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PROGRAMA OFICIAL DE POSGRADO EN INGENIERÍA DEL AGUA Y DEL

TERRENOTERRENOMÓDULO I.-INSTRUMENTACIÓN Y MÉTODOS DE

ANÁLISIS QUÍMICO

ÓÓ

ANÁLISIS QUÍMICO

LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X EN LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X EN EDAFOLOGíAEDAFOLOGíA Y Y MEDiOMEDiO AMBIENTEAMBIENTEEDAFOLOGíAEDAFOLOGíA Y Y MEDiOMEDiO AMBIENTEAMBIENTE

Ponente: Ángel Faz CanoPonente: Ángel Faz CanoPonente: Ángel Faz CanoPonente: Ángel Faz Cano

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENAUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA

1.-CONSTITUYENTES DEL SUELO. POTENCIALAPLICACIÓN DE LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X2 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS2.-PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS3.-SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS4.-TRATAMIENTOS5.-DIFRACTOGRAMAS6.-ÁNÁLISIS SEMICUANTITATIVO

1 CONSTITUYENTES DEL SUELO1.-CONSTITUYENTES DEL SUELO.POTENCIAL APLICACIÓN DE LADIFRACCIÓN DE RAYOS X

Suelo: resultado de la actuación del clima y de los seres vivossobre un material litológico determinado.g

Es un material heterogéneo formado por tres componentesprincipales: fases sólida, líquida y gaseosa.

Es un sistema abierto dinámico y de composición complejaEs un sistema abierto, dinámico y de composición compleja.

Fase sólida: formada por los componentes inorgánicos y losp p g yorgánicos.Fase líquida: agua con sustancias en disolución y suspensión.Fase gaseosa: constituida por aire También recibe el nombre deFase gaseosa: constituida por aire. También recibe el nombre de

atmósfera del suelo.

CONSTITUYENTES ORGÁNICOS

Complejo sistema de sustancias cuya dinámica viene determinada,t l i ió t t d t á ipor una parte, por la incorporación constante de restos orgánicos, y

por otra, por la transformación biológica, física y química de esosrestos.restos.

Atendiendo a su naturaleza, dos tipos:

M t i á i fMateria orgánica fresca:Restos orgánicos frescos, poco alterados y descompuestos, que

tienen una estructura organizada.tienen una estructura organizada.Constituye la materia prima del humus.

HHumus:Sustancias orgánicas más evolucionadas que resultan de la

descomposición de la anterior.descomposición de la anterior.Es una materia orgánica elaborada y específica del suelo a cuya

formación se llega por un complicado proceso, en parte de carácterbi ló i t fí i í i ll h ifi ióbiológico, en parte físico-químico, que se llama humificación.

Tiene una composición compleja.

CONSTITUYENTES ORGÁNICOSHumus:

Se establecen dos grupos de sustancias:Sustancias orgánicas de naturaleza individual:Productos de descomposición de restos orgánicos o productos de

síntesis que están constituidos por diversas sustanciassíntesis, que están constituidos por diversas sustancias,nitrogenadas o no, pero que se pueden adscribir a alguno de losgrupos de la química orgánica.p

Entre estas sustancias:-Grasas y sustancias similares.-Carbohidratos y sustancias relacionadas-Carbohidratos y sustancias relacionadas.-Proteínas y derivados.-Lignina y derivados.y-Sustancias tánicas.-Resinas y terpenos.-Ácidos orgánicos fenoles y polifenoles-Ácidos orgánicos, fenoles y polifenoles.

No son específicas del suelo y constituyen entre un 15-18 % dela M.O.

Se les puede considerar como componentes del humus, siempreque tratemos a éste en un sentido muy amplio.


Sustancias húmicas en sentidoestricto:

Son el 90-95 % de la M.O.Sustancias orgánicasSustancias orgánicas

sumamente complejas, noadscribibles a ningún grupo de la

í áquímica orgánica.Su origen, naturaleza y

propiedades no sonpropiedades no sonperfectamente conocidas.

Dentro de éstas podemosencontrar:-Acidos húmicos.-Acidos fúlvicosAcidos fúlvicos.-Humina.




CONSTITUYENTES INORGÁNICOS

SEGÚN EL TAMAÑO DE PARTÍCULA


SEGÚN EL TAMAÑO DE PARTÍCULA

E l f ólid i á i d l l i t i tit tEn la fase sólida inorgánica del suelo intervienen constituyentesde distinto tamaño que presentan propiedades diferentes:Arena: con tamaño de 63 a 2000 μm (puede a su vezm μm (p

fraccionarse en subfracciones, por ejemplo de 63-100, 100-250,250-500, 500-1000 y 1000-2000 μm.Li : t ñ d 2 63 E él dif i liLimo: con un tamaño de 2 a 63 μm. En él se diferencian limo

fino de 2 a 20 mm y limo grueso de 20 a 50 mm.Arcilla: es la fracción más pequeña (<2μm).f m p q ( μm)

CONSTITUYENTES INORGÁNICOSCONSTITUYENTES INORGÁNICOS

CONSTITUYENTES INORGÁNICOS-ARCILLACONSTITUYENTES INORGÁNICOS-ARCILLA

Ti 1 1 ( li it ) 2 1 (ilitTipo 1:1 (caolinita), 2:1 (ilita,vermiculita, esmectitas) o 2:1:1 (clorita).

CONSTITUYENTES INORGÁNICOS-ARCILLACONSTITUYENTES INORGÁNICOS-ARCILLA

SEGÚN EL TAMAÑO DE PARTÍCULASEGÚN EL TAMAÑO DE PARTÍCULA

ÁCONSTITUYENTES INORGÁNICOS

Filosilicatos (arcilla):S l i ili t t tit i i ó fi d SiSon aluminosilicatos que presentan sustituciones isomórficas de Si

por Al y, en casos particulares otros cationes, lo que les hacepresentar una cierta carga eléctrica negativa.presentar una cierta carga eléctrica negativa.

Óxidos e hidróxidos (arcilla, limo y arena):C j t di d ó id hid ó id d dif t l tConjunto diverso de óxidos e hidróxidos de diferentes elementos:

Si, Ti, Fe, Al, Mn.La presencia de cargas variables en la superficie de estos óxidosLa presencia de cargas variables en la superficie de estos óxidos

también promueve la adsorción de aniones.



Carbonatos (arcilla, limo y arena):l dComponentes muy importantes en suelos de zonas con

precipitación menor que ETP (calcita o carbonato cálcico).Contribuyen enormemente a que se mantengan los agregadosContribuyen enormemente a que se mantengan los agregados

estructurales ya que el ión calcio media en los enlaces de lamateria orgánica con la fracción mineral.

b é fl l dTambién tienen influencia en las variaciones de pH.

Fosfatos (arcilla limo y arena):Fosfatos (arcilla, limo y arena):Aparecen en forma cristalina de forma más rara en el suelo

pero pueden aparecen en variedades metaestables yfmetaamorfas.

Fosfato cálcico (apatito, hidroxiapatito) u otros fosfatos.Las formas más amorfas y de menor tamaño contribuyen aLas formas más amorfas y de menor tamaño contribuyen a

estabilizar la estructura edáfica.


Carbonato cálcico pobremente cristalincristalino

Carbonato cálcico cristalizadoCarbonato cálcico cristalizado


Diferentes usos agrícolasDiferentes usos agrícolas


Diferentes usos silvícolasDiferentes usos silvícolas


Sulfuros sulfatos cloruros (arcilla limo y arena):Sulfuros, sulfatos, cloruros (arcilla, limo y arena):Son poco importantes en suelos de climas húmedos puesto que

son fácilmente lavados.L lf d f d d óLos sulfuros pueden ser transformados por oxidación en

sulfatos, más solubles, conforme aumenta el potencial redox delmediomedio.

Estos sulfatos son disponibles para las plantas.Los cloruros son las sales más solubles, presentándose sólo enl d á d á dsuelos de regiones áridas y semiáridas.


Cloruros

Sulfatos


Sulfuros: SulfatosSulfuros:BlendaPiritaG l

Sulfatos

Galena

FASE LÍQUIDAFASE LÍQUIDA

Es el componente fluido del suelo e interviene básicamente:1 f b ló d bl l d d1.-Como factor biológico, ya que es indispensable para la vida delas plantas y hace de portador de nutrientes.2 -Como factor de edafogenético interviniendo en la2. Como factor de edafogenético, interviniendo en lameteorización, humificación, migración de constituyentes (arcilla,óxidos, humus, etc.).

f d d d l d fíDiferentes estados desde el punto de vista físico:

Agua

disolución del suelo

Solución del suelo

FASE LÍQUIDAAgua higroscópica:Agua que absorbe el suelo a expensasAgua que absorbe el suelo a expensas

de la humedad atmosférica.

A ilAgua capilar:Es la que está absorbida en los poros

y en las cavidades más pequeñasy en las cavidades más pequeñas.Se mueve por el suelo mediante

difusión capilar de las zonas donde hayá d d hmás a donde hay menos.No está retenida con demasiada

energía por ello puede ser utilizada por

Agua gravitacional:

energía, por ello puede ser utilizada porlas plantas.

Agua gravitacional:Es la que se mueve por la acción de la gravedad y corresponde al

agua que momentáneamente se encuentra en el suelo después de unag plluvia abundante o riego.

Llena los poros más gruesos del suelo (Ø > 8 mm).

FASE GASEOSAEs la parte gaseosa del suelo, muy estable,

ya que se establece un doble equilibrio:1.-El consumo de O2 y la producción de CO2,en la que los seres vivos juegan un papelimportanteimportante.2.-La renovación de la atmósfera del suelopor intercambio de aire con la atmósferaexterior.

Está constituídaesencialmente por O2, CO2y N aunque en

La concentraciónde CO2 es mayory N2, aunque en

condiciones reductoraspueden presentarse SH2,

de CO2 es mayorque la del aire.

La concentraciónp p 2,CH4 y H2.

El % de O2 suele sermás bajo que el de la

de N2 es similar a lade la atmósfera.

más bajo que el de laatmósfera.

2.-PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS

PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS

Previo a la extracción de la arcilla, se deben de realizar losl d l dsiguientes pasos para eliminar todos los cementantes que puedan

dificultar su buena dispersión.En el caso de suelos se pesa una determinada cantidad de tierraEn el caso de suelos se pesa una determinada cantidad de tierra

fina (tamizado a 2 mm), mientras que en el caso de roca, setratan trozos minúsculos trozos de roca. En detalle, los pasos son:

-Eliminación de yeso y otras sales solubles. Se trata una adecuadacantidad de tierra fina con agua destilada Se lava el número decantidad de tierra fina con agua destilada. Se lava el número deveces necesarias para que se disuelva todo el yeso y las salessolubles de la muestra.El ó d b d l é d d ( )-Eliminación de carbonatos mediante el método de Ostrom (1961)

en un medio acético 0,3M procurando mantener esa concentraciónácida en el medio La eliminación total se habrá producido cuandoácida en el medio. La eliminación total se habrá producido cuandohaya cesado el burbujeo producido por la producción activa dedióxido de carbono.

ARCILLA


-Materia orgánica (Kunze, 1965). Se utiliza para su oxidaciónl % El h l b í d lH2O2 al 30%. El ataque se hace al baño maría tomando las

precauciones oportunas para no perder muestra ya que caliente,sobre todo en muestras muy humíferas la reacción puede ser muysobre todo en muestras muy humíferas, la reacción puede ser muyviolenta.-Eliminación de óxidos de hierro. Método de Mehra y Jackson(1 ) b d l ó ód d ó(1960) basado en la extracción con citrato sódico y reducción conhidrosulfito sódico en un medio tamponado con bicarbonato sódico.El ataque de la muestra se realiza al baño maría teniendo laEl ataque de la muestra se realiza al baño maría teniendo laprecaución de no sobrepasar los 80 oC que permitiría la formaciónde sulfuro de hierro precipitado que puede crear artefactos.

l d l lUna vez eliminados los anteriores cementantes, la muestraresultante se debe desecar en estufa procurando no sobrepasarlos 65 oC Una vez seca la muestra se podrá iniciar la extracciónlos 65 C. Una vez seca la muestra se podrá iniciar la extracciónde la arcilla.

ARCILLA


ARCILLA-Separación de la arena.

Di ió t-Dispersión muestra.-Extracción arcilla y limo.

EXTRACCIÓN DE LA ARCILLAEXTRACCIÓN DE LA ARCILLA

El residuo sólido obtenido se pasa por un tamiz de 50 mm,E r u t n pa a p r un tam z 5 mm,se recoge en una probeta la fracción que atraviesa el tamizy se lava las veces necesarias hasta la total dispersión de la

illarcilla.El proceso termina con la extracción de esta fracción por

sifonación de los 10 cm superiores tras reposo de 8 horas af nac n cm up r r tra r p h ra a20oC. Se podrán realizar tantas extracciones como arcilla sepretenda obtener o realizar el número necesario hasta

t ill i t tagotar arcilla existente.

ARCILLA

CARACTERIZACIÓN CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA MEDIANTE DIFRACTOGRAMA DE POLVO

Molienda de l t

DIAGRAMA DE POLVO

la muestra (roca/suelo)

DE POLVO

3.-SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS

SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS

Se lleva a cabo a continuación la saturación de la arcilla condiferentes cationes, de modo que se podrán estandarizar losresultados obtenidos al conocer exactamente el catión existenteresultados obtenidos al conocer exactamente el catión existenteen cada caso. Las saturaciones más empleadas son:

1.-MAGNESIO: Se realiza de acuerdo al método propuesto porJackson (1982). Para ello se pone la arcilla en contacto condiferentes reactivos seguido de centrifugación y decantación deldiferentes reactivos, seguido de centrifugación y decantación delsobrenadante. Se añade secuencialmente HCl 0,1N, acetatomagnésico 1N, cloruro magnésico 1N, metanol 50%, metanol 95 %g gy acetona 95%; siendo los últimos pasos necesarios para lavar elexceso de cloruros, cuya presencia se evalúa con nitrato de plata,mientras que la acidificación inicial es para evitar la formación demientras que la acidificación inicial es para evitar la formación dehidróxido de magnesio.

SATURACIÓN DE LAS SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS

2.-POTASIO: Se realiza de acuerdo al método propuesto porJ k (1974) P ll l illJackson (1974). Para ello se pone la arcilla en contacto condiferentes reactivos, seguido de centrifugación y decantacióndel sobrenadante Se añade de un modo secuencial HCl 0 1Ndel sobrenadante. Se añade de un modo secuencial HCl 0,1N,acetato potásico 1N, cloruro potásico 1N, metanol 50%,metanol 95 % y acetona 95%; siendo los últimos pasos

i l l d l inecesarios para lavar el exceso de cloruros, cuya presencia seevalúa con nitrato de plata apareciendo un enturbiamientoblanquecino mientras que la acidificación inicial es para evitarblanquecino, mientras que la acidificación inicial es para evitarla formación de hídróxido potásico.

SATURACIÓN DE LAS SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS

1 ml1 ml 1 ml1 ml 1 ml1 ml 1 1 1 ml1 ml

-- 22-- 11

1 ml1 ml

-- 33

1 ml1 ml

-- 44

mmll

-- 55-- 22-- 11 -- 33 -- 44 -- 55

SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS

3 CLORUROS DE ALQUILAMONIO: Se realiza la saturación

MUESTRAS

3.-CLORUROS DE ALQUILAMONIO: Se realiza la saturacióncon cloruros de alquilamonio con longitudes de cadena de 8-18(Weiss y Lagaly, 1967; Lagaly y Weiss, 1969; Ruehlicke yy g y g y y yKohler, 1981; Mermut y Arnaud, 1990; Stanjek et al., 1992)después de la saturación de la muestra con Na (Köster et al.,1972) Para la saturación en sodio se utiliza cloruro sódico 2N1972). Para la saturación en sodio se utiliza cloruro sódico 2N.Se aplica tres veces sucesivas, y en cada caso se realiza:aplicación, centrifugado y decantación del sobrenadante. Elp g ylavado con etanol en este caso se realiza al menos tres veces ycon agua destilada otras tres, aún así siempre comprobando quela prueba con nitrato de plata para cloruros sale negativa Trasla prueba con nitrato de plata para cloruros sale negativa. Trassecar la muestra a baja temperatura se tiene la muestra listapara saturar en cloruros de alquiamonio. Para ello se utilizan losp qcorrespondientes cloruros de cadena carbonada variable y semantiene la muestra 24 horas en la estufa con agitacióndiscontinua en cada caso a continuación se lava y centrifugadiscontinua en cada caso, a continuación se lava y centrifugaseis veces con etanol cada muestra.

4.-TRATAMIENTOS

TRATAMIENTOSTRATAMIENTOS

ETILENGLICOL: Las muestras saturadas en magnesio seETILENGLICOL: Las muestras saturadas en magnesio semantienen en una atmósfera saturada en etilenglicol duranteunas cuatro horas (Hendricks y Dyal, 1950; Brindley, 1966).E t b d li i t d i d l iEsta prueba se puede realizar introduciendo las preparacionesen agregado orientado saturadas en magnesio en un desecadorsaturado en etilenglicol a una temperatura de unos 80 oC.saturado en etilenglicol a una temperatura de unos 80 oC.

TRATAMIENTO TÉRMICO: Los agregados orientadossaturados en magnesio se introducen en la mufla a 550 oCd t d h (Whitti 1965)durante unas dos horas (Whitting, 1965).

TRATAMIENTO ÁCIDO: La muestra de arcilla saturada enmagnesio se introduce en un matraz a reflujo con ácido sulfúricomagnesio se introduce en un matraz a reflujo con ácido sulfúrico20% durante 30 minutos (Martín-Vivaldi y Rodríguez-Gallego,1961). A continuación se centrifuga y se desprecia el

b d t P t i t li N OH 1% lsobrenadante. Posteriormente aplicamos NaOH 1% y se vuelve acentrifugar. Tras decantar el último sobrenadante, se pasa laarcilla a un porta con la ayuda de agua destilada. Dejararcilla a un porta con la ayuda de agua destilada. Dejarfinalmente secar a temperatura ambiente el agregado orientado.

TRATAMIENTOSTRATAMIENTOS

-Saturación en Mg-Etilenglicol-Etilenglicol

-Tratamiento térmico-Tratamiento ácido

5.-DIFRACTOGRAMAS

DIFRACTOGRAMASDIFRACTOGRAMAS

Difractómetro Philips


Difractómetro BrukerDifractómetro Bruker

DIFRACTOGRAMAS

Polvo monomineral

DIFRACTOGRAMAS

Polvo multimineral

DIFRACTOGRAMAS

Polvo multimineral

DIFRACTOGRAMAS

Polvo multimineral


Identificación mineral Identificación mineral según tratamiento

DIFRACTOGRAMAS

Identificación mineral según tratamiento


Identificación mineral según tratamiento

Para filosilicatos en diagrama orientado basta rodar hasta 45o.Para filosilicatos en diagrama orientado basta rodar hasta 45 .En el caso de etilengricol, térmico y ácido vale con 15o. 68o enel caso de los de polvo.







TEXTURATEXTURA

Textura excesivamente arcillosa

-Porosidad-Permeabilidad-Permeabilidad+Escorrentía+Erosión hídrica

TEXTURA

Textura equilibrada

+Porosidad+Permeabilidad-EscorrentíaEscorrentía-Erosión hídrica

TEXTURA

Textura excesivamente arenosa+Porosidad+Permeabilidad-Escorrentía-Erosión hídrica-Erosión hídrica+Erosión eólica

TEXTURA

6.-ANÁLISIS SEMICUANTITATIVO

ANÁLISIS SEMICUANTITATIVOSEMICUANTITATIVO

Una vez que los diagramas se han interpretado (Thorez 1975)Una vez que los diagramas se han interpretado (Thorez, 1975)se realiza la estimación semicuantitativa relativa. Para ello sepueden utilizar los poderes reflectantes dados por Martín-Pozasp p p(1968) y Martín-Pozas et al. (1969).Así, para la ilita en la reflexión de 10 Å un poder reflectante de0 5 y 1 para la caolinita en la reflexión de 7Å ambas0,5 y 1 para la caolinita en la reflexión de 7Å, ambasreflexiones del difractograma de agregado saturado en Mg. Parala clorita se utiliza un poder reflectante de 2 en la reflexión dep14 Å del agregado sometido a tratamiento térmico. Para lavermiculita se emplea el mismo poder reflectante que para lailita ya que su estimación se hace por diferencia entre el picoilita, ya que su estimación se hace por diferencia entre el picode 10 Å del diagrama de calentamiento a 550oC y el de 10 Å dela arcilla saturada en Mg.g

Para semicuantificar el total de filosilicatos, el cuarzo y losfeldespatos, se utilizan, en los difractogramas de polvo, los picoscorrespondientes 4 45 4 24 y 3 24Å con reflexiones de 0 1correspondientes 4,45, 4,24 y 3,24Å con reflexiones de 0,1,0,7 y 1, respectivamente.

ANÁLISIS SEMICUANTITATIVOSEMICUANTITATIVO

La proporción semicuantitativa de los filosilicatos presentesen cada muestra viene expresada en las tablas

p ndi nt d l i i nt f m :correspondientes de la siguientes forma:+++++: más del 80% ++: 15-30%++++: 50-80% +: 5-15%+++: 30-50% t: menos del 5%

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