QUÍMICA DEL SUELO En esta unidad se pretende identificar los principales minerales y algunas propiedades químicas del suelo.
Por Prof. Ing. Agr. Gustavo Rolón
LAS ROCAS SE ALTERAN METEORIZACIÓN
es
Alteración total o parcial de la roca y sus minerales por el aire, el agua y los seres vivos. Puede ser
Física o mecánica Química Biológica
Meteorización Meteorización física: la roca se fragmenta sin
alterar su composición química o mineralógica Meteorización química: se altera la
composición química o mineralógica mineralógica Meteorización Biológica: acción de los organismos sobre las
rocas. Puede favorecer la meteorización química o física
Formación del Suelo
LA FORMACIÓN DEL SUELO Edafogénesis : Proceso de formación del suelo
Los líquenes se instalan sobre la roca madre. Los cambios de temperatura, el agua y el aire fragmentan y alteran su composición.
Años más tarde se ha formado un suelo joven sobre el que se instalan hierbas y matorrales.
Miles de años después el suelo tiene mayor grosor. Se ha enriquecido en materia orgánica formándose un suelo maduro.
EL SUELO El SUELO es la capa no consolidada de la corteza terrestre compuesta por una fracción mineral, una fracción orgánica, agua y aire:
Soporta el crecimiento de los vegetales.
Contiene multitud de sustancias orgánicas.
Contiene multitud de microorganismo que interaccionan de forma muy dinámica.
COMPOSICIÓN DEL SUELO
Fragmentos de rocas y minerales
Productos de la meteorización de la roca madre. Hay gravas (tamaño grueso), arenas (tamaño intermedio), limo y arcillas (tamaño fino) Aire
Ocupa los huecos que dejan las partes sólidas
Materia orgánica
Organismos, restos de organismos y humus Agua
También circula por los huecos y poros
COMPOSICIÓN VOLUMETRICA DE UN SUELO IDEAL
En resumen, el suelo se compone de 25% de agua, 25% de aire y 50% de fracción sólida en condiciones ideales. A su vez la fracción sólida esta dada por: -
Humus,
-
Arena
-
Limo
-
Arcilla
fracción orgánica
fracción inorgánica
LOS MINERALES DEL SUELO
MINERALES NO SILICATADOS -
Cloruros, Sulfatos y Carbonatos Sulfuros Óxidos, hidróxidos y oxihidróxidos Fosfatos
MINERALES SILICATADOS - Nesosilicatos, Sorosilicatos, Inosilicatos, Ciclosilicatos, Tectosilicatos, Filosilicatos
Material de Orígen
Suelo
(20 – 25 minerales)
(20 – 25 minerales)
Los más abundantes suelen ser los minerales de la clase de los silicatos: arcillas, feldespatos, anfiboles, piroxenos, micas y cuarzo. Cabe citar también por importancia en algunos casos: los óxidos de hierro, carbonato cálcico, yeso, rutilo, ilmenita.
LOS MINERALES DEL SUELO
Mineral: son sólidos que poseen una composición
Cuarzo
química característica, la cual puede variar dentro de ciertos límites. El mineral es considerado cristalino cuando presenta una ordenación atómica tridimensional sistemática, esto en una estructura interna definida que se repite sistemáticamente. Cuando no están ordenados no son cristalinos. Minerales primarios: son aquellos que permanecen en el suelo sin alteración
estructural, es decir como se encontraban en la roca y ocurren generalmente en las fracciones granulométricas mas gruesas. Ejemplos cuarzo y los feldespatos, otros que pueden encontrarse en menores cantidades son piroxenos, micas, anfiboles y olivinos. Minerales secundarios: son aquellos originados a partir de la alteración de los
minerales primarios, y predominan en la fracción de arcilla del suelo (< 2 um). Los minerales secundarios comunes en suelos son los aluminosilicatos, como la caolinita, la vermiculita, las esmectitas; y los oxidos, hidroxidos y oxihidroxidos. Las clases de minerales primarios y secundarios no son mutuamente exclusivas, pudiendo algunos minerales ser clasificadas en ambas clases.
MINERALES DE ARCILLA DEL SUELO
El término arcilla (argilos = blanco), se utiliza en mineralogía para designar a un conjunto de minerales de pequeño tamaño de partícula, pertenecientes a la familia de los filosilicatos.
Son aluminosilicatos hidratados con estructura en hojas (filo = hoja), con espaciamientos y contenidos en los espacios interlaminares característicos para cada mineral.
PRINCIPIO ESTRUCTURAL DE LOS MINERALES DE ARCILLA
La estructura se caracteriza por presentar dos tipos de capas:
1- Capa tetraédrica o de silicio: son disposiciones bidimensionales de tetraedros (poliedros de coordinación) de silicio – oxigeno.
2- Capa octaédrica (capa gibsitica o de aluminio y capa brucítica o de magnesio): son disposiciones bidimencionales de octaedros de aluminio o magnesio con oxigeno – hidroxilos.
UNION DE LAS CAPAS
La unión de las capas de tetraedros y octaedros de distintas maneras da lugar a los diferentes minerales. Minerales 1:1 (T-O): se caracterizan por la unión de capas de tetraedros y capas de octaedros. Minerales 2:1 (T-O-T): se caracterizan por la unión de una capa octaédrica con dos capas tetraédricas.
La unión de dos o tres capas constituyen una lámina o paquete, cuya composición, estructura y contenidos interlaminares varían de unos minerales de arcilla a otros. El conjunto de un paqueta más el material entre el paquete recibe el nombre de unidad estructural.
ORÍGEN DE LAS CARGAS NEGATIVAS DE LAS ARCILLAS
1- Cargas permanentes
Las cargas permanentes aparecen como consecuencia de sustituciones isomorficas de átomos de la red cristalina por otro de menor valencia. Estas sustituciones se producen durante el proceso de meteorización. 2- Cargas Variables
Las cargas variables son debidas a la ionización de grupos – OH de las superficies y aristas de los cristales arcillosos.
MINERALES DE ARCILLAS MAS FRECUENTES EN LOS SUELOS
Tipo
Grupo de mineral
Propiedad
Esmectitas (montmorillonita)
Tienen la propiedad de expandirse y contraerse de acuerdo a la humedad. En suelos donde abunda este mineral los mismos se agrietan en condiciones de sequía y las grietas se cierran en condiciones de humedad. La CIC es alta de 80 a 150 cmolc/kg.
Micas (Ilitas)
El K interlaminar queda fijado, por lo que no es intercambiable y no está a disposición de las plantas, es decir que fija el potasio aplicado en los fertilizantes. La CIC es de 10 a 40 cmolc/kg. Con la meteorización el K puede ser liberado, por lo que estos minerales son considerados como una fuente potencial del K.
Minerales 2:1
MINERALES DE ARCILLAS MAS FRECUENTES EN LOS SUELOS
Tipo
Grupo
Propiedad
Vermiculitas
Es un mineral expandible, aunque mucho menos que la esmectita. Su CIC es muy elevada, de 120 a 150 cmolc/kg. No es expandible y posee CIC baja entre 10 a 40 cmolc/kg. Es un mineral poco frecuente en los suelos por su baja estabilidad.
Minerales 2:1
Cloritas
Minerales 1:1
Caolinita
Posee CIC baja, de 1 a 10 cmolc/kg, lo que permite explicar la baja fertilidad de los suelos en que predomina este mineral. Son característicos de suelos muy meteorizados, predomina en suelos de zonas tropicales húmedas (Ultisoles y Oxisoles).
Paligorskita
Su CIC es de 5 a 30 cmolc/kg. Por su estructura tiene aplicaciones en la industria farmacéutica y en procesos industriales. Es poco frecuente en los suelos.
Minerales fibrosos
Sepiolita
Posee aplicaciones farmacéuticas y en procesos industriales. La CIC es de 8 a 30 cmolc/kg.
OXIDOS E HIDROXIDOS DEL SUELO
Especie
Fórmula
Goetita Lepidocrocita Hematita Maghemita Ferrihidrita Magnetita
Pirolusita Litioforita Gibsita Nordstrandita Bohemita Diaspora Corindon
-FeOOH γ-FeOOH -Fe 0 2 3 γ-Fe203
HFe5O8.4H2O Fe304
Observaciones
Es el más común. Suelos muy meteorizados. Suelos hidromorfos. Colorea de rojo al suelo. Suelos tropicales y subtropicales muy meteorizados, formados sobre rocas ígneas básicas. Precipitaciones férricas en tubos de drenaje enterrado. Heredado del material originario.
MnO2 Es la forma más estable. (Al, Li) MnO2 (OH)2 Más común en horizontes sub-superficiales ácidos. -Al(OH)3 Al(OH)3 γ-AlOOH -AlOOH -Al 0 2 3
Rutilo TiO2 Anatasa Ti02 Brookita Ti02 Ilmenita FeTi03 Esfena o titanita CaTiSi03 Perowskita CaTi03
Frecuente. Suelos tropicales húmedos. Frecuente. Suelos tropicales húmedos. Poco común. Poco común. Minerales muy estables en el suelo que pueden utilizarse como minerales índice en estudios de génesis de suelos, Rutilo e ilmenita se presentan en la fracción arena, heredados de rocas ígneas.
MINERALES DE MEDIOS EDAFICOS ESPECIALES
Mineral
Fórmula
Medio edáfico
Celestina
SrSO4
Baritina
BaSO4
Aparece formado a modo de nidos en suelos yesiferos, por neoformación Su presencia parece asociada a condiciones hidromorfas y capa freática salina
Pirita Jorosita
FeS2 KF3(SO4)2(OH)xx
Esta asociada a medios reductores. Indica condiciones de oxidación. De color amarillo, caracteriza a arcillas de suelos de sulfatos ácidos.
Apatito
Ca(F, Cl,OH)(PO4)3
Es el más común de los fosfatos.
MINERALES DE SUELOS SEMIÁRIDAS Y ÁRIDAS
Algunos son: calcita (CaCO3), dolomita (CaMgCO3), yeso (CaSO4) o sales más solubles. Se caracterizan por tener estructuras sencillas.
Sales más solubles que el yeso . Especie
Fórmula
Halita
NaCl
Cloruro Magnesico
MgCl2.nH2O
Tenardita
Na2SO4
Mirabilita
Na2SO4.10H2O
Trona
Na2CO3.NaHCO3.2H2O
Soda
Na2CO3.10H2O
Nacolita
NaHCO3
Nitrato de sodio
NaNO3
Posibles en suelos salinos
Posibles en suelos alcalinos
REACCIÓN DEL SUELO Los suelos presentan una reacción ácida, neutra o alcalina. Estos se refieren a la cantidad relativa de iones hidrógeno (H+) e iones hidróxilos (OH-) en la solución del suelo. Las concentraciones se miden en términos de valores de pH, donde:
pH= -log concentración de H+ en moles por litro. El valor del pH indica la reacción del suelo. Valor del pH.
Reacción - Interpretación.
< 4,5 4,5 – 4,9 5,0 – 5,5 5,6 – 6,4 6,5 – 7,4 7,5 – 8,4 > 8,4
Extremadamente ácido Fuertemente ácido Ácido Ligeramente ácido Neutro Alcalino Fuertemente alcalino
MEDICIÓN del pH del SUELO
pH en agua: se prepara una pasta saturada, para lo cual se pesa 20 gramos de suelo y se le agrega 20 ml de agua, se agita y luego se realiza la lectura en un potenciómetro (pH metro). Este pH se mide en condiciones de saturación de agua, la concentración de H+ es diluida de manera que no es el pH que sienten las plantas directamente, por esta razón se determina también en presencia de sales.
pH en CaCl2: el pH determinado en esta solución se acerca a lo que las plantas experimentan en el suelo, el procedimiento es igual al anterior con la diferencia de la solución utilizada.
pH en KCl: el valor obtenida en esta solución es el pH en la cual es extraído el aluminio. El Al+++ se extrae con KCl.
LECTURA:
la lectura se realiza con un potenciómetro (pHchimetro)
IMPORTANCIA de la REACCIÓN del SUELO
Tiene efectos sobre: La disponibilidad de nutrientes La solubilidad de sustancias tóxicas (AL, Mn, Fe) El desarrollo de microorganismos del suelo El desarrollo de células de la raiz (se inhibe a pH< 4,2)
IMPORTANCIA de la REACCIÓN del SUELO
Tiene efectos sobre: La disponibilidad de nutrientes La solubilidad de sustancias tóxicas (AL, Mn, Fe) El desarrollo de microorganismos del suelo El desarrollo de células de la raiz (se inhibe a pH< 4,2)
REACCIONES DE SUPERFICIE Adsorción e Intercambio Iónico Posición de los elementos químicos en el suelo. Fase Sólida Elemento no disponible
Fase Sólido – Líquido Elemento Intercambiable,
medianamente disponible
Fase Líquida Elemento en la solución del suelo, disponible
En la fase sólida: Inmovilizados en una estructura mineral cristalina, en aluminosilicatos amorfos y en compuestos orgánicos. En la interfase sólido-líquido: Localizados en las superficies de determinadas partículas y en su área de influencia. En la fase líquida: El agua del suelo puede contener elementos en solución, así como partículas sólidas en suspensión (material coloidal). Los iones disueltos precipitan al secarse el suelo y al añadir agua vuelven a disolverse.
INTERCAMBIO CATIONICO
En un sistema de intercambio cabe distinguir: - Adsorventes Componentes 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. Ej. minerales de arcilla, materia orgánica.
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO Propiedad de un cambiador para adsorber cationes, desadsorbiendo al mismo tiempo cantidades equivalentes de otros cationes por destrucción de complejos de superficie. Expresa el número de moles de iones de carga positiva adsorbidos, que pueden ser intercambiados por unidad de masa seca, bajo unas condiciones dadas de temperatura, presión, composición de la fase líquida y una relación de masa – solución dada. Se mide en cmol c/kg. En el sistema se establece un equilibrio dinámico, entre cationes de la solución externa y los que ocupan sedes de intercambio (solución – interfase sólido líquido).
INTERCAMBIO ANIONICO Los principales factores que afectan la adsorción y cambio aniónico son: 1- Concentración de la solución de aniones 2- pH 3- Naturaleza del complejo adsorbente y 4- Naturaleza del ión
IONES ESENCIALES
Criterios de esencialidad de los elementos 1- Un elemento es esencial porque su ausencia no permite que la planta se desarrolle de manera normal o complete su ciclo vegetativo. 2- La ausencia o deficiencia de un elemento solo se corrige con la adición del elemento en cuestión, es decir que un elemento no puede ser reemplazado por otro. 3- El elemento participa en forma directa o indirecta en la nutrición de la planta.
MACRO Y MICRO NUTRIENTES Nutrientes
Símbolo
Carbono
C O H
Oxígeno Hidrogeno
Formas de absorción Origen: de donde por las plantas absorbe la planta
Agua y aire
MACRONUTRIENTES
Nitrógeno Fósforo Potasio Calcio Magnesio Azufre
N P K Ca Mg S
NO3-, NH4+ H2PO4-, HPO42K+ Ca++ Mg++ SO42-
SUELO
MICRONUTRIENTES
Manganeso
B Cl Cu Fe Mo Mn
H3BO3 , H4BO4ClCu2+ Fe2+ MoO4Mn2+
Zinc
Zn
Zn2+
Boro Cloro Cobre Hierro Molibdeno
SUELO
MACRO Y MICRO NUTRIENTES
Según algunos autores, el sodio (Na), silicio (Si), cobalto (Co) y vanadio (Va), es esencial para algunas especies. Otros iones importantes constituyen el Al+++ e H+, que son toxicos a los vegetales en altas concentraciones y aparecen en suelos con pH ácidos, menor a 5,5 generalmente. Así mismo el Fe y Mn que son nutrientes pueden ocasionar toxidad a la planta en suelos ácidos por la alta concentración que estos experimentan.
MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO
Materia orgánica: se utiliza para designar una mezcla heterogénea compleja de materiales orgánicos que se presenta en forma natural en el suelo. Incluye: Materia no humificada: - Biomasa animal y vegetal - Biomasa microbiana
Humus: - Sustancia no húmicas * Materiales orgánicos sencillos: azucares y aminoacidos * Materiales orgánicos de elevado peso molecular: polisacaridos y proteínas. - Húmus.
Humus: se utiliza para indicar las sustancias orgánicas que resultan de los procesos de humificación (descomposción, degradación y sintesis). Estos han adquirido una forma relativamente estable frente a la biodegradación.
MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO
Origen de la materia orgánica del suelo. Los componentes orgánicos del suelo proceden de: -La acumulación de restos y residuos de plantas y animales * Biomasa incorporada de forma natural al suelo. * Materiales orgánicos aportados por el hombre en los agroecosistemas: estiércol, restos de cosechas entre otros. -
La descomposición de los tejidos orgánicos: por acción mecánica de la fauna y microorganismos.
-
La descomposición o degradación de moléculas orgánicas complejas: a compuestos orgánicos más sencillos que, si tiene intervención los microorganismos se denomina biodegradación.
- La reorganización de algunos compuestos de la degradación, con síntesis microbiana de nuevos componentes orgánicos.
