Unidad V: Propiedades físico - químicas del suelo

1. Unidad V: Propiedades físico - químicas del suelo • Coloides del suelo • Desarrollo de cargas en la fracción orgánica e inorgánica del suelo. Cargas permanentes y dependientes de pH • Doble capa difusa. Factores que afectan el espesor de la doble capa difusa. Fuerzas de atracción y repulsión entre los coloides • Dispersión y floculación de los coloides del suelo

2. COLOIDES DEL SUELO • ORGANICOS : humus • INORGANICOS: arcilla, óxidos de Fe y Al, y alofano. Se encuentran fundamentalmente en la fracción arcilla, pero también en la fracción limo.

3. Propiedades De Los Coloides • Tamaño microscópico. La mayoría tiene < 2 um de diámetro • Superficie específica(área por unidad de masa, cm2/g). Varía con el tamaño y la forma del coloide. Incluye la superficie externa e interna. • Desarrollo de cargas. En la mayoría de los suelos los coloides predomina carga neta negativa, aunque algunos coloides inorgánicos pueden tener carga neta positiva en suelos muy ácidos. • Adsorción de iones y agua. Las superficies cargadas de los coloides atraen iones de signo contrario y agua. La adsorción de aniones no es tan importante cuantitativamente como la de cationes.

4. O- Ca2+ COO- O- H+ COO- Unidad del coloide humus (principalmente C e H) K+ O- Mg2+ COO- O- H+ COO- NH4+ O- H+ COO- Na+ Cargas negativas Iones adsorbidos

5. Borde de la arcilla aumentado K+ Al+3 Ca+2 H+ Ca+2 Mg+2 Al+3 Ca+2 Ca+2 Ca+2 Ca+2 Cl- K+ Mg+2 Na+ Ca+2 Ca+2 Al+3 Ca+2 Mg+2 Ca+2 Mg+2 H+ Al+3 Superficie interna K+ M+ K+ Na+ Al+3 Ca+2 Ca+2 Mg+2 Mg+2 Ca+2 Ca+2 H+ Al+3 Mg+2 K+ H+ Ca+2 Al+3 Ca+2 H+ H+ Ca+2 K+ M+ SO42+ Mg+2 H+ Ca+2 Na+ H+ H+ Mg+2 Ca+2 K+ Ca+2 H+ H+ Ca+2 H+ Ca+2 Mg+2 Al+3 Mg+2 Ca+2 Al+3 Ca+2 M+ M+ K+ Na+ K+ H+ Ca+2 Ca+2 H+ Ca+2 H+ Ca+2 Ca+2 Al+3 Mg+2 Ca+2 H+ Ca+2 Ca+2 Ca+2 Al+3 H+ K+ Ca+2 Mg+2 Ca+2 H+ H+ Ca+2 K+ Ca+2 H+ Ca+2 H+ K+ Ca+2 Na+ Al+3 Al+3 Mg+2 K+ H+ Mg+2 H+ Ca+2 NH4+ NO3- Mg+2 Ca+2 H+ Al+3 Ca+2 Al+3 H+ Ca+2 Ca+2 M+ K+ K+ Na+ Mg+2 Ca+2 Ca+2 Ca+2 Al+3 Ca+2 Al+3 Ca+2 Al+3 Al+3 Na+ H+ Ca+2 Ca+2 H+ Ca+2 Mg+2 Al+3 Mg+2 Ca+2 Al+3 Superficie externa

6. Arcilla Fracción granulométrica arcilla: partículas minerales < 2 um (0.002 mm) de diámetro Minerales de la fracción arcilla: comprenden los filosilicatos (arcilla <0.02 um)

7. Arcillas Clasemineralógica: silicatos (unidades de tetraédros) Subclase: filosilicatos (estructura en láminas) son combinaciones de una lámina tetraédrica y una lámina octaédrica. Esta última lámina se denomina dioctaédrica o gíbsitica (formada por Al) y trioctaédrica o brucítica (formada por Mg)

8. ARCILLAS Se clasifican como: • 1:1 (bilaminar) cada capa está formada por una lámina octaédrica y tetraédrica • 2:1 (trilaminar ) cada capa está formada por una lámina octaédrica y dos tetraédricas • 2:1:1 (tetralaminar) cada capa está formada por una lámina octaédrica y dos tetraédricas, y el espacio entre capas está ocupado por una lámina octaédrica

10. Si Al Si Al Si

11. 0,7 nm 1,0 nm 1,4 nm 1,0-1,5 nm Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro Tetraedro 1-2 nm Hidróxido Octaedro Octaedro Octaedro Octaedro Octaedro Octaedro Octaedro Octaedro Octaedro Octaedro Moléculas de agua, Mg2+ y otros iones K+ Moléculas de agua y cationes Clorita (2:1:1) Montmorillonita (2:1) Illita (2:1) Caolinita (1:1) Vermiculita (2:1)

12. Arcillas 1:1 Son típicas de ambientes tropicales húmedos y muy meteorizados. Caolinita y haloisita. Caolinita • Las láminas octaédrica y tetraédrica se mantienen unidas mediante átomos de oxígeno • Las capas o unidades cristalinas están unidas vía puente hidrógeno • No expandible • Carga neta negativa, dependiente del pH, entre 2-5 cmolc/kg de arcilla • Forma hexagonal, con tamaños de hasta limo fino

13. Arcillas 2:1 Más abundantes en suelos moderadamente meteorizados • Expandible (distancia basal variable): esmectitas y vermiculitas. Son producto de micas y cloritas, y también de neoformación en medios ricos con Si, Mg e Fe • No expandible (distancia basal constante): moscovita, illita y biotita. Están presentes en casi todos los suelos y son el punto de partida para la formación de otras arcillas

14. Arcillas 2:1 Montmorillonita (esmectita) • Expandible • Las capas se mantienen unidas mediante uniones débiles catión-O y O-O • Carga neta negativa por sustitución isomórfica, principalmente en lámina octaédrica, entre 80-120 cmolc/kg de arcilla • Alta plasticidad, gran expansión al humedecerse y contracción al secarse

15. Arcillas 2:1 Vermiculita • Expansión moderada, las capas se mantienen unidas vía cationes o moléculas de agua • Carga neta negativa por sustitución isomórfica, principalmente en la lámina tetraédrica, entre 100-180 cmolc/kg de arcilla • Tienen capacidad de expansión y contracción moderada

16. Arcillas 2:1 Illita (también llamada mica fina) • Las capas se mantienen unidas vía iones K • No expandible • Carga neta negativa por sustitución isomórfica en la capa tetraédrica, entre 15-40 cmolc/kg de arcilla • Producto de meteorización de otras arcillas o neoformada

17. Arcillas 2:1:1 Entre las capas 2:1 se alterna una lámina octaédrica de hidróxido de Mg (brucítica) o de Al (gibsítica) Abundancia baja y poco estables en el suelo. Clorita • Comúnmente Mg domina en la lámina entre capas • No expandible • Carga neta negativa por sustitución isomórfica, entre 15-40 cmolc/kg de arcilla.

19. Óxidos de Fe y Al • Se encuentran en suelos muy meteorizados (trópicos y subtrópicos), pero también están presentes en regiones templadas en menor cantidad • A pH muy alto tienen carga neta negativa, y en suelos muy ácidos tienen carganeta positiva (carga dependiente del pH) • Son menos plásticos y adhesivos que las arcillas Óxidos de Fe • goetita (FeOOH) domina en regiones húmedas, da color pardo o amarillento a los suelos • hematita (Fe2O3) presente en regiones más secas, da color rojizo a los suelos Óxidos de Al • gibsita (Al(OH)3). Representa el estado más avanzado de meteorización.

20. Al H2O+0.5 inferior OH-0.5 superior OH-0.5 inferior H2O+ 0.5 superior Estructura de la gibsita

21. AlÓfano • Típico de suelos volcánicos poco desarrollados • Silicatos con bajo grado de ordenación • Elevada capacidad de hidratación • Cargas dependientes del pH, a pH alto desarrolla carga neta negativa y a pH bajo tiene carga neta positiva

22. Humus O Materia Orgánica humificada • Está integrado por sustancias no húmicas (proteínas, carbohidratos, lípidos, fosfolípidos, ácidos nucleicos, y lignina) y sustancias húmicas (ácidos húmicos y fúlvicos, y huminas) • Las sustancias húmicas son macromoléculas con C, O, H, y en menor cantidad tiene N y S • Elevada resistencia a la degradación • Carga neta negativa pH dependiente, entre 100 y 550 cmolc/kg de humus

23. Estructura esquemática del ácido húmico HO OH O OH O O O HO O O OH O OH O O HO (CH3)0 - 2 O (CH3)0-3 OH O O OH HO OH OH HO O O OH N HO H HO OH OH HO O O O O OH O (CH3)0 - 2 OH HO O N O OH C=N H O OH OH OH OH (CH3O)0 - 3 (CH3)0 - 4 O O OH O HO O OH O O O OH OH OH (CH3)0 - 2 (CH3)0 - 4 O OH O O N OH O OH OH (CH3)0 - 4 OH O OCH3 O HO HO O HO O C=N O HO (CH2)OH OH OH O (CH3)0-5 O O (CH3)0-5 OH OH O

24. ORIGEN DE LA CARGA • Carga permanente debida a la sustitución isomórfica en arcillas 2:1 • Carga variable o dependiente del pHdebida a la disociación o aceptación de H+ en grupos funcionales de superficie de las arcillas 1:1, óxidos de Fe y Al, alófano y humus La carga permanente y variable pueden generar cargas positivas y negativas.

25. Sustitución isomórfica • Genera carga positiva cuando un catión de mayor valencia desplaza a uno de menor valencia e igual radio, en el mineral Sin sustitución Con sustitución Mg3O2(OH)2 Mg2AlO2(OH)2+ Sin sustitución Con sustitución • Genera carga negativa cuando un catión de menor valencia desplaza a uno de mayor valencia e igual radio, en el mineral Sin sustitución Con sustitución Si2O4 SiAlO4- Al2(OH)6 AlMg(OH)6- • No genera carga cuando un catión es reemplazado por otro catión de igual valencia a igual radio, en el mineral

26. OH OH O O O O Al Al Mg Al OH OH O O O O Con sustitución de un Al3+por Mg2+ Sin sustitución

27. Sustitución isomórfica • Fuente importante de la carga neta negativa en arcillas 2:1 • En montmorillonita la sustitución ocurre fundamentalmente en la lámina octaédrica, en vermiculita en la lámina octaédrica y tetraédrica, y en illita en la lámina tetraédrica

28. CARGA pH DEPENDIENTE EN LAS ARCILLAS • Se debe a los -OH ubicados en los bordes de las arcillas • Al aumentar el pH el -OH disocia su H+ y genera carga negativa • Al disminuir el pH los iones H+ se unen a los -OH y generan cargas positivas Grupo aluminol Al-OH + OH- Al-O- +H2O (desprotonación) Al-OH + H+ Al-OH2+ (protonación) Grupo silanol Si-OH + OH- SiO- + H2O (desprotonación) • Un mismo sitio puede desarrollar carga +, - y 0.

29. CARGA pH DEPENDIENTE EN LOS óxidos de Fe y Al • Se debe a los -OH coordinados con los átomos de Fe y Al que integran los minerales. Para goetita es: Fe-OHo + OH- Fe-O- + H2O (desprotonación) Fe-OHo + H+ Fe-OH2+ (protonación)

30. CARGA pH DEPENDIENTE EN EL HUMUS • Por disociación de los grupos carboxílicos (R-COOH) e hidroxilo (anillo aromático-OH) de los fenoles que liberan H+. El carboxilo se disocia en un rango de pH de 4 a 6.5 y el fenol entre pH 7 y 9 Grupo carboxílico: R-COOH + OH R-COO- + H2O R-COO- + H+ R-COOH Grupo amino: R-NH2 + H+ R-NH3+ • A bajo y alto pH, el humus desarrolla carga neta negativa

31. Interacciones arcilla-agua: Doble capa Difusa En la interfase (sólido-líquido): • Primera capa: corresponde a la carga en la superficie de la arcilla • Segunda capa: es la capa difusa de iones adyacentes a la superficie de la arcilla que neutraliza las cargas negativas de la misma Ambas capas forman la doble capa difusa o doble capa iónica.

32. Fuerzasqueactúan en la doblecapaDiFUSA • Fuerzas de atracción electrostáticas, son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre arcilla y cationes • Fuerzas de repulsión electrostáticas • Fuerzas de difusión, tienden a igualar la concentración en todos los puntos

33. TEORÍA DE LA DOBLE CAPA DIFUSA • Modelo de Helmholtz • Modelo de Gouy-Chapman • Modelo de Stern

34. Teoríade Helmholtz • Primer capa: es la carga negativa igualmente distribuida sobre la superficie del coloide • Segunda capa: son los contraiones concentrados en un plano paralelo a la superficie del coloide

35. Teoría de Gouy-Chapman • La concentración de cationes decrece exponencialmente con la distancia a la superficie, con los aniones ocurre lo contrario • Permite predecir la distribución de los iones y el comportamiento del suelo en presencia de Ca2+ y Na+

37. Espesor EFECTIVO de la doble capa difusa Es la distancia hasta la que llega la influencia de la carga de la arcilla El espesor varía con: • Concentración de iones en la solución exterior • Carga de los iones (0.5 a 50 nm para divalentes y 100-1 nm para monovalentes) • Naturaleza del material coloidal • Radio hidratado de los iones

38. Teoría de Stern • Los iones están distribuidos en dos capas: Una capa interna junto a la superficie del coloide, donde los iones están fuertemente unidos (inmóviles) a la superficie (capa Stern) y otra capa más alejada de la superficie, donde la unión es más débil formando los iones una capa difusa (capa de Gouy-Chapman).

40. Interacciones entre dobles capas: Formación de microagregados • Fuerzas de atracción Fuerzas de Van der Waals son inversamente proporcional a la séptima potencia de la distancia y solo son efectivas cuando el espesor de las dobles capas es muy pequeño • Fuerzas de repulsión Provienen de los cationes de la capa difusa, decrecen exponencialmente con la distancia entre dobles capas

42. Formación de microagregados:Dispersión-floculación • Con alta concentración de iones, el espesor de la capa difusa disminuye y hay posibilidad de acercamiento de las partículas. Las fuerzas de atracción superan a las de repulsión, y da a lugar a la floculación formando los paquetes de arcillas (dominios de arcilla). • Las cantidades relativas que se requieren para flocular un sistema son aproximadamente: 0.04 Al3+, 2 Ca2+ y 100 Na+. • Floculación es el primer paso de la formación de agregados.