-

- <H2PO4- < H2PO4

- <SiO4 < Na2SO4

- <(NH4)2SO4 < K2SO4 < CaSO4

La Adsorción Aniónica viene controlada

por una serie de factores:

-Intercambio Iónico

-Enlaces Hidrofóbicos.

-Puentes de Hidrógeno.

-Transferencia de Carga.

-Fuerzas de Van der Waals

-Intercambio de Ligando.

Las características de los suelos en general,

y de los epipediones en particular,

condicionan los procesos de adsorción y

transporte, por lo que los efectos

medioambientales de un agroquímico o de

un tóxico deben ser referidos a un suelo

determinado.

REACCIÓN DEL SUELO

El uso de la expresión “Reacción del

Suelo” se halla muy extendido frente al de

“pH del suelo”, debido a que se quiere

indicar que se trata de un sistema que es

la suma de diversos sistemas químicos

que interaccionan.

La forma más usual de diagnosticar las condiciones de acidez o de basicidad de un suelo, por su rapidez y facilidad, es la medida delpH en una suspensión suelo-agua, se tiene:

En sistemas naturales el intervalo de pH se extiende de: 3.0 (suelos de sulfatos ácidos) < pH < 12.0 (suelos alcalinos).

La concentración de protones en la solución del suelo proporciona un diagnóstico rápido de los efectos perjudiciales potenciales de la acidez,

Acidez del SueloDe acuerdo con la Teoría de Brönsted:

Ácido: Es toda especie química capaz de

ceder protones

Base: Se caracteriza por poder aceptar

protones.

Los principales efectos esperables para losdistintos intervalos establecidos por el USDA (1971) son los siguientes:

pH Evaluación Efectos Esperables en el Intervalo

< 4.5 Extremadamente ácido Condiciones muy Desfavorables

4.5 – 5.0 Muy fuertemente ácido Posible toxicidad por Al3+ y

5.1 – 5.5 Fuertemente ácido Exceso: Co, Cu, Fe, Mn, Zn

Deficiencia: Ca, K, N, Mg, Mo, P, S. Actividad bacteriana escasa.

5.6 – 6.0 Medianamente ácido Intervalo adecuado para la mayoría de los cultivos.

6.1 – 6.5 Ligeramente ácido Máxima disponibilidad de nutrientes

6.6 – 7.3 Neutro Mínimos efectos tóxicos Por debajo de pH = 7,0 no hay

carbonato cálcico en el suelo

7.4 – 7.8 Medianamente básico Suelos generalmente con CaCO3

7.9 – 8.4 Básico Disminuye la disponibilidad de P y B Deficiencia creciente de: Co, Cu, Fe, Mn, Zn . Clorosis férrica

8.5 – 9.0 Ligeramente alc En suelos con carbonatos, estos pH altos pueden deberse al MgCO3, si no hay sodio intercambiable. Mayores

problemas de clorosis férrica.

9.1 – 10.0 Alcalino Presencia de carbonato sódico.

10.0 Fuertemente alc. Elevado porcentaje de sodio intercambiable (ESP>s5%)

Toxicidad: Na, B. Movilidad del P como Na3PO4 Actividad microbiana escasa Micronutrientes poco

disponibles, excepto Mo.

Los suelos con carbonato Ca, característico de zonassemiáridas y áridas, tienen pH del orden de 7,5 a 8,5.

Los términos sódico y alcalino deben restringirse para aquellos suelos de pH superiores a 8,5.

Los que presentan pH de 9,0 a 12,0 contienen carbonato sódico y sus condiciones tanto físicas como químicas son muy desfavorables.

La Acidez y la Basicidad del suelo afectan a sus diversas propiedades, a su comportamiento y al crecimiento de las plantas:

Propiedades Físicas Afectadas

-Dispersión-floculación de los coloides:

- Iluviación

-Estructura

-Porosidad y aireación

-Conductividad hidráulica

-Régimen de humedad y de temperatura

Propiedades Químicas Afectadas

-Meteorización química

-Movilidad de elementos tóxicos.

-Disponibilidad de nutrientes

-Descomposición de la materia orgánica

-Adsorción de aniones: fosfatos, sulfatos, cloruros

-Procesos de hidromorfismo

-Neoformación de minerales de arcilla

Propiedades Biológicas Afectadas

-Relaciones bacterias-hongos

-Población bacteriana

-Humificación

-Fijación de nitrógeno

-Movilidad y absorción de nutrientes.

El Uso del Suelo, la Elección de Cultivos a implantar, como las Prácticas de Manejo vienen condicionadas por la Reacción de los distintos horizontes de cada suelo.

El estudio de las comunidades vegetales pone de manifiesto la existencia de condiciones especiales de pH:

-Acidófilas o calcífugas, adaptadas a suelos ácidos.

-Calcícolas que son aquellas que requieren cantidades importantes de calcio para su crecimiento, por ejemplo las leguminosas.

-Ubicuistas, que se adaptan a condiciones amplias de pH

• La Movilidad de los Elementos en el Suelo en Función del Ph ( S. 0rgánicos y Minerales)

Suelos minerales Suelos orgánicos

La Reacción del Suelo, al determinar la

movilidad de los distintos elementos,

tiene incidencia sobre la disponibilidad de

nutrientes, y sobre el riesgo de toxicidad

tanto por elementos naturales, como por los

añadidos por vertidos contaminantes.

Se Distingue Distintos Tipos de Acidez

Acidez Activa o Actual:

Protones libres en equilibrio en el agua del

suelo:

-Resultan de la disociación.

-Se mide el pH al agua (1:2,5)

Acidez Potencial o de Cambio

-Protones de las Sedes de Intercambio.

-Resulta de la Hidrólisis de Formas de Aluminio fácilmente intercambiables, con iones K+. Se trata casi enteramente de aluminio, manganeso que ocupan sedes de intercambio.

Al X3 + 3K+ 3KX + Al3+

Al3+ + 6H2O [Al (H2O6)]3+

[Al (H2O6)] 3+ + H2O [Al(OH)( H2O5)]3+ + H3O+

Acidificación del Suelo

La Acidificación Progresiva de los suelos de zonas húmedas está controlada por diversos factores:

-Lluvias (lavado) -Litología de los Materiales Originarios (rocas pobres en bases, sedimentos con sulfuros, escombreras con Sulfuros,etc-Componentes del suelo (silicatos, óxidos de Al y Fe, ácidos solubles, sulfatos ).-Posición Topográfica (por la entrada de aguas con protones o por la salida con pérdida de bases) , problemas de drenaje .-Vegetación (extracción de bases, ciclo biogeoquímico, naturaleza de la materia orgánica incorporada).

Acidez Total = Acidez Activa + Acidez de Cambio

Poder de Amortiguación de los Suelos

Propiedad del suelo a resistirse a los cambios bruscos de pH se denomina poder de amortiguación, tampon o buffer del suelo

CONDUCTIVIDAD ELECTRICAFacilidad que ofrece el suelo al paso de la corriente eléctrica. Unidades: m mohs/cm, d S /m).La CE, es proporcional a la concentración de sales en solución

POTENCIAL REDOX

  El potencial oxido-reducción es momentáneo

  Depende de la humedad del suelo

  Contenido de aireación.

  Se mide en mili voltios, con una pila de concentración parecida a un pHmetro

POTENCIAL REDOX