Acidez del Suelo docx

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ACIDEZ, BASICIDAD Y REACCIÓN DEL SUELO
La reacción de un horizonte de un suelo hace referencia al grado de acidez o basicidad de dicho horizonte, se
expresa por medio del pH. Se tiene:
pH = - log [H+]
De acuerdo con la ley de acción de masas:
H2O↔ H+ + OH-
[H+] [OH-] = cte. = 10-14
pH + pOH = 14
La concentración de H+ y OH- varían inversamente.
En sistemas naturales el intervalo de pH se extiende de: 3,0 (suelos de sulfatos ácidos) < pH < 12,0 (suelos
alcalinos)
La acidez y basicidad de un horizonte vienen determinadas por los cationes adsorbidos sobre los minerales de arcilla
y la materia orgánica.
FORMAS DE ACIDEZ: MEDIDAS Y UNIDADES
Cabe distinguir distintos tipos de acidez:
Acidez activa o actual:
Protones libres en equilibrio en la fase líquida del suelo.
Resultan de la disociación.
Se determina midiendo el pH en una suspensión suelo : agua
desmineralizada en una relación 1:2,5.
 Se utiliza un pH-metro. Los resultados se expresan en unidades de pH.
Acidez potencial o acidez intercambiable:
Protones de las sedes de intercambio.
Resulta de la hidrólisis de formas de aluminio fácilmente intercambiable, con iones K+.
Se trata enteramente de aluminio monómero que ocupa sedes de intercambio:
intercambio HX↔ H+ + X
intercambio AlX3+ 3 K+ --> KX + Al3+
hidratación Al3+ + 6H2O [Al(H2O)6] 3+
hidrólisis [Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(OH)(H2O)5] 2+ + H3O+
Se mide con el pH después de desplazar parte de los protones y aluminio monómero con una solución de KCl 1 M
no tamponada.
Acidez total (AT) = acidez activa + acidez intercambiable
La acidez total corresponde principalmente a las especies de aluminio [Al3+ y Al(OH)2+] retenidas en los sitios activos
de intercambio de la arcilla, así como a las especies de aluminio y protones que están complejados por grupos
funcionales orgánicos.
Se puede calcular restando a la CIC determinada con acetato amónico 1 N a pH 7,0 la suma de cationes basificantes:
Acidez total = CIC – (Ca2+ + Mg2++ K+ + Na+)
También se determina valorando con una base.
CAUSAS DE LA ACIDEZ
Teoría de las arcillas como ácidos débiles o teoría de los protones Richard Bradfiel y col (1923) propusieron que
suelos ácidos eran aquellos cuyo complejo de cambio estaría saturado en mayor o menor grado por H+ (protones) y
que presentaban arcillas-H+ .
Se consideraba que la disociación de estos iones H+ era el origen de la acidez y de la problemática de estos suelos.
Esta teoría planteaba que los suelos se comportaban como ácidos débiles.
Teoría del aluminio
N.T. Coleman y col en años 1950 esclarecieron la contribución del aluminio en la acidificación del suelo. Las
arcillas-H+ dan lugar a curvas de neutralización típicas de ácidos fuertes y no como ácidos débiles que es el
comportamiento que presentan los suelos.
En los suelos minerales y arcillas ácidas el aluminio es un elemento predominante en el complejo de cambio y
no los protones. Las arcillas-Al3+ se comportan como ácidos débiles, similarmente a como lo hacen los suelos ácidos.
Se comprobó que las arcillas-H+ no son estables, por lo que sus redes cristalinas acaban degradándose, con lo que el
aluminio, que previamente estaba en la estructura de la arcilla, a pH inferiores a 5,5 pasa a Al3+ soluble y a ocupar
posiciones de intercambio en las superficies de las arcillas.
La hidrólisis del Al3+ generará gran parte de los protones que contribuyen al pH del suelo medido en agua y,
por tanto, es el origen de la acidez. Además del aluminio y los protones, también se ha puesto de manifiesto la
importancia del manganeso y del hierro en los problemas de toxicidad derivados de la acidez del suelo en relación
con la respuesta de las plantas.
La toxicidad del manganeso está asociada a la acidez y a condiciones de mal drenaje en presencia de materia
orgánica, factores que favorecen el paso de Mn(IV) a Mn(II), que es la forma soluble.
En el caso del hierro, cabe destacar que la forma reducida [Fe(II)] es la soluble y que la reducción del Fe(III) a
Fe(II)consume protones. El Fe(II) puede alcanzar concentraciones elevadas en suelos hidromorfos, y puede llegar a
ser tóxico para plantas, a pesar de estar adaptadas a condiciones de exceso de agua.
Funciones de los compuestos orgánicos
Otra causa origen de acidez en el suelo puede residir en la desprotonación de los grupos carboxilos y los
fenólicos de los compuestos orgánicos. Estos grupos tienen un cierto carácter ácido relacionado con su pKa, por lo
que se disocian fácilmente a pHs normales del suelo (incluidos los ácidos). Al hidrolizarse:
R - COOH + H2O↔ R - COO- + H3O+
R - OH + H2O↔ R – O- + H3O+
FUENTE DE ACIDEZ EN EL SUELO
Formas de aluminio Al+3 intercambiable (a pH de 4 – 5) y formas de aluminio hidroxiladas (a pH superior a 5,5)
que originan protones, por lo que constituyen una fuente de acidez importante en el suelo.
Grupos ácidos de los compuestos orgánicos (carboxílicos y fenólicos)
Extracción de cationes por parte de las plantas y por las cosechas.
Respiración de las raíces.
Producción de ácidos orgánicos por los microorganismos.
Fijación de nitrógeno atmosférico (las leguminosas son plantas acidificantes).
Procesos de oxidación, tales como la nitrificación (transformación de N-NH4+ a N-NO3-). En suelos hidromorfos, el
pH aumenta tras una inundación, ya que la reducción del Fe(III) a Fe(II) consume protones, mientras que con la
aireación se liberarán.
Productos acidificantes aportados al suelo, ya sean fertilizantes químicos de reacción ácida o bien productos
acidificantes a partir de la atmósfera (lluvias ácidas).
Los ácidos solubles producidos por la oxidación de la pirita, en condiciones muy especiales, tales como por
ejemplo en zonas de estuario drenadas inadecuadamente o bien en escombrera de carbón.
El azufre contenido en la materia orgánica de una turbera puede ser liberado al descender el nivel freático por
drenaje natural o antrópico y, al oxidarse, generar acidez.
Factores condicionantes de la acidificación
● Régimen de humedad del suelo.
Los suelos ácidos son característicos de zonas de clima húmedo que hacen posible que el régimen de humedad del
suelo sea percolante (údico).
El agua aportada por las precipitaciones supera con mucho la evapotranspiración durante varios meses a lo
largo del año. Ello hace posible que tenga lugar una pérdida (lixiviación) gradual de cationes basificantes (Ca2+,
Mg2+, Na+, K+) y que, a lo largo de muchos años, estas pérdidas, unidas a las extracciones de nutrientes por las
plantas contribuyan a la acidificación progresiva del suelo.
Hay que tener en cuenta que el agua de lluvia que llega al suelo no es agua pura, sino que ha disuelto CO2 del aire,
dando lugar a H2CO3 que tiene efecto acidificante.
A escala mundial, cabe distinguir los suelos ácidos de zonas intertropicales, caracterizados por lluvias intensas
y temperaturas elevadas (por lo general se trata de Ultisoles y Oxisoles, entre otros suelos) y los suelos ácidos de
zonas húmedas, templadas o frías (por lo general Espodosoles y algunos Inceptisoles, Andisoles, entre otros).
En suelos ácidos puede tener lugar, además una movilización y perdida de sílice (desilificación), que condicionará la
neoformación de arcilla (1:1) en estos medios.
● Actividad biológica.
La materia orgánica incorporada al suelo por la vegetación puede contener grupos funcionales acidificantes y los
microorganismos que descomponen la materia orgánica pueden producir ácidos orgánicos, dependiendo del tipo de
vegetación.
A igualdad de las demás condiciones, los bosques de coníferas dan lugar a más ácidos orgánicos que los bosques
caducifolios. Así, por ejemplo, el efecto acidificante es creciente del roble al pino negral:
Pinus pinaster (pino negral) > Eucalyptus globulus (eucalipto) >Quercus robur (roble)
Por otro lado, la respiración de las raíces y los microorganismos produce anhídrido carbónico que genera acidez al
disolverse en agua:
CO2 + H2O↔ HCO3- + H+
Con un efecto acidificante mucho mayor que el aguade lluvia.
Por otro lado, la fijación biológica de nitrógeno atmosférico también es origen de acidez al producir compuestos
acidificantes:
2N2 + 2H2O + 4R.OH --> 4R.NH2 + 302
● Material originario
Los materiales originarios ricos en sílice en medio percolante favorecen la acidificación, ya que son pobres en
cationes basificantes. Por ello, en climas húmedos, los suelos desarrollados a partir de aquellos materiales tenderán a
acidificarse. Por el contrario, los materiales calizos frenan la acidificación del suelo. A igualdad de las demás
condiciones, se puede establecer una secuencia de mayor a menor acidificación:
areniscas y cuarcitas >granitoides y gneises > equistos.
Hay que tener en cuenta que, si bien una arena granítica liberará siempre Ca2+ procedente de la meteorización de las
plagioclasas (CaAl2Si2O8), en climas húmedos se formarán suelos ácidos, mientras que en suelos de régimen no
percolante el Ca2+ puede reprecipitar en el suelo, dando lugar acumulaciones calizas.
● Posición en el paisaje
En un paisaje de una zona húmeda, los suelos situados en las partes altas están sometidos a mayores pérdidas de
cationes basificantes, que pueden acumularse en posiciones deprimidas.
● Actividades antrópicas
Inciden sobre la acidificación del suelo: el cultivo de plantas que exporten grandes cantidades de cationes
basificantes; los fertilizantes de reacción ácida, tales como los amoniacales; así como la lluvia ácida.
Respuesta de las plantas a la acidez del suelo
En suelos ácidos (pH < 5,5) puede haber toxicidad por aluminio y manganeso, además de deficiencias en calcio,
magnesio y molibdeno. La toxicidad por aluminio no da lugar a una sintomatología específica que resulte fácilmente
identificable a simple vista. Afecta principalmente al desarrollo radicular, ya que el aluminio inhibe la división celular
y la elongación de las raíces, que serán cortas, achaparradas y, además, tendrán en color parduzco.
Al concentrarse en la parte superior del suelo exploraran poco volumen de suelo, por lo que la planta será poco
eficiente en el uso de nutrientes, al no llegar a explorar los horizontes subsuperficiales; y también en la absorción de
agua, por lo que será más susceptible a la sequía.
Por otro lado, el aluminio dificulta la absorción de nutrientes, principalmente el fósforo, con el que forma fosfatos
insolubles.
El efecto tóxico del aluminio y del manganeso depende del grado de desarrollo que presenta el sistema radicular,
siendo más rápida la absorción de estos elementos en las fases iniciales del crecimiento de la planta. Por tal motivo
las plántulas serán mas sensibles que los individuos adultos y, en suelos de bosque con contenidos elevados de
aluminio y/o manganeso, puede verse afectada la autorrepoblación de la masa forestal.
En zonas intertropicales húmedas existen grandes áreas con limitaciones para el cultivo debido a una acidez excesiva
y problemas de toxicidad.
En suelos fuertemente ácidos (pH <4), la fase líquida contiene H+, a causa de la presencia de ácidos fuertes
inorgánicos, como elácido sulfúrico. Este es el caso de los suelos de polders ácidos (tierras ganadas al mar), y de los
suelos en que ha tenido lugar una oxidación de sulfuros (FeS y FeS2) debido a haber sido drenados en un medio sin
carbonato cálcico, lo que ha dado lugar a la formación suelos de sulfatos ácidos (pH inferior a 3)
En zonas saturadas por agua por un mal drenaje y medios pobres en cationes basificantes, pueden formarse turberas
ácidas (turba de Sphagnum, musgo) (Histosoles). La descomposición de la materia orgánica ha quedado frenada en
estas condiciones de exceso de agua, falta de oxígeno del medio y bajas temperaturas, lo que provoca su
acumulación en forma de turba.
Condicionantes de la basicidad del suelo
Los suelos de pH básicos (pH > 7,5) son característicos de zonas áridas, semiáridas y subhúmedas con un régimen de
humedad no percolante (arídico, xérico o ústico). En estos suelos el carbonato de calcio suele ser un componente
mayoritario, amortigua los cambios de pH, y hace que éste tenga valores de alrededor de 8,5, valor que corresponde
al pK de la reacción de equilibrio carbonato-bicarbonato.
Las sedes de intercambio tienden a estar ocupadas por cationes basificantes: Ca2+, Mg2+, K+ , Na+ que,
generalmente, saturan la capacidad de intercambio catiónico. Ello significa que el porcentaje de saturación de
cationes basificantes es aproximadamente igual al 100 %.
Condiciones de la alcalinidad del suelos
El pH de los suelos alcalinos tiene valores de 9 a 12. Son suelos poco frecuentes, que se encuentran en medios áridos
y semiáridos. En ellos el porcentaje de sodio intercambiable es de cómo mínimoun 15 %.
Unos valores tan altos de pH tienen explicación por la presencia de carbonato sódico, ya que el ión Na+, al no
solvatarse, no puede ser origen de la alcalinidad de estos suelos.
Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:
Disolución: Na2CO3 + H2O 2 Na+ + HCO3- + OH
Intercambio: Na+ + CaX↔ NaX + 0,5 Ca2+
El sodio intercambiable contribuye a la degradación de la estructura del suelo al favorecer la dispersión de las
arcillas, por lo que las propiedades físicas son extremadamente desfavorables.
También existe riesgo de toxicidad por sodio y deficiencias en micronutrientes.
FUNCIONES DEL SUELO QUE SE VEN AFECTADAS POR LA REACCIÓN DEL SUELO
La acidez y la basicidad del suelo afectan a sus diversas propiedades, a su comportamiento y al crecimiento de las
plantas:
Propiedades físicas afectadas:
● Dispersión - floculación de los coloides iluviados.
● Estructura.
● Porosidad y aireación.
● Conductividad hidráulica.
● Régimen de humedad y temperatura.
Propiedades químicas:
● Meteorización química.
● Movilidad de elementos tóxicos: aluminio, manganeso y metales pesados.
● Disponibilidad de nutrientes: calcio, magnesio, molibdeno, fósforo.
● Descomposición de la materia orgánica.
● Adsorción de aniones: fosfatos, sulfatos, cloruros.
● Procesos de hidromorfismos.
● Neoformación de minerales de arcilla.
Propiedades biológicas:
● Relación bacteria – hongos.
● Población bacteriana.
● Nodulación en leguminosas
● Humificación.
● Fijación de nitrógeno.
● Movilidad y absorción de nutrientes.
Se puede afirmar que el pH incide sobre muchas de las funciones potenciales del suelo, entre las que cabe indicar:
a) Producción de biomasa (biodisponibilidad de nutrientes y problemas por elementes tóxicos); producción de
alimentos de calidad y seguros.
b) Funciones medioambientales con efecto depurador: filtrado, transformaciones, transferencia de elementos a
otros compartimientos ambientales.
c) Función hidrológica, por ejemplo, la facilidad del movimiento del agua, al verse afectada la conductividad
hidráulica.
d) Hábitat biológico.
e) Soporte de infraestructuras, por ejemplo, riesgos potenciales para conducciones de hierro o de hormigón
enterradas.
f) Protección de restos arqueológicos, susceptibles de ser afectados si aumenta la acidez del suelo, entre otras.
Troug estudió la movilidad (biodisponibilidad y toxicidad) de los diferentes elementos en función del pH del suelo y la
representó de la manera siguiente (modificada por diversos autores):
Se puede observar que a pH muy bajos aumenta la solubilidad del aluminio, del manganeso y de metales pesados
que pueden resultar fitotóxicos. Por el contrario, disminuyen las disponibilidades de fósforo, que precipita en forma
de fosfato de hierro y de fosfato de aluminio.
En suelos básicos con pH de 8 a 8,5, la presencia de carbonato cálcico hace que el anión fosfato precipite en forma de
fosfato tricálcico dejando de estar a disposición de las plantas.
Para analizar con mayor detalle los efectos del pH se puede utilizar la información siguiente:
La población microbiana de la rizosfera se ve afectada por la reacción del medio. Los principales grupos de
microorganismos presentan diferentes intervalos de tolerancias frente al pH: los que están adaptados a pH más
elevados (pH >10)son los actinomicetos, mientras que, por lo general, las bacterias crecen mal en suelos con pH
ácidos, en los que se ven favorecidos los hongos.
Las bacterias quimioautotróficas que oxidan el azufre (Acidithiobacillus) son las que toleran pH más ácidos (pH = 2 -
3).
En lo referente a la fauna del suelo, las distintas especies pueden presentar un estrecho intervalo de pH en el que
alcanzan un crecimiento óptimo. Para adaptarse pueden haber desarrollado mecanismos para neutralizar un cierto
grado de acidez, como es el caso de las lombrices de tierra (Lumbricus terrestres) que poseen glándulas calcíferas a
los lados de la faringe.
El establecimiento y mantenimiento de praderas a base de leguminosas o la mejora de pastizales en lo referente a la
relación gramíneas/leguminosas presenta problemas en suelos ácidos (pH< 5). Deberá investigarse las
disponibilidades de calcio y molibdeno, ya que las leguminosas son exigentes en calcio (deficitario en suelos ácidos) y,
por otro lado la nodulación del Rhizobium requiere molibdeno, micronutriente del que en suelos ácidos se
encuentran en formas de baja disponibilidad. Ello puede ser debido a una carencia absoluta en el suelo o bien a que
el anión molibdato se halle formando complejos de esfera interna que dificulten su absorción por las plantas. La
tolerancia del Rhizobium a la acidez varía según el tipo de cepa de que se trate.
FACTOR CANTIDAD Y FACTOR CAPACIDAD DE LA ACIDEZ:
CAPACIDAD TAMPÓN DEL SUELO
El comportamiento de un suelo al ir añadiéndole un ácido o una base se puede estudiar por medio de una valoración
potenciométrica curva de neutralización.
La capacidad de neutralización de ácido (CNA) expresa la cantidad de ácido fuerte (moles de protones por unidad de
volumen o de masa) necesarios para cambiar el valor del pH de un sistema acuoso al pH al cual la carga neta de los
iones que no reaccionan con OH- o H+ es cero.
La derivada de la CNA con respecto al pH define la intensidad tampón o poder tampón (βH).
Para cambiadores del suelo se cumple CIC = AT + CNA
La acidez total puede ser la actual o la potencial, según el pH al que se valore.
La CNA corresponde a la carga de superficie por unidad de masa que está equilibrada por bases (Ca2+, Mg2+, K+ ,
Na+):
CNA (S) = CNA (s) + CNA (l) S = suelo
s = fase sólida
l = fase líquida
CNA (l) = [Na+] + [K+] + 2[Ca2+] + 2[Mg2+] + [H+]- [Cl-] - 2[SO42-] - [OH-] - [NO3-] - [HCO3
-] - 2 CO3
2-]
Si el conjunto de iones libre tiene compensada su carga neta CNA = 0
El suelo, debido a su capacidad de intercambio catiónico, presenta variaciones muy lentas en su pH al añadirle un
ácido o una base: actúa como un medio tamponado.
Esta propiedad constituye un mecanismo de protección frente a modificaciones bruscas del pH. El poder tampón se
expresa:
βH = ∆nA/∆pH
βH: poder tampón expresado en mol (+) kg-1 pH-1
∆nA: moles (+) de protones añadidos o eliminados por kg de suelo.
∆pH: variación del pH (dependiente del pH del medio)
La acidificación de un suelo se define como una disminución en la capacidad de neutralización de ácido (CNA), y/o un
incremento en la capacidad de neutralización de bases (CNB), y/o un incremento en la fuerza ácida (pH decrece).
Agentes amortiguadores de los cambios de pH
pH del suelo Agente tampón
2,0 – 4,0 Oxidación de la pirita y otros sulfuros
4,0 – 5,5 Compuestos de aluminio
5,5 – 6,8 Complejo de intercambio catiónico
6,8 – 7,2 Materia orgánica y minerales
7,2 – 8,5 Carbonato cálcico y magnésico
8,5 – 10,5 Carbonato sódico y Na+ intercambiable
MECANISMOS QUE REGULAN EL pH DE LOS SUELOS CALIZOS
En la fase acuosa se producen diversas reacciones de equilibrio esquematizadas como sigue:
Si se tiene en cuenta las constantes de equilibrio termodinámico de las diferentes reacciones, la neutralidad eléctrica
de la solución, la solubilidad del CO2 molecular y del CaCO3 , se demuestra que H+ , CO2 y Ca2+ están asociados dos
a dos por las siguientes relaciones lineales:
pH = -⅔ log pCO2+ B
pH = - 2 log [Ca++] + C
log [Ca++] =⅓ log pCO2+ D
B, C y D son constantes que dependen de la temperatura.
Considerando las ecuaciones precedentes, se constata que el equilibrio del sistema CaCO3– O2– H2O sólo depende
del pCO2, a condición de operar a temperatura constante y de que el medio tenga CaCO3 en exceso; la presión
parcial de CO2 constituye el único parámetro de variación del pH.
El gas carbónico amortigua la solución a los valores de pH alcalino por formación de bicarbonato y de carbonato:
OH- + CO2 HCO3-
2 OH- + CO2 CO32- + H2O
el CO2 consume los OH- y frena de esta forma el aumento del pH.
Los factores de variación del pH de los suelos calizos son:
Raíces de las plantas y diversos organismos que colonizan el suelo, mediante su actividad respiratoria alimentan en
CO2
Propiedades físicas del medio, principalmente la porosidad del suelo y el grado de humedad, influyen en los
intercambios gaseosos por difusión y hacen variar el contenido de CO2
La porosidad de los horizontes superiores comporta una disminución de la presión de CO2 y por consiguiente una
elevación del pH en las proximidades de la superficie.
Una humedad próxima a capacidad de campo favorece la actividad biológica y la producción de CO2 y acidifica la
solución del suelo,mientras que la percolación de importantes cantidades de agua de lluvia pobres en CO2 comporta
un incremento del pH.
En suelos impermeables se observa una disminución temporal del pH que provendría de un descenso importante de
la velocidad de difusión de CO2 fuera del perfil.
MECANISMOS QUE REGULAN EL pH DE LOS SUELOS HALOMORFOS
Suelos halomorfos o salsódicos presencia de sales solubles en cantidad elevada.
Predominios de sales de ácidos fuertes y de bases fuertes (sulfatos, cloruros, nitratos de calcio, magnesio y sodio)
pH del orden de 8,5.
Predominio de sales de ácidos débiles (carbonatos) el pH aumenta por encima de 8,5 hasta 10 aproximadamente.
Si se tiene presente la regla de neutralidad eléctrica, se puede estimar la alcalinidad de una solución mediante la
fórmula:
Alc = [Na+] + [K+] + 2[Ca2+] + 2[Mg2+] - [Cl-] - 2[SO42-]
Esta igualdad permite medir la alcalinidad sin preocuparse de las ganancias o pérdidas posibles de carbonatos por las
soluciones en el curso del muestreo y del análisis, lo cual presenta un gran interés práctico, puesto que la alcalinidad
y la presión parcial del CO2 constituyen los únicos parámetros de variación del pH de los suelos halomorfos.
pH = log Alc - log pCO2+ 7.82
Al igual que los suelos calizos, variaciones estacionales del CO2 de origen biológico determinan un incremento del
pCO2 y constituyen por ello un factor de variación de pH.
Los cationes del suelo interfieren con el pCO2 para regular el pH:
Divalentes [Ca2+ y Mg2+] carbonatos pocos solubles frenan la elevación del pH por eliminación del bicarbonato
Monovalentes [Na+ y K+] carbonatos y bicarbonatos permanecen en solución abastecen de OH- por hidrólisis.
MECANISMOS QUE REGULAN EL pH DE LOS SUELOS ÁCIDOS
Debido al equilibrio entre los iones H+ adsorbidos sobre los coloides y los de la solución, el pH baja en relación al
grado de saturación.
Se puede decir simplemente que en general:
Los suelos con pH igual o inferior a 4 tienen un valor S/T inferior al 10 %
Los suelos con pH 7 tienen un valor de S/T del 60 al 90 %
Los suelos ricos en caliza activa tienen un pH superior a 7.
Constituyentes responsables del poder amortiguador de los suelos ácidos:
a) Iones y moléculas en solución:
Suelos ácidos pH comprendido entre 3,5 y 6,5.
Iones o moléculas responsable de la acidez H3O+, HA(ácidos orgánicos), N4H+, H2SiO3, HCO3-, CO2, Al3+, Fe2+,
Fe3+.
Contribuyen a amortiguar el pH del medio cediendo protones o consumiendo hidróxidos según los siguientes
equilibrios.
Por encima de pH 5,5 el CO2 de la atmósfera del suelo (origen biológico) suele llegar a 10-2 atm de presión parcial y
contribuye a enriquecer la solución del suelo en bicarbonatos.
La acidez en este caso está causada por el sistema agua-CO2que toma una influencia preponderante sobre el poder
amortiguador y el pH del medio.
A pH inferior a 5,5 la concentración de bicarbonatos se vuelve despreciable. La solución del suelo contiene ácidos
orgánicos de diversa naturaleza: ácidos alifáticos, aminoácidos, policondensados prefúlvicos. Su neutralización muy
progresiva refleja su alto poder amortiguador a cualquier pH.
b) Minerales y compuestos en fase sólida
ALUMINIO
Varios iones complejos, formados de 2, 4, 6 y hasta 13 átomos de aluminio asociados a hidroxilos y moléculas de
agua, pueden coexistir en la superficie de los minerales arcillosos. Se pasa de una forma a otra por reacciones de
equilibrio en las que intervienen protones o hidroxilos; todas estas formas conservan un carácter catiónico.
SILICATOS
El poder amortiguador de diversos minerales en función del pH está determinado por la pCO2 constante de 10-2 atm
y por la concentración constante de carbonatos disueltos. En función de la resistencia creciente que oponen a la
acidificación del medio, los minerales se clasifican: caolininta < montmorillonitaMg< alofano < illita < clorita-Mg <
anortita.
MATERIA ORGÁNICA
El poder amortiguador es muy elevado para cualquier pH. Afinidad química de compuestos húmicos para metales de
Fe y Al con los cuales forman complejos de coordinación modifica sensiblemente la acidez potencial y el poder
amortiguador, especialmente entre pH 4 y 5, en las proximidades de la neutralización de los carboxilos.
EFECTOS AMBIENTALES DE LA ACIDIFICACIÓN
Caso de escombreras con pirita
En escombreras de minería de carbón a cielo abierto que contengan pirita, al entrar en contacto con el aire tenderá a
oxidarse: [S(II) S(VI)]. Al tratarse de una reacción exotérmica, existe el riesgo de que se provoquen incendios en la
escombrera.
Por otro lado, el comportamiento del SO4 2+ formado dependerá de si el medio contiene o no carbonato cálcico. En
caso de haberlo actuará como agente tampón del ácido sulfúrico que se vaya formando al oxidarse la pirita, con lo
que la acidez desaparecerá al formarse yeso (CaSO4. H2O).
En aquellos casos en los que, por el contrario, la escombrera no contenga carbonato cálcico, el ácido sulfúrico
quedará como ácido mineral libre, pudiendo reaccionar con el hierro (Fe2+), para formar sulfato ferroso y el medio
tendrá un pH de 2 – 3, valores que se mantendrán mientras haya pirita que, al oxidarse, seguirá actuando como
fuente continua de acidez.
En estas condiciones se puede liberar, además, aluminio, con lo que las posibilidades de revegetar escombreras de
este tipo será especialmente difícil, obligando a corregir previamente las característica químicas con un encalado.
Por otro lado, el ácido sulfúrico formado, así como el aluminio liberado, pueden ser movilizados con el agua de
escorrentía y ser transportado vertiente abajo; o bien con el agua de drenaje y ser transferido a una capa freática. En
ambos casos, puede ser el origen de una contaminación difusa.
Estos impactos sobre la ecología de los cursos de agua y lagos pueden ser extremadamente graves para la fauna
acuícola.
Caso del drenaje de suelos con sulfuros
Los estuarios, manglares y llanuras afectadas por mareas, al estar en contacto con el mar, pueden haber recibido
cantidades importantes de ión sulfato a lo largo de los años.
Las condiciones reductoras dominantes en esta clase de medios, por el hecho de haber permanecido frecuentemente
estancados sin agua circulante que renueve el contenido de O2 y con nuevos aportes de ión sulfato, pueden haber
dado origen a ácido sulfhídrico (H2S, que puede ser tóxico para las raíces de muchas plantas), y que puede haber
reaccionado con el hierro (Fe2+) del medio para formar sulfuros de hierro como FeS y FeS2 (pirita sedimentaria).
La oxidación microbiana de los sulfuros de hierro asociada a un descenso de la capa freática natural o por drenaje
artificial, provocará la degradación del suelo por acidificación, proceso que tendrá un carácter irreversible, tanto
desde un punto de vista de la viabilidad técnica como económica al plantear un posible proyecto de mejora. La
mejora es todavía más difícil si la acidificación ha llegado a producirse en materiales subsuperficiales.
De forma simplificada, las reacciones que tendrían lugar con el drenaje se pueden formular como:
Oxidación de la pirita: FeS2 + 7/2 O2+ H2O Fe2+ + 2 H+ + SO42-
Oxidación del Fe2+: 4Fe2+ + O2 + 4H+ 4Fe3+ + 2H2O
Precipitación del Fe3+: Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3 H+
En medios donde no exista carbonato cálcico, se formarán sulfatos ácidos de hierro y de aluminio y habrá
acumulación de óxidos de Fe(III) y jarosita [KFe3(SO4)2(OH)6], que se presentan en forma de manchas de color
amarillo pálido. Los suelos resultantes tendrán un pH de alrededor de 3, es decir, serán extremadamente ácidos y
muy desfavorables para la actividad biológica y la agricultura.
Estos suelos se denominan suelos de sulfato ácidos, que son muy estériles por su extremada acidez (presencia de
ácidos minerales y orgánicos), por los elementos tóxicos que contienen, y por tener pocos nutrientes. Suelos de esta
clase se pueden presentar en estuarios y deltas de zonas tropicales afectados por la acción de las mareas, entre otros
emplazamientos.
Mientras que si el sedimento (o el suelo) contiene carbonato cálcico:
Amortiguación: H2SO4+ CaCO3+ H2O CaSO4.2H2O + CO2
Por consiguiente, en el caso de tener que gestionar estuarios o marismas, y que se plantee bajar el nivel de la capa
freática, previamente a iniciar cualquier obra de drenaje, se deberá determinar presencia de sulfuros y de carbonato
cálcico, y con ello el riesgo de acidificación.
Cualitativamente, se puede verificar la presencia de sulfuros midiendo el cambio de pH y la presencia de ión sulfato
después de atacar una muestra con peróxido de hidrógeno comercial (ensayo del peróxido)
FeS2+ 15/2 H2O2 Fe3+ + H+ + 2SO42- + 7H2O
Como ejemplo de suelos en los que puede presentarse a este tipo de riesgos se puede citar la clase de los
SulfaqueptsST oThiosolesWRB
Caso de la lluvia ácida
La lluvia ácida recibe este nombre por el hecho de tener un pH de 5 o menos. Tiene su origen en las emisiones de
centrales térmicas, plantasindustriales y vehículos que utilizan hidrocarburos fósiles con alto contenido en azufre, de
emanaciones volcánicas y de emisiones del propio suelo.
Las fuentes atmosféricas de acidificación son los óxidos de azufre,OSx, los óxidos de nitrógeno, NOx, y el amoníaco,
NH4+. Las reaccionesque pueden tener lugar son:
Oxidación 2SO2+ O2 2SO3
Hidrólisis SO3+ H2O H2SO4 SO42- + H+
En el caso de los óxidos de nitrógeno (NOx) pueden reaccionar con el ozono de la atmósfera:
Oxidación fotoquímica: NO + O3 NO2+ O2
Hidrólisis: 2NO2+ H2O 2HNO3+ H+ 2NO3- + 2H+
Estos gases pueden ser transportados por el viento lejos del lugar donde se ha producido la emisión, provocando una
contaminación difusa.
Los efectos ambientales dependerán de los receptores. Una lluvia ácida sobre la superficie de un suelo calizo sin
vegetación o encalado periódicamente tiene pocos efectos por el poder amortiguador del carbonato cálcico respecto
a la acidificación.
Por el contrario, la misma lluvia ácida caída sobre suelos ácidos, especialmente cuanto más arenosa sea la textura,
presenta mayor riesgo de acidificación y de solubilización de elementos fitotóxicos.
Las masas forestales y los cultivos que reciban lluvias ácidas pueden presentar necrosis, disminución de la
productividad y, finalmente,llegar a morir. Procesos de este tipo provocan el deterioro de bosques en diversas partes
el mundo y, al tratarse de una contaminación difusa, se requiere un esfuerzo de colaboración internacional
importante para abordar medidas encaminadas a disminuir las emisiones.
Los lagos con una CNA alta pueden amortiguar los cambios de pH al recibir una lluvia ácida, mientras que las masas
de aguas superficiales ácidas, es decir con una CNA baja, no podrán amortiguar los efectos con lo que se influirá en la
vida acuática,siendo los salmones una de las primeras especies en verse afectadas en los países nórdicos.
Por otro lado, las aguas que contengan fosfatos, si reciben N-NO3- se eutrofizan, lo que ropvoca un crecimiento
exuberante de la vegetación acuática, una demanda biológica de oxígeno (DBO) elevada, la vida acuática animal se
verá afectada, y existirá un mayor riesgo de acumulación de mercurio en los peces. El problema puede llegar a ser
grave en embalses eutrofizados.
La lluvia ácida tiene efectos devastadores sobre los edificios y monumentos construidos con materiales calizos, en
lugares húmedos.Este es el caso, por ejemplo, de los edificios góticos cuyas paredes y esculturas son muy
susceptibles al mal de la piedra, que consiste en la transformación de la caliza en yeso, por efecto de lluvias ácidas.
SALINIZACIÓN Y SODIFICACIÓN
Suelos salinos acumulación de sales más solubles que el yeso interferir crecimiento de la mayoría de los cultivos y
otras plantas no especializadas.
Suelos sódicos contiene suficiente sodio afecta la producción de cultivos y la estructura.
Suelos salino sódicos suelos salinos + suelos sódicos
Parámetros para evaluar la respuesta de las plantas y el comportamiento de un suelo en relación con la salinidad y la
sodicidad:
c) La conductividad eléctrica (CE) de un extracto de pasta saturada:
Mide la salinidad de una muestra en condiciones de saturación de agua. Para preparar la muestra, se añade agua
desmineralizada a una muestra seca y tamizada, hasta conseguir que se forme una pasta, con suficiente agua para
poder considerar que está saturada y sin que aparezcan dos fases por exceso de agua. Se deja equilibrar la pasta y
después se extrae el líquido filtrando con un embudo buchner al vacío.
La CE es proporcional a la concentración de sales solubles en la solución y es función de la temperatura. La CE se
mide con un conductímetro, cuyo fundamento es un puente de Wheatstone. Las lecturas se refieren a 25ºC.
La unidad de medida en el sistema SI son: dS m-1 a 25 ºC
d) El porcentaje de sodio intercambiable (ESP o PSI):
Es el índice de sodicidad más utilizado para investigar la estabilidad del suelo y para clasificar suelos:
ESP = (ESC/CIC) . 100 ESC: contenido de sodio intercambiable [cmol (+) kg-1]
El límite de 4 dS m-1 fue propuesto por Schofield en 1942 y sigue teniendo validez. El valor de 15 % para el ESP
resulta un tanto arbitrario.
ORIGEN DE LAS SALES SOLUBLES: CICLOS DE SALINIZACIÓN
La formación de suelos salinos depende principalmente de los siguientes factores:
● Litológicos
● Geomorfológicos
● Climáticos
● Hidrológicos
● Antrópicos
El origen último reside en las rocas que, al verse afectadas por la meteorización, liberan los elementos que las
constituyen.El movimiento, redistribución y acumulación de tales componentes en una cuenca de drenaje permiten
explicar la formación de los suelos salinos.
CICLOS CONTINENTALES
La formación de suelos salinos en las tierras del interior de los continentes se debe a ciclos de movilización,
redistribución y acumulación de cloruros, sulfatos, bicarbonatos y carbonato sódico que vienen condicionados por:
Clima: Aridez o semiaridez.
Régimen de humedad del suelo:No percolante.Arídico, xérico o ústico.
Posición geomorfológica: Fondo o parte basar de laderas.
Clase de drenaje: Deficiente.
Ciclo continental de acumulación primaria de sales
Sales solubles proceden de meteorización de la roca. Los elementos liberados se acumulan in situ sin mediar
transporte. Reacciones implicadas:
o Disolución congruente:
Productos de desintegración solubles proporción igual que en el mineral
Ejemplo: MgCO3+ H2O + CO2Mg2+ + 2 HCO3-
o Disolución incongruente:
Meteorización da lugar a productos solubles y neoformación de minerales insolubles. Es característica de los
procesos de hidrólisis, por ejemplo:
2 NaAlSi3O8+ 3 H2O Al2Si2O5(OH)4+ 4 SiO2+ 2 Na+ + 2 OH-albita caolinita
o Redox:
Meteorización hay cambios en el estado de oxido-reducción. Pueden afectar el pH del sistema.
Ejemplo oxidación del sulfuro: FeS2+ 15/4 O2+ 7/2 H2O Fe(OH)3+ 4 H+ + 2 SO42+
Dada la elevada movilidad de los elementos implicados en la salinización de los suelos, resulta poco frecuente que
ésta pueda tener lugar por un ciclo de acumulación primaria. Con poco agua, la meteorización será muy lenta y, sí
abunda, los elementos liberados serán objetos de transporte y redistribuciónen el paisaje.
Ciclos de salinización primaria Manchuria, Mongolia,Transcaucasia.
Ciclo continental de acumulación secundaria de sales
Implica la movilización, redistribución y acumulación de sales a cierta distancia de su lugar de origen.
CICLOS MARINOS DE ACUMULACIÓN DE SALES
Suelos de llanuras a lo largo de las costas, bahías y marismas pueden presentar acumulación de sales marinas,
principalmente cloruro sódico.
Sales proceden capas freáticas salinas poco profunds, agua de inundación por efectos de las mareas, aportes de
sales transportadas por el viento; ya sea en forma de aerosoles con cristales en suspensión o como gotas altamente
salinas.
CICLOS DELTÁICOS DE ACUMULACIÓN DE SALES
Los ciclos de salinización en estas zonas son complejos, al haber interacciones entre el agua de mar, procedentes de
las inundaciones durante las tempestades, el agua transportada por el río, cuyo contenido salino suele ser bajo y el
agua de la capa freática, salina si está asociada con el agua de mar y con un bajo contenido de sales, si se trata del
freático del río. El equilibrio es frágil.
CICLOS ARTESIANOS
En determinadas áreas geográficas se ha puesto de manifiesto que puede haber surgencias de aguas freáticas
profundas, que ascienden a favor, de microfallas y fracturas. En su movimiento pueden atravesar materiales que den
origen a su salinización. La evaporación de esta agua, que pueden formar pequeñas áreas encharcadas, provocará la
salinización de los terrenos afectados.
CICLOS ANTROPOGÉNICOS
e) Actividades agrícolas mal realizadas:
● Uso de fertilizantes inadecuados.
● Riego con aguas residuales depurados con polielectrolitos.
● Transformaciones en regadío.
● Desconocimiento de procesos de salinización y factores que los controlan, como ejemplo: Elevar el nivel de la
capa freática, Regar con aguas de elevado contenido salino; Provocar una acumulación de sales en la zona
radicular, por un riego continuado sin drenaje; Procesos de sodificación con degradación de la estructura,
por regar con aguas con bajas concentraciones de calcio.
f) Actividades industriales y mineras.
● Industrialización ha aumentado contenidos atmosféricos en NO3 y compuestos a base de azufre, que son
devueltos al suelo por las lluvias. El carácter ácido de éstas aumenta la tasa de meteorización.
● La minería puede dejar en superficie materiales salinos o sódicos.
SINTOMATOLOGÍA
▪ En las plantas no halófitas la presencia de sales en el suelo provoca una sintomatología relacionada con una
inhibición irreversible del crecimiento.
▪ Un retardo en la nascencia, que con salinidades elevadas puede no tener lugar.
▪ Una menor área foliar y talla de la planta: el crecimiento es más lento y no llega a ser completo.
▪ Menor producción de materia seca.
▪ Quemaduras en los bordes de las hojas: necrosis.
▪ Hojas de un color verde más oscuro que en plantas normales.
▪ Disminución de los rendimientos de los cultivos.
▪ Muerte de la planta antes de completar su desarrollo, si las condiciones son extremas.
EFECTOS DE LA SALINIDAD.
Efectos osmóticos
Las sales hacen disminuir el potencial osmótico del agua del suelo (en valor absoluto va siendo cada vez
mayor).
Se inhibe el crecimiento y puede haber paso de agua de la planta al suelo,
Efectos ión específico
Aumenta la concentración de algunos iones que afectan la fisiología de la planta, por resultar tóxicos o
provocar desequilibrios en el metabolismo de nutrientes.
EFECTOS DE LA SODICIDAD.
o La acción dispersante del sodio sobre las arcillas y solubilización de la materia orgánica afecta a las
propiedades físicasdel suelo, los agregados son poco estables, y el medio será menos apto para
elcrecimiento de las raíces de las plantas.
o Se puede favorecer el sellado y encostramiento del suelo y la disminución de la conductividad hidráulica.
PRINCIPALES TIPOS DE SALES EN SUELOS Y AGUAS
CLORUROS
Son sales muy solubles y con una alta toxicidad.
Cloruro sódico Eflorescencias en superficie formadas en estación seca gusto salado.
▪ Eliminación requiere lavado en condiciones buen drenaje.
▪ Afecta solubilidad de otras sales que por efecto de ión común disminuye al aumentar la concentración de
NaCl
Cloruro magnésico Salinidad extremadamente alta.
▪ Perjudicial para la planta.
▪ Si el suelo recibe aguas ricas en iones Cl- y Na+ , el intercambio con Mg2+ puede tener lugar reacción: 2 NaCl
+ MgXMgCl2+ NaX
▪ Sal muy higroscópica suelos se mantienen húmedos después de la lluvia.
▪ Eflorescencia tiene gusto amargo.
▪ Mejora de suelos se dificulta ya que el magnesio tiende a ocupar los lugares de intercambio, dejando en
solución los cationes monovalentes.
Cloruro cálcico Poco frecuente.
▪ Estabilidad de otras sales formadas a partir de esta:
CaCl2+ Na2SO4+ 2 H2O 2 NaCl + aSO4 + 2 H2O
CaCl2+ Na2CO3 2 NaCl + CaCO3
Yeso y carbonato de calcio precipitan.
Cloruro sódico formado se pierde por lavado.
▪ Formación del CaCl2 análoga al MgCl2.
▪ Presencia de esta sal es ocasional.
Cloruro potásico propiedades análogas al cloruro de sodio.
▪ Poco frecuente en los suelos salinos debido a que el K+ puede formar complejos de esfera interna en la
superficie de algunas arcillas, donde queda retenido.
▪ El potasio es un macronutriente por lo que además queda inmovilizado por la biomasa.
SULFATOS
Sulfato sódico más frecuente en los suelos salinos.
▪ Eflorescencia tienen gusto a jabón y salado.
▪ Composición molecular varía con la humedad.
Na2SO4↔ Na2SO4. 10H2O
tenardita (Na2SO4) en desiertos y períodos de sequía
mirabilita (Na2SO4. 10H2O) durante la estación húmeda
▪  Solubilidad afectada por la temperatura.
Sulfato magnésico muy soluble
▪ Altamente tóxico.
▪ Lavado dificultoso
Sulfato potásico no es responsable de salinizaciones en condiciones naturales.
▪ Genera problemas donde se realice mal uso de los abonos, generalmente en invernaderos.
▪ Es el menos tóxico.
CARBONATO Y BICARBONATO SÓDICO
Están ligados a procesos de alcalinización del suelo. Poseen pH superiores a 9, pudiendo llegar a 12. Crean un medio
inadecuado para el crecimiento de la mayoría de las plantas.
Hidrólisis del carbonato sódico es el origen de valores de pH tan elevados:
Na2CO3+ H2O 2Na+ + HCO3- + OH- pH = 12
El bicarbonato sódico da lugar a una condiciones menos alcalinas y, por consiguiente, menos tóxicas. En medios
naturales que contengan yeso, el carbonato sódico tenderá a desaparecer.
BORATOS
Boro micronutriente
▪ Deficiencia limitan los rendimientos y la calidad de las cosechas,
▪ Exceso crea igualmente problemas graves.
Ausencia de boro régimen de humedad percolante; pH ácidos
Toxicidad suelos climas áridos y semiáridos.
Presencia de boro en agua meteorización de turmalina regadíos que utilicen aguas relacionadas con zonas
volcánicas o agua residuales de industrias o poblaciones.
En el agua del suelo el B se encuentra como ácido bórico, forma absorbida por las plantas.
H3BO3 + H2O↔ B(OH)4- + H2O
A medida que aumenta el valor del pH hacia 9 la forma predominante es el B(OH)4-
El boro puede ser objeto de diversos procesos de inmovilización en el suelo:
En forma inorgánica por:
▪ Fenómenos de adsorción.
▪ Procesos redisolución-precipitación.
En forma orgánica por:
▪ Los componentes orgánicos hacen disminuir la toxicidad de este elemento, ya que se requiere su
mineralización para que el boro pueda ser absorbido por las plantas.
PROPIEDADES COLOIDALES DEL SUELO Y REACCIONES DE SUPERFICIE
OBJETIVOS
▪ Conocer los componentes del suelo que presentan comportamiento coloidal.
▪ Evaluar el impacto de su actividad en los procesos del suelo, especialmente en la interfase
sólido-líquido-gaseoso.
¿Por qué estudiar los coloides del suelo?
g) Permite comprender las complejas interacciones que se producen en la superficie de arcillas, óxidos y
materia orgánica, explicando reacciones físicas, comportamiento de nutrientes, casos de deficiencia y/o
toxicidad para las plantas, brindando elementos de juicio para el manejo de problemas de contaminación,
permitiendo inferir propiedades físico químicas estrechamente ligadas a la fertilidad y agua del suelo.
h) Los coloides son la fracción químicamente activa del suelo capaz de afectar todos los procesos
físico-químicos.
i) La superficie activa que presentan debido a su tamaño pequeño, sumado a las cargas eléctricas de superficie,
que permiten el intercambio de iones cargados y a la actividad
biológica que se genera, le confiere al sistema una dinámica difícil de imaginar cuando se observa al suelo
desde la superficie.
COLOIDES DEL SUELO
Los suelos tienen componentes con propiedades coloidales [partículas inorgánicas arcillas, sílice
coloidal y óxidos metálicos) y constituyentes orgánicos (macromoléculas orgánicas y organismosvivos)]
Los componentes coloidales se caracterizan por su tamaño microscópico; una superficie específica
muy elevada (cm2 g-1); presentar carga eléctrica electrostática de superficie; tener una elevada actividad, ser
muy reactivos, tanto física como químicamente.
No llegan a disolverse, ni atraviesan las membranas semipermeables.
Son visibles con ayuda de un instrumento óptico y, observados al microscopio electrónico, muestran
un movimiento vibratorio constante (movimiento browniano), lento y errático, que las mantiene en
suspensión mucho tiempo, si bien finalmente llegan a sedimentar.
Presentan una gran diversidad y complejidad.
Partículas coloidales y funciones del suelo
Las partículas del suelo con comportamiento coloidal (arcillas, óxidos de hierro y aluminio, y coloides
orgánicos), debido a la carga eléctrica de superficie interactúan fuertemente entre ellas [fenómenos de
atracción (formación de flóculos o coágulos) y repulsión], y con la fase líquida del suelo (formación de una
interfase sólido-líquido).
Por ello, intervienen en muchos procesos de floculación, dispersión, adsorción (sorción) y
translocación, y pueden actuar de transportadores de productos adsorbidos en su superficie.
Por tanto, participan en el suministro de nutrientes para las plantas, en la estructuración del suelo,
con repercusiones en la porosidad, aireación y conductividad hidráulica; contribuyen a que el suelo actúe
como filtro ambiental de contaminantes y
mejore la calidad del agua que lo atraviese, entre otros aspectos.
FLOCULACIÓN Y DISPERSIÓN
El término suspensión hace referencia a la interposición de partículas de una sustancia (arcilla) entre
las de otra (agua). Las partículas coloidales en suspensión no se disuelven, y son visibles con la ayuda de un
instrumento óptico.
La floculación es un proceso por medio del cual las partículas finas que se hallan en suspensión
tienden a asociarse, para hacer disminuir su área superficial al formar partículas de mayor tamaño (flóculo).
Con ello la suspensión pasa a ser inestable y los flóculos formados sedimentan más rápidamente. La
estabilidad de una suspensión coloidal depende de la resultante de las fuerzas de atracción y las de repulsión
entre las partículas en suspensión (láminas de arcilla). Si predominan las fuerzas de repulsión el sistema
permanece disperso y, en caso contrario, flocula.
La floculación de partículas de arcillas (cargadas negativamente) se produce por la intervención de
iones de signo contrario (cationes) con más de una carga. La unión de láminas de arcilla agrupadas
paralelamente, por ejemplo por Ca2+, da lugar a la formación de dominios de arcilla. La floculación de las
partículas de arcilla con formación de dominios de arcilla floculada constituye una primera etapa para la
formación de microagregados y la estructuración del suelo, en laque, además intervendrán compuestos
orgánicos del suelo.
La dispersión es un proceso de repulsión mutua entre partículas finas con carga eléctrica (arcilla) en
una suspensión, sin que se produzca la sedimentación o que ésta tenga lugar muy lentamente.
Un cambio en las condiciones físico químicas en una fase líquida con partículas floculadas, por
ejemplo por adición de una cierta cantidad de sodio, Na+, puede proporcionar la energía electroquímica
necesaria para provocar la dispersión.
Es lo que sucede si se riega con aguas que contengan Na+. Los dominios de arcilla se mantendrán agregados
pero tenderán a dispersar entre ellos (pueden ser translocados como dominios y hacer disminuir la
porosidad allí donde se acumulen). Si el contenido en Na+ intercambiable sigue aumentando, al llegar a ser
suficientemente elevado provocará la destrucción de los dominios, por la separación de las láminas de arcilla
(dispersión). Con ello, la estructura del horizonte afectado se hará inestable, los agregados se destruyen y la
porosidad disminuye.
La estructura pasará a ser continua o maciza, que es muy desfavorable para la circulación del agua y del aire y
el crecimiento de las plantas.
La dispersión tiene importancia en el transporte de partículas en suspensión dentro del suelo. La
translocación de arcilla tiene lugar cuando se halla dispersa (para lo que se requiere que el horizonte
implicado no contenga CaCO3 ) y da la formación del horizonte Bt (endopedón argílico). La arcilla-Na+
(características de los suelos sódicos) resulta altamente móvil, incluso en presencia de carbonato cálcico o de
yeso en el suelo. En este caso, el resultado de la translocación es la formación de un horizonte Bna
(endopedón nátrico).
Si el régimen de humedad lo permite (régimen percolante), las partículas de arcilla dispersas pueden
salir del suelo con el agua de drenaje. Si la arcilla dispersa se halla en superficie, el horizonte superficial será
altamente erosionable, ya que los agregados, al ser muy inestables, al humectarse se deshacen.
Desde el punto de vista fisicoquímico, un sistema arcillaagua se mantiene disperso si el porcentaje de
sodio intercambiable (interfase) adsorbido a las arcillas es
superior al 15 %, con lo que las fuerzas de repulsión entre láminas de arcilla son mayores que las de
atracción.
La concentración crítica de floculación (CFC) es la concentración mínima de electrolitos que hace que
una suspensión coloidal llegue a ser inestable y empiece a
flocular rápidamente. La concentración crítica de floculación depende de la naturaleza de las partículas
(mineralogía de las arcillas), de la composición del medio acuoso (valencia y concentración del ión de signo
contrario) y del tiempo de sedimentación. Si se estudia el comportamiento de las partículas de arcilla en
disoluciones monoiónicas, se observa que la suspensión presenta una concentración crítica de floculación
mucho más baja si el catión presente es el Ca2+ que si es el Na+ , debido a que éste tiene menor carga y
mayor radio el ión hidratado.
El poder floculante del CaCl2 es de 50 a 100 veces mayor que el del NaCl. El Na+ actúa como
dispersante, mientras que por encima de la CFC provoca la floculación del sistema.
REACCIONES DE SUPERFICIE
La elevada reactividad de las superficies de las partículas del suelo se debe a la existencia de grupos
funcionales de superficie (GFS) y a la elevada superficie específica de las partículas.
Grupo funcional de superficie (GFS)
Un GFS es una agrupación de átomos que confieren una reactividad característica a las moléculas de
la superficie de las partículas de la fase sólida. Los GFS pueden ser portadores de carga negativa, positiva o
ser neutros. Su reactividad viene determinada por el tipo específico de mineral en el que se encuentren o, en
el caso de materiales orgánicos, por la estructura molecular en la que se hallan.
De entre los componentes minerales del suelo, presentan GFS los minerales de arcilla, los materiales
de baja cristalinidad o amorfos, los óxidos metálicos y los hidróxidos. Los GFS más frecuentes de los
componentes orgánicos que intervienen en las reacciones de superficie son los grupos carboxílicos (-COOH),
amina (R-NH2) y fenólicos (anillo aromático-OH), que pueden desprotonarse y adquirir carga negativa en la
interfase, y algunos de ellos pueden protonarse, como en el caso de las aminas.
También se ha sugerido que algunos de los GFS de alta afinidad pueden implicar a grupos sulfhidrilos (R – S –
H) en la materia orgánica.
La química de superficie de los constituyentes del suelo es muy compleja y los mecanismos
implicados varían según el adsorbente y según cual sea el adsorbato (naturaleza y concentración) y las
condiciones fisicoquímicas del medio.
Reacciones de superficie
Son aquellas que tienen lugar en la interfase entre la fase sólida y la fase líquida, debido a la
existencia de GFS. Varían según la clase de suelo en que tengan lugar.
La química de las reacciones de superficie tiene una gran importancia práctica, ya que incide en el
comportamiento del suelo, los nutrientes y los contaminantes, por las uniones que tienen lugar en las
interfases.
Aspectos a destacar son:
● Propiedades electrostáticas que controlan la adsorción de cationes (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, entre
otros) y la sorción deaniones (SiO43-, PO43, SO42-, Cl-, entre otros);
● La floculación y dispersión de partículas coloidales (arcilla y componentes orgánicos);
● Algunos procesos de translocación (arcilla y componentes orgánicos);
● El comportamiento (retención, liberación, transformación y transporte) de nutrientes (NH4+, Ca2+,
Mg2+, K+, PO43-,NO3-, boratos, entre otros);
● Los procesos de mejora de la calidad del agua que atraviesa un suelo al ser retenidos los
contaminantes que contenga y, por ello, la química del agua subterránea;
● Las reacciones entre los componentes orgánicos y los pesticidas y los productos de degradación; o el
comportamiento de elementos potencialmente contaminantes (cromo, selenio, níquel, arsénico,
entre otros), metales pesados incorporados al suelo al utilizar enmiendas de baja calidad o al verter
aguas residuales de origen industrial;
● La adopción de radionucleidos en el tratamiento de residuos.
En sistemas acuáticos, la sorción y la desorción de fosfatos por parte de los sedimentos tienen gran
importancia en el control del grado de eutrofización de las masas de agua.
Por otro lado, también son la base de los tratamientos de depuración de aguas para eliminar la turbidez y
mejorar así la calidad.
SORCIÓN
La sorción significa la transferencia de material de la fase líquida del suelo a la fase sólida. El término
no implica ningún mecanismo, sino que describe simplemente una observación. El proceso inverso se
denomina desorción.
La sorción específica significa que el suelo presenta una preferencia por la sustancia sorbida, frente a
otras que pueden estar presentes en la fase líquida. Así, por ejemplo, cationes tales como el cobre o el zinc
pueden ser sorbidos a pesar de la presencia de concentraciones mucho más altas de sodio o calcio; o aniones
como el seleniato o molibdato pueden ser sorbidos a pesar de una concentración mucho mayor de cloruro o
nitrato. El concepto no implica ningún mecanismo, simplemente describe una observación.
La especificidad es una propiedad que permite establecer una gradación, de manera que se pueden
ordenar los iones en una secuencia de especificidad o selectividad, así, por ejemplo fosfato > seleniato >
borato > cloruro.
De los metales micronutrientes, el cobre es el que presenta mayor afinidad por la materia orgánica. Sin
embargo, resulta difícil proponer una secuencia de preferencia por los metales por parte de la materia
orgánica, ya que la secuencia típica de afinidad: Cu > Ni > Pb > Co > Ca >Zn > Mn > Mg resulta generalmente
inconsistente, ya que depende de la naturaleza de la materia orgánica, los métodos utilizados y el pH a
la que se mida.
Resulta difícil establecer la clasede unión implicada, ya que puede depender de las condiciones
experimentales.
La sorción incluye la adsorción que significa que el material sorbido está sobre la parte externa de las
partículas de suelo.
Hipótesis de mecanismos de sorción: fuerzas de unión pueden ser de tipo físico (uniones electrostáticas de
intercambio iónico y por fuerzas de van der Waals) y fuerzas de naturaleza química (quimiosorción, de la que
forma parte la polimerización,
entre otro tipo de uniones). También cabe tener en cuenta la absorción y la precipitación.
Unas reacciones son reversibles, mientras que otras son poco reversibles e incluso las hay que son
irreversibles. Las reacciones de superficie pueden ser la combinación de diversos tipos de mecanismos, si las
condiciones son favorables para uno de ellos lo son también para los demás, siendo difícil a veces establecer
claramente de cuál de ellos se trata. Por ello resultaría mejor utilizar la palabra sorción como término
genérico para referirse a este tipo de procesos.
El término sorción resulta especialmente adecuado para referirse a las uniones en que interviene la
materia orgánica y el sorbato tiene carácter aniónico, ya que en este caso los procesos son mucho más
complejos y todavía no han sido suficientemente estudiados.
En el caso de las uniones de superficie en las que intervienen aniones, como los oxianiones, resulta
preferible referirlas como sorción de aniones.
En el caso del PO4 3-, las sorciones en suelos ácidos pueden ir acompañadas de precipitaciones con
Fe y Al, por lo que resulta también más adecuado utilizar el término sorción para designarlas.
La adsorción viene controlada por la naturaleza del ión de signo contrario (carga, concentración,
capacidad para hidratarse y capacidad para hidrolizarse) y por el tipo de sustrato adsorbente (naturaleza y
características de la superficie).
La capacidad para hidratarse hace que, para iones de igual carga, el tamaño del ión hidratado determine el
orden de preferencia en la sorción, de manera que, cuanto mayor sea el radio del ión hidratado, menos
intensa será la fuerza de unión.
En lo referente a la capacidad de hidrolizarse de un metal, la sorción incrementa simultáneamente
con la facilidad para la hidrólisis. En el caso de iones metálicos y la MOS la afinidad aparente decrece a
medida que aumenta la cantidad de metal, ya que la reacción se comporta como si hubiese unos pocos GFS
de alta afinidad y ligeramente más de baja afinidad.
Dado que la sorción implica extraer materia de la fase líquida, para concentrarla en la superficie de la
fase sólida, se trata de procesos de gran importancia para la nutrición de las plantas (adsorción/desorción) y,
al retirar sustancias inorgánicas y orgánicas de la fase líquida, la sorción confiere al suelo una función de filtro
ambiental, lo que tiene repercusiones importantes en relación a la retención y transporte de contaminantes.
Los procesos de sorción también tienen muchas aplicaciones industriales.
ADSORCIÓN POR INTERCAMBIO IÓNICO
Es una reacción de superficie por medio de la cual una sustancia disuelta (soluto o adsorbato)
desplaza de los GFS de forma reversible sustancia residente en ellos (iones de signo contrario) y se acumula
en la interfase, de forma que se siga cumpliendo el principio de electroneutralidad del sistema.
La adsorción por intercambio catiónico tiene efectos sobre la distribución de los cationes en las
inmediaciones (nm) de la superficie del adsorbente (interfase de la partícula de arcilla, por ejemplo), de
manera que la concentración de cationes disminuirá con la distancia a la superficie del adsorbente. Se trata
de procesos de intercambio reversibles que al afectar a cationes se denominan reacciones de intercambio
catiónico.
ABSORCIÓN
La absorción o difusión es un proceso mediante el cual una o más especies químicas penetran en la
fase absorbente, es decir, atraviesan la superficie y se difunden dentro de la estructura tridimensional sólida
microporosa del absorbente
(inorgánico u orgánico).
En el caso de la nutrición de las plantas, las raíces absorben los nutrientes de la fase líquida, que
pasan al interior de la raíz. Un proceso de absorción es el que tiene lugar igualmente en la retención de
compuestos orgánicos en estructuras orgánicas
microporosas del suelo.
PRECIPITACIÓN
Es un proceso por medio del cual se forma un compuesto insoluble por efecto de una reacción
química o bioquímica. Con ello la estructura cristalina del mineral aumenta de volumen a causa del
crecimiento tridimensional. Puede tener lugar sobre el mismo mineral preexistente, sobre un núcleo de
cristalización o sobre una capa adsorbida sobre una superficie, lo que hace aumentar el espesor de la capa,
con poca incidencia sobre la carga de superficie.
Tienen importancia tanto en edafogénesis, ya que permiten explicar el crecimiento tridimensional de
estructuras cristalinas, como en el tratamiento de aguas potables, o el de efluentes industriales y mineros
contaminados con metales pesados, que deben ser procesados para que queden libres de metales disueltos,
previamente a su vertido, para proteger el medio ambiente y cumplir la legislación ambiental vigente.
FUERZAS Y MECANISMOS DE SORCIÓN
Adsorción física y sorción química
Atendiendo a si la unión implica o no el establecimiento de algún tipo de enlace químico entre los
GFS del sorbente y el sorbato, se distingue entre adsorción física y sorción química o quimisorción.
Adsorción física
Consiste en uniones débiles que no implican la existencia de enlaces químicos, por lo que no tiene lugar
ninguna alteración en la estructura electrónica del adsorbato. La adsorción física es un proceso rápido a
cualquier temperatura y tiene carácter reversible. La unión puede ser debida a:
Fuerzas de London-Van de Waals: fuerzas intermoleculares de atracción, aditivas y relativamente débiles,
comparadas con los enlaces químicos. Su efectividad se debe a que se trata de fuerzas aditivas entre pares de
átomos y a que las partículas en interacción contienen un gran número de átomos. Estas fuerzas sólo son
efectivas a
distancias cortas. Así, por ejemplo, uniones entre láminas de arcilla cuando predomina el efecto del Ca2+ en
la interfase o bien si el suelo se seca. Este es el caso de los ácidos húmicos, por ejemplo, que pueden ser
adsorbidos sobre las caras de la caolinita debido a este tipo de fuerzas. La molécula adsorbida no está fija en
un lugar específico, sino que se puede trasladar dentro de la interfase.
Fuerzas electrostáticas derivadas de campos electrostáticos existentes en las superficies de las
partículas (arcillas, principalmente). Se trata de fuerzas de atracción entre las superficies de las partículas de
tamaño arcilla y los iones de signo contrario (cationes hidratados) y de repulsión de los iones del mismo signo
que la superficie. Por el hecho de que se trata de cationes hidratados, la capa de hidratación limita la
proximidad de acercamiento del catión a la superficie, por lo que la fuerza de unión no es muy intensa y la
reacción es reversible.
El resultado es la formación de complejos de esfera externa entre GFS y cationes hidratados. Estas
fuerzas son las que dan lugar a los procesos de intercambio catiónico en el suelo, ya que implican un
desplazamiento de un catión hidratado residente en la superficie por otro de la disolución del suelo. Las
diferencias en las fuerzas de unión del catión con las moléculas de agua de hidratación que lo envuelven
explican el hecho de que cationes de igual carga tengan diferente comportamiento respecto a la superficie.
Sorción química o quimisorción
Es un proceso por el cual se producen uniones fuertes mediante una reacción química de intercambio
de electrones entre los GFS del adsorbente y los iones o
moléculas del adsorbato, que pueden perder, ganar o compartir electrones. Ello da lugar a la formación de
enlaces covalentes o de enlaces intermedios entre iónicos
y covalentes, lo que permite explicar quelas uniones resultantes sean muy fuertes y muy estables, y las
uniones sean difícilmente reversibles. Se trata de reacciones específicas que dan lugar a la formación de
complejos de esfera interna.
TIPOS DE GRUPOS FUNCIONALES DE SUPERFICIE
Los GFS presentan reactividades muy diferentes según la partícula mineral o el compuesto orgánico en que
se hallen (sorbente). Los GFS se pueden agrupar en sitios activos polares y sitios activos no polares, según
que tengan carga eléctrica o no.
Sitios activos polares: Pueden intervenir en la unión de iones hidratados, óxidos metálicos y compuestos
polares.
Sitios activos componentes inorgánicos con carga permanente: Se trata de sitios activos en la superficie de
minerales de arcilla cuya carga de superficie no se ve alterada por las condiciones fisicoquímicas (pH) del
medio en que se encuentre el mineral. Ello es debido a que son cargas que derivan de sustituciones
isomórficas, que tuvieron lugar en el momento de formación del mineral (arcillas 2:1, tales como ilitas,
montmorillonitas, entre otras) y que pueden haber tenido lugar en la capa octaédrica, en la tetraédrica o en
ambas. El resultado es un exceso de carga eléctrica negativa en la estructura del mineral, que debe ser
neutralizada por iones de signo contrario, para que se cumpla el principio de electroneutralidad del sistema.
Estos GFS son los responsables de la capacidad de intercambio catiónico del suelo. El tipo de uniones a que
dan lugar con cationes hidratados tiene carácter reversible.
Los GFS se encuentran en el plano definido por los átomos de oxígeno apicales de la capa tetraédrica
situados en los vértices libres de los tetraedros (plano basal). Estas superficies se denominan superficies
siloxanas, y los átomos de oxígeno que las definen se encuentran en los nudos de una red de simetría
hexagonal, que deja cavidades pseudohexagonales. La reactividad de estos GFS depende del tipo de
sustituciones isomórficas. Si éstas han tenido lugar en la capa tetraédrica, el exceso de carga negativa se halla
más cerca de la superficie siloxana y la carga se encuentra muy concentrada, por lo que las uniones con
cationes y moléculas serán de mayor intensidad que si la carga deriva de sustituciones isomorfas en la capa
octaédrica. En este caso la carga se encuentra muy deslocalizada y las uniones con los iones de signo
contrario serán de menor intensidad.
En determinados casos, las superficies de las láminas de arcilla pueden presentar carga positiva
permanente, derivada de sustituciones isomórficas Mg2+ por Fe3+ en la capa octaédrica de los minerales de
arcilla. El exceso de carga positiva será neutralizada por aniones, para que se cumpla el principio de
electroneutralidad.
Sitios activos de componentes inorgánicos con carga variable: La protonación y desprotonación de grupos
hidroxilos de los bordes de la partícula de arcilla originan carga eléctrica que depende del pH del medio
(carga variable). Presentan este comportamiento la caolinita (en los bordes), así como los materiales
amorfos, los óxidos metálicos, oxihidróxidos e hidróxidos.
Minerales de arcilla con carga variable: En este caso, los GFS son grupos hidroxilo (-OH) presentes en los
bordes de las partículas de algunos minerales de arcilla. Los grupos hidroxilos que están coordinados con
silicio en la capa tetraédrica (-SiOH) se denomina grupo silanol; y los coordinados con aluminio de la capa
octaédrica (-AlOH), grupos aluminol. Debido a la valencia del silicio, los grupos silanol sólo pueden
desprotonarse y, al disociarse, adquieren carga negativa a valores altos de pH: -SiOH↔ SiO- + H+
Los grupos aluminol, -Al(OH), de los bordes de la capa octaédrica (por su carácter anfótero y al ser menor la
valencia del aluminio respecto al silicio) pueden desprotonarse (con lo que adquieren carga negativa) o bien
por encima del punto de carga cero (PZC) (pH al que la carga positiva y la carga negativa de superficie se
igualan), pueden adsorber protones, adsorción específica que hace que adquieran carga positiva y capacidad
para adsorber aniones:
Desprotonación: -AlOH↔ -AlO- + H+
Adsorción selectiva: -AlOH + H+↔ -AlOH2+
En el caso de la caolinita, que es un mineral de arcilla 1:1, que se presenta en ambientes muy
diversos y que es el más abundante en suelos de zonas tropicales cálidas y húmedas, al no presentar
prácticamente sustituciones isomórficas, tiene carga eléctrica variable (dependiente del pH). La carga será
negativa en suelos neutros y en los básicos, y positiva en suelos ácidos, es decir, es una arcilla que tiene
carácter anfótero. Por tanto, podrá dar lugar a procesos de intercambio catiónico y de intercambio aniónico,
según las condiciones de pH del suelo.
Minerales arcilla de baja cristalinidad, como la alófana (relación molar SiO2/Al2O3 entre 1 y 2) y la
imogolita, presentan GFS con capacidad para adsorber aniones, lo que puede interferir con la nutrición de
fósforo de las plantas.
Óxidos e hidróxidos metálicos: Son muy abundantes en el suelo. Los óxidos de hierro (hematites, goethita,
ferrihidrita y gibsita) son elementos cromógenos que dan color a los horizontes del suelo. En relación a sus
GFS, cabe indicar que presentan grupos hidroxilos en su estructura, coordinados con el hierro (-FeOH)
algunos de los cuales pueden actuar como GFS donantes de protones (actúan como un ácido de Lewis a pH
altos y adquirir carga negativa), o bien como aceptores de protones (base de Lewis a pH bajos y adquirir
carga positiva), lo que ocurre en suelos fuertemente meteorizados de zonas tropicales. Este es el caso de la
goethita (FeOOH), que presenta un carácter
anfótero. Representando la parte reactiva de la goethita por –FeOH las reacciones serán: -Fe-OHº↔ -FeO- +
H+ (desprotonación)
-Fe-OHº↔ -FeOH2+ (protonación)
-FeOH2+ + OH-↔ -Fe-OH + H2O
La aptitud de los hidroxilos de superficie para protonarse o desprotonarse es función del catión
metálico presente en la estructura, la afinidad relativa por los H+ y por los OH- viene dada por el punto de
carga zero (PCZ). Los PCZ de los óxidos de hierro suelen ser altos y, por ello, tienen predominantemente carga
positiva a pH ácidos. Por otro lado, la morfología de la superficie del cristal influye en la capacidad de sorción
de las goethitas. Además, los óxidos de hierro pueden revestir partículas de arcilla, neutralizando parte de la
carga eléctrica de éstas.
Sitios con carácter de ácidos de Lewis: La adsorción química de una molécula de agua por parte de un GFS de
un óxido de hierro Fe(III), tal como la goethita origina un sitio
ácido de Lewis: -SiOH↔ -SiO- + H+
El agua queda cargada positivamente y puede actuar como donante de un protón. Se trata de GFS muy
reactivos y, mediante una reacción de intercambio de ligando, el agua puede ser intercambiada por un anión
orgánico o inorgánico de la fase líquida:
-Fe(III) perimetral + H2O -Fe(H2O)+ (sitio ácido de Lewis)
Los sitios ácidos de Lewis están presentes en la goethita, la gibsita y en los bordes de las láminas de los
minerales de arcilla 1:1, tales como la caolinita.
Sitios activos de componentes orgánicos: la materia orgánica del suelo tiene carácter anfótero (carga
variable). Los GFS de las sustancias húmicas son los que se pueden disociar [esencialmente los GFS
carboxílicos (-COOH), amínicos (R-NH2) y OH-fenólicos]. Son los principales responsables de los valores altos
de capacidad de intercambio catiónico de la materia orgánica del suelo. Los componentes orgánicos del suelo
pueden presentar carga positiva (al protonarse algunos de los GFS). Los aniones inorgánicos son muy poco
sorbidos por las sustancias húmicas del suelo, si bien el anión borato puede serlo. Las sustancias húmicas
tienen mucha más importancia en la sorción de pesticidas aniónicos.
Sitios activos no polares
Sitios activos de superficies siloxanas neutras: en minerales de arcilla que no presenten sustituciones
isomórficas próximas a las superficies siloxanas, la superficie será portadora de una carga negativaparcial
derivada de la polaridad de los átomos de oxígeno que la integran. Los GFS serán sólo medianamente
reactivos. Se trata de superficies muy poco reactivas, prácticamente inertes. Por tanto, las cavidades de las
superficies siloxanas sólo podrán dar lugar a uniones débiles con moléculas bipolares neutras, como el agua.
Las superficie también tienen un carácter hidrófobo y, en el caso de minerales expansibles tendrán capacidad
de retener compuestos orgánicos hidrófobos. Se trata de uniones poco estables, reversibles, de manera que
las moléculas atrapadas pueden ser liberadas fácilmente.
Sitios activos de regiones no polares de moléculas húmicas: pueden interaccionar y adsorber compuestos
orgánicos no polares hidrófobos. Las fuerzas que actúan son del tipo de Van der Waals.
COMPLEJOS DE SUPERFICIE
Es la entidad que resulta de la reacción de un grupo funcional de superficie (GFS) con un ión o una
molécula disuelta en fase líquida del suelo.
Las características de la superficie y las de los iones de signo contrario presentes en la fase líquida
permiten explicar que se puedan formar complejos de superficie de distinta naturaleza y con estabilidades
diferentes: los complejos de esfera externa y los complejos de esfera interna.
Complejo de esfera interna
Se forman, por unión directa, sin moléculas de agua interpuestas entre el ión o molécula adsorbida y el GFS
de la partícula que actúa de adsorbente (o ligando).
Al tratarse de iones no hidratados tiene una alta afinidad por los sitios activos de superficie (sorción
selectiva), lo que origina enlaces covalentes (quimisorción), que son muy estables, por lo que también lo
serán los complejos de superficie resultantes y las uniones serán irreversibles o poco reversibles.
El enlace covalente que se forme en cada caso dependerá de la configuración electrónica de la
superficie y del ión complejado, por lo que esta clase de complejos resultan de una adsorción específica.
Estos complejos se pueden describir atendiendo el número de posiciones en la esfera de coordinación de la
especia adsorbida implicadas en el enlace, así se habla de complejos monodentados, bidentados (o
complejos de puente), etc., y al número de átomos de metal estructural implicados en el enlaces,
describiéndolos como mononucleares, binucleares, etc.
Este tipo de reacciones con formación de complejos de esfera interna pueden tener efectos
ambientales importantes, ya que pueden retirar de la fase líquida elementos contaminantes. Entre los
cationes metálicos que pueden formar complejos de esfera interna se pueden citar: Cr3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+,
VO3+, Cd2+,Hg2+, Pb2+ y oxianiones PO4 3-. CrO43-. AsO43- MoO42-, H4B4O-,SeO32- y SiO42-, entre otros.
En el caso de los aniones, las reacciones que tienen lugar son:
•Protonación del grupo hidroxilo de superficie en medio ácido:
-MOH + H+↔ -MOH2
•Intercambio de ligandos (desplazamiento de la molécula de agua de hidratación que rodea el metal):
-MOH2 + HPO42-↔MHPO42- + H2O
El anión queda próximo a la superficie, lo que explica la formación del complejo de superficie de esfera
interna en el que el anión coordina con los GFS.
Complejos de esfera externa
Se forman por medio de reacciones de superficie que dan lugar a uniones en las que existe como
mínimo una molécula de agua interpuesta entre el GFS y el sorbato.
Ello hace que éste no se pueden aproximar tanto a la superficie, como para poder compartir
electrones y que la unión tenga lugar por medio de enlaces iónicos que, al ser más débiles, permiten que la
unión tenga carácter reversible.
El ión adsorbido puede ser fácilmente desplazado por otro de la fase líquida intercambio iónico). Se
trata de una adsorción no específica.
Complejos de esfera externa con cationes
En el caso de que el sorbato sea un catión, el proceso se denomina intercambio catiónico. Los
principales cationes implicados en procesos de este tipo en el suelo son: Ca2+, Mg2+,Na+, K+, NH4+.
Al tratarse de cationes fácilmente intercambiables, constituyen una reserva que irá pasando de la
interfase (donde se encuentran adsorbidos) a la fase líquida (disolución exterior), a medida que ésta se vaya
empobreciendo al ser absorbidos los cationes de la fase líquida por las raíces de las plantas o al ser
transportados fuera del suelo por el agua que lo atraviese.
Complejos de esfera externa con aniones
Los aniones: Cl-, Br-, NO3-, SeO4- y, en cierta medida, HS-, SO42-,HCO3- y CO32-, son adsorbidos
principalmente por este tipo de mecanismos, que permiten que pueda tener lugar un intercambio aniónico.
La unión tiene lugar mediante enlaces electrostáticos débiles con grupos hidroxilos protonados de superficie
(-MOH2+),en medio ácido. La reacción se puede formular como:
-MOH2+(adsorbente) + A-(anión)↔ -MOH2A
En el caso del anión cloruro: -MOH2+ + Cl-↔ -MOH2Cl
La molécula de agua interpuesta (puente de agua) no puede llegar a ser desplazada por el anión, de ahí que
el enlace sea más débil y el intercambio tenga un carácter reversible. También actúan como sorbentes los
grupos amino protonados (-NH3+ ): MNH4 + + A- MNH3A
Complejos de capa difusa
Los complejos de capa difusa son similares a los de esfera externa, si bien están situados a mayor
distancia de la superficie, en la escala nanométrica. Forman complejos de esfera externa y de capa difusa los
cationes intercambiables Ca2+, Mg2+ y Na+ hidratados, y el Mg2+ en posiciones interlaminares de la
vermiculita.
En el caso del K+, tal como se ha indicado, puede formar complejos de esfera interna al liberarse del
agua de hidratación y pasar a ocupar las cavidades pseudohexagonales de las capas siloxanas de las ilitas (K+
fijado o retrogradado), o bien complejos de esfera
externa si se halla hidratado (K+ intercambiable, biodisponible).
En el caso del zinc, este elemento se puede unir con la materia orgánica y formar complejos de esfera
externa, de manera que permanece disponible para las plantas; puede ser translocado o bien reaccionar con
otros cationes. No obstante, a pH elevados, el zinc puede ser adsorbido de forma selectiva por óxidos de
hierro y de manganeso, y originar complejos de esfera interna muy estables. En suelos que presenten carga
positiva pueden tener lugar procesos de sorción aniónica, que pueden implicar tanto a nutrientes, como a
agroquímicos y a contaminantes potenciales.
Este tipo de reacciones de superficie tiene especial importancia en suelos de zonas tropicales
húmedas, donde puede verse afectada la nutrición nitrogenada (sorción de NO3 -) y la fosfatada (sorción de
PO3-). Resultará importante tener en cuenta estos procesos para orientar con una base científica la nutrición
de las plantas en estas amplias regiones del mundo.
Las reacciones de sorción pueden verse afectadas por múltiples factores, en ellos, la temperatura, la
concentración de adsorbato, el pH del medio, la presencia de iones competitivos, entre otros. El estudio de
la afinidad y la selectividad de sorción tiene importancia tanto para poder interpretar el comportamiento de
los nutrientes y pesticidas, como para abordar problemas de descontaminación de suelos.
INTERACCIONES ARCILLA-AGUA: DOBLE CAPA DIFUSA
El estudio de la interfase (sólido-líquido) entre las superficies de las partículas de arcilla (fase sólida) y
la fase líquida permite explicar la distribución de los iones en esta región y los efectos que de ellos se derivan
sobre las propiedades y el comportamiento del suelo.
En el supuesto de un suelo seco, los cationes hidratados estarán adsorbidos, unidos a los GFS,
neutralizando las cargas negativas. Los cationes en exceso, juntamente con los aniones asociados a ellos, se
hallarán en forma de las correspondientes sales, de manera que se cumpla el principio de electroneutralidad
del sistema.
Doble capa difusa
Al estudiar la fase líquida se han diferenciado dos zonas; la interfase y la disolución exterior. Si nos
centramos en la interfase, se pueden distinguir dos capas: la superficie de la partícula de arcilla (o