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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
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))
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
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
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]]
666
pHpH
pH del suelo
-
0
+
carga carga variable (variable (dependiente deldependiente delpH)pH)
Cargapermanente
(SI)
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
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
999
Hidratación de coloide
+ CatiónMolécula de agua
Partícula dearcilla
Capa de aguaadsorbida
+
+
+
+
+
Iones comunes en los suelos
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
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
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
131313
+ +
++
+
+
++
++
+
+
++
+
+ +
+
++
+ ++
+ ++
+
+
+
++
+
++ +++ +
+
+++
+
+
++
+
++
+
coloide
Imanes
-
-
+
-
Atracción
Repulsión
En Suelos
Coloide
Cu+
Coloide
K+
Potasio
Coloide
NO3-
Nitrato
+ -
+ +
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
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
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
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)
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
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
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
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
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)
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
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
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
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
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
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
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
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
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