Prop. Fisicoquimicas, Raquel E.

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Prop. Fisicoquimicas, Raquel E.

  1. 1. PROPIEDADES FISICOQUIMICAS “Como la fotosíntesis y la respiración, probablemente ningún proceso en laNaturaleza es tan vital para lavida vegetal y animal como elintercambio de iones, entre las partículas de suelo y las raíces de las plantas.” Brady 1 1
  2. 2. Actividad fisicoquímica de los suelos depende de:Tipo y superficie específica de laspartículasDesarrollo de cargas eléctricas Superficie específica N° de partículas g-1 (cm2 g-1) a mf A (coloides) 2 2
  3. 3. 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 negativasCarga permanenteCarga variable 3 3
  4. 4. Sustitución isomórfica Octaedro Al+++ Al+3 Mg++ Tetraedro Sustitución isomórficaAl+++ por Si++++ en tetraedrosMg++, Fe++ por Al+++ en octaedros 4 4
  5. 5. Bordes quebradosColoide orgánico(ionización de grupos) Hidroxilo: [-OH] Carboxilo: [-COOH] Fenoles: [-C6H4OH] Aminas: [- NH2] Metaoxilo: [-OCH3] 5 5
  6. 6. pH- carga variable (dependiente del (dependiente pH) Carga permanente0 (SI)+ pH del suelo 6 6
  7. 7. Características de carga Carga negativa Carga positivaColoide Total Constante Variable (cmolc/kg) (%) (%) (cmolc/kg)Orgánico 200 10 90 0Esmectita 100 95 5 0Caolinita 8 5 95 2Gibsita 4 0 100 5 Carga dependiente del pH pH = 5,2 pH = 6,8 O- O- CO O H CO O - OH O- H um us CO O - H um us CO O - OH O- CO O H CO O - O- O- CO O H CO O - 7 7
  8. 8. Carga de un suelo volcánico Carga negativaCarga superficial Carga neta Punto de carga cero Carga positiva pH del suelo ADSORCION ≠ ABSORCION ≠ FIJACION 8 8
  9. 9. Hidratación de coloide Capa de agua adsorbida + + + + + Partícula de arcilla + Catión Molécula de aguaIones comunes en los suelos 9 9
  10. 10. Material parental/Elementos (fondo geoquímico)Roca Igneas SedimentariasElemento Ultramáfica Máfica Intermedia Acida Acida Sedimentos Esquistos Areniscas Calcáreas (volcánica) arcillosoB, ppm 1-5 50-20 9-25 10-30 15-25 120 130 30 20-30Si, % 19.0-20.5 23-24 26.0-29.1 31.4 -34.2 30.8-33.6 24-5-27-5 24.0-27.5 31.15-36.8 2.4-4.0As, ppm 15-1.0 0-6-2,0 1.0-2.5 1-0-16 1.5-2.5 13 5-13 1-0-1.2 1.0-14Se, PPM 0.02-0.05 0.01-0.05 0.02-0.05 101-0.05 0.02-0.05 0,4--0.6 0.6 0.05-0.08 0.03-0.10F, ppm 50-100 300-500 500-1200 520-850 300-700 500-800 500.800 50-270 50-350Br, ppm 0,2-1.0 0.5-3.0 1-4 0-3-46 0.2-1.0 5-10 6-10 1-5 6I, ppm 0.01-0.50 0.08-0.50 03-0,5 0.2-0.5 ( 0.1_0.,5) 1.0-2.2 2-6 05-1.5 1 0.5_3.0Li, ppm 0.5-9 6-20 20-80 25-40 15-45 60 50-75 10-40 5-20Rb, ppm 0.1-2 20-45 100 150 100-200 120-200 140-160 45 5-30Sr, ppm 2-20 140-460 300-600 60-300 90-400 300-450 300 20-140 450-600Ti, % 0.03-0.30 O~90-1.38 0,35-0.80 0.12-0.34 0.27 0-38-0.46 0,44-146 0.15-0.35 0.03-0.04V, ppm 40-100 200-250 30-100 40-90 70 80-130 100-130 10-60 10-45Mo, ppm 0.2-0.3 1.0-1.5 0.6-1.0 1.0-2.0 2.0 2.0-2.6 03-2.6 0.2-0.8 0.16-0,40Mn, ppm 850-1500 1200-2000 500-1200 350-600 600-1200 400-800 500-850 100-500 200-1000Fe, % 9.4-10.0 5.6-8-7 33-5.9 1.4-2.7 2.6 3.34.7 43-4-8 1.0-3.0 0,4-1.0Co ppm 100-200 35-50 1-10 1-7 15 14-20 11-20 0.3-10 0,1-3.0Ni, ppm 1400-2000 130-160 5-55 5-15 20 40-90 50-70 5-20 7-20Cu, ppm 10-40 60-120 15-80 10-30 5-20 40-60 40 0-5-2.0 2~10Zn, ppm 40-60 80-120 40-100 40-60 40-100 80-120 80-120 15-30 10-25Al % 0.45-2.0 7~8-8.8 8.8 7.2-8.2 6.9-8.1 7.2-10.0 7.8-8.6 2.5-4.3 0.43-1-30 ELEMENTOS asociados a minerales primarios Mineral Elementos Elementos accesorios primario principales Olivino Mg, Fe, Si Ni, Co, Mn, Li, Zn, Cu, Mo Hornblenda Mg, Fe, Ca, Al,Si Ni, Co, Mn, Sc, Li, Zn, Cu, Ga, V Augita Ca, Mg, Al, Si Ni, Co, Mn, Sc, Li, V, Zn, Pb, Cu, Ga Biotita K, Mg, Fe, Al, Si Rb, Ba, Ni, Co, Sc, Li, Mn, V, Zn, Cu, Ga Apatita Ca, P, F Pb, Sr Anortita Ca, Al, Si Sr, Cu, Ga, Mn Andesina Ca, Na, Al, Si Sr, Cu, Ga, Mn Oligoclasa Na, Ca, Al, Si Cu, Ga Albita Na, Al, Si Cu, Ga Ortoclasa K, Al, Si Rb. Ba, Sr, Cu, Ga Muscovita K, Al, Si F, Rb, Ba, Sr, Ga, V Ilmenita Fe, Ti Co, Ni, Cr, V Magnetita Fe Zn, Co, Ni, Cr, V Turmalina Ca, Mg, Fe, B, Al, Si Li, F, Ga 10 10
  11. 11. Nutrientes (elementos esenciales) Criterios de Escencialidad (Arnon) ArnonMacronutriente Macronutriente Micronutriente Primario Secundario Nitrogeno (N) Calcio (Ca) Hierro (Fe) Potasio (K) Magnesio (Mg) Zinc (Zn) Fósforo (P) Azufre (S) Manganeso (Mn) Cobre (Cu) C, H y O Cloro (Cl) Boro (B) Molibdeno (Mo) 11 11
  12. 12. Elemento Planta (Mov.) Suelos Forma de absorción.N Nitrógeno Si Si NO-3,NO2-,NH4+P Fósforo No Si HPO4=,H2PO4-,H3PO4K Potasio No Si K+S Azufre Si Si(no) SO4=,SO2(hojas)Ca Calcio No No Ca++Fe(Hierro) No(ps) No Fe+++,Fe++Mg Magnesio No (ps) Si/No Mg++B(Boro) Si No H3BO3°Mn Manganeso No No Mn++, Mn+++Cl(Cloro) Si Si Cl–Cu Cobre No (ps) No Cu++Zn(Zinc) No(ps) No Zn++Mo Molibdeno Si/No(ps) No MoO4=Na Sodio No(ps) Si Na+C Carbono CO2H Hidrógeno H2OO Oxígeno H2O (ps) poco soluble Deficiente Optimo Tóxico Letal CONCENTRAC ION DE ELEM ENTO ESENCIAL Tolerable Tóxico Letal 12 12
  13. 13. + ++ + + + ++ ++ + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + ++ coloide + ++ + ++ + + + + + + + ++ + + + + Imanes En Suelos Coloide Coloide Atracción - -+ + Cu+ K+ Potasio Coloide Repulsión -- + + NO3 - Nitrato 13 13
  14. 14. ADSORCION:Según la naturaleza de las fuerzasque intervienen en la unión y según lasustancia, se habla de: Intercambio iónico Quimisorción Sorción física Coloide Coloide K+ Ca+2 + Ca+2 + 2K+ K+ K+ + 3K+ + Al3+ Al+3 K K+ + 14 14
  15. 15. Coloide N O 3- PO 4- PO 4- N O 3- + PO 4- N H 4 K+ H C a+ + PO 4- C a+ H + K+ N H 4+ K+ PO 4- N H 4+ K+ N O 3- H C a+ + C a+ H + PO 4- K+ PO 4- K + C a+ H N H 4+ + C a+ C a+ N H 4+ K+ K+ PO 4- N O 3- N H 4+ PO 4-AL MENOS 3 TEORÍAS DEL INTERCAMBIO IÓNICORED CRISTALINADOBLE CAPA DIFUSAMEMBRANA SEMIPERMEABLE 15 15
  16. 16. Doble capa difusa Catión Densidad iónica Anión Coloide Solución suelo Distancia desde la partícula Cationes fuertemente hidratados solubles Cationes débilmente hidratados solublesRadio iónico (Å) Oxidos e hidróxidos anfotéricos facilmente precipitados Aniones solubles Valencia 16 16
  17. 17. Expresión del intercambio en suelosCAPACIDAD 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 1.5 (cmolc/kg) 1.0CIC 0.5 0.0 (cmolc/kg) 0.5CIA 1.0 1.5 2.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 pH de la suspensión 17 17
  18. 18. 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 Carga Carga coloide negativa positivaHumus (M.O) 200 cmolc/kg 0 cmolc/kgArcillas ≈100 cmolc/kg 0 cmolc/kgsilicatadasOxidos de Al y 4 cmolc/kg 5 cmolc/kgFe 18 18
  19. 19. 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
  20. 20. Regla generalCIC = (% M.O x 200) + (% Arcilla x 50) CIC de minerales de arcilla: 3 a 150! CIC de arcilla (cmolc/kg) Caolinita 3-15 Illita y clorita 10-40 Halloisita 5-50 Esmectitas (Montmorrillonita) 80-150 Vermiculita 100-150 Alofana (suelos volcánicos) < 100 S.Húmicas (humatos>huminas>fulvatos) 300-500 M.O 150-500 oxidos e hidróx. Fe y Al 4 CIC de otros Limo de cuarzo < 0,01 Cuarzo 1-2 Feldespatos 1-2 20 20
  21. 21. Mineral Condición CIC Potencial Superficiesecundario Tipo de unión / [cmol/kg] hinchamiento específica interlaminar [m2/g] carece deCaolinita 1:1 superficie 3 - 15 casi 5 - 20 (no-expandible) interlaminar; nada fuerte unión muy débilMontmorillonita 2 : 1 unión, gran 80 - 150 alto 700-800 (expandible) expansión debil uniónVermiculita 2 : 1 gran 100 -150 alto 500 –700 (expandible) expansión pérdida parcialMica hidratada 2 : 1 de K, fuerte 10 - 40 bajo 50 – 200 (no-expandible) unión 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
  22. 22. CálculoCICsuelo = Σ (% Ai x CICAi) + (%M.O x CICMO) CIC vs.intensidad de meteorización Carga (cmolc/kg) CIC CIA 2:1 1:1 Oxidos Fe & Al Meteorización 22 22
  23. 23. Cationes adsorbidos : zona Húmeda Arida H+ K+ H+ Ca+2 Al+3 H+ Cationes adsorbidos Orden H S “cationes “cationes de de reacción reacción ácida” básica” 23 23
  24. 24. Saturación básica (SB) Σ (Ca, Mg, Na, K) SB(%)= ————————— 100 Σ (cationes) Σ (Ca, Mg, Na, K) SB(%)= ————————— 100 CIC Acidez del sueloActivaPotencial 24 24
  25. 25. Ca+ H+ + H+ H+ H+ Ca+ + Mg++ Ca+ K+ Ca+ + + NH4+ H+ Al+++ Ca+ Al+++ Ca+ H+ + + Mg++ Mg++ Al+++ Ca+ H+ + H+ K+ Cantidad: Intensidad: Acidez Tamponamiento Acidez Potencial Activa pH Tamponamiento Suelo tiende a impedir cambios de pH Si hay > arcilla y M.O > tamponamiento FA Franco arcillosaEnmienda aplicada CIC = 25 cmolc/kg FL Franco limosa CIC = 15 cmolc/kg Fa Franco arenosa a CIC = 10 cmolc/kg Arenosa CIC = 5 cmolc/kg pH 25 25
  26. 26. Reacción Redox catalizada por bacteria Compuestos e- Orgánicos Fe3+ Bacteria reductora del Metal Fe2+ Procesos Redox en Suelos Reacciones Corg > CO2R es raci pi ón O xi ón daci O2 > H2O A eróbica Corg > HCO3- R educci de nirat ón t o ( es t fcaci ) D nirii ón NO3- > N2 Corg > HCO3- MnO2 > Mn2+R es raci pi ón R educci M n /Fe ón Corg > HCO3-A naeróbica Fe3+ > Fe2+ Corg > HCO3- R educci de Sulat ón f o SO42- > H2S (Form aci de H 2S) ón Corg > CO2Ferm ent ón aci Form aci de Metano ón Corg > CH4 26 26
  27. 27. Potencial redox (Eh) crítico en solución a pH7 1000Potencial Redox, Eh (mV) O2 Descomposición del agua 800 H2O NO3 - Teórica en N2 Soluciones 600 MnO2 Medida en la Mn2+ O2 Solución 400 Suelo NO3 - 200 Mn Fe(OH) 3 2+ 2+ 0 Fe SO42- CO2 -200 H2S H2 O CH4 Descomposición del agua H2 -400 R educci A naeróbi en s os ón ca uel Reacciones entre Metales y el suelo Transferencia Intercambio de masa Precipitación iónico y y Adsorción Disolución Concentración del metal en la Solución suelo Reacción Reacción Redox Acido-Base Formación de complejo 27 27
  28. 28. 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 Suelo sódico salino-sódico 15 Suelo Suelo “normal” salino 0 0 4 CE (dS m-1) 28 28
  29. 29. Habilitación de suelo según salinidadPSI(%) Enmienda Enmienda + + lavado lavado 15 Lavado 0 0 4 CE (dS m-1) Salino Sódico Salino-sódico 29 29
  30. 30. Habilitación de suelo según salinidadPSI(%) CaCO3/CaO/CaSO4 CaCO3/CaO/CaSO4 + + lavado lavado 15 Lavado 0 0 4 CE (dS m-1) Sales Solubilidad máxima (g L-1) MgSO4 363,0 Na2SO4 504,0 CaSO4 2,5 NaCl 453,0 MgCl2 618,0 Na2CO3 693,0 Na H CO3 272,0 CaCO3 0,8 MgCO3 0,8 30 30
  31. 31. Solubilidades en agua a 20°C g L-1CaCO3 0,01MgCO3 0,10CaSO4.2H2O 2,40Na2CO3 71,00KNO3 150,00Na2SO4.7H20 195,00MgSO4 262,00Ca(HCO3) 2 262,00NaCl 360,00MgSO4.7H20 710,00NaNO3 921,00MgCl2.6H2O 1.670,00CaCl2.6H2O 2.790,00 31 31

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