Edafología. Ciencias Ambientales

Lección 5 Propiedades del suelo. Propiedades físico químicas. Intercambio iónico.

Algunas partículas del suelo tienen la posibilidad de adsorber iones en su superficie que pueden intercambiar con la solución del suelo. Existe un equilibrio entre la concentración de iones en la solución y los retenidos por la fase sólida, si bien este equilibrio es muy complejo y depende de la naturaleza del ion, del tipo de adsorbente y de la reacción de la solución, principalmente.

Esta característica está ligada a los coloides del suelo representados por la arcilla, las moléculas húmicas y los oxihidróxidos de hierro y aluminio, si bien pueden poseerla en menor grado las partículas de limo y de arena muy fina. Al conjunto de constituyentes implicados en este proceso se le conoce como "complejo adsorbente" o "complejo de cambio".

A la magnitud de esta propiedad se la conoce como "capacidad de intercambio iónico", mas como la mayor parte de los iones retenidos son cationes, dada la electronegatividad de los principales componentes, se habla frecuentemente de "capacidad de intercambio catiónico" y se utilizan las siglas "CIC". Se expresa en cmol(c)/kg.

Las partícuals de arcilla y las moléculas orgánicas presentan una carga residual negativa sobre su superficie por lo que son intercambiadores catiónicos preferentemente, mientras que los oxihidróxidos de hierro y aluminio están cargados positivamente y son intercambiadores aniónico de modo prioritario.

Alrededor de cada particula coloidal se situa una nube de iones, colocandose en la primera capa los de signo contrario a la partícula, que al estar más cerca se encuentran retenidos con más fuerza si bien pueden intercambiarse con los de las capas vecinas y en último lugar con los de la solución que están libres. De este modo, la probabilidad de que un tipo de ion este adsorbido es fruto de su concentración en la solución, cuanto mayor es ésta mayor es la tendencia a la adsorción, y a medida que va disminuyendo su concentración en la solución va siendo liberado del complejo adsorbente y sustituido por otro cuya concentración sea superior. No obstante el tamaño de los iones y su carga les hace más o menos susceptibles de ser retenidos.

El origen de las cargas de las partículas coloidales es diverso. En el caso de la arcilla existen unas cargas procedentes de las sustituciones que ocurren en su estructura, que si bien están compensadas por los cationes de las intercapas, esta compensación no siempre es perfecta dada la lejanía con que en muchas ocasiones se producen los defectos reticulares del cristal. Esto hace que los iones puedan quedar muy lejos de la carga que los atrae y la fuerza de unión de los mismos sea tan pequeña que gocen de una gran movilidad, si en ese continuo oscilar se apartan demasiado de la fuente de atracción, su lugar puede ser fácilmente ocupado por otro que se encuentre más cerca. Estas cargas dependen de las sustituciones producidas enla red cristalina y tienen siempre un valor constante y negativo, por ello a este tipo de cargas se las conoce como "cargas fijas". En los compuestos orgánicos estas cargas proceden de los grupos carboxílicos.

Ahora bien, hay minerales arcillosos en los que no existen sustituciones en su estructura, como sucede con la caolinita, y cuando se pone este mineral en una solución de una sal, tras un determinado tiempo se produce una disminución en la concentración catiónica de la solución, señal de que se ha producido una adsorción por parte del mineral de los cationes que faltan en la solución. Este hecho solo puede explicarse por los desequilibrios creados en el borde del mineral en el que se rompe el equilibrio teórico, ya que éste solo es tal cuando las capas se consideran indefinidas.

En el borde de las capas tetraédricas pueden quedar expuestos los átomos de silicio que tendrían una carga positiva sin satisfacer, o los de oxígeno a los que quedaría una carga negativa. En las capas octaédricas podrían quedar los aluminios con media carga positiva, o los oxígenos o los OH con media carga negativa. En contacto con la solución del suelo en la que, como mínimo tenemos oxhidrilos e hidrogeniones procedentes del agua, son ellos los que satisfacen los defectos de carga creados y como quiera que esos defectos siempre vienen en parejas, pues a un borde siempre le corresponde otro, la neutralidad queda asegurada.

Cuando la partícula de arcilla se encuentra en un medio ácido tiende a ceder parte de sus oxhidrilos para neutralizar y su lugar es ocupado por el anión responsable de la acidez, mientras que en un medio alcalino, cede sus protones a cambio de la base correspondiente. Solo en los medios neutros permanecerá inactiva, pero en esas ciscunstancias se encontrará floculada. La acidez o alcalinidad desde el punto de vista de un coloide no coincide con el concepto absoluto atribuido a las mismas sino a su propio concepto, que corresponde con su punto isoeléctrico o valor de pH al que el coloide flocula. Así la referencia de acidez o basicidad hemos de referirla al punto isoeléctrico de cada mineral cuando se encuentra en forma coloidal. Este valor depende de la especie y se sitúa entre 5 y 6 para la mayoría de ellos. Para valores más ácidos la arcilla se comporta como intercambiadora de aniones y para valores más básico lo hace de cationes, razón por la cual a estas cargas se las conoce como "cargas variables", en contraposición con las fijas a que antes hicimos mención.

La materia orgánica se comporta de una forma semejante a los bordes de la arcilla por los hidroxilos presentes tanto en sus cadenas laterales como en las zonas externas del núcleo. Como quiera que el número de hidroxilos de la materia orgánica es mucho mayor que los efectos de borde de la arcilla, la importancia de las cargas variables en las sustancias húmicas es mayor que en la arcilla. Algo similar sucede en los minerales de baja cristalinidad, como ocurre con las alofanas derivadas de las cenizas volcánicas preferentemente, en que existe una gran accesibilidad a las zonas internas de su estructura; en este caso la práctia totalidad de sus cargas son variables.

El importante número de cargas variables de la materia orgánica se pone de manifiesto cuando se determina su capacidad de intercambio cationico a diversos valores de pH, no solo se produce un notable incremento con el ascenso de pH, sino que para valores de pH cercanos a uno su capacidad se anula. En el caso de la arcilla solo se produce un ligero incremento y la ordenada en el origen de la recta de regresión que relaciona la CIC con el pH, presenta un valor de CIC muy cercano al máximo encontrado.

Por ello cuando se determina la CIC en los diferentes horizontes del suelo con distintos valores de pH se encuentran unas curvas semejantes a las que se muestran en la figura de la izquierda. En los horizontes superiores se producen notables ascensos cuando el pH supera valores cercanos a 6, mientras que en los inferiores la curva muestra una forma prácticamente horizontal. Los primeros horizontes están sometidos a un fuerte influjo de la materia orgánica mientras que los horizontes inferiores son eminentemente minerales. Usualmente la CIC se determina usando una solución tamponada a pH de 7, lo que significa que en los suelos ácidos se obtengan valores, en los horizontes más ricos en materia orgánica, superiores a los que realmente presenta el suelo, mientras que en los suelos alcalinos sucede todo lo contrario.

Las cargas variables son las responsables de la retención de aniones tanto en la arcilla como en las sustancias húmicas. Los aniones, por su mayor tamaño , tienen una movilidad menor que los cationes, lo que resulta de especial importancia en el caso del fosfato, que acrecienta el efecto por el hecho de su escasa solubilidad, de modo que en este caso cabe más hablar de fijación que de intercambio. Los suelos ácidos y ricos en materia orgánica pueden retener tal cantidad de fosfato que provoquen carencias en la vegetación, aun con concentraciones elevadas de fosfato total. Algo semejante sucede en los suelos ácidos y ricos en alofana, como es el caso de áreas volcánicas muy lluviosas o con materiales preferentemente ácidos, que además son los más proclives a la formación de estos minerales dado su elevado contenido en silicio.

La importancia de los componentes del suelo en lo referente a la CIC varía con sus propias características. La caolinita, que carece de sustituciones presenta un valor comprendido entre 7 y 10 cmol(c)/kg. La ilita presenta sustituciones pero son compensadas por potasio que cierra fuertemente la estructura por lo que suele presentar valores bajos que no suelen superar los 25 cmol(c)/kg y algo similar ocurre en las cloritas, si bien la segunda capa octaédrica les da una superficie de borde superior y le permite alcanzar valores cercanos a los 40 cmol(c)/kg. Los minerales abiertos superan ampliamente estos valores, de modo que las esmectitas pueden alcanzar valores de 100 cmol(c)/kg y las vermiculitas por su mayor hidratación es frecuente que superen los 140 cmol(c)/kg y pueden llegar a los 160 cmol(c)/kg. Las alofanas varían mucho con el pH pero, en condiciones favorables, pueden alcanzar los 150 cmol(c)/kg.

La materia orgánica además de su riqueza en cargas variables, presenta muy diferentes formas de evolución y de tamaño de su núcleo; por todo ello los valores oscilan entre los 100 y los 400 cmol(c)/kg, correspondiendo los valores más altos a las formas más polimerizadas, presentes en los humus más evolucionados. Como vemos su importancia es muy grande, pero en el suelo decrece notablemente por razón de su bajo contenido, siendo más importante la arcilla por su mayor concentración.

En un principio podría calcularse el valor de la CIC en función del contenido y calidad de la arcilla y de la materia orgánica, si bien el valor medido es siempre inferior al calculado. La razón de esta discrepancia está en la formación de complejos arcillo húmicos, que al requerir un ligando catiónico elimina algunas posiciones de cambio, aunque más importante es el efecto estérico, pues las moléculas orgánicas situadas alrededor de la arcilla impiden la accesibilidad a posibles posiciones de cambio de ambas.

 

Dada la importancia de esta característica del suelo en lo referente a la nutrición vegetal, es conveniente establecer los niveles mínimos necesarios para asegurar la corrección de ésta. Mas no solo interesa su valor toral sino el tipo de bases que saturan esas posiciones de cambio, que deben presentar un equilibrio adecuado para satisfacer las necesidades de las plantas y la correcta estructura del suelo, que viene influida por la presencia de determinados cationes, sobre todo el calcio por su caracter floculante y el sodio por su efecto contrario.

Un valor de CIC superior a 25 cmol(c)/kg asegura una buena retención catiónica, aunque valores superiores a 20 cmol(c)/kg resultan aceptables. Los valores inferiores a 10 cmol(c)/kg son francamente insuficientes y el lavado de bases procedentes de la alteración será muy alto.

Las bases más frecuente en el complejo de cambio son Na, K, Ca y Mg. En ínfimas concentraciones pueden aparecer otros, destacando entre los minoritarios el amonio por su importancia en la nutrición vegetal. En suelos ácidos puede aparecer como componente, incluso mayoritario, el aluminio en cualquiera de sus formas de hidratación. Los hidrogeniones son los encargados de ocupar las posiciones que quedan libres por ausencia de bases, de ahí que exista una gran relación entre el valor del pH y el "grado de saturación", entendiendo por tal al porcentaje de la CIC que está ocupado por las bases mayoritarias y citadas al principio.

La base más abundante es el Ca, cuya presencia debe superar los 30 cmol(c)/kg cuando ello es posible, si bien un contenido por encima de 20 cmol(c)/kg ya es aceptable, aunque no debería estar nunca por debajo de 3.5 cmol(c)/kg.

Le sigue en abundancia el Mg, cuyo contenido óptimo estaría por encima de 7.5 cmol(c)/kg, pero todo va bien cuando supera los 5 cmol(c)/kg. El valor crítico se sitúa en 0.6 cmol(c)/kg.

El sodio no tiene un papel claro en la nutrición vegetal y por ello no resulta imprescindible, si bien es el tercero en abundancia. En este caso en lugar de fijar un valor mínimo lo importante es que no se supere un valor máximo que podemos situar como óptimo en 1cmol(c)/kg, aunque es aceptable que no se superen los 2 cmol(c)/kg. Existe un grave riesgo de exceso cuando se supera el valor de 4 cmol(c)/kg.

Por último tenemos al minoritario potasio cuyo contenido óptimo es cuando supera el valor de 1 cmol(c)/kg. Resultan aceptables los valores que superan los 0.75 cmol(c)/kg y nunca debría ser inferior a 0.25 cmol(c)/kg.

A efectos estructurales los valores ideales serían aquellos en que el calcio no baje del 70 % del total y el sodio no supere un 5 %.

Aunque considerados independientemente, los valores anteriores son los establecidos como promedio de la observación de numerosos casos, es muy importante la relación que existe entre ellos para evitar los problemas de antagonismo y de ninergia que se producen en su absorción por parte de las plantas. El más frecuente es el antagonismo existente entre K y Mg, de modo que un desequilibrio en favor de alguno de ellos, deprime la absorción del otro aunque sus niveles sean correctos.

El grado de saturación, como vimos, es un indicativo del valor del pH del suelo, pues todo lo no ocupado por bases lo está por hidrogeniones. Valores superiores al 80 % son aceptables, si bien lo deseable es el 100 %. Cuando baja del 20 %, no solo existe una acidificación clara sino que es posible que exista aluminio en las posiciones de cambio, elemento que resulta tóxico para la mayoría de las especies vegetales salvo para aquellas que son fuertemente acidófilas.

 

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Actualizada 13/4/05