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AGRO 3005 – Curso General de Suelos

Notas de Conferencias5.0 Química de Suelos

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5.1. Minerales de arcilla 5.1.1. Propiedades generales• O, Si, Al, y otros elementos se combinan para formar diferentes minerales que varían en cuanto a su composición y cristalinidad• Los tipos de minerales que se encuentran en suelos influencian la fertilidad, propiedades físicas, propiedades quimicas, desarrollo del perfil– Textura– Área superficial– Adsorción de sustancias (iones, organicos) – Adsorción de agua

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Bayamon, PR y Harney, KS

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• Minerales de silicio (Si) y de aluminio (Al) son los constituyentes principales de las partículas del suelo

• Si4+ y O2- se combinan para formar tetraedros de silicio• Al3+ y O2- y OH- se combinan para formar octaedros de aluminio

5.1.2. Constituyentes principales de los minerales

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Tetraedro (piramide de cuatro lados)• Silicio tiene 4 protones más que electrones por lo que tiene carga de +4.• Oxigeno tiende a ganar 2 electrones por lo que tiene carga de -2• Se combinan para formar un tetraedro � SiO4• (SiO4)4- tiene carga de -4, y para que sea estable tiene que ser neutral

– La neutralidad se obtiene compartiendo O entre estructuras tetraedrales vecinas yen los extremos los O- que quedan se neutralizan con H+ u otros cationes

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Octaedro (ocho lados)• Igual que el tetraedro excepto que el Al está rodeado de 6 OH-

• Al(OH)63-

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5.1.3. Minerales primariosPresentes en rocas y fracción de arena y limo

5.1.3.1 Ejemplos (silicatos)1. Nesosilicatos (Si:O = 1:4)

• Ej. Grupo Oliveno, (Mg, Fe)2SiO4 – se meteoriza con facilidad

2. Sorosilicatos (Si:O = 1:3.5)• Ej. Grupo Epidote – son muy raros en suelos

3. Ciclosilicatos (Si:O = 1:3)• Anillos

4. Inosilicatos, tetrahedros se unen en cadenas compartiendos oxígenos• Grupo Piroxenos (Si:O = 1:3)• Grupo Amfíboles (Si:O = 1:2.75)• Ej. Hornblende

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Minerales primarios

Nesosilicates Sorosilicates

12MSE 1-T3c

Cyclosilicates

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13MSE 1-T3d

Inosilicates (cadenas sencillas y dobles)

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5. Tectosilicatos• Grupo Quarzo SiO2 – Se meteoriza con dificultad.• Grupo Feldespatos

• Ortoclasa KAlSi3O8• Plagioclasa CaAl2Si3O8

6. Filosilicatos• Micas

• Moscuvita, KAl3Si3O10(OH)2• Biotita, KAl(Mg,Fe)3Si3O10(OH)2

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16MSE 1-T3g

Tectosilicates

9

17MSE 1-T3f

Filosilicatos

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Todos estos minerales se meteorizan según:

KAlSi3O8 + H2O HAlSi3O8 +K+ + OH-

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5.1.3.2. Ejemplos (no-silicatos)- CaCO3

- CaSO4

- NaCl

- MgCO3

- Apatita

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5.1.4 Minerales secundarios• Tienen propiedades distintas a los minerales primarios• Son de tipo colidal• Tienen forma de placas u hojuelas, plasticidad, pegajosidad• Tienen carga eléctrica• La mayoría adsorben agua

5.1.4.1 Aluminosilicatos laminares• Capa tetrahedral• Capa octahedral• La carga en el mineral se genera debido a la sustitución isomórfica en las capas

22MSE 1-5

12

23MSE 1-4a

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Sustitución isomórfica• Ocurre sustitución de Al3+ por Si4+ en tetraedro por la similitud del

diámetro• Como el ión sustituyente tiene carga menor ocurre un excedente de

cargas negativas• Ocurre sustitución de Fe2+ y Mg2+ por Al en octaedro• La carga que se genera no depende del pH

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1:1 Grupo KanditasEj. Caolinita Si4O10Al4(OH)8– También esta Nacrita, Dikita, haloisita

• Una capa tetrahedral y una capa octahedral• Poco o ninguna sustitución isomórfica• Agua no puede entrar en los espacios interlaminares• Poco CIC (

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27MSE 1- 8b

28©2002 Prentice Hall, Inc. Pearson EducationUpper Saddle River, New Jersey 07458Soils: An Introduction, 5th Edition

by Michael J. Singer and Donald N. Munns

Hojuelas de Caolinitaes. (Dixon, J. B. In Minerals in Soil Environments, ed. J. B. Dixon and S. B. Weed, Chapter 10.)

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2:1 Pirofilíta y talco• Una capa octaedral rodeada de dos capas tetraedrales• No es estable en suelos• No tiene sustitución isomórfica, mineral perfecto

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31MSE 1- 8c

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2:1 Esmectita – Ejemplo de especies: montmorilonita, beidelita, hectorita, saponita, nontronita• Una lámina se compone de una capa octaedral rodeada de dos

capas tetraedrales• Ejemplo de fórmula para montmorilonita (Al3Mg)Si8O20(OH)4• Ocurre sustitución isomórfica de Al3+ por Si4+ y de Mg2+ y Fe2+ por

Al3+

• Tienen dos veces los átomos de Si y de O y la mitad de los átomos de OH

• Usualmente tienen agua y/o cationes en el espacio interlaminar por lo que son expandibles

• El grado de hinchamiento depende de donde predomina la sustitución isomórfica

• CIC (80 – 120 cmolc/kg)

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2:1 Vermiculita• Expandible• Sustititución de Al3+ por Si4+ en capa tetraedral principalemente,

aunque ocurre Mg2+ y Fe2+ por Al3+• Pueden tener cationes en el espacio interlaminar.• Ejemplo de fórmula Mg(Al, Fe, Mg4)(Al2Si6)O20(OH)4 H2O• CIC (120 – 150 cmolc/kg)

34MSE 1- 8d

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2:1 Ilita• Muy parecido en términos estructurales a vermiculita pero con K en el

espacio interlaminar• Se colapsa el mineral reduciendose CIC

2:1:1 Clorita• Una capa octahedral rodeada de dos capas tetrahedrales y y una capa de

brucita [Mg6(OH)12]• CIC (20 – 40 cmolc/kg)

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37MSE 1-8e

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5.1.4.2. Arcillas que no son aluminosilicatoslaminares (Óxidos o sesquióxidos)• Grupo de Fe y Al que se forman en suelos en etapas avanzadas de

intemperización (trópico húmedo)• Tienen propiedades de los aluminosilicatos pero no tienen Si• Son compuestos amorfos que con el tiempo, pH y redox se cristalizan• Carga eléctrica variable que varía con el pH• Carga se genera a partir de OH terminales (intercambio aniónico en

suelo ácido)• Los mas representativos son:

• Al --- gibsita (Al(OH)3 y bohemita (AlOOH)• Fe --- goetita (FeOOH) y hematita (Fe2O3)

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5.2. Propiedades de coloides del suelo5.2.1. Carga superficial

• La carga superficial de los coloides está formada por:• Sustituciones isomórficas de un catión por otro en la capa• Ionización de grupos -OH terminales que originan carga dependiendo

del pH (protonación-desprotonación)• Bordes rotos donde los cristales acaban• Grupos funcionales de las sustancias organicas• Sesquioxidos

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Ionización de OH- terminales:• En condiciones alcalinas el grupo terminal -OH se disocia como -O-

generando carga negativa• En condiciones ácidas en presencia de H+ el grupo terminal -OH se

convierte en OH2+ produciendo en excedente de carga +• El punto de pH en el que el material es neutro se denomina como

punto isoelectrico (punto de carga cero)• Principio es el mismo para bordes rotos en laminas de los

aluminosilicatos laminares

42©2002 Prentice Hall, Inc. Pearson EducationUpper Saddle River, New Jersey 07458Soils: An Introduction, 5th Edition

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Cargas fijas y variables

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Selectividad iónica• Intercambio iónico es estoquiometrico• Preferencia o selectividad dependerá de:

(1) carga Al+3 > Ca+2 > Mg+2 > NH4+ = K+ > Na+

(2) radio hidratado (dentro de la misma valencia). A mayor radio hidratadose le hace mas difícil al catión acercarse al sitio de intercambio. Mg más hidratadoque Ca. Na más hidratado que K+ y NH4+

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5.2.2. Área superficial- Las superficies sirven de nichos para microorganismos del suelo.

- Las superficies influencian el transporte de fluidos, adsorción de sustancias.

0+10 - -5Gibsita

800-140010100-300Humus

600-80090120-150Vermiculita

600-8009580-120Smectica

70-1208020-40Mica

70-1508020-40Clorita

1-2051-10Caolinita

Área superficial (m2/g)

Proporción de la carga fija

CIC o CIA (+/-cmolc/kg)

Mineral

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Relación entre textura del suelo y CIC (meq/100g), en suelos que no son Ultisols y Oxisols.

>30Arcilloso

15-30Arcillo-limoso

5-15Franco y Franco-limoso

5-10Franco-arenoso

1-5Arenoso

CIC (meq/100g)Textura

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5.3. Capacidad de Intercambio CationicoLa carga de las partículas del suelo tiene que estar balanceada por cationes o aniones en la fase adsorbida de la superficie de estas. Este fenómeno da lugar al intercambio iónico. Un ión puede intercambiarse con otro para balancear la carga. La reacción es rápida, estoquiométrica y de naturaleza principalmente electrostática.

5.3.1. Definiciones:- Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) –

Numero total de cargas negativas disponibles (sitios de intercambio) para atraer cationes al suelo. La habilidad de un suelo a retener e intercambiar cationes en superficie negativamente cargada (cmolc/kg = meq/100g).

- Capacidad de Intercambio Aniónico (CIA) –

Numero total de cargas positivas disponibles (sitios de intercambio) para atraer aniones al suelo. La habilidad de retener aniones en superficie positivamente cargada (cmolc/kg = meq/100g).

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***Nota: Un aspecto fundamental en fertilidad de suelos es cuantificar la influencia de intercambio catiónico en la disponibilidad del nutrimentos. Por lo tanto tenemos que expresar los iones en términos iguales ya que los iones varían en cuanto a su carga.

- Bases intercambiables - Sumatoria de Ca, Mg, Na, y K intercambiable con 1M NH4OAc.

- Acidez intercambiable (AI) - La cantidad de acidez (H + Al + Mn) extraíble con 1M KCl en base a carga.

- Porciento saturación bases (% SB) - Porcentaje de la CIC o CICE ocupada por cationes básicos.

- Carga permanente - Carga que no cambia con cambios en pH. Se debe a sustitución isomórfica y casi siempre es -. La preferencia es para iones de mayor carga y menor grado de hidratación.

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5.3.2. Equivalencia y peso equivalente –Peso atómico - Peso en gramos en 6.02 x 1023 de átomos, moléculas ó iones. Unidades son en g/mol.

Mol - Un mol de sustancia es 6.02 x 1023 átomos, moléculas ó iones.

Peso equivalente - cantidad (masa) de una sustancia (catión, anión) que reacciona o desplaza 1 g de H+, lo cual es igual al numero de cargas de Avogadro. g / 6.02 x 1023 cargas (+ o -). Se obtiene dividiendo el peso atómico por la valencia.

9 27Al3+1 1H+

23 23Na+18 18NH4+39 39K+12 24 Mg2+ 20 40 Ca2+

Peso equivalente (g/eq) Peso atómico (g/mol)Elemento

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Para calcular el peso equivalente de compuesto:

NaOH + HCl ------------> Na+ + Cl- + H2O

CaCO3 + 2HCl ------------> Ca2+ +2Cl- + CO2 + H2O

Para iones y compuestos en solución, queremos expresar concentración:

- Molaridad - cantidad de moles / L

- Normalidad - cantidad de moles de carga / L = equivalentes / L

Aplicación:

eq A = eq B

(2.5 mL NaOH) (N) = (0.10 N) (50 mL H2SO4)

N =

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3. Medición de la capacidad de intercambio catiónico (CIC):

- En suelos tropicales la capacidad de intercambio catiónico dependerá del método por el cual es medido ya que en algunos suelos (suelos de carga variable) el número de cargas disponibles varían con el pH (esto no es así en suelos dominados por arcillas.2:1). Para evitar la dependencia del CIC con el pH del suelo se introduce el concepto

de capacidad de intercambio catiónico efectivo (CICE).

- Capacidad de Intercambio Catiónico (CICE) – Bases intercambiables + Acidez intercambiable.

- Bases intercambiables = bases (Ca, Mg, Na, K) extraíbles con solución 1M NH4OAc.

- Acidez intercambiable (AI) = La cantidad de acidez (H + Al + Mn) extraíble con 1M KCl

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Ejemplo A: Suelo con 2000 ppm Ca, 360 ppm Mg y 200 ppm K. Expresar en terminos de mg/kg, mg/100 g, meq/100g (cmolc/kg)

Ejemplo B: 10 g de suelo contiene con 2.7 mg de Al3+. Con ¿Con cuanto Ca2+se puede reemplazar el Al?

Ejemplo C: Calcular la capacidad de intercambio catiónico de un suelo conpH de 5.9 y con los siguientes cationes intercambiables (meq/100g): Ca = 6; Mg = 3; K = 0.4, Na = 0.1, Al = 0.5

Ejemplo D: ¿Cuántos moles de Ca2+ se necesitan para remplazar 3 molc de Al3+?

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5.4. Reacción del suelo (205-206, 233-241)5.4.1. Introducción

• Reacción del suelo es la acidez o alcalinidad relativa

• Es un indicador de utilidad para un diagnostico genera

• El pH o potencial de ión hidrogeno es una medida de la actividad del ión H+ en soluciones diluidas

• H2O -----> H+ + OH- Kw = 1 x 10-14

• Se define como pH = -log [H+]

• Se expresa en una escala de 0 – 14

• Cambio de pH de x unidad representa un cambio de 10x protones.

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El pH actúa sobre:

- La solubilización de minerales, disponibilidad y absorción de bases, P, Al, Mn, y otros micronutrimentos

- % saturación de bases y % saturación de acidez

- La generación de carga variable, CIC y CIA

- Los tipos de organismos y su actividad

- Desarrollo vegetal de las planta por efectos directos de H+ a pH < 4.2

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5.4.2 Clasificación de la acidez del suelos (tipos de acidez)Acidez activa - Lo que se mide en la solución y es muy pequeña comparada a la potencial

Acidez intercambiable – Hidrógeno y Al intercambiables retenidos en los coloides por fuerzas electroestáticas

Acidez no intercambiable – Hidrógeno en enlace covalente en la superficie de los minerales arcillosos con carga variable. Por ejemplo, hidrólisis de Fe3+ y Al3+

Acidez potencial - Acidez intercambiable + acidez no intercambiable

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Figure 11–2 The effect of soil pH on availability of aluminum and manganese. (A) Al concentration in soil solution. (B) Exchangeable Al. (C) Mn concentration in solution.

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Figure 11–9 (A) Typical buffering curves. Vertical arrows indicate lime requirement to adjust the soils to pH 6. (B) Lime responses by plants on soils of different buffering capacity.

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5.4.3. Causas de acidez de suelos

• Exudaciones de ácidos orgánicos por plantas y organismos.

• Disminución de cationes por extracción o lixiviación.

• Respiración de microorganismos y plantas.

• Fertilizantes nitrogenados reducidos –NH4+ + 2O2 � NO3- + 2H+ H2O

• Aluminio intercambiable

Al+3 + H2O ---------------> Al(OH)+2 + H+

Al(OH)+2 + H2O ---------------> Al(OH)2+ + H+

Al(OH)2+ + H2O ---------------> Al(OH)30 + 3H+

• Tipo de suelo, régimen de evaporación-precipitación, insumos de cationes.

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5.4.4. Problemas con suelos ácidos• Toxicidad de Al

– pH < 5.5 se cuantifica Al intercambiable y en solución– Ocurre daño directo sobre el sistema radicular– Al tiende a acumularse impidiendo el traslado de Ca y P a las partes

vegetativas– La materia orgánica forma complejos con Al

• Deficiencia de Ca, Mg, P– En suelos ácidos pueden haber deficiencia de Ca y Mg sin toxicidad de Al– Formación de fases sólidas de P y Al

• Toxicidad de Mn– Mn muy soluble a pH < 5.5.– Mn muy soluble bajo condiciones reductoras (Mn4+ ------>Mn2+)– Ya que es un nutrimento esencial, no se trata de eliminarlo sino que

mantenerlo dentro de un ámbito de toxicidad y deficiencia

• Toxicidad de H+ a pH < 4.2

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5.4.5. Diagnostico de la acidez• Medición de pH

• Cuantificar Al y Mn intercambiable con 1M KCl

• % saturación de acidez.– Es una medida del % del complejo de cambio ocupado por Al+3. – El % de saturación permisible para un suelo varia según el cultivo– Se dice que % de acidez < 10 no presenta problemas; problemas serios

empezaran con aprox. 60% aunque esto va a variar con el cultivo

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5.4.6. Manejo de acidez1. Uso de especies y variedades resistentes a la acidez.

- La tolerancia a la acidez entre especies y variedades se deba a una adaptación genética como resultado de una selección involuntaria en suelos ácidos.

- Ocurren ciertos mecanismos de tolerancia al Al y Mn.

- Cultivos tienen diferente porcentaje recomendado de saturación de Al.

2. Encalado

- ¿Porqué aumentar el pH de un suelo?

- Neutralizar ácidos en el suelo lo cual limitan el crecimiento de las plantas.

- Añadir Ca y Mg.

- Aumentar % saturación de bases (% SB).

- Mejorar la disponibilidad de nutrimentos (P, K, Na, Mg, etc..).

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- Reacciones luego de la aplicación de cal al suelo

CaCO3 + 2H2O Ca+2 + H2CO30 + 2OH-

H2CO3 CO2 +H2O

Rx. neta: CaCO3 + H2O Ca+2 +CO2 + 2OH-

H+ (de la solución del suelo) + OH- H2O

Ejemplo:arcilla - 2Al+3 + 3CaCO3 + 3H2O ------> arcilla - 3Ca+2 + 2Al(OH)3 + 3CO2

arcilla – 2H+ + CaCO3 ------> arcilla – Ca+2 + H2O + CO2

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notas importantes:

- Con pH suelo > 5.5 se ha conseguido la neutralización del Al porque Al se precipita como hidróxidos insolubles.

- Cuando se sospecha que el problema es toxicidad de Mn, el pH debe subirse a 6.

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5.4.Disponibilidad de nutrimentos en suelos (nitrógeno, fósforo y potasio) (186-206)

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5.5. Contaminación de suelos y degradación (356-361)

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