Aula 9

Química dos Solos - Química dos Solos - Parte IParte I

Solos e sedimentos-Definição e composição químicaDefinição e composição química-Uso como indicador de poluiçãoUso como indicador de poluição-Propriedades físico-químicas e a fertilidade do soloPropriedades físico-químicas e a fertilidade do solo

Prof. Rafael Arromba de Sousa

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Instituto de Ciências ExatasDepartamento de Química

Juiz de Fora, 2013

QUI106 - Química Analítica Ambiental

1

A Listosfera e o SoloA Listosfera e o Solo

2

O O solosolo é um dos componentes da é um dos componentes da LITOSFERALITOSFERA, a qual constitui um dos , a qual constitui um dos três ambientes físicos do planeta, três ambientes físicos do planeta, também chamado de crosta terrestre também chamado de crosta terrestre

Solo Solo e Rochas Rochas (ígneas, sedimentares ou metamórficas)

DefiniçãoDefinição::Resultado das interações da litosfera, hidrosfera e atmosfera

OrigemOrigem:Data de milhares de anos intemperismo causado pelas chuvas ácidas e variações de temperatura sobre as rochas superficiais (erupções vulcânicas)

1) Fotos dos tipos de rochas que podem ser encontrados na litosfera

1.1) Exemplos de rochas ígneas (magmáticas)

Imagem da rocha magmática Imagem da rocha magmática basaltobasalto

Imagem da rocha magmática Imagem da rocha magmática granitogranito

A Listosfera e o Solo - A Listosfera e o Solo - As rochas

Formadas pela consolidação do magmaFormadas pela consolidação do magma

1) Fotos dos tipos de rochas que podem ser encontrados na litosfera

1.2) Rochas sedimentares

Imagem de rocha magmática Imagem de rocha magmática sedimentarsedimentar

A Listosfera e o Solo - A Listosfera e o Solo - As rochas

Formadas pela sedimentação de diferentes materiais ao longo dos anos

1) Imagens dos tipos de rochas que podem ser encontrados na litosfera

1.3) Ex de rochas metamórfica

Imagem de uma rocha de Imagem de uma rocha de xistoxisto, rocha magmática , rocha magmática metamórficametamórfica

Esta rocha, ao contrário das anteriores (que podem ter usos gerais, como na construção civil), alguns tipos de xisto são usados para produzir energia

A Listosfera e o Solo - A Listosfera e o Solo - As rochas

Formadas a partir de rochas magmáticas e sedimentares

Composição Química do SoloComposição Química do Solo

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Ponto de vista MACROSCÓPICOPonto de vista MACROSCÓPICO

Solo é composto por Solo é composto por 3 fases 3 fases cujas proporções podem variarcujas proporções podem variar

- - sólidasólida ( (mineraisminerais e e matéria orgânicamatéria orgânica))

- - líquidalíquida (água) (água) constitui a chamada “solução do solo” (água + substâncias dissolvidas) constitui a chamada “solução do solo” (água + substâncias dissolvidas)

- - gasosagasosa (gases como O (gases como O22 e N e N22))

Solo para plantio Solo para plantio 50% (sólida) : 25% (líquida) : 25% (gás) 50% (sólida) : 25% (líquida) : 25% (gás)

Porção mineral (fase sólida) Porção mineral (fase sólida) ARGILAARGILA

-- Mineral originado de silicatos (substituição de íons): categoria de aluminosilicatos Mineral originado de silicatos (substituição de íons): categoria de aluminosilicatos -- Partículas com diâmetros < 2 µm Partículas com diâmetros < 2 µm -- Constituem uma reserva de nutrientes minerais para as plantas Constituem uma reserva de nutrientes minerais para as plantas

Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fase sólida

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Para lembrar...Para lembrar...

SilicatosSilicatos são partículas formadas por estruturas poliméricas de são partículas formadas por estruturas poliméricas de SiOSiO444-4-

Difícil solubilização (“Difícil solubilização (“problemaproblema” para a ” para a análise químicaanálise química): (SiO): (SiO22))nn

Podem estar organizados de diversas formas(ver página 553 em Baird C, Química Ambiental, 2ª Ed)

Abertura TOTAL Abertura TOTAL de amostra: de amostra:

SiOSiO22 (s)(s) + O + O2-2- SiO SiO332-2-

(fusão(fusão alcalina)alcalina)

∆

É a transformação química de uma amostra sólida em uma outra formaÉ a transformação química de uma amostra sólida em uma outra formasólida, a qual é facilmente solúvel em água ou ácidos diluídossólida, a qual é facilmente solúvel em água ou ácidos diluídos

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Quando for necessário realizar uma “Quando for necessário realizar uma “determinação totaldeterminação total” ” dos dos constituintes inorgânicosconstituintes inorgânicos de uma amostra de solo: de uma amostra de solo:

Procedimentos de Procedimentos de aberturaabertura de amostra (via seco) de amostra (via seco)

Procedimento de Procedimento de digestão (digestão (via úmida)via úmida)

SiOSiO22 + 6 + 6 HFHF → H → H22SiFSiF66 + 2 H + 2 H22OO

Uso deUso deHFHF

Utilizar EPIsUtilizar EPIsapropriadosapropriados

Não utilizar Não utilizar materiais de materiais de

vidrovidro

Neutralizar oNeutralizar oexcesso de ácidoexcesso de ácido

Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fase sólida

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HÚMUSHÚMUS

Material orgânico que dá ao solo sua cor escura (“castanho-amarronzada”)Material orgânico que dá ao solo sua cor escura (“castanho-amarronzada”)

Constituído por vegetais e animais parcialmente decompostosConstituído por vegetais e animais parcialmente decompostos

Composição Química do Solo Composição Química do Solo – – Fase sólidaA Matéria OrgânicaA Matéria Orgânica

Imagem de uma porção de Imagem de uma porção de húmus, retirada do solohúmus, retirada do solo

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É formado naturalmente (espontaneamente) por bactérias e fungos do soloÉ formado naturalmente (espontaneamente) por bactérias e fungos do solo(organismos decompositores)(organismos decompositores)

ProcessoProcesso

-Depende também de outros fatores: Depende também de outros fatores: umidadeumidade e e temperaturatemperatura-Pode ser induzido pelo homemPode ser induzido pelo homem

Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fase sólidaO HúmusO Húmus

-- Torna-se enriquecido com nitrogênio em relação ao material original Torna-se enriquecido com nitrogênio em relação ao material original (perda de CO2)

- - Apresenta várias substâncias, como Apresenta várias substâncias, como proteínasproteínas e e ligninalignina

- - Os compostos com grupos ácidos ( Os compostos com grupos ácidos ( -COOH) ) ác. húmicoác. húmico e e fúlvicofúlvico

Importantes para “estabilizar” espécies metálicas, solúveis em meio alcalino

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Solos BEM AREJADOS garantem bom desenvolvimento radicularSolos BEM AREJADOS garantem bom desenvolvimento radicular

- - Solos cinzentos indicam baixa aeraçãoSolos cinzentos indicam baixa aeração

- - amônio (NHamônio (NH44++))

O NO N22 é o MAIS IMPORTANTE - uréia é o MAIS IMPORTANTE - uréia - - nitrato (NOnitrato (NO33

--))

Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fase Gasosa

Apresenta os mesmos constituintes do ar mas com algumas diferenças nas suas Apresenta os mesmos constituintes do ar mas com algumas diferenças nas suas proporçõesproporções

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Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fase GasosaPresença das formas acessíveis de nitrogênioPresença das formas acessíveis de nitrogênio

Fertilidade do soloFertilidade do solo

Transformação do nitrogênio orgânico nas formas acessíveis: Transformação do nitrogênio orgânico nas formas acessíveis: Fixação de nitrogênioFixação de nitrogênio

- Natural - Natural - Uma das etapas envolve ação bacteriana- Uma das etapas envolve ação bacteriana- Pode ser favorecido com o uso de certos- Pode ser favorecido com o uso de certos cultivares cultivares

Reações:Reações:

Bactérias Rhizobium

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Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fase GasosaLembrando...Lembrando...

A fixação de nitrogênio influencia o equilíbrio entre os ciclos A fixação de nitrogênio influencia o equilíbrio entre os ciclos biogeoquímicos biogeoquímicos

O NO N22 fixado pode retornar à atmosfera: fixado pode retornar à atmosfera: desnitrificaçãodesnitrificação

Reação:Reação:

A atmosfera recebe continuamente NA atmosfera recebe continuamente N22 tanto da hidrosfera quanto da litosfera, tanto da hidrosfera quanto da litosfera, proveniente da decomposição da matéria orgânicaproveniente da decomposição da matéria orgânica

O uso de fertilizantes aumenta o aporte de NO uso de fertilizantes aumenta o aporte de N22 do solos para a atmosfera do solos para a atmosfera

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Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fixação de substâncias

Outras substâncias Outras substâncias podem ser fixadas no podem ser fixadas no solosolo e também em e também em sedimentosedimentos, s, dependendo das suas característicasdependendo das suas características

Fixação de metais “pesados” Fixação de metais “pesados” em em solossolos e em e em sedimentossedimentos

SEDIMENTOS:Agregados de partículas minerais e de Agregados de partículas minerais e de partículas orgânicas, que se encontram em partículas orgânicas, que se encontram em contato com a parte inferior de corpos de águacontato com a parte inferior de corpos de água

Camada superficial do solo

teoricamenteteoricamente acessível a raízesacessível a raízes

Frações com as quais entram em contato

teoricamenteteoricamente acessível a acessível a organismos aquáticosorganismos aquáticos

ACÚMULOACÚMULO

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Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fixação de substâncias

Outras substâncias podem ser fixadas no Outras substâncias podem ser fixadas no solosolo e também em e também em sedimentossedimentos, , dependendo das suas característicasdependendo das suas características

Meios de fixação Meios de fixação de metais “pesados” de metais “pesados”

em em solossolos e em e em sedimentossedimentos

Adsorção sobre partículas minerais

Complexação pelos ác. húmicos

Reações de precipitação(forma de sulfetossulfetos)

Adsorções (superfície interna dos poros no caso dos poluentes orgânicospoluentes orgânicos)

Reações de precipitação(forma de sulfetossulfetos)

Dependem do pH da solução do soloDependem do pH da solução do solo

A correção do pH A correção do pH (utilizando cal, p. ex) tende a (utilizando cal, p. ex) tende a diminuir a disponibilidade de diminuir a disponibilidade de

espécies como Cdespécies como Cd2+2+

Dependem do pH da águaDependem do pH da água

SE não houver interferência SE não houver interferência de microorganismos, espécies de microorganismos, espécies

como HgS permanecem como HgS permanecem imobilizados imobilizados

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Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fixação de substâncias

Metais “pesados”, PAHs e Pesticidas em SOLOS e SEDIMENTOSMetais “pesados”, PAHs e Pesticidas em SOLOS e SEDIMENTOS

INDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTALINDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTAL

Sedimentos: avaliação temporal (profundidade)Sedimentos: avaliação temporal (profundidade)

MASMAS a toxicidadea toxicidade: depende da : depende da forma químicaforma química

Métodos especiação (solos e sedimentos)Métodos especiação (solos e sedimentos)

Técnicas de amostragem (solos)Técnicas de amostragem (solos)““LANÇAR MÃO”LANÇAR MÃO”

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Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fixação de substâncias

Metais “pesados”, PAHs e Pesticidas em SOLOS e SEDIMENTOSMetais “pesados”, PAHs e Pesticidas em SOLOS e SEDIMENTOS

INDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTALINDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTAL

Exemplo-

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Composição Química do Solo – Composição Química do Solo – Fixação de substâncias

INDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTALINDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTAL

Exemplo-

ALGUNS ASPECTOSALGUNS ASPECTOS

-Estudou o desempenho da extração sobre pressãoEstudou o desempenho da extração sobre pressão

-Empregou material de referência certificadoEmpregou material de referência certificado

-A extração com Soxhlet foi usada como referência para avaliar os resultadosA extração com Soxhlet foi usada como referência para avaliar os resultados

-Realizou as análises por GC-MSRealizou as análises por GC-MS

O aumento da T melhora a eficiência da extração para a maioria dos analitosO aumento da T melhora a eficiência da extração para a maioria dos analitos

À 200 À 200 ooC houve degradação parcial de alguns dibenzofuranos cloradosC houve degradação parcial de alguns dibenzofuranos clorados

O desempenho do método pode variar se aplicado a amostras de soloO desempenho do método pode variar se aplicado a amostras de solo

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Composição Química do Solo Composição Química do Solo – – Fase Líquida

Solução de Solução de eletrólitoseletrólitos e e substâncias orgânicas solúveissubstâncias orgânicas solúveis que envolve a que envolve a fase sólidafase sólida e que está em equilíbrio com a mesmae que está em equilíbrio com a mesma

PRINCIPAIS ELETRÓLITOS:H+, Na+, K+, NH4

+, Ca2+, Mg2+, Al3+, SO42-, NO3

-, PO43-, CO3

2-, ...Define o pH do soloDissociação de ác. fracosTroca iônica na superfície dos minerais

A A água do soloágua do solo contém os contém os nutrientes necessários para o desenvolvimento das para o desenvolvimento das plantasplantas

Nutrientes que Nutrientes que provém do solo provém do solo e se dissolvem na águae se dissolvem na água

Importância da umidade no soloImportância da umidade no solo

Solos argilosos concentram mais água do que solos arenosos

Composição Química do Solo - Composição Química do Solo - Propriedades Físico-químicas

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Estão relacionadas à sua Estão relacionadas à sua fração argila fração argila Define o tamanho das partículas Define o tamanho das partículas

ARGILAPartículas de aluminossilicatos com Partículas de aluminossilicatos com ϕϕ < 0,002 mm < 0,002 mm

Origina os microporos e retém Origina os microporos e retém bastantebastante água água

Demais frações minerais do solo:Demais frações minerais do solo:

SILTEPartículas de quartzo (maioria) com Partículas de quartzo (maioria) com ϕϕ entre 0,002 – 0,05 mm entre 0,002 – 0,05 mm

Origina poucos poros, “adensa” o solo e retém Origina poucos poros, “adensa” o solo e retém poucapouca água água

AREIAPartículas de quartzo com Partículas de quartzo com ϕϕ entre 0,05 – 2 mm entre 0,05 – 2 mm

Origina os macroporos, facilita a aeração e retém Origina os macroporos, facilita a aeração e retém pouca pouca águaágua

Solos com pouca água Solos com pouca água menos nutrientes disponíveis ... menos nutrientes disponíveis ...

Composição Química do Solo - Composição Química do Solo - Propriedades Físico-químicas

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Dependendo da proporção dessas frações Dependendo da proporção dessas frações

Solos com diferentes características químicasSolos com diferentes características químicasTipo de aproveitamento para a agricultura depende dos seguintes parâmetrosTipo de aproveitamento para a agricultura depende dos seguintes parâmetros

ACIDEZ:ACIDEZ: dada pela presença de íons H dada pela presença de íons H++

Determinada por potenciometria (pH) ou por titulaçãoAnálise é feita em diferentes meios (água, solução de KCl e solução de CaClAnálise é feita em diferentes meios (água, solução de KCl e solução de CaCl22))

MATÉRIA ORGÂNICA:MATÉRIA ORGÂNICA: dada teor de substâncias orgânicas dada teor de substâncias orgânicasDeterminada por técnicas instrumentais ou calcinação

ALUMÍNIO SOLÚVEL:ALUMÍNIO SOLÚVEL: concentração de íons Al concentração de íons Al3+3+ que ocorrem em solos ácidos que ocorrem em solos ácidosDeterminado por técnicas espectrométricas de análise, como a de absorção atômica

MACRONUTRIENTES – K, Ca, Mg e P:MACRONUTRIENTES – K, Ca, Mg e P: concentração das espécies K concentração das espécies K++, Ca, Ca2+2+, Mg, Mg2+2+ e PO e PO443-3-

Determinados por técnicas espectrométricas de análise (PO43- é medido como P)

Composição Química do Solo - Composição Química do Solo - Propriedades Físico-químicas

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Expressão dos resultados analíticosExpressão dos resultados analíticos

Os resultados analíticos podem ser expressos de diversas formasOs resultados analíticos podem ser expressos de diversas formas Algumas delas “combinam” resultados de análises diferentesAlgumas delas “combinam” resultados de análises diferentes

Exemplos:Exemplos:

-- SOMA DAS BAES ( SOMA DAS BAES (SS):): dada pela soma dos elementos alcalinos dada pela soma dos elementos alcalinos

- - CAPACIDADE DE TROCA CATIÔNICA (CAPACIDADE DE TROCA CATIÔNICA (CTCCTC):): expressa a capacidade de trocar cátions expressa a capacidade de trocar cátionsCalculada pelo somatório da quantidade de analitos “positivos” em relação à massa de amostra seca

- - SATURAÇÃO DAS BASES (SATURAÇÃO DAS BASES (VV):): expressa a relação entre a quantidade de elementos expressa a relação entre a quantidade de elementos alcalinos e os demais com carga positivaalcalinos e os demais com carga positivaCalculada como VV= ( = ( SS x 100/ x 100/ CTCCTC))

- - SATURAÇÃO POR ALUMÍNIO (SATURAÇÃO POR ALUMÍNIO (mm):): expressa a relação entre a quantidade de Al expressa a relação entre a quantidade de Al3+3+ em em relação ao somatório de bases e o teor de alumíniorelação ao somatório de bases e o teor de alumínioCalculada como mm= ( [Al] x 100 / ( = ( [Al] x 100 / ( SS + [Al]) ) + [Al]) )

Composição Química do SoloComposição Química do SoloFertilidade e sua Utilização

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O conceito está ligado a disponibilidade de nutrientes para o desenvolvimento das plantas

Necessários: MACRO NUTRIENTES e MICRO NUTRIENTESNecessários: MACRO NUTRIENTES e MICRO NUTRIENTES

Em Em solos produtíveissolos produtíveis, nos quais os Ciclos biogeoquímicos não são suficientes para manter , nos quais os Ciclos biogeoquímicos não são suficientes para manter o solo sempre fértil, o solo sempre fértil, os elementos essenciais aos vegetais não são inesgotáveisos elementos essenciais aos vegetais não são inesgotáveis

Quando há deficiência de minerais é possível realizar intervenções para garantir a produtividade:

CALAGEM Adição de calcário para elevar o pH Adição de calcário para elevar o pH -- Diminui a toxicidade de AlAl3+3+ e MnMn2+2+ e aumenta os teores de Ca2+ e Mg2+

ADUBAÇÃO Adição de substâncias químicas, as quais variam com o contextoAdição de substâncias químicas, as quais variam com o contexto- - Tipos: correção (antes plantio), de crescimento (início desenvolvimento) e,

manutenção (durante)- - Podem ser compostos Podem ser compostos principalmenteprincipalmente por fontes de: por fontes de:

fósforo, , potássio, , cálcio, , magnésio, , boro e e nitrogênio (material orgânico) (material orgânico)ExEx: tipo NPK (fonte de nitrogênio, fósforo e potássio): tipo NPK (fonte de nitrogênio, fósforo e potássio)

Composição Química do Solo - Composição Química do Solo - Classificação e Nomenclatura

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BRASIL: Baseada nos aspectos genético-natural (fatores de formação do solo)

Descrito pelo “Sistema Brasileiro de Classificação de Solos”Descrito pelo “Sistema Brasileiro de Classificação de Solos”(EMBRAPA)(EMBRAPA)

Existem, em outros países, outras formas de classificação(Não existe uma classificação universal)(Não existe uma classificação universal)

Característica geral do sistema brasileiroCaracterística geral do sistema brasileiro: :

fornece também informações relativas a sua utilizaçãofornece também informações relativas a sua utilização Obedece a seguinte ordenação:Obedece a seguinte ordenação:1-1- Ordem – Ordem – 2-2- Subordem – Subordem – 3-3- Grande grupo – Grande grupo – 4-4- Subgrupo – Subgrupo – 5-5- Família – Família – 6-6- Série – Série – 7-7- Fases Fases

ExEx: : LatossoloLatossolo Vermelho Eutroférrico típico A moderado textura média fase floresta tropical Vermelho Eutroférrico típico A moderado textura média fase floresta tropical subcaducifólia relevo suave onduladosubcaducifólia relevo suave ondulado

Outras “ordens”Outras “ordens”: argilosos, podzólicos, gleissolos, neossolos, neossolos regolíticos: argilosos, podzólicos, gleissolos, neossolos, neossolos regolíticos

ReferênciasReferências

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Baird, C; Química Ambiental, 2ª Ed, Bookman: São Paulo, 1999Baird, C; Química Ambiental, 2ª Ed, Bookman: São Paulo, 1999

Nascentes, C. C.; Costa, L. M.; Química Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais, 2011Nascentes, C. C.; Costa, L. M.; Química Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais, 2011

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