2. Introducción
La fracción sólida del suelo está compuesta por:
• materiales gruesos
• fracción fina (materia orgánica, óxidos, arcilla)
- con gran actividad química
- en estado coloidal (plasma)
3. Estado coloidal
Sistema disperso compuesto por dos fases:
- dispersa: partículas
- dispersante
Características de la fase dispersa:
- partículas finas (micelas) < 1µm
- agregados polimoleculares
- cargadas eléctricamente (mov. browniano)
- superficie específica muy grande
4. Superficie específica y tamaño de
partículas
Diámetro Nombre Superficie específica
cm textural cm 2 g-1
0.1 Arena gruesa 31.42
0.01 Arena fina 314.16
0.002 Limo 1570.80
0.0001 Arcilla 31416.00
0.00001 Arcilla coloidal 314160.00
Baver, 1956
5. Importancia agronómica
• Capacidad de adsorber iones
• Rol en la dinámica del agua en el suelo
• Influyen en la formación de la estructura del
suelo
Papel fundamental en la nutrición vegetal
6. Propiedades de las micelas coloidales
• cargadas eléctricamente
• ejercen atracción sobre iones de carga
contraria presentes en la solución del suelo
Origen de las cargas en los materiales
coloidales del suelo:
1) en minerales arcillosos
2) en la materia orgánica
3) en óxidos e hidróxidos
7. 1) Origen de las cargas en minerales arcillosos:
- Bordes de cristales
- Imperfecciones de la red cristalina
- Sustituciones isomórficas en la red
8. Tipo 1:1 Caolinita
disociación del H del OH de lámina octaédrica
depende de valor de pK
⇒ carga dependiente del pH o de tipo variable
Tipo 2:1 Smectitas, Micas
por sustituciones isomórficas en tetraedros (Si
por Al) y/o octaedros (Al por Mg, Fe)
- de mayores dimensiones
- no dependiente del pH
- no sería reversible ⇒ carga permanente
9. 2) Origen de las cargas en coloides orgánicos:
Características:
- compuestos de estructura variable, compleja,
poco definida
- compuestos inestables
- tamaño de micelas pequeño
- grupos carboxilo --COOH
- grupos fenólicos --OH
- grupos enólicos --OH
disociación de H de grupos depende del pK
⇒ carga dependiente del pH o de tipo variable
10. 3) Origen de las cargas en óxidos e hidróxidos:
- AlOH + H+ AlOH2+
⇒ carga dependiente del pH o de tipo variable
11. Esquema teórico de micelas coloidales
- Superficie coloidal cargada eléctricamente
- Atracción electrostática de iones de carga
contraria: cationes (Ca++, K+, Mg++, Na+, Al+++,
NH4+ ,H+) , óxidos e hidróxidos, moléculas de
agua.
- Fuerza contrapuesta: difusión de iones por
efecto osmótico
- Presencia de iones negativos
- Iones: rodeados por moléculas de agua
12. Esquema de la superficie coloidal y
la solución del suelo
13. Modelo de Stern
-
- + + + +
- +
+
- + + - -
- + +
+ +
+ - -
- + +
-
+
- + + - +
+ + - -
- + -
+ + +
- + - -
+ + +
-
-
Solución interna Solución
Capa difusa o de Gouy externa
Capa fija
o de Distancia desde la superficie
Helmholtz
15. ψ
Potencial z o electrocinético: diferencia de
potencial o remanente de carga de una
micela coloidal que no ha sido
completamente compensada por la capa de
iones fija
Carga con que la micela se mueve en un
campo eléctrico
z
distancia
Solución interna Solución externa
Capa fija Capa difusa o de Gouy
o de
Helmholtz (Adap. Van Olphen, 1963)
16. Consecuencias de un cambio en el
potencial z
A > potencial z > repulsión entre coloides
⇒ Estado disperso
A < potencial z < repulsión entre coloides
⇒ Estado floculado
• Hay ventajas del estado floculado
¿De qué depende que un coloide tenga mayor
o menor potencial z?
17. 1) Potencial iónico
Potencial eléctrico a nivel de la capa periférica del ion
Ø = carga/radio iónico hidratado
• Cationes de alto Ø: > concentración en solución interna
tienden a disminuir más el potencial z
el coloide tiende a estar floculado
• Cationes de bajo Ø: < concentración en solución interna
> tendencia a ser liberado
el coloide presenta > potencial z
el coloide tiende a estar disperso
Al+++ > Ca++ > Mg++ > K+ = NH4+ > Na+
18. Variación de espesor de DCD con la carga del ión
Concentración
n+2 n+
n+ = n -
n-2
n-
Distancia
(Blake, 1968)
19. 2) Concentración de electrolitos
El potencial z es menor si la concentración salina
externa al coloide es mayor
⇒ a mayor concentración de iones en la solución, el
coloide tiende a estar más floculado
20. Variación de espesor de DCD con la concentración
Concentración del ión
c2
c1
Distancia
(Blake, 1968)
22. Fuerzas de adsorción de iones a las
micelas coloidales
O T Ley de Coulomb
d1 Ca x Cc
F = K -----------
d2
Ca: carga del anión (coloide)
d2 Cc: carga del catión
d: distancia entre centros de
d3 cargas
K: constante
d1 > d2 ⇒ F1 < F2
d3 > d2 ⇒ F3 < F2
23. Sistemas de intercambio iónico
1) Sistemas de silicatos laminares
2) Sistemas de óxidos
3) Sistemas de silicatos laminares con
revestimientos de óxidos
Uruguay: sistema transicional entre 1) y 3)
24. Sistema de intercambio iónico
predominante en suelos del Uruguay
- predominio de arcillas 2:1 e interestratificados
- actividad química de la arcilla: 50 -70 cmolc kg-1
- contenido de óxidos de Fe < 1%
- contenido de M.O.: 4 - 6 %
- relación óxidos de Fe/Arcilla < 0.05
⇒ predominio de cargas permanentes de la
arcilla y dependientes del pH de la materia
orgánica
25. Intercambio catiónico
Definición:
proceso a través del cual los cationes retenidos por los
coloides de suelo pueden ser liberados a la solución, y un ion
presente en la solución pasa a ser retenido por el coloide.
Importancia agronómica:
determina la capacidad del suelo (poder buffer) de
responder frente a cambios en la composición catiónica de la
solución, asegurando la nutrición de las plantas
27. Características del intercambio catiónico
• Regulado por la ley de acción de masas
Micela-Ca++ + 2Na+ ↔ Micela-2Na+ + Ca++
• Generalmente equivalencia química
• Proceso reversible
• Límite generalmente neto
• Equilibrio rápido y dinámico - intercambio
continuo
28. Diferencias entre formas intercambiables y no
intercambiables de los cationes
planta
solución Cationes Cationes
externa intercamb. no intercamb.
(estructuras minerales)
29. Terminologías
Cationes de intercambio: son los cationes asociados
al suelo que pueden intercambiarse con los de la
solución sin que se descompongan los sólidos del
suelo
a) Bases de intercambio: le confieren al suelo un
carácter básico : Ca++, Mg++, K+ y Na+
b) Aluminio (Al+++ ) o acidez intercambiable: el Al
hexahidratado, le confiere al suelo acidez,
pudiendo ceder protones por disociación de
sus moléculas de agua
30. Terminologías
Capacidad de intercambio catiónico
Máxima cantidad de de cationes que un material
puede adsorber, expresada en centimoles de cargas
(c) por kg de su peso (cmolc kg-1 = meq/100 g)
Saturación en bases
Porcentaje de la CIC total que es ocupada por los
cationes básicos: (BT/CIC)*100
31. Saturación en bases
depende de: - zonas climáticas
región húmeda < región árida
Ca Ca
Al Micela Mg Micela
H K
- material original del suelo
• calizas y rocas ígneas básicas
• rocas ígneas ácidas
- pH del suelo
32. Valores promedio de capacidad de intercambio,
superficie específica y densidad de cargas de
algunas arcillas (según Scheffer y Schachtschabel)
33. CIC de la materia orgánica
Estimaciones:
a) Método por diferencia
Valores promedio: 178 (96-328 cmol(+) kg-1)
b) Método por regresión múltiple
Valores promedio: 157 (99-197 cmol(+) kg-1)
Suelos Contribución relativa
% MO % Arcilla
Lodolitas 42 58
Areniscas 26 74
Basalto 31 69
Víctora, Zamalvide, 1972
Brunosoles éutricos y subéutricos (Durán, 1991)
CIC (cmol(c) kg-1) = -4.57 + 4.05 (%Corg) + 0.54 (%Arc)
R2 = 0.818
CIC MO = 235 cmol(c) kg-1)
35. Intercambio catiónico completo
- Sólo ocurre en condiciones de laboratorio
- Se utiliza un exceso de un catión dado
- Objetivo: determinar la CIC o cationes de intercambio
36. Determinación de la CIC y bases de
intercambio
a) Desplazamiento de los cationes del suelo mediante una
solución (sal de NH4+)
Resultados: posiciones de intercambio saturadas con NH4+
En el extracto: cationes de intercambio
b) Lavado del exceso de NH4+ con alcohol
c) Desplazamiento del NH4+ mediante una sal (NaCl, KCl)
Resultado: recolección en el extracto del NH4+ retenido por
el suelo, en una cantidad equivalente a las posiciones de
intercambio
38. Intercambio catiónico incompleto
• Ocurre realmente en el campo
• Agregado del catión desplazante en cantidades
pequeñas
• Toma cationes selectivamente, influyendo en el
equilibrio del suelo
Ej.: - agregado de un fertilizante K
- lluvia o sequía
• El fenómeno se desplaza en sentido de la
solución interna o externa hasta un nuevo
equilibrio
39. Formulación matemática
Bases: Ley de las relaciones y potenciales catiónicos de Schofield
Ca 0.5X + K+ ↔ KX + 0.5 Ca+2
aK+e aK+i
√ aCa++e √ aCa++ i
Donde:
aK+ : actividad de cationes monovalentes
Ca++ : actividad de cationes bivalentes
e: cationes en solución externa
i: cationes en solución interna
La proporción de las actividades de dos iones en la solución
interna es igual a la proporción de sus actividades en la
solución externa
40. Ley de las relaciones
“Cuando los cationes en una solución diluida están en
equilibrio con un gran número de cationes
intercambiables, al variar la concentración de la
solución no se alterará el equilibrio en el cambiador si
todas las concentraciones de iones monovalentes se
modifican en la misma proporción, la de los iones
divalentes proporcionalmente a la raíz cuadrada de
dicha proporción, y la de los iones trivalentes en forma
proporcional a la raíz cúbica de la misma proporción”.
41. Ejemplos:
Relación inicial del suelo: aK+e / √aCa++e = 1/ √ 4 = 0,5
1) Fertilización con K : aK+e = 2 y aCa++e = 4
⇒ aK+e / √aCa++e = 2 / √4 = 1
Como se tiende al equilibrio (volver a 0.5), el
complejo de intercambio debe ceder Ca a la solución
externa, y K es retirado de la solución externa
2) Ocurrencia de lluvia: se diluye la solución externa
aK+e = 0.5 y aCa++e = 2
⇒ aK+e / √aCa++e = 0.5 / √2 = 0.35
Sale K del complejo de intercambio, y entra Ca
42. Factores que influyen en el intercambio
catiónico incompleto
a) Potencial iónico del catión retenido
b) Catión complementario o acompañante
c) Proporción del catión retenido
d) Concentración salina externa
e) Selectividad del material intercambiador
43. a) Potencial iónico: carga/radio iónico = Ø
a > Ø > concentración en la solución interna
a < Ø hay más tendencia a ser liberado
Al+++ > Ca++ > Mg++ > K+ = NH4+ > Na+
44. b) Cationes complementarios
La liberación a la solución externa a partir de una forma
intercambiable aumenta al aumentar la energía de
retención del resto de los cationes intercambiables
Ejemplo: ClNH4
0,5 mol Ca 0,5 mol Ca
+ 0,5 mol Mg + 0,5 mol Na
0,18 mol Ca desplazado 0,09 mol Ca desplazado
45. c) Proporción del catión retenido
Al disminuir la proporción de un catión en las
posiciones de intercambio, existe una menor
tendencia a pasar a la solución externa, por estar
más fuertemente retenido.
(Aún en suelos muy lixiviados, hay cationes en
posiciones de intercambio)
46. d) Concentración salina externa
Los coloides son más selectivos cuando la
solución se encuentra diluida.
A concentraciones bajas disminuye la proporción
de los iones monovalentes en el complejo de
intercambio, en tanto que aumenta la de los
bivalentes.
47. Concentración salina externa
Concentraciones de las soluciones
0.1M 0.01M 0.001M 0.0001M
Ca K Ca K Ca K Ca K
% 59.5 40.5 91.0 9.0 95.7 4.3 97.5 2.5
saturac
.
48. Inicialmente : aK+e 1 0,5
√ aCa++e √4
Llueve: se diluye la solución externa
0,5 0,35
√2
⇒ salen iones K a la solución
mayor retención de Ca que de K
Sequía: ocurre lo contrario
49. e) Selectividad del material intercambiador
Retención de Ca++ y NH4+ al percolar una solución
de acetato de Ca y acetato de NH4 0.005N
%
Ca++ NH4+
Acidos húmicos 92 8
Montmorillonita 63 37
Caolinita 54 46
A > CIC, > % de catión con alto P.I. retenido
50. - Vermiculita e Illita respecto al K+ y NH4+
(es una de las causas de falta de equivalencia
química)
K o NH4+
- Quelatos: Selectivos para los cationes de alta
carga