PROPIEDADES FISICOQUIMICAS

“Como la fotosíntesis y la respiración, probablemente ningún proceso en la Naturaleza es tan vital para la vida vegetal y animal como el intercambio de iones, entre las partículas de suelo y las raíces de las plantas.” Brady

1 1

Actividad fisicoquímica de los suelos depende de: ) Tipo

y superficie específica de las partículas

) Desarrollo

de cargas eléctricas

N° de partículas g-1

Superficie específica (cm2 g-1)

a mf

A (coloides)

2 2

Coloides del suelo ) Tamaño. ) Se

clasifican en: • Inorgánicos: • Orgánicos:

) un

coloide hidratado = micela

Tipos de carga desarrollada La carga neta o total del suelo es la suma algebraica de sus cargas positivas y negativas

) Carga

permanente

) Carga

variable

3 3

Sustitución isomórfica Octaedro Al+++

Mg++

Al+3

Tetraedro

Sustitución isomórfica

Al+++

por

Si++++

en tetraedros

Mg++, Fe++

por

Al+++

en octaedros

4 4

Bordes quebrados

Coloide orgánico (ionización de grupos)

Hidroxilo: [-OH] Carboxilo: [-COOH] Fenoles: [-C6H4OH] Aminas: [- NH2] Metaoxilo: [-OCH3]

5 5

pH

carga variable (dependiente (dependiente del pH) Carga permanente (SI)

0

+ pH del suelo

6 6

Características de carga Carga negativa Coloide

Carga positiva

Total Constante Variable (cmolc/kg) (%)

(%)

(cmolc/kg)

Orgánico

200

10

90

0

Esmectita

100

95

5

0

Caolinita

8

5

95

2

Gibsita

4

0

100

5

Carga dependiente del pH pH = 5,2

H um us

OCO O H OH CO O OH CO O H OCO O H

pH = 6,8

H um us

OCO O OCO O OCO O OCO O -

7 7

Carga de un suelo volcánico

Carga superficial

Carga negativa Carga neta Punto de carga cero

Carga positiva

pH del suelo

ADSORCION ≠ ABSORCION ≠ FIJACION

8 8

Hidratación de coloide Capa de agua adsorbida

+ +

Partícula de arcilla

+ +

+

+

Catión Molécula de agua

Iones comunes en los suelos

9 9

Material parental/Elementos (fondo geoquímico) Roca

Igneas

Elemento

Ultramáfica

Máfica

B, ppm Si, % As, ppm Se, PPM F, ppm Br, ppm I, ppm

1-5 19.0-20.5 15-1.0 0.02-0.05 50-100 0,2-1.0 0.01-0.50

50-20 23-24 0-6-2,0 0.01-0.05 300-500 0.5-3.0 0.08-0.50

Li, ppm Rb, ppm Sr, ppm Ti, % V, ppm Mo, ppm Mn, ppm Fe, % Co ppm Ni, ppm Cu, ppm Zn, ppm Al %

Intermedia

Sedimentarias Acida

Acida Sedimentos (volcánica) arcilloso

9-25 10-30 15-25 26.0-29.1 31.4 -34.2 30.8-33.6 1.0-2.5 1-0-16 1.5-2.5 0.02-0.05 101-0.05 0.02-0.05 500-1200 520-850 300-700 1-4 0-3-46 0.2-1.0 03-0,5 0.2-0.5 ( 0.1_0.,5)

0.5-9 6-20 20-80 25-40 15-45 0.1-2 20-45 100 150 100-200 2-20 140-460 300-600 60-300 90-400 0.03-0.30 O~90-1.38 0,35-0.80 0.12-0.34 0.27 40-100 200-250 30-100 40-90 70 0.2-0.3 1.0-1.5 0.6-1.0 1.0-2.0 2.0 850-1500 1200-2000 500-1200 350-600 600-1200 9.4-10.0 5.6-8-7 33-5.9 1.4-2.7 2.6 100-200 35-50 1-10 1-7 15 1400-2000 130-160 5-55 5-15 20 10-40 60-120 15-80 10-30 5-20 40-60 80-120 40-100 40-60 40-100 0.45-2.0 7~8-8.8 8.8 7.2-8.2 6.9-8.1

120 24-5-27-5 13 0,4--0.6 500-800 5-10 1.0-2.2

60 120-200 300-450 0-38-0.46 80-130 2.0-2.6 400-800 3.34.7 14-20 40-90 40-60 80-120 7.2-10.0

Esquistos

Areniscas

130 24.0-27.5 5-13 0.6 500.800 6-10 2-6

30 20-30 31.15-36.8 2.4-4.0 1-0-1.2 1.0-14 0.05-0.08 0.03-0.10 50-270 50-350 1-5 6 05-1.5 1 0.5_3.0

50-75 140-160 300 0,44-146 100-130 03-2.6 500-850 43-4-8 11-20 50-70 40 80-120 7.8-8.6

10-40 45 20-140 0.15-0.35 10-60 0.2-0.8 100-500 1.0-3.0 0.3-10 5-20 0-5-2.0 15-30 2.5-4.3

Calcáreas

5-20 5-30 450-600 0.03-0.04 10-45 0.16-0,40 200-1000 0,4-1.0 0,1-3.0 7-20 2~10 10-25 0.43-1-30

ELEMENTOS asociados a minerales primarios Mineral primario Olivino Hornblenda Augita Biotita Apatita Anortita Andesina Oligoclasa Albita Ortoclasa Muscovita Ilmenita Magnetita Turmalina

Elementos principales Mg, Fe, Si Mg, Fe, Ca, Al,Si Ca, Mg, Al, Si K, Mg, Fe, Al, Si Ca, P, F Ca, Al, Si Ca, Na, Al, Si Na, Ca, Al, Si Na, Al, Si K, Al, Si K, Al, Si Fe, Ti Fe Ca, Mg, Fe, B, Al, Si

Elementos accesorios Ni, Co, Mn, Li, Zn, Cu, Mo Ni, Co, Mn, Sc, Li, Zn, Cu, Ga, V Ni, Co, Mn, Sc, Li, V, Zn, Pb, Cu, Ga Rb, Ba, Ni, Co, Sc, Li, Mn, V, Zn, Cu, Ga Pb, Sr Sr, Cu, Ga, Mn Sr, Cu, Ga, Mn Cu, Ga Cu, Ga Rb. Ba, Sr, Cu, Ga F, Rb, Ba, Sr, Ga, V Co, Ni, Cr, V Zn, Co, Ni, Cr, V Li, F, Ga

10 10

Nutrientes (elementos esenciales)

Criterios de Escencialidad (Arnon) Arnon

Macronutriente Macronutriente Micronutriente Primario Secundario Nitrogeno (N)

Calcio (Ca)

Potasio (K)

Magnesio (Mg)

Fósforo (P)

Azufre (S)

Hierro (Fe) Zinc (Zn) Manganeso (Mn) Cobre (Cu)

C, H y O

Cloro (Cl) Boro (B) Molibdeno (Mo)

11 11

Elemento

Planta (Mov.) Suelos

Forma de absorción.

N Nitrógeno

Si

Si

NO-3,NO2-,NH4+

P Fósforo

No

Si

HPO4=,H2PO4-,H3PO4

K Potasio

No

Si

K+

S Azufre

Si

Si(no)

SO4=,SO2(hojas)

Ca Calcio

No

No

Ca++

Fe(Hierro) Mg Magnesio

No(ps) No (ps)

No Si/No

Fe+++,Fe++ Mg++

B(Boro) Si Mn Manganeso No

No No

H3BO3° Mn++, Mn+++

Cl(Cloro) Cu Cobre

Si No (ps)

Si No

Cl– Cu++

Zn(Zinc) Mo Molibdeno

No(ps) Si/No(ps)

No No

Zn++ MoO4=

Na Sodio

No(ps)

Si

Na+

C Carbono

CO2

H Hidrógeno

H2O

O Oxígeno

H2O

Deficiente

Optimo

(ps) poco soluble

Tóxico

Letal

CONCENTRAC ION DE ELEM ENTO ESENCIAL

Tolerable

Tóxico

Letal

12 12

+ +

+

+ + +

+

+ + +

++ ++

+ ++

+

+ +

+

++ + ++

+ + ++ +

coloide

++ + +

+

+

+

+

+

Atracción

-

+

+

+ +

Coloide

Coloide

Cu+

K+ Potasio Coloide

+

+

Repulsión

+

-

++

+

En Suelos

Imanes

-

+

+

+

-

NO3 Nitrato

13 13

- +

ADSORCION: ) Según

la naturaleza de las fuerzas que intervienen en la unión y según la sustancia, se habla de: Intercambio iónico Quimisorción Sorción física

Coloide

Coloide

K+ K+

Al+3

+

Ca+2

+

3K+

Æ

Æ

Ca+2

K+ K+

K

+

2K+

+ Al3+

+

14 14

Coloide PO 4-

N O 3+ PO 4- N H 4

H

PO 4-

K+

N O 3-

C a+

+

PO 4-

C a+

N H 4+ N O 3-

H

K+

+

N H 4+ PO 4-

K+ K+

C a+

H +

H

C a+

+

PO 4-

K+

PO 4-

N H 4+

K + C a+ H +

C a+ K+ PO 4-

K+ N H 4+

C a+ N H 4+ PO 4-

N O 3-

AL MENOS 3 TEORÍAS DEL INTERCAMBIO IÓNICO ) RED

CRISTALINA

) DOBLE

CAPA DIFUSA

) MEMBRANA

SEMIPERMEABLE

15 15

Catión Anión

Densidad iónica

Doble capa difusa

Coloide

Solución suelo

Cationes débilmente hidratados solubles

Radio iónico (Å)

Distancia desde la partícula

Cationes fuertemente hidratados solubles

Oxidos e hidróxidos anfotéricos facilmente precipitados

Aniones solubles

Valencia

16 16

Expresión del intercambio en suelos CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO (cation exchange capacity) Cantidad total de cationes intercambiables que un material o suelo puede adsorber a un determinado pH. Eventualmente al desarrollarse carga positiva se habla de CAPACIDAD DE INTERCAMBIO ANIONICO

Carga dependiente del pH

CIA, CIC CIA, Capacidad de Intercambio aniónico CIC, Capacidad de Interambio catiónico Carga total 2.0

CIC

(cmolc/kg)

1.5 1.0 0.5

CIA

(cmolc/kg)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

pH de la suspensión

17 17

Capacidad de intercambio catiónico CIC cmol(+) kg-1 = meq/100 g ™

número de cargas !!!

™no número de iones

CIC depende de: ) Cantidad

de arcilla y M.O ) Tipo de mineral de arcilla presente Tipo de coloide Humus (M.O) Arcillas silicatadas Oxidos de Al y Fe

Carga negativa

Carga positiva

200 cmolc/kg

0 cmolc/kg

≈100 cmolc/kg

0 cmolc/kg

4 cmolc/kg

5 cmolc/kg

18 18

Suelo

Calculando CIC

1 mol de carga: 1 mol de cationes monovalentes 1/2 mol de cationes divalentes 1/3 mol de cationes trivalentes

19 19

Regla general CIC = (% M.O x 200) + (% Arcilla x 50)

CIC de minerales de arcilla: 3 a 150!

CIC de arcilla

(cmolc/kg)

Caolinita

3-15

Illita

10-40

y clorita

Halloisita

5-50

Esmectitas (Montmorrillonita)

80-150

Vermiculita

100-150

Alofana (suelos volcánicos)

< 100

S.Húmicas (humatos>huminas>fulvatos)

300-500

M.O oxidos e hidróx. Fe y Al

150-500 4

Limo de cuarzo

< 0,01

CIC de otros

Cuarzo

1-2

Feldespatos

1-2

20 20

Mineral secundario

Condición CIC Potencial de unión / [cmol/kg] hinchamiento interlaminar carece de Caolinita 1:1 superficie 3 - 15 casi (no-expandible) interlaminar; nada fuerte unión muy débil Montmorillonita 2 : 1 unión, gran 80 - 150 alto (expandible) expansión Tipo

Vermiculita 2 : 1 (expandible)

debil unión gran expansión

100 -150

pérdida parcial Mica hidratada 2 : 1 de K, fuerte 10 - 40 (no-expandible) unión

alto

Superficie específica [m2/g] 5 - 20

700-800

500 –700

bajo

50 – 200

CIC y textura Clase textural

CIC (cmolc/kg)

Arenosa

2-3

Franco arenosa

3-10

Franca

11-16

Franco limosa

13-26

Arcillosa y arcillo limosa

4-58

21 21

Cálculo CICsuelo = Σ (% Ai x CICAi) + (%M.O x CICMO)

Carga (cmolc/kg)

CIC vs.intensidad de meteorización

CIC

2:1

CIA

1:1

Oxidos Fe & Al

Meteorización

22 22

Cationes adsorbidos : zona Húmeda

Arida

H+

K+

H+

Ca+2

Al+3

H+

Cationes adsorbidos Orden H

S

“cationes de reacción ácida”

“cationes de reacción básica”

23 23

Saturación básica (SB) Σ (Ca, Mg, Na, K) SB(%)= ————————— 100 Σ (cationes)

Σ (Ca, Mg, Na, K) SB(%)= ————————— 100 CIC

Acidez del suelo )Activa )Potencial

24 24

Ca+ H+

Ca+ +

NH4+

H+

Mg++ Ca+

Ca+

Al+++ Ca+

Al+++

Ca+ +

K+

+

+

Mg++

H+

+

H+

H+

Ca+

Mg++

+

H+

+

H+ Al+++

H+

K+

Cantidad: Acidez Potencial

Intensidad: Acidez Activa

Tamponamiento

pH

Tamponamiento Suelo tiende a impedir cambios de pH Si hay > arcilla y M.O > tamponamiento

Enmienda aplicada

FA FL

Franco arcillosa CIC = 25 cmolc/kg Franco limosa

Fa a

CIC = 15 cmolc/kg Franco arenosa CIC = 10 cmolc/kg Arenosa CIC = 5 cmolc/kg

pH

25 25

Reacción Redox catalizada por bacteria Compuestos Orgánicos

e-

Fe3+ Bacteria reductora del Metal

Fe2+

Procesos Redox en Suelos Reacciones Corg > CO2

R espiración A eróbica

O2 > H2O Corg > HCO3NO3- > N2

O xidación R educción de nitrato (D esnitrificación)

Corg > HCO3-

R espiración A naeróbica

MnO2 > Mn2+ Corg > HCO3-

R educción M n /Fe

Fe3+ > Fe2+ Corg > HCO3SO42- > H2S Corg > CO2

Ferm entación

R educción de Sulfato (Form ación de H 2S) Form ación de Metano

Corg > CH4

26 26

Potencial Redox, Eh (mV)

Potencial redox (Eh) crítico en solución a pH7 1000 800

Descomposición del agua

O2 H2O

N2

600

MnO2

Medida en la Solución Suelo

Mn2+

O2 400

Teórica en Soluciones

NO3

NO3-

200

2+ Mn Fe(OH) 3 2+

Fe

0

SO42-200

CO2

H2S

CH4

H2 O

Descomposición del agua H2

-400

R educción A naeróbica en suelos

Reacciones entre Metales y el suelo Intercambio iónico y Adsorción

Transferencia de masa

Precipitación y Disolución

Concentración del metal en la Solución suelo Reacción

Reacción Redox

Acido-Base Formación de complejo

27 27

Expresiones de sodicidad ) Porcentaje

de sodio intercambiable (PSI) [Na]

PSI= ———— x 100 (%) CIC ) Relación

de adsorción de sodio (RAS) [Na]

RAS= —————— √ (Ca +Mg)/2

Tipos de suelo según salinidad PSI (%)

Suelo sódico

Suelo salino-sódico

Suelo “normal”

Suelo salino

15

0 0

4

CE (dS m-1)

28 28

Habilitación de suelo según salinidad PSI (%)

Enmienda + lavado

Enmienda + lavado

15

Lavado 0 0

4

Salino

CE (dS m-1)

Sódico

Salino-sódico

29 29

Habilitación de suelo según salinidad PSI (%)

CaCO3/CaO/CaSO4

CaCO3/CaO/CaSO4

+ lavado

+ lavado

15

Lavado 0 0

Sales MgSO4 Na2SO4 CaSO4 NaCl MgCl2 Na2CO3 Na H CO3 CaCO3 MgCO3

4

CE (dS m-1)

Solubilidad máxima (g L-1) 363,0 504,0 2,5 453,0 618,0 693,0 272,0 0,8 0,8

30 30

CaCO3 MgCO3 CaSO4.2H2O Na2CO3 KNO3 Na2SO4.7H20 MgSO4 Ca(HCO3) 2 NaCl MgSO4.7H20 NaNO3 MgCl2.6H2O CaCl2.6H2O

Solubilidades en agua a 20°C g L-1 0,01 0,10 2,40 71,00 150,00 195,00 262,00 262,00 360,00 710,00 921,00 1.670,00 2.790,00

31 31