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• Matias Reyna

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C Á FA T E U D BA R A

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. Coloides . Capacidad de intercambio de iones del suelo

Edafología 2011

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AYUDAS DIDÁCTICAS DE EDAFOLOGÍA

C Á FA T E U D BA R A

Recopilación de material gráfico de distintas fuentes, y cuestionarios de discusión, para ser utilizados en clase por los alumnos de Edafología de la FAUBA Lidia Giuffré y Silvia Ratto- Julio de 2007 Revisado por Marta Conti- Octubre de 2011

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COLOIDES

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¿Qué son las dispersiones coloidales o los coloides?

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Sistemas que se caracterizan por tener partículas de tamaño mayores que las moléculas pero no lo suficientemente grandes como para ser visibles al microscopio. Tamaño de partícula: 1-2 micrones

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Propiedades de los coloides

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-Tamaño: hasta 1-2 m

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-Efecto Tyndal y movimiento browniano

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-Area superficial: presentan gran superficie específica expuesta (externa e interna). Oscila entre 10m2/g hasta 800m2/g.

C Á FA T E U D BA R A

-Cargas superficiales: negativas y positivas (en suelos muy ácidos). Son responsables de la adsorción y de la estabilidad del coloide - Adsorción de iones (intercambio iónico) y adsorción de

agua.

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CLASIFICACION DE LOS COLOIDES DEL SUELO Por su afinidad con el agua:

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- hidrófilos: Materia Orgánica, arcillas silicatadas

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 Por su reversibilidad:

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- hidrófobos: óxidos de Fe y Al, caolinita - reversibles: Materia Orgánica y arcillas silicatadas

C Á FA T E U D BA R A

- irreversibles: óxidos de Fe y Al, caolinita.

 Por su carga

- electronegativos: son los que tienen carga neta negativa: la mayoría de las arcillas silicatadas y la Materia Orgánica (sustancias húmicas) - electropositivos: óxidos de Fe y Al y caolinita

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ORIGEN DE LAS CARGAS DE LOS COLOIDES DEL SUELO

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a) PERMANENTES: sustitución isomórfica (origina cargas negativas)

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- reemplazo de Si+4 por Al+3 en los tetraedros: smectitas, vermiculita y clorita

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- reemplazo de Al+3 por Mg+2 o Fe+2 en los octaedros: micas, smectita, vermiculita

C Á FA T E U D BA R A

b) VARIABLES CON EL PH DEPENDIENTES).

(pH

- en la Materia Orgánica (humus)

- en los óxidos (Al y Fe) - en las arcillas

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SUPERFICIE ESPECÍFICA

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Para una masa o volumen dado de partículas, la superficie específica dependerá del tamaño y forma de las mismas.

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1.-Tamaño:

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La superficie específica varía en forma inversamente proporcional al tamaño de las partículas, tal como se muestra en la curva . Superficie Específica (cm2 g-1)

Arcilla

Arena

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SUPERFICIE ESPECÍFICA

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Al aumentar la superficie específica:

Aumenta la capacidad de retención hídrica.

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·

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· Aumentan los fenómenos de adsorción desorción.

Aumenta la porosidad (espacios libres)

·

A disminuye la densidad aparente.

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·

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Doble capa Electrica

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Entre los coloides y la solución del suelo existe una diferencia de potencial que atrae a los iones formando la doble capa eléctrica. . Se forma entre las cargas del coloide y los iones sorbidos que fueron atraídos de la solución del suelo.

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Modelos de la doble capa

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Doble capa

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Teoría de Stern de la doble capa

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El potencial zeta (Z)

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Potencial zeta

potencial eléctrico en el plano de deslizamiento, se que

es

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considera

el

que

corresponde,

C Á FA T E U D BA R A

aproximadamente, a la capa de Stern.

Se determina por mediciones de la velocidad de movimiento de las partículas en un campo eléctrico

(movilidad electroforética)

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Punto de carga cero

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La carga eléctrica neta en superficie ( P) puede resultar positiva,

0

+

H

+

S

la carga permanente creada por la sustitución isomórfica

ED

0 es

=

AF

P

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negativa o cero, dependiendo de las condiciones del suelo.

representa la carga de los iones adsorbidos

C Á FA T E U D BA R A

S

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es la carga producida por la disociación-asociación de los grupos OHH

Punto de carga cero (PCC)

pH en el cual

P

=0

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. Variación de cargas eléctricas de los coloides y el pH del medio

Punto de carga cero

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Equilibrio entre los cationes intercambiables y la solución del suelo

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Recordar el orden de magnitud de las distancias y fenómenos involucrados.

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* Capa adsorbida de Stern: 1 - 5 Å *" Espesor " de la capa difusa: 50 - 300 Å

C Á FA T E U D BA R A

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Diámetro de poros: 0,2-9 micrones (µm)

µm = 10 - 6 m

Å = 10 -10 m

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Capacidad de intercambio

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Capacidad de intercambio de iones del suelo

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Relacionada con la regulación de la acidez. Con la dinámica de nutrientes. Con la retención de pesticidas Con el mantenimiento de la estructura

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Tiene la característica de ser:

Rápido, Reversible y Estequiométrico Se expresa en cmol c kg -1

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Intercambiador: partículas menores de 2 µm(coloides). Arcillas, óxidos, compuestos húmicos, complejos húmico-arcillosos. Iones intercambiables: cationes y aniones que se adsorben y desorben: Ca 2+, Mg 2+, K+, Na+, Cl-, SO42-. Iones no-intercambiables: retenidos enérgicamente (fijados) o participan de la estructura o molécula. Ej. redes cristalinas de minerales, quelatos, compuestos húmicos, uniones con grupos complejos.

C Á FA T E U D BA R A

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Definiciones de interés

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Equilibrio entre los cationes intercambiables y la solución del suelo

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La formación de las cargas puede tener dos orígenes:

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Origen de las cargas de las partículas del suelo

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FIJA (predominante en minerales arcillosos) VARIABLE o pH dependiente (predomina en compuestos húmicos)

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Se produce por sustitución isomórfica en las arcillas silicatadas. Si 4+ por Al 3+ en tetraedros Al 3+ por Mg 2+ o Fe 2+ en octaedros

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Carga fija o permanente:

La consecuencia es la generación de carga fija negativa .

La carga preferencial del suelo es negativa y el principal intercambio se produce con cationes. CIC

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Carga variable o pH dependiente

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Grupos funcionales orgánicos

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Grupos funcionales inorgánicos

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Material CIC. (cmolc kg-1 ) Caolinitas 5-15 Cloritas 10-40 Illitas 20-50 Arcillas - intergrados 40-80 Esmectitas 80-150 Alofanos más de 100 Sustancias húmicas 200-500 Suelos (horizontes superiores) 5-35

C Á FA T E U D BA R A

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Valores promedios de CIC de componentes de suelos

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La CIC del suelo se produce por combinación de cargas fijas y variables, de los constituyentes orgánicos e inorgánicos y el pH del medio.

SI aumenta la acidez de los suelos, la CIC disminuye por el bloqueo de grupos activos, con H+ y por la obstrucción de cargas permanentes y dependientes del pH, por polímeros de Al, Fe y Mn.

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También disminuye por la formación de "quelatos" con metales, que le disminuye la carga eléctrica a los complejos húmico- arcillosos.

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CATIONES Y CAPACIDAD DE INTERCAMBIO DE CATIONES (CIC).

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La adsorción de cationes depende de la atracción electrostática entre las cargas residuales negativas de los complejos húmicos-arcillosos de los suelos y los cationes. Los cationes son “retenidos” por los complejos y permanecen en “equilibrio” con los iones de la “solución del suelo”.

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El equilibrio depende:

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La concentración de la solución y la actividad relativa de cada ión.

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La actividad de cada catión: valencia y grado de hidratación. Serie de adsortividad: Al 3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ = H+ > Na+ > Li+

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Grado de afinidad entre el intercambiador y el catión. Ej. illita por K+; clorita por Mg2+.

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Mecanismos del intercambio de cationes

Ej: a)estado inical; b)intermedio por toma de nutrientes o agregado de fertilizante; c)luego del nuevo equilibrio

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Cargas positivas se incrementan cuando aumenta la acidez, por: Bloqueo de cargas negativas de las arcillas: aristas y paredes rotas de las arcillas, produciéndose carga neta positiva. Ejemplo: Al-OH2+, Fe-OH2+. Hidróxidos de Hierro y Aluminio: el mecanismo es similar al anterior, Al-OH2+, FeOH2+. Complejos húmicos: sus -H y -NH2 se asocian con los H+ del medio ácido dando origen a cargas +, =NH2+ y –NH3+

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CIA depende del desarrollo de cargas positivas:

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CAPACIDAD DE INTERCAMBIO DE ANIONES (CIA).

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Aniones intercambiables

principales: PO43-, SO42-, NO3- y Cl aniones orgánicos como citrato.  elementos de menor concentración como boratos y molibdatos.

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 los

La afinidad y fuerza de unión depende, como en los cationes, del orden de valencia e hidratación.

PO43- > SO42- > NO3- > Cl-

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Valores de Hissink

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Capacidad de Intercambio de Cationes, CIC: cantidad total de cationes del complejo. valor T de Hissink. Capacidad de Bases de cambio: es la cantidad de bases, Ca, Mg, Na, K, en el complejo. valor S de Hissink. Capacidad de Acidez: Cantidad de H, Al, Mn, Fe en el complejo. valor H de Hissink.

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Saturación de Bases, % S.B; es la proporción de Ca 2+ Mg 2+ K + Na+, del total de iones sorbidos en el complejo CIC. Llamado V de Hissink. Insaturación del complejo, % I: es la proporción de Al + H + Mn + Fe, del total de iones del complejo, CIC. Llamado I de Hissink.

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Valores de Hissink

T= S+H

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Valores de Hissink

C Á FA T E U D BA R A

V %= (S / T).100 I %= (H / T).100

Coloides del suelo

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LO

1-¿Cómo explica desde el punto de vista coloidal el comportamiento diferente de la caolinita y la montmorillonita en el suelo? Haga referencia específica a la retención de agua, movimientos de expansión y contracción y retención de iones (cationes y aniones)

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2-Una muestra del horizonte A se divide en dos partes, una de ellas se coloca en un vaso con agua destilada y la otra en un vaso con solución salina. ¿Habrá diferencia en el espesor de la solución interna de ambas? ¿Por qué?

C Á FA T E U D BA R A

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3-En un gráfico de atracción y repulsión de partículas coloidales evalúe cómo cambian estas fuerzas al cambiar la concentración de la solución externa y el tipo de catión.

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1-Discuta la siguiente frase “El valor V de Hissink 50% corresponde a pH 7 Verdadero Falso ¿Por qué?

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Discusión en grupos-CIC

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C Á FA T E U D BA R A

Valores de Hissink

V % Saturación = Bases de cambio x100 T

I % Insaturación = Acidez de cambio x100 T

2.Calcular la CIC de un suelo Molisol

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Las arcillas dominantes son del tipo illítico con algo de montmorillonita. Se calcula que la CIC promedio de la MO es de 220 cmolc/kg.La composición granulométrica del suelo es de 23% de arcilla, 53 % de limo y 24 % de arena. Calculamos la CIC, por aproximación, de la siguiente manera:

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

0,23 arcilla x 30 cmolc/kg (CIC de la arcilla) = 6,9 cmolc/kg

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0,035% de MO x 220 cmolc/kg (CIC de la MO) =

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6 + 7,7= 14,6 cmolc/kg Corresponde a la CIC calculda para este Molisol

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¿Si Ud. supiera que la fracción arcilla está compuesta por un 70 % de arcilla illítica y un 30 % de montmorillonita podría acercar el valor de cálculo aproximado?. Calcule. 3. Se tiene el siguiente perfil: A-E.Bt-Bn-BC-C

C Á FA T E U D BA R A

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7,7cmolc/kg

En cuál de los horizontes es más elevado el potencial z y por qué? Qué material es responsable del intercambio en Bt? Si el material arcilloso se coloca en un campo eléctrico, hacia qué polo migran las arcillas cuando el pH es mayor o menor que el punto isoeléctrico?