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29/05/2013 1 CARGAS ELÉTRICAS DO SOLO Atributos físicos e químicos do solo -Aula 12- Prof. Alexandre Paiva da Silva INTRODUÇÃO CARGAS ELÉTRICAS E FOTOSSÍNTESE: “Vida na Terra” Propriedade de uma dispersão coloidal Argilas → eletronega�vas Solos >> intemperizados → cargas (+) incomum As cargas elétricas proporcionam a adsorção de íons de cargas opostas, retendo-os no solo Nutrição, gênese, poluição 29/05/2013 2 TIPO E ORIGEM DE CARGAS CARGAS ELÉTRICAS NEGATIVAS Dissociação de grupos OH nas arestas das argilas silicatadas; Substituição isomórfica; Matéria orgânica CARGAS ELÉTRICAS NEGATIVAS Óxidos e hidróxidos de Fe e Al(OHFeAl); Obs: permanentes e variáveis ou dependentes de pH TIPO E ORIGEM DE CARGAS Dissociação de grupos OH nas arestas das argilas silicatadas; • O grupo OH nas terminações tetra e octaedrais, nas faces quebradas das unidades cristalográficas das argilas silicatadas • A elevação do pH desloca o equilíbrio para a direita, pela neutralização dos íons H+ liberados na dissociação OH- (VIDE FIG) • Depende do pH e predomina em argilas 1:1 29/05/2013 3 TIPO E ORIGEM DE CARGAS Figura 1. Fontes de cargas elétricas negativas do solo – ARGILAS SILICATADAS 1:1 TIPO E ORIGEM DE CARGAS Substituição isomórfica • Na gênese de argilas 2:1 pode haver substituição de Si4+ dos tetraedros por Al3+; nos octaedros de Al3+ por Mg2+ ou de menor valência que Al3+ → ‘SOBRA DE CARGA NEGATIVA’ (VIDE FIG) • Cargas não dependentes de pH Matéria orgânica • A dissociação de GRUPOS CARBOXÍLICOS E FENÓLICOS • O equilíbrio é deslocado para a direita com a elevação do pH → neutralização da acidez (VIDE FIG) 29/05/2013 4 TIPO E ORIGEM DE CARGAS Figura 2. Fontes de cargas elétricas negativas do solo – SUBSTITUIÇÃO ISOMÓRFICA TIPO E ORIGEM DE CARGAS Figura 3. Fontes de cargas elétricas negativas do solo – MATÉRIA ORGÂNICA 29/05/2013 5 TIPO E ORIGEM DE CARGAS Óxidos e hidróxidos de Fe e Al • É significativa em condições mais ácidas • Os OHFeAl podem originar cargas (+) e (-) ou permanecer carga neutra na superfície* → pH do solo (VIDE FIG) • Em geral, o ponto que a carga dos óxidos é nula corresponde a uma valor de pH na faixa alcalina – Os OHFeAl têm carga (+) em solos ácidos • *PCZ = Ponto de Carga Zero → pH em que o solo tem carga líquida nula; o valor do PCZ varia com a natureza dos materiais trocadores de íons no solo (VIDE FIG) TIPO E ORIGEM DE CARGAS Figura 4. Fontes de cargas elétricas positivas do solo – Óxidos de Fe e Al 29/05/2013 6 ADSORÇÃO E TROCA IÔNICA Princípios •Argilominerais e MOS → ‘Maior Superfície específica’ – partículas coloidais que têm cargas (+) e (-) → ‘reter’ ou adsorver cátions ou ânions •As cargas (+) ou (-) são neutralizadas por íons de carga contrária, que podem ser trocadas por outros íons da solução → TROCA IÔNICA -ADSORÇÃO CATIÔNICA -Cargas NEGATIVAS são neutralizadas por íons ELETROPOSITIVOS -ADSORÇÃO ANIÔNICA -Cargas POSITIVAS são neutralizadas por íons ELETRONEGATIVOS Obs: As ligações dos íons se dão por ELETROVALÊNCIA ou COVALÊNCIA •Cátions envolvidos: Ca2+, Mg2+, Al3+, H+, Na+, NH4 +, micro •A troca iônica depende: SUPERFÍCIE ESPECÍFICA E DENSIDADE DE CARGAS → Analogia com “colméia de abelhas” (VIDE FIG) ADSORÇÃ IÔNICA Figura 5. Representação da CTC e da CTA 29/05/2013 7 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) CONCEITO • É a capacidade do solo ADSORVER e TROCAR CÁTIONS • Expressa a quantidade de cátions que o solo pode reter na forma de COMPLEXO DE ESFERA-EXTERNA* – Mede indiretamente a quantidade de cargas negativas do solo • * Ligados às superfícies por ligações eletrostáticas • Relaciona-se com Superfície Específica e Densidade de cargas CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) PRINCÍPIOS BÁSICOS • Fenômeno reversível –Deslocamento contínuo de cátions adsorvidos; ocorre nos dois sentidos: superfície da partícula para solução e vice-versa • Reação estequiométrica – “Lei os equivalentes químicos” → 1molc de cátion X é trocada (substituído) por 1molc de cátions Y • É um processo rápido → Tempo de agitação de 5 – 15 min 29/05/2013 8 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM • pH – Efeito das cargas dependentes de pH • Natureza dos cátions trocáveis – “Lei de Coulomb” → cátions de maior valência são mais retidos → “Série liotrópica” • Z/r → Z = carga do íon; r = raio do íon hidratado • Valências iguais: Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+ > H+ • Valências diferente: Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4 + > Na+ CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM • Concentração da solução – Afeta a preferencialidade de troca → “Lei da ação das Massas” → é possível cátions de < valência deslocar cátions de > valência → concentração – Para uma mesma concentração de cátions presentes, a “DILUIÇÃO DA SOLUÇÃO”, aumenta a preferência de troca de cátions de menor valência como Na+, pelos de maior valência. – Exemplos: • Região úmida = lixiviação de bases e predomínio de Al3+ • Região semiárida = acúmulo de cátions monovalentes, Na+ 29/05/2013 9 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM • Natureza da fase sólida – O tipo de argilomineral e a MOS afeta a densidade de cargas negativas → CTC *Exemplos: • Regiões tropicais = Efeito da MOS (VIDE FIG) – O arranjo estrutural da fase sólida e sua interação com cátions → ESPECIFICIDADES NAS REGIÕES DE TROCA • Argila 2:1 → retêm K+ e NH4 + ; Mat. orgânica → retêm Ca2+ • Tipo e quantidade de argilominerais (VIDE FIG) – Tropicais e subtropicais: 1:1 (caulinita) e óxidos de Fe e Al → CTC BAIXA – Temperada: 2:1 (vermiculita, esmectita) → CTC ALTA CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) Figura 6. ASE e CTC de argilominerais e matéria orgânica 29/05/2013 10 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) Figura 7. Efeito da matéria orgânica CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS (CTC) VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM • Matéria orgânica – A interação da MOS com argilominerais e óxidos → Alteração das cargas superficiais • MOS vs caulinita e óxidos → ↓ cargas e CTC • pH da solução • Adsorção específica de íons (AEI) – A AEI pode aumentar a CTC → Adsorção específica de fosfato, silicato e sulfato carga líquida negativa *Exemplos: • doses de P → cargas negativas → CTC 29/05/2013 11 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS COMPONENTES DA CTC • CTC permanente e CTC dependente de pH - CTC efetiva e CTC “bloqueada” (VIDE FIG) CARACTERÍSTICAS DA CTC - Valores de Hissink • CTC EFETIVA (t) – t = [SB + (Al3+)]; Al3+ = ACIDEZ TROCÁVEL • CTC TOTAL (T) – T = [SB + (H + Al)]; H + Al = ACIDEZ POTENCIAL • SOMA DE BASES (SB) – SB = Ca2+ + Mg2+ + K++ [Na++ NH4 +] • SATURAÇÃO POR BASES (V) – V = SB / T 100 • SATURAÇÃO POR ALUMÍNIO (m) – m = Al3+ / t 100 29/05/2013 12 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS Figura 9. Classificação e interpretação dos valores de Hissink UM EXEMPLO O que podemos inferir a partir de tais resultados? 29/05/2013 13 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS DETERMINAÇÃO DA CTC • Seguem os princípios básicos do fenômeno de troca (VIDE FIG) – CTC efetiva (t) → Emprego de soluções salinas (KCl 1 mol/L e CaCl2 0,5 mol/L) – CTC total (T) → Acetato de amônio (CH3COONH4) 1 mol/L a pH 7,0 DETERMINAÇÃO DA CTC 29/05/2013 14 DETERMINAÇÃO DA CTC
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