Tema 5 edafología (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Edafologia
Año del apunte 2015
Páginas 6
Fecha de subida 14/03/2016
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Meritxell Maimi Checa TEMA 5 Constituyentes inorgánicos del suelo 1. ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LA FASE SÓLIDA INORGÁNICA 1.1. Constitución de la litosfera La constitución mineralógica del suelo es el reflejo de la litosfera. El estudio de la composición mineral y química de ésta, realizada por la geoquímica, revela las propiedades siguientes para sus elementos principales: – Los nueve elementos siguientes representan más del 98% de la litosfera (o sea, más de 10 kg por tonelada): Oxígeno (49,13%), Silicio (26,00%), Aluminio (7,45%), Hierro (4,20%), Calcio (3,25%), Sodio (2,40%), Magnesio (2,35%), Potasio (2,35%) e Hidrógeno (1,00%).
– Los seis elementos siguientes representan menos del 2% de la litosfera (de 10 a 1 kg por tonelada): Titanio, Carbono, Cloro, Fósforo, Azufre y Manganeso.
– El resto de elementos que intervienen con los anteriores en la nutrición vegetal en forma de vestigios son: – Níquel, Zinc, Boro y Cobre, en una proporción de 1000 a 100g por tonelada.
– Litio, Cobalto y Molibdeno, en una proporción de 100 a 10g por tonelada.
– La combinaciones más frecuentes entre los cuerpos simples encontradas en la litosfera son: SiO2 (59,77%), Al2O3 (14,89%), Fe2O3 (2,69%), FeO (3,39%), MgO (3,74%), CaO (4,86%), Na2O (3,25%), K2O (2,98%), H2O (2,02%), TiO2 (0,77%), CO2 (0,70%), P2O5 (0,28%), S (0,10%), SO3 (0,03%), Cl (0,06%), MnO (0,09%), Li2O (0,01%) y C (0,03%).
En conjunto, la constitución del suelo es el reflejo de la correspondiente litosfera, ya que la proporción en la que se encuentran dichos elementos explican la frecuencia en la que los podemos encontrar en el suelo.
1.2. Asociación de los elementos que forman la litosfera Los minerales son la forma bajo la cual los elementos químicos se presentan en el suelo. Las especies minerales que constituyen, tienen la propiedad de ser muy difícilmente atacables o de estar en equilibrio con las condiciones de alteración y especialmente de hidrólisis, oxidación, hidratación y carbonatación, las cuales dominan en la superficie de la litosfera. El cuarzo debe considerarse como el ejemplo típico de un mineral inalterable de la superficie de la litosfera. Las arcillas (silicatos de alúmina hidratados) representan el final de las transformaciones que sufren la mayor parte de los silicatos en las condiciones que reinan en esta zona de alteración superficial de la litosfera.
En cuanto a la materia orgánica, es muy importante para la formación y la vida de los suelos, por lo que los seres vivos son fundamentales para que esto se lleve a cabo.
También existen los minerales móviles. Son ciertos elementos de la litosfera (como el carbonato cálcico, el hierro y el manganeso) que tienen la propiedad de participar en la formación de moléculas que pueden migrar, ser arrastradas por las aguas, depositadas, disueltas o movilizadas de nuevo.
Meritxell Maimi Checa Entonces, la importancia que tienen los minerales que constituyen el suelo depende de: – Lugar ocupado por los minerales en la litosfera (silicio, silicato, hierro).
– Resistencia a los problemas de alteración de la zona superficial de la litosfera, ya sea gracias a una inalterabilidad específica (cuarzo) o bien porque haya alcanzado un estado de equilibrio con los factores de alteración (arcillas).
– Participación en la vida del suelo (carbono y materia orgánica).
– Aptitud para migrar: carbonatos, hierro, manganeso.
Por último, tanto el carbono como el silicio están dotados de afinidades químicas reducidas, lo que quiere decir que reaccionan poco, o lentamente, a las modificaciones químicas del medio.
Éste conserva así sus propiedades y sus caracteres, por lo que las variaciones del medio son amortiguadas o moderadas por el suelo. Así, los seres vivos que habitan dichos suelos se encuentran poco modificados y pueden adaptarse correctamente al medio. Entonces, gracias a éstas propiedades químicas del silicio y del carbono, el suelo tiene un carácter de medio conservador y está dotado de cierta inercia.
2. MINERALES CONSTITUYENTES DEL SUELO.
2.1. Silicatos La unidad estructural de los silicatos consiste en un tetraedro de coordinación Si-O. El silicio se dispone en el centro del tetraedro rodeado por 4 oxígenos, cada uno de los cuales se sitúa en un vértice.
Distintos tetraedros pueden relacionarse entre sí compartiendo oxígenos. El número de vértices compartidos por tetraedros es variable, entre 0 y 4, esta característica da lugar a la aparición de los grandes grupos de silicatos: GRUPO TIPO DE AGRUPAMIENTO OXÍGENOS COMPARTIDOS Nesosilicatos Aislados 0 Sorosilicatos Parejas 1 Ciclosilicatos Anillos 2 Inosilicatos Cadenas 2y3 Filosilicatos Planos 3 Tectosilicatos Tridimensional 4 Los distintos tamaños de partículas existentes están relacionados con la mineralogía predominante: – Las fracciones arena y limo están constituidas por minerales primarios. El grupo más representativo es el de los tectosilicatos, cuyo agrupamiento tridimensional los protege frente a los agentes meteorizantes.
– La fracción arcilla está formada principalmente por minerales secundarios, derivados de aquellos minerales petrogenéticos más inestables. El grupo más representativo es el de los filosilicatos, motivo por el cual el término arcilla suele emplearse indistintamente para hacer referencia a un rango de tamaños de partícula (o clase textural) y para el grupo mineralógico de los filosilicatos.
Meritxell Maimi Checa 2.3. Minerales de arcilla del suelo El término arcilla se utiliza con varios significados: – Desde el punto de vista mineralógico: grupo de minerales, filosilicatos en su mayor parte, cuyas propiedades fisico-químicas dependes de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino.
– Desde el punto de vista petrológico: roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de origen detrítico, con características bien definidas.
Por tanto, el término arcilla no sólo tiene connotaciones mineralógicas, sino también de tamaño de partícula, en este sentido se consideran arcillas todas las fracciones con un tamaño de grano inferior a 2 micras. Según esto, todos los filosilicatos pueden considerarse verdaderas arcillas si se encuentran dentro de dicho rango de tamaños, incluso minerales no pertenecientes al grupo de los filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc) pueden ser considerados partículas arcillosas cuando están incluidos en un suelo y sus tamaños no superan las 2 micras.
Las arcillas constituyen un componente importantísimo de los suelos dado su tamaño coloidal, su carga neta negativa y su elevada superficie específica. Estas propiedades les confieren gran reactividad y las convierten en un elemento clave en el funcionamiento del suelo, dada su influencia sobre propiedades como la estructura y la capacidad de intercambio catiónico, entre otras. Para llegar a comprender el modo en que las arcillas pueden resultar esenciales, primero es necesario conocer la estructura y propiedades de los minerales silicatados que las forman: los filosilicatos.
Los filosilicatos están formados por la unión mediante enlace químico de átomos de silicio (Si), oxígeno (O), aluminio (Al) y grupos hidroxilo (-OH). Las arcillas se estructuran en hojas. Esto se debe a la asociación de 2 tipos de capas estructurales distintas: – Capa tetraédrica (T): constituida por los tetraedros de coordinación Si-O. Éstos se unen entre sí compartiendo los oxígenos de 3 vértices, formando así una red de simetría hexagonal.
El cuarto átomo de oxígeno se sitúa en posición perpendicular al plano de los otros 3 oxígenos. Entre los huecos que dejan dichos oxígenos no compartidos se sitúan grupos hidroxilo (-OH), dando lugar a lo que se denomina plano compacto. El conjunto del plano hexagonal y del plano compacto forma la capa de coordinación tetraédrica. Ésta no cumple el principio de la electroneutralidad (si se encontrara estructuralmente aislada, la carga neta no sería nula).
– Capa octaédrica (O): formada por la presencia de átomos de aluminio (Al3+) o de magnesio (Mg2+), cada uno de los cuales se coordina octaédricamente con 6 átomos de oxígeno y/o de grupos hidroxilo. La existencia de una capa octaédrica requiere de la disposición contigua de 2 planos compactos.
La capa octaédrica se halla asociada a la tetraédrica gracias a que los oxígenos no compartidos se orientan hacia una misma dirección en el espacio. Esta asociación compensa el déficit de carga y posibilita el establecimiento de unidades de tipo laminar.
Meritxell Maimi Checa Las clases de minerales de arcilla se originan por las distintas disposiciones de las capas de tetraedros y de octaedros entre sí. Entonces, los minerales de tipo 1:1 son aquellos formados por una hoja octaédrica (cuyo plano compacto superior está exclusivamente formado por grupos hidroxilo) unida a una tetraédrica a través de los oxígenos compartidos.
Los minerales de tipo 2:1 están formados por 2 capas tetraédricas que se disponen con los oxígenos apicales enfrentados y compactados por -OH. Entre estos 2 planos compactos existen cationes con un índice de coordinación 6, formando una capa octaédrica intermedia. (T-O-T) También existen los minerales 2:1:1, en los que entre cada T-O-T existe además una segunda capa octaédrica.
2.3.1. Conceptos – – – – – Paquete o lámina estructural: es el producto de la unión de distintas capas con una disposición determinada. En el caso de las arcillas 2:1, por ejemplo, el paquete estructural es T-O-T.
Distancia o espacio basal: distancia existente entre un cierto plano en el paquete y el correspondiente plano en el siguiente paquete.
Entrecapa: distancia existente entre dos paquetes estructurales.
Unidad estructural: formada por el conjunto del paquete estructural y la entrecapa.
Dominio o tactoide: asociación de dos o más paquetes estructurales.
2.3.2. Diferencias estructurales de las arcillas Los filosilicatos presentan espaciamientos y contenidos interlaminares característicos para cada mineral.
Según el tipo de mineral (1:1, 2:1 ó 2:1:1), la unión entre paquetes estructurales se establece a través de interacciones de Van der Waals, puentes de hidrógeno o por cationes si existe carga estructural no compensada.
La estructura descrita hasta el momentos, no es la que los filosilicatos presentan en la naturaleza, sino que se trata de una idealización de la misma. Durante la cristalización de un silicato, puede ocurrir que átomos de radio iónico (y, en consecuencia, de índice de coordinación también) similar a un determinado átomo de la red cristalina teórica ocupen su lugar. Este hecho constituye lo que denominamos una sustitución isomórfica.
En las capas teraédricas el Al3+ puede sustituir al Si4+, mientras que en las octaédricas es frecuente que Mg2+ o Fe2+ sustituyan al Al3+. La sustitución generalmente provoca que un átomo cargado positivamente sea reemplazado por otro de menor valencia, lo cual comporta la aparición de una carga neta negativa permanente. Es este déficit de carga el que es compensado por cationes que se sitúan tanto en la superficie del mineral como en las espacios interlaminares (entrecapa).
Meritxell Maimi Checa Cada especie mineral se caracteriza por un determinado porcentaje de sustituciones isomórficas. De este modo, se establecen diferencias en la densidad de carga superficial, la cual aumenta: – Cuanto más elevado sea el número de sustituciones isomórficas.
– Cuanto más intenso cuanto mayor sea el porcentaje de sustituciones isomórficas en la capa T (situada más próxima a la superficie, al menos en las arcillas 2:1 que son las que presentan mayor porcentaje de sustituciones isomórficas).
2.4. Minerales silicatados no cristalinos En este grupo de minerales no hay un ordenamiento definido de los tetraedros y octaedros, lo que hace que no presenten espectro a los Rayos X.
El principal ejemplo de estos minerales son las alofanas, producto de la alteración de varios minerales de las rocas volcánicas a partir de piroclastos. En el microscopio electrónico aparece como microagregados de partículas unitarias, esférulas huecas de tamaño pequeño. Sus características principales son: – Composición química variable con predominio de los enlaces Si-O-Al.
– Gran superficie específica.
– Capacidad de intercambio elevada.
– Cargas variables dependiendo del pH.
– Puede provocar una alta retención de aniones fosfatos, interfiriendo en la nutrición de las plantas.
– Elevada capacidad de adsorción de ácidos húmicos y ácidos fúlvicos, dando lugar a estructuras muy estables.
La pérdida de agua o la mineralización de la materia orgánica, permite una cierta reordenación denominada imogolita (en el microscopio electrónico tiene forma de finos tubos), en general, componente paracristalino de transición a la formación de haloysita (1:1).
2.5. Los minerales no silicatados 2.5.1. Óxidos e hidróxidos de hierro, aluminio y manganeso En general se encuentran acompañando a las arcillas, actuando como elementos cromógenos. Sin embargo, son particularmente importantes en suelos heredados de roca madre rica en estos mismos compuestos, así como en aquellos suelos formados bajo clima muy húmedo (como el tropical). Estos materiales, llamados también con el nombre genérico de sesquióxidos de Fe y Al, son muy comunes en suelos tropicales. Son los responsables, en gran parte, de los colores rojizos dominantes en estos suelos; se presentan en formas cristalinas y no cristalinas y su característica más importante es tener una muy baja actividad físico-química en los suelos; a este grupo pertenecen la Gibsita: Al(OH)3; la Hematita: Fe2O3; la Goetita: (FeOOH), la Ferrihidrita: Fe5O8.4H2O y la Manganita (MnOOH), entre los más comunes.
Meritxell Maimi Checa 2.5.2. Carbonatos y sulfatos Son minerales muy solubles, por lo que resultan característicos de regiones áridas y semiáridas.
Los carbonatos son minerales cuya composición química corresponde a sales derivadas del ácido carbónico, H2CO3. Son comunes la Calcita: CaCO3 y la Dolomita: (Ca, Mg)(CO3)2. La calcita presenta efervescencia con ácido clorhídrico (HCl) diluido y frío.
Los sulfatos son sales que incluyen el radical SO4 2- en su estructura como la Anhidrita: CaSO4 y el Yeso: CaSO4. 2H2O.
2.5.3. Sulfuros Los sulfuros se originan por combinación de la forma estable del azufre (S6+) con oxígeno molecular (O2). Sin embargo, en suelos encharcados, el azufre se ve sometido a procesos reductores. Así, en presencia de Fe2+ en el medio, el azufre precipita en forma de sulfuros de hierro. Son sales derivadas del ácido sulfhídrico, H2S, como la Calcopirita: CuFeS2, la Pirita: FeS2, y la Galena: PbS.
2.5.4. Cloruros Son minerales muy solubles que sólo se encuentran en suelos en ambientes áridos o semiáridos, bien heredados de rocas madre que los contienen o bien acumulados en áreas costeras sobre la zona de infiltración del agua marina.
2.5.5. Oxihidróxidos Son minerales que provienen de óxidos en los cuales parte o todo el oxígeno ha sido reemplazado por OH; son comunes: Diáspora, AlO(OH). Brucita, Mg(OH)2.
2.5.6. Fosfatos Son sales derivadas del ácido fosfórico, H3PO4 -, un representante importante de los fosfatos es el grupo de los apatitos: Ca5(F, Cl, OH) (PO4)3.
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