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

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.

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.

Unidad del coloide humus

(principalmente C e H)

COO-

COO-

COO-

COO-

COO-

O-

O-

O-

O-

O-

Ca2+

H+

K+

H+

H+

Na+

NH4+

Mg2+

Cargas negativas Iones adsorbidos

Superficie externa

Ca+2

Ca+2

Ca+2

Ca+2

Mg+2

K+

H+

Na+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Ca+2

Ca+2

Ca+2

Ca+2

Ca+2

Ca+2

Ca+2

K+

K+

K+

K+ K+

K+

K+

M+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+ H+

H+

H+

Mg+2

Mg+2

Mg+2

Mg+2

Mg+2

Mg+2

Mg+2

Ca+2Ca+2

Ca+2

H+

H+

H+

Ca+2 H+

H+H

+Ca

+2

Al+3 Ca+2Ca+2Ca+2

H+

H+

H+

H+

H+

Ca+2 Al+3 Ca+2

Ca+2

Al+3 Al+3

Al+3 Al+3 Ca+2 Ca+2 Ca+2 Ca+2

Ca+2 Mg+2

Mg+2Mg+2

Ca+2 Ca+2

Ca+2

Ca+2

M+

M+

M+

Al+3

Mg+2 Mg+2

Mg+2

Mg+2

Mg+2

Ca+2Ca+2Ca+2Ca+2

H+

H+H+

H+

H+ Al+3

Al+3

Al+3

Ca+2Ca+2 Ca+2 Ca+2 Al+3

Al+3

Al+3

Al+3

Al+3

Ca+2

K+ K+

K+K+

Ca+2 Ca+2 Ca+2 Ca+2

Ca+2 Al+3 Ca+2 Mg+2 Ca+2 Al+3 Ca+2 Al+3 Ca+2

Al+3

Al+3 Ca+2Ca+2Ca+2 Mg+2 Al+3 Ca+2 Mg+2

K+

K+

K+

M+

NH4+

Cl-

SO42+

NO3-

Superficie interna

Borde de la arcilla aumentado

ARCILLA

1)Fracción granulométrica arcilla: partículas minerales < 2 um (0.002 mm) de diámetro

2)Minerales de la fracción arcilla: comprenden los filosilicatos (arcilla <0.02 um)

ARCILLAS

Clase mineralógica: 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)

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

Al

Al

Si

Si

Si

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Hidróxido

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Tetraedro

Octaedro

Tetraedro

Caolinita (1:1)

Montmorillonita (2:1)

Vermiculita (2:1)

Illita (2:1)

Clorita (2:1:1)

1-2 nm

1,0-1,5 nm

1,0 nm 1,4

nm

0,7 nm

Moléculas de agua y cationes

Moléculas de agua, Mg2+ y otros iones

K+

ARCILLAS 1:1Son típicas de ambientes tropicales húmedos y muy

meteorizados. Caolinita y haloisita.

Caolinita Las láminas octaédrica y tetraédrica se mantienen unidas

mediante átomos de oxígenoLas capas o unidades cristalinas están unidas vía puente

hidrógenoNo expandibleCarga neta negativa, dependiente del pH, entre 2-5

cmolc/kg de arcilla

Forma hexagonal, con tamaños de hasta limo fino

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

ARCILLAS 2:1

Montmorillonita (esmectita)Expandible Las capas se mantienen unidas mediante uniones débiles

catión-O y O-OCarga 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

ARCILLAS 2:1

VermiculitaExpansión moderada, las capas se mantienen

unidas vía cationes o moléculas de aguaCarga neta negativa por sustitución isomórfica,

principalmente en la lámina tetraédrica, entre 100-180 cmolc/kg de arcilla

Tienen capacidad de expansión y contracción moderada

ARCILLAS 2:1

Illita (también llamada mica fina)Las capas se mantienen unidas vía iones K No expandibleCarga neta negativa por sustitución isomórfica en

la capa tetraédrica, entre 15-40 cmolc/kg de arcilla

Producto de meteorización de otras arcillas o neoformada

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.CloritaComúnmente Mg domina en la lámina entre

capas No expandibleCarga neta negativa por sustitución isomórfica,

entre 15-40 cmolc/kg de arcilla.

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 carga neta positiva (carga dependiente del pH)

• Son menos plásticos y adhesivos que las arcillasÓxidos 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 suelosÓxidos de Al • gibsita (Al(OH)3). Representa el estado más avanzado de

meteorización.

Al OH-0.5 superior

OH-0.5 inferior

H2O+0.5 inferior

H2O+ 0.5 superior

Estructura de la gibsita

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

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

(CH2)OH

(CH3)0-3

OHO OH OHOO

(CH3)0 - 4

OHO

HOO

(CH3)0-5

OHO

O

OO OH

(CH3)0-5

OHOH

OHOHO

C=NO

(CH3)0 - 4

HOO OCH3

OHO

(CH3)0 - 2

NOH

OOOOH

HOOH

(CH3O)0 - 3OO

(CH3)0 - 4

OH

OHOOH

(CH3)0 - 2

NHC=NOHO

OOHOH

OHOHO

OO

OOHOHHOHO

OOH

OHO O

OHOHO

O HOOHO

O

O

HOHO

OHO OH

OHOO OH

OOH

OO

OHO

OHHOO

O

(CH3)0 - 2

OH

HN

Estructura esquemática del ácido húmico

ORIGEN DE LA CARGA

Carga permanente debida a la sustitución isomórfica en arcillas 2:1

Carga variable o dependiente del pH debida 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.

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

AlAl AlMg

OHOH

OHOH

OOO O

O O O O

Sin sustitución Con sustitución de un Al3+ por Mg2+

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

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 positivasGrupo 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.

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)

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

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.

FUERZAS QUE ACTÚAN EN LA DOBLE CAPA DIFUSA

• 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

TEORÍA DE LA DOBLE CAPA DIFUSA

• Modelo de Helmholtz

• Modelo de Gouy-Chapman

• Modelo de Stern

TEORÍA DE 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

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+

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

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).

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

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.