31
1 1 PROPIEDADES PROPIEDADES FISICOQUIMICAS FISICOQUIMICAS Como Como la la fotosíntesis fotosíntesis y la y la respiración respiración , , probablemente probablemente ningún ningún proceso proceso en la en la Naturaleza es Naturaleza es tan vital tan vital para para la la vida vida vegetal y animal vegetal y animal como el como el intercambio intercambio de de iones iones, entre entre las las partículas partículas de de suelo suelo y y las las raíces raíces de de las las plantas plantas .” .” Brady

Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

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Page 1: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

111

PROPIEDADESPROPIEDADESFISICOQUIMICASFISICOQUIMICAS

““ComoComo la la fotosíntesisfotosíntesis y la y larespiraciónrespiración, , probablementeprobablemente

ningúnningún procesoproceso en la en laNaturaleza es Naturaleza es tan vital tan vital parapara la lavidavida vegetal y animal vegetal y animal como el como elintercambio intercambio de de ionesiones,, entreentrelaslas partículaspartículas de de suelosuelo y y laslas

raícesraíces de de laslas plantasplantas.”.” Brady

Page 2: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

222

Actividad fisicoquímica deActividad fisicoquímica delos suelos depende de:los suelos depende de:

Tipo y superficie específica de lasTipo y superficie específica de laspartículaspartículas

Desarrollo de cargas eléctricasDesarrollo de cargas eléctricas

N° de partículas gN° de partículas g-1-1Superficie específicaSuperficie específica

(cm(cm22 g g-1-1))

a a mfmf

AA((coloidescoloides))

Page 3: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

333

Coloides del sueloColoides del suelo

TamañoTamaño..

Se clasifican en:Se clasifican en:•• Inorgánicos:Inorgánicos:•• Orgánicos:Orgánicos:

un coloide hidratado = micelaun coloide hidratado = micela

Tipos de carga desarrolladaTipos de carga desarrollada

Carga permanenteCarga permanente

Carga variableCarga variable

La carga neta o total del suelo es la sumaLa carga neta o total del suelo es la sumaalgebraica de sus cargas positivas y negativasalgebraica de sus cargas positivas y negativas

Page 4: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

444

Sustitución isomórficaSustitución isomórfica

AlAl++++++ AlAl+3+3

TetraedroTetraedro

OctaedroOctaedro

MgMg++++

Sustitución isomórficaSustitución isomórfica

AlAl++++++ por por SiSi++++++++ enen tetraedros tetraedros

MgMg++++, Fe, Fe++++ porpor AlAl++++++ en en octaedrosoctaedros

Page 5: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

555

Bordes quebradosBordes quebrados

Coloide orgánicoColoide orgánico(ionización de grupos)(ionización de grupos)

Hidroxilo: [-OH]Hidroxilo: [-OH]

Carboxilo: [-COOH]Carboxilo: [-COOH]

Fenoles: [-CFenoles: [-C66HH44OH]OH]

Aminas: [- NHAminas: [- NH22]]

Metaoxilo: [-OCHMetaoxilo: [-OCH33]]

Page 6: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

666

pHpH

pH del suelo

-

0

+

carga carga variable (variable (dependiente deldependiente delpH)pH)

Cargapermanente

(SI)

Page 7: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

777

CaracterísticasCaracterísticas de de cargacarga

Carga negativaCarga negativa Carga Carga positiva positiva

ColoideColoide TotalTotal Constante VariableConstante Variable

((cmolcmolcc/kg/kg) (%)) (%) (%) (%) ( (cmolcmolcc/kg/kg))

OrgánicoOrgánico 200 200 10 10 90 90 0 0

EsmectitaEsmectita 100 100 95 95 5 5 0 0

CaolinitaCaolinita 8 8 5 95 2 5 95 2

GibsitaGibsita 4 4 0 100 5 0 100 5

Carga dependiente del Carga dependiente del pHpH

O-

COO-

O-

COO-

O-

COO-

O-

COO-

H um us

O-

COOH

OH

COO-

OH

COOH

O-

COOH

Hum us

pH = 5,2 pH = 6,8

Page 8: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

888

CargaCarga de de unun suelo volcánicosuelo volcánicoC

arga

sup

erfic

ial

Car

ga s

uper

ficia

l

pH del suelopH del suelo

Carga negativaCarga negativa

Carga positivaCarga positiva

Carga netaCarga netaPunto de carga ceroPunto de carga cero

ADSORCION ADSORCION ≠≠ ABSORCION ABSORCION ≠≠ FIJACION FIJACION

Page 9: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

999

Hidratación de coloide

+ CatiónMolécula de agua

Partícula dearcilla

Capa de aguaadsorbida

+

+

+

+

+

Iones comunes en los suelos

Page 10: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

101010

Material parental/ElementosMaterial parental/Elementos(fondo geoquímico)(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_3.0( )Li, 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 mineralesprimarios

Mineralprimario

Elementosprincipales

Elementos accesorios

OlivinoHornblendaAugitaBiotitaApatitaAnortitaAndesinaOligoclasaAlbitaOrtoclasaMuscovitaIlmenitaMagnetitaTurmalina

Mg, Fe, SiMg, Fe, Ca, Al,SiCa, Mg, Al, SiK, Mg, Fe, Al, SiCa, P, FCa, Al, SiCa, Na, Al, SiNa, Ca, Al, SiNa, Al, SiK, Al, SiK, Al, SiFe, TiFeCa, Mg, Fe, B, Al, Si

Ni, Co, Mn, Li, Zn, Cu, MoNi, Co, Mn, Sc, Li, Zn, Cu, Ga, VNi, Co, Mn, Sc, Li, V, Zn, Pb, Cu, GaRb, Ba, Ni, Co, Sc, Li, Mn, V, Zn, Cu, GaPb, SrSr, Cu, Ga, MnSr, Cu, Ga, MnCu, GaCu, GaRb. Ba, Sr, Cu, GaF, Rb, Ba, Sr, Ga, VCo, Ni, Cr, VZn, Co, Ni, Cr, VLi, F, Ga

Page 11: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

111111

Nutrientes (elementos esenciales)Nutrientes (elementos esenciales)

Criterios Criterios de de EscencialidadEscencialidad((ArnonArnon)

FósforoFósforo (P) (P)

PotasioPotasio (K) (K)

NitrogenoNitrogeno (N) (N)

MacronutrienteMacronutrientePrimarioPrimario

AzufreAzufre (S) (S)

MagnesioMagnesio (Mg) (Mg)

CalcioCalcio (Ca) (Ca)

MacronutrienteMacronutrienteSecundarioSecundario

MolibdenoMolibdeno (Mo) (Mo)

BoroBoro (B) (B)

CloroCloro (Cl) (Cl)

CobreCobre (Cu) (Cu)

ManganesoManganeso (Mn) (Mn)

Zinc (Zn)Zinc (Zn)

HierroHierro (Fe) (Fe)

MicronutrienteMicronutriente

C, H y OC, H y O

Page 12: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

121212

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) 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 CO2

H Hidrógeno H2O

O Oxígeno H2O (ps) poco soluble

CONCENTRACION DE ELEMENTO ESENCIAL

Deficiente Optimo Tóxico Letal

Tolerable Tóxico Letal

Page 13: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

131313

+ +

++

+

+

++

++

+

+

++

+

+ +

+

++

+ ++

+ ++

+

+

+

++

+

++ +++ +

+

+++

+

+

++

+

++

+

coloide

Imanes

-

-

+

-

Atracción

Repulsión

En Suelos

Coloide

Cu+

Coloide

K+

Potasio

Coloide

NO3-

Nitrato

+ -

+ +

Page 14: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

141414

ADSORCIONADSORCION::

Según la naturaleza de las fuerzasque intervienen en la unión y según lasustancia, se habla de:

Intercambio iónico

Quimisorción

Sorción física

K+

K+

K+

Ca+2+ Ca+2

Al+3 + 3K+ K+

K+

+ 2K+

+ Al3+

ColoideColoide ColoideColoide

Page 15: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

151515

ColoideColoide

K+

H+

H+

H+

H+

K+

K+

K+ K+

K+

H+

K+

K+

Ca+

NH4+

Ca+

Ca+

Ca+

Ca+

Ca+

Ca+ NH4+

NH4+

NH4+

NH4+

NH4+

NO 3-

NO 3-

NO 3-

NO 3-

PO 4-

PO 4-

PO 4-

PO 4-

PO 4-

PO 4-

PO 4-

PO 4-

PO 4-

AL MENOS 3 TEORÍAS DELAL MENOS 3 TEORÍAS DELINTERCAMBIO IÓNICOINTERCAMBIO IÓNICO

RED CRISTALINA

DOBLE CAPA DIFUSA

MEMBRANA SEMIPERMEABLE

Page 16: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

161616

Doble capa difusaDoble capa difusa

Ani

ónC

atió

n

Distancia desde la partícula

Coloide Solución suelo

Den

sida

d ió

nica

Rad

io ió

nico

(Å)

Rad

io ió

nico

(Å)

ValenciaValencia

Aniones solublesAniones solubles

Cationes Cationes fuertemente fuertemente hidratados hidratados

solublessolubles

Oxidos e hidróxidos Oxidos e hidróxidos anfotéricos anfotéricos facilmente facilmente

precipitadosprecipitadosCat

ione

s dé

bilm

ente

C

atio

nes

débi

lmen

te

hidr

atad

os s

olub

les

hidr

atad

os s

olub

les

Page 17: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

171717

ExpresiónExpresión deldel intercambiointercambio en ensuelossuelos

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICOCAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO((cationcation exchange capacity exchange capacity))

CantidadCantidad total de total de cationescationes intercambiablesintercambiables quequeunun material o material o suelosuelo puedepuede adsorberadsorber a a unun

determinadodeterminado pH. pH.

Eventualmente al desarrollarse cargaEventualmente al desarrollarse cargapositiva se habla depositiva se habla de

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO ANIONICOCAPACIDAD DE INTERCAMBIO ANIONICO

Carga dependiente del pH

CIA, Capacidad de Intercambio aniónicoCIC, Capacidad de Interambio catiónicoCarga total

CIA, CIC

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

pH de la suspensión

CIA

CIC

(cm

olc/k

g)

(cm

olc/k

g)

Page 18: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

181818

CapacidadCapacidad de de intercambiointercambio catiónico catiónicoCICCIC

cmolcmol(+) kg(+) kg-1-1 = = meq meq/100 g/100 g

númeronúmero de de cargas cargas !!! !!!nono número número de de iones iones

OxidosOxidos de Al y de Al yFeFe

ArcillasArcillassilicatadassilicatadas

Humus (M.O)Humus (M.O)

CargaCargapositivapositiva

CargaCarganegativanegativa

TipoTipo de decoloidecoloide

200 cmolc/kg 0 cmolc/kg

≈100 cmolc/kg 0 cmolc/kg

4 cmolc/kg 5 cmolc/kg

CIC CIC depende depende de:de:CantidadCantidad de de arcillaarcilla y M.O y M.OTipoTipo de mineral de de mineral de arcillaarcilla presentepresente

Page 19: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

191919

SueloSuelo

CalculandoCalculando CIC CIC

1 mol de carga:1 mol de carga:

1 mol de cationes monovalentes1 mol de cationes monovalentes

1/2 mol de cationes divalentes1/2 mol de cationes divalentes

1/3 mol de cationes trivalentes1/3 mol de cationes trivalentes

Page 20: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

202020

Regla generalRegla general

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

CIC de minerales de arcilla: 3 a 150!

CIC de arcillaCIC de arcilla(cmolc/kg)

CaolinitaCaolinita 3-153-15

IllitaIllita y cloritay clorita 10-4010-40

HalloisitaHalloisita 5-505-50

Esmectitas (Esmectitas (MontmorrillonitaMontmorrillonita)) 80-15080-150

VermiculitaVermiculita 100-150100-150

Alofana (Alofana (suelos volcánicossuelos volcánicos)) < 100< 100

S.Húmicas (S.Húmicas (humatos>huminas>fulvatoshumatos>huminas>fulvatos)) 300-500300-500

M.OM.O 150-500150-500oxidos e hidróx. Fe y Al 4

CIC de otrosCIC de otrosLimo de cuarzoLimo de cuarzo < 0,01< 0,01

CuarzoCuarzo 1-21-2

FeldespatosFeldespatos 1-21-2

Page 21: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

212121

Mineral Condición CIC Potencial Superficiesecundario Tipo de unión / [cmol/kg] hinchamiento específica interlaminar [m2/g] carece de Caolinita 1 : 1 superficie 3 - 15 casi 5 - 20

(no-expandible) interlaminar; nada fuerte unión muy débil Montmorillonita 2 : 1 unión, gran 80 - 150 alto 700-800

(expandible) expansión

debil unión Vermiculita 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 CIC y texturatextura

Clase texturalClase textural CICCIC

((cmolcmolcc/kg)/kg)

ArenosaArenosa 2-32-3

Franco Franco arenosaarenosa 3-103-10

FrancaFranca 11-1611-16

Franco Franco limosalimosa 13-2613-26

Arcillosa y arcillo Arcillosa y arcillo limosalimosa 4-584-58

Page 22: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

222222

CálculoCálculo

CICCICsuelosuelo = = ΣΣ (% Ai x CIC (% Ai x CICAiAi) + (%M.O x CIC) + (%M.O x CICMOMO))

CIC CIC vsvs..intensidadintensidad de meteorización de meteorización

2:12:1 1:11:1 Oxidos FeOxidos Fe& Al& Al

CIACIACICCIC

MeteorizaciónMeteorización

Car

ga (

Car

ga ( c

mol

cmol

cc/kg)

/kg)

Page 23: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

232323

CationesCationes adsorbidos : adsorbidos : zona zona

H+

Al+3

H+

H+

Ca+2

K+

HúmedaHúmeda AridaArida

CationesCationes adsorbidos adsorbidos

“cationesde reacciónácida”

“cationes dereacciónbásica”

OrdenOrdenHH

SS

Page 24: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

242424

Saturación básica Saturación básica (SB)(SB)

Σ Σ (Ca, Mg, Na, K)(Ca, Mg, Na, K)

SB(%)= ————————— 100SB(%)= ————————— 100

ΣΣ (cationes) (cationes)

Σ Σ (Ca, Mg, Na, K)(Ca, Mg, Na, K)

SB(%)= ————————— 100SB(%)= ————————— 100

CIC CIC

Acidez del sueloAcidez del suelo

ActivaActiva

PotencialPotencial

Page 25: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

252525

Ca++

Mg++ K+

H+

Al+++NH4+

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Al+++

Mg++Mg++

Al+++

H+

K+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

Cantidad:AcidezPotencial

Intensidad:AcidezActiva

pH

Tamponamiento

TamponamientoTamponamientoSueloSuelo tiendetiende a a impedirimpedir cambioscambios de pH de pH

Si Si hay > hay > arcillaarcilla y M.O > y M.O > tamponamientotamponamiento

pH

Enm

iend

a ap

licad

a Franco arcillosaFranco arcillosa

CIC = 25 cmolCIC = 25 cmolcc/kg/kg

Franco limosa

CIC = 15 cmolc/kg

Franco arenosaFranco arenosa

CIC = 10 cmolCIC = 10 cmolcc/kg/kg

Arenosa

CIC = 5 cmolc/kg

aa

FaFa

FLFL

FAFA

Page 26: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

262626

Fe2+

Fe3+

Bacteria reductoradel Metal

CompuestosOrgánicos

e-

Reacción Redoxcatalizada por bacteria

Procesos Redox en Suelos

RespiraciónAeróbica

RespiraciónAnaeróbica

Ferm entación

O2 > H2O

Corg > CO2

Reducción de nitrato(Desnitrificación)

Reducción M n / Fe

Reducción de Sulfato(Form ación de H 2S)

Form ación de Metano

NO3- > N2

Corg > HCO3-

MnO2 > Mn2+

Corg > HCO3-

Fe3+ > Fe2+

Corg > HCO3-

SO42- > H2S

Corg > HCO3-

Corg > CH4

Corg > CO2

O xidación

Reacciones

Page 27: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

272727

Potencial redox (Eh) críticoen solución a pH7

Pote

ncia

l Red

ox, E

h (m

V)

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

H2O NO3-

N2

O2

MnO2

Mn2+

Fe(OH) 3

Fe2+

Mn2+

NO3-

O2

SO42-

H2S

CO2

CH4 H2OH2

Descomposición del agua

Descomposición del agua

Reducción Anaeróbica en suelos

Teórica enSoluciones

Medida en laSoluciónSuelo

Reacciones entre Metales y el suelo

Precipitacióny

Disolución

Intercambioiónico

yAdsorción

ReacciónRedox

de complejo

Formación

Acido-Base

Reacción

Transferencia de masa

Concentracióndel metal en laSolución suelo

Page 28: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

282828

Expresiones de sodicidadExpresiones de sodicidadPorcentaje de sodio intercambiable (PSI)Porcentaje de sodio intercambiable (PSI)

[Na][Na] PSI= PSI= ———————— x 100 (%) x 100 (%)

CICCIC

Relación de adsorción de sodio (RAS)Relación de adsorción de sodio (RAS)[Na][Na]

RAS= RAS= ———————————— √√ (Ca +Mg)/2(Ca +Mg)/2

TiposTipos de de suelo según suelo segúnsalinidadsalinidad

CE (dS mCE (dS m-1-1))44

1515

PSIPSI(%)(%)

0000

SueloSuelo“normal”“normal”

SueloSuelosódicosódico

SueloSuelosalinosalino

SueloSuelosalino-sódicosalino-sódico

Page 29: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

292929

Habilitación Habilitación de de suelo segúnsuelo segúnsalinidadsalinidad

CE (dS mCE (dS m-1-1))44

1515

PSIPSI(%)(%)

0000

EnmiendaEnmienda++

lavadolavado

EnmiendaEnmienda++

lavadolavado

Lavado Lavado

SalinoSalino SódicoSódico

Salino-sódicoSalino-sódico

Page 30: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

303030

Habilitación Habilitación de de suelo segúnsuelo segúnsalinidadsalinidad

CE (dS mCE (dS m-1-1))44

1515

PSIPSI(%)(%)

0000

CaCOCaCO33/CaO/CaSO/CaO/CaSO44

++lavadolavado

CaCOCaCO33/CaO/CaSO/CaO/CaSO44

++lavadolavado

Lavado Lavado

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 0,8MgCO3 0,8

Page 31: Prop. Fisicoquimicas, Raquel E

313131

Solubilidades en agua a 20°C

g L-1

CaCO3 0,01 MgCO3 0,10 CaSO4.2H2O 2,40 Na2CO3 71,00 KNO3 150,00 Na2SO4.7H20 195,00 MgSO4 262,00 Ca(HCO3) 2 262,00 NaCl 360,00 MgSO4.7H20 710,00 NaNO3 921,00 MgCl2.6H2O 1.670,00 CaCl2.6H2O 2.790,00