Origem das cargas elétricas no solo

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3. Origem das cargas elétricas no solo 
 
3.1. Origem das cargas elétricas 
 Há no solo, em geral, predominância de cargas negativas sobre positivas. 
Essa predominância, bastante significativa em solos de regiões temperadas, devido 
à presença de argilas silicatadas mais ativas, tende a diminuir e, em alguns casos 
extremos, desaparecer ou mesmo inverter nos solos mais intemperizados de regiões 
tropicais. 
 3.1.2 Cargas elétricas negativas 
 a) Dissociação do Grupo OH 
 O grupo -OH nas terminações tetraedrais ou octaedrais, em faces quebradas 
das unidades cristalográficas das argilas silicadas pode se dissociar, gerando uma 
carga negativa. 
 
 Verifica-se que com elevação do pH do meio (solo) o equilíbrio é deslocado 
para a direita em razão da neutralização dos íons H+ liberados na dissociação do 
grupo -OH (H+ + OH- → H2O). 
b) Substituição Isomórfica 
 Em argilas do tipo 2:1, alguns átomos de Si dos tetraedros podem ser 
substituídos por Al, bem como o Al dos octaedros pode ser substituído por Mg ou 
por outros cátions. A substituição do Si4+ (que se encontrava, inicialmente, 
neutralizando 4 cargas negativas) por Al3+ irá condicionar sobra de uma carga 
negativa. De maneira semelhante, uma carga negativa será gerada pela substituição 
de um Al3+ de um octaedro por um cátion Mg2+. 
 Deve-se ressaltar que o número de cargas geradas por este processo não é 
variável com alterações do pH do meio. 
c) Matéria Orgânica 
 Na matéria orgânica do solo, as cargas negativas originam-se, principalmente, 
da dissociação de grupos carboxilícos e fenólicos, de acordo com as equações 
químicas: 
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 Verifica-se pelas equações que o equilíbrio é deslocado para a direita, forma 
dissociada, com a elevação do pH do meio, ou seja, com a neutralização da acidez 
(H+ + OH- → H2O). 
 
3.1.2. Cargas Positivas 
 As cargas eletropositivas do solo têm sua origem nos óxidos e hidróxidos 
(óxidos hidratados) de Fe e de Al, preferencialmente. Tal situação se dá de maneira 
mais significativa em condições mais ácidas de solo. 
 
 
 Esse esquema mostra que os óxidos hidratados de Fe e de Al podem dar 
origem a cargas eletropositivas, eletronegativas ou permanecer com carga neutra na 
superfície, dependendo do pH do solo. 
 
3.3. Adsorção e Troca Iônica 
 As propriedades de adsorção iônica do solo são devidas, quase que 
totalmente, aos minerais de argila e à matéria orgânica coloidal do solo, materiais de 
elevada superfície específica. Essas partículas coloidais do solo apresentam cargas 
elétricas negativas e positivas, podendo adsorver ou "reter", por diferença de carga, 
tanto cátions como ânions. 
 Como foi indicado, na fase sólida do solo, de acordo com a natureza e 
proporção dos átomos que se combinam para formar seus componentes, são 
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geradas cargas elétricas. Essas cargas, negativas ou positivas, são neutralizadas 
por íons de carga contrária, que podem ser trocados por outros íons presentes na 
solução do solo. Essa reação de troca se dá entre íons de mesma carga. O 
fenômeno é conhecido como troca iônica e, depois da fotossíntese, é o processo 
mais importante para a vida na terra. 
 As cargas negativas são neutralizadas por íons eletropositivos, ou seja, pelos 
cátions, o que se denomina adsorção catiônica. Na neutralização de cargas positivas 
pelos ânions tem-se a adsorção aniônica. Os íons envolvidos nesse processo de 
adsorção ligam-se por eletrovalência ou por covalência às partículas coloidais do 
solo. Os cátions mais envolvidos quantitativamente nesse processo são: Ca2+, Mg2+, 
Al3+, H+, K+, Na+ e NH4+, sendo o Ca2+, comumente, o mais abundante em alguns 
solos, enquanto que, em outros, é o Al3+. Alguns micronutrientes estão, também, 
sujeitos ao mesmo processo, embora em quantidades muito pequenas, se 
comparadas aos listados inicialmente. Os íons adsorvidos às partículas coloidais 
(também as partículas maiores podem apresentar cargas elétricas, embora em 
número limitado devido às suas pequenas superfícies específicas) podem ser 
deslocados e substituídos, estequiometricamente, por outros íons de mesmo tipo de 
carga, dando-se uma troca iônica. 
 Como as cargas da fase sólida se manifestam na superfície das partículas 
(micelas) do solo, há estreita relação entre o fenômeno de troca e a área superficial 
dessas micelas. Essa área, expressa em m2 g-1, é a superfície específica do solo. 
Assim, o fenômeno de troca iônica do solo, que é basicamente a expressão de suas 
propriedades físico-químicas, é função de sua superfície específica e da densidade 
de cargas elétricas que se manifestam nesta superfície. 
 Na solução do solo, que envolve as partículas coloidais, os íons estão se 
deslocando constantemente, à semelhança de abelhas de uma colméia. A maioria 
das abelhas permanece na colméia, mas se distanciam de tempo em tempo para 
depois retornar. Os íons em movimento representam os elementos em estado 
trocável ou disponível. 
 Esquematicamente, o fenômeno de adsorção e troca iônica pode ser 
representado pela equação: 
 
 
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a) Troca Catiônica 
 
 
b) Troca Aniônica 
 
 
3.4. Capacidade de Troca Catiônica 
 Se uma solução salina é colocada em contato com certa quantidade de solo, 
verificar-se-á a troca entre os cátions contidos na solução e os da fase sólida do 
solo. Esta reação de troca se dá com rapidez, em proporções estequiométricas e é 
reversível. Por métodos analíticos, a quantidade de cátion que passou a neutralizar 
as cargas negativas do solo pode ser determinada. O resultado é a capacidade de 
troca catiônica do solo (CTC). 
Na determinação de CTC do solo é importante considerar o pH em que a 
troca catiônica se verifica. Isto porque, além das cargas negativas de caráter 
eletrovalente, existem também cargas de caráter covalente. Estas se manifestam, ou 
não, de acordo com o pH do meio. Assim, parte das cargas negativas do solo 
(eletrovalente) é permanente, enquanto que outra parte (covalente) é dependente do 
pH. A um dado pH, parte das cargas dependentes estará bloqueada por H (ligações 
covalentes). Desta forma, a CTC do solo nesse pH será dada pelas cargas 
permanentes mais aquelas dependentes de pH, porém livres do hidrogênio 
covalente, constituindo a CTC efetiva do solo, a esse valor de pH. E, quando se 
aumenta o pH do sistema, mais íons H+ ligados a cargas dependentes do pH são 
neutralizados, resultando num conseqüente aumento da CTC efetiva do solo. 
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 Dentre os cátions que neutralizam as cargas negativas da CTC efetiva do 
solo, incluem-se, principalmente, as bases (Ca2+, Mg2+, K+, Na+ e NH4+), o Al3+ e, 
também, cátions H+ ligados a cargas negativas da CTC de caráter mais 
eletrovalente (tipo ácido forte). 
 Ao conjunto dos cátions que estão ocupando a CTC do solo, saturando-a, 
juntamente com as cargas negativas dos colóides denomina-se complexo sortivo do 
solo. 
 Quando se usa uma solução salina não tamponada, como KCl 1 mol L-1 ou 
CaCl2 0,5 mol L-1, para a determinação da CTC do solo, o valor obtido 
corresponderá à CTC efetiva. Por outro lado, se a solução salina for tamponada a 
um definido pH, o valor obtido corresponderá à CTC total do solo naquele pH, 
englobando a CTC permanente e a CTC dependente do pH.Para determinar a CTC 
a pH 7,0, usa-se uma solução tamponada de acetato de cálcio 0,5 mol L-1, ou de 
acetato de amônio 1 mol L-1, pH 7,0. 
 
 pH do solo pH 7,0 
|← CTC permanente →|← ↓ CTC dependente de pH →| 
 Al3+ −H −H −H 
K Ca+ +2 
 Ca2+ −H −H −H 
−H 
H+ 
Al3+ 
 
 H+ −H −H 
−H 
NH Mg4
2+ + 
 Mg2+ −H −H 
←⎯⎯⎯⎯⎯⎯ CTC efetiva ⎯⎯⎯⎯⎯→| ←⎯⎯⎯⎯⎯ CTC 
"bloqueada" ⎯⎯⎯⎯→ 
 
Figura 1. Representação esquemática da CTC de um solo de região tropical. 
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3.5. Princípios Básicos do Fenômeno de Troca Catiônica 
 a) O fenômeno de troca é reversível. Os cátions adsorvidos podem ser 
deslocados por outros, e, assim, sucessivamente. 
 b) O fenômeno de troca é uma reação estequiométrica, isto é, obedece a lei 
dos equivalentes químicos, um molc de um cátion por um molc de outro cátion. 
 c) É um processo rápido. Na determinação da CTC, o tempo de agitação do 
solo e solução varia entre 5 e 15 minutos. 
 
3.6. Fatores que Afetam a Capacidade de Troca Catiônica 
 Muitas condições do solo têm influência sobre a CTC, dentre as quais: pH, 
natureza dos cátions trocáveis, concentração da solução e natureza da fase sólida. 
 O efeito do pH se verifica, principalmente, sobre as cargas dependentes de 
pH, como já se discutiu. 
 A natureza dos cátions trocáveis afeta a preferencialidade de troca no solo, de 
acordo com a densidade de carga dos cátions, isto é, Z/r, onde Z é a carga do íon e 
r é o raio do íon hidratado. Os cátions que têm maior densidade de carga são mais 
retidos nas cargas negativas do solo. Por isso, os cátions polivalentes são 
geralmente mais fortemente retidos no solo. A seqüência de preferencialidade de 
troca de cátions para uma mesma concentração foi estabelecida como série 
liotrópica (Russel & Russel, 1973). Esta seqüência é a seguinte: 
 
Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ < Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ 
 
 A diferença na preferencialidade de troca entre cátions da mesma carga se 
deve à diferença existente entre os raios iônicos hidratados (espessura da camada 
de hidratação do íon), que faz com que o Cs+ seja mais fortemente retido, em forma 
eletrostática, que o Li+ (Cs+ apresenta menor espessura da sua camada de 
hidratação). A diferença entre mono e bivalentes deve-se à Lei de Coulomb, que diz 
que a atração entre cargas é diretamente proporcional ao número de cargas e 
inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. 
 O alumínio, sendo trivalente, é mais fortemente retido que os divalentes. O 
hidrogênio, em razão de suas propriedades específicas, não se comporta como 
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monovalente, quanto à preferencialidade de troca. Seu papel depende, também, da 
natureza do material trocador. 
 A concentração dos cátions na solução do solo afeta a preferencialidade de 
troca, interagindo com a carga dos cátions envolvidos. Assim, à medida que se dilui 
a solução, mantendo constantes as quantidades dos cátions presentes, verifica-se 
um aumento na preferencialidade de troca pelos cátions de menor valência, como o 
Na+. Em razão disso, em solos de regiões úmidas as bases vão sendo lixiviadas e o 
cátion que acaba predominando no complexo é o Al3+; por outro lado, em solos de 
regiões áridas e semi-áridas a tendência é de acúmulo de cátions monovalentes, 
principalmente o Na+. A "lei da raiz quadrada", de Schofield, descreve 
matematicamente essas relações. 
 A natureza do material trocador influi, principalmente, na densidade de cargas 
negativas responsáveis pela CTC do solo, que pode ser expressa em cmolc kg-1. 
 Em solos de regiões tropicais, como na maior parte do território brasileiro, a 
matéria orgânica apresenta, geralmente, a maior participação no valor da CTC. 
 Além, disso, em função do arranjo estrutural do material trocador e de sua 
interação com os cátions, pode haver alguma preferencialidade nas regiões de troca. 
Por exemplo, os minerais de argila do tipo 2:1 retêm, preferencialmente, o potássio e 
o amônio, enquanto que, na matéria orgânica, o cálcio é o cátion normalmente mais 
retido, depois do hidrogênio. 
 
3.7. Dupla Camada Difusa 
 A dupla camada difusa (DCD), baseada na teoria de Gouy & Chapman, é um 
modelo de distribuição dos íons na solução, a partir da superfície de um colóide 
(partícula eletricamente carregada). No caso do solo, os colóides são os 
componentes da fração argila e da matéria orgânica, isto é, as micelas. Esse modelo 
é descrito matematicamente pela equação (Mitchell, 1976) simplificada: 
L K
Z
D
n
onde
o
= . , : 
L é a espessura da DCD (cm); K é uma constante que inclui a temperatura (T), a 
constante de Boltzmann (k) e a carga elétrica unitária (e). Assim, K = (k.T/8 e2)1/2 = 
1,49x102 erg1/2.esu-1; Z é a valência do íon; D é a constante dielétrica do solvente 
(esu2.dina-1.cm-2); no é a concentração do íon (íons.cm-3 = mol/Lx6,02x1023x10-3). A 
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relação das unidades envolvidas: (erg1/2.esu-1) (esu2.dina-1.cm-2.cm3)1/2 = 
(dina.cm)1/2.esu-1.esu.dina-1/2.cm1/2 = cm confirma a unidade da espessura da DCD 
(L). 
 Portanto, observa-se que a espessura da DCD é inversamente proporcional à 
valência e à raiz quadrada da concentração do íon, e diretamente proporcional à raiz 
quadrada da constante dielétrica do meio. 
 Os solventes água, álcool etílico, acetona e tetracloreto de carbono têm as 
seguintes constantes dielétricas: 80,0, 33,1, 20,7 e 2,2 esu2.dina-1.cm-2, 
respectivamente. Para provocar a compressão da DCD, podem ser usados 
solventes em seqüência, em ordem decrescente de suas constantes dielétricas. 
 A representação gráfica de DCD é dada na Figura 2. 
 
Figura 2. Distribuição de íons a partir da superfície de colóide eletronegativo, de 
acordo com o conceito de dupla camada difusa (DCD) 
Fonte: Mitchell, 1976.