Troca iônica

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CIÊNCIAS DO SOLO 
E FERTILIDADE
Raquel Finkler
Troca iônica
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
  Identificar a série liotrópica.
  Definir raio iônico hidratado.
  Descrever a força de ligação íon-coloide.
Introdução
A troca iônica é um fenômeno químico que ocorre no solo e influencia a 
fertilidade e a nutrição de plantas. Assim, é importante você compreender 
os conceitos relacionados a essa troca para entender o funcionamento 
da química do solo. As interações eletroquímicas do solo permitem que 
elementos essenciais (macro e micronutrientes) estejam disponíveis para 
a absorção da planta.
Neste capítulo, você vai ver o conceito de troca iônica e conhecer 
alguns fatores que interferem nela, como o raio iônico hidratado e a 
força de ligação íon-coloide.
Troca iônica e série liotrópica
O estudo de cargas elétricas e suas reações no solo é importante porque elas 
infl uenciam a fertilidade e a nutrição das plantas. Inicialmente, você deve estar 
familiarizado com o conceito de troca iônica. Ela consiste na substituição 
de um íon por outro no complexo de esfera externa (BRADY; WEIL, 2014). 
Lopes (2009) comenta que a troca iônica ou adsorção não específi ca refere-se 
à interação entre os íons e as superfícies das partículas, sendo de natureza 
eletrostática. Em síntese, o processo de troca de cátions e ânions por cátions 
e ânions na solução do solo é conhecido como troca iônica. Além disso:
O termo "troca iônica" não implica a permanência contínua de um processo 
de movimentação (embora ela de fato aconteça), mas denota reações de des-
locamento de um estado de equilíbrio causado por adição de íons "estranhos" 
ou pela alteração da concentração da solução externa (WIKLANDER, 1967 
apud NUNES, 2005, p. 57).
As cargas negativas que retêm cátions podem ser cargas permanentes ou 
cargas dependentes de pH. A seguir, você vai conhecê-las melhor.
Cargas permanentes
São cargas que existem na estrutura dos minerais, originadas da substituição 
isomórfi ca nos tetraedos e octaedros dos argilominerais. As cargas permanentes 
formam-se na superfície dos sólidos por meio de substituição iônica (STUMM; 
MORGAN, 1981 apud WEBER et al., 2005). Constituem esse grupo as argilas 
silicatadas (CAMARGO; ALLEONI, 2006).
Tiecher (2015) comenta que, em clima temperado rico em argilominerais 
2:1, as cargas permanentes representam a maior parte das cargas do solo. Já em 
climas tropical e subtropical, elas são incipientes, estando presentes em quan-
tidades expressivas somente em alguns solos da região da campanha gaúcha.
Cargas variáveis ou dependentes de pH
Stumm e Morgan (1981 apud WEBER et al., 2005) afi rmam que as cargas 
variáveis são decorrentes da dissociação e da associação de prótons e da 
adsorção específi ca de cátions e ânions. São cargas que dependem do pH do 
solo. Assim, quando há aumento no pH, ocorre o aumento da quantidade de 
cargas disponíveis no meio. Essas cargas podem ser positivas ou negativas, 
dependendo do pH do solo. Elas possuem características dinâmicas, com efeito 
temporário variando de acordo com o pH do meio. Além disso, essas cargas 
são representadas pelos óxidos, pelos hidróxidos e pela matéria orgânica 
(CAMARGO; ALLEONI, 2006).
Outro conceito importante é o de ponto de carga zero (PCZ), que corres-
ponde ao pH do solo no qual a quantidade de cargas negativas (capacidade 
de troca catiônica, CTC) e positivas (capacidade de troca aniônica, CTA) é 
equivalente. O PCZ é o valor de pH em que a adsorção de íons determinantes 
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de potencial é igual (PÉREZ; CAMPOS; TEIXEIRA, 2017). Baldotto e Velloso 
(2014) comentam que o PCZ indica o pH em que o balanço de cargas coloides 
no solo é nulo. Assim, quando o pH apresenta valores maiores do que os do 
PCZ, o solo tem cargas negativas, ou seja, capacidade de troca catiônica. 
Quando ocorre o inverso (pH menor do que PCZ), o solo apresenta cargas 
positivas e capacidade de troca aniônica.
Além disso, Pérez, Campos e Teixeira (2017) afirmam que a magnitude 
do PCZ reflete a natureza dos coloides. Afinal, ela é função das reações de 
superfície que ocorrem nos coloides de carga variável. Para Tiecher (2015), 
o PCZ é de extrema importância em solos altamente intemperizados ricos 
em argilominerais 1:1 e óxidos, pois indica a predominância de carga do solo 
para determinado pH. Para a compreensão dessas relações, veja, a seguir, os 
conceitos de CTC e CTA.
Capacidade de troca catiônica
A capacidade de troca catiônica é o total de cátions adsorvidos expressos em 
centimols (cmolc) ou milimols (mmolc/dm3). A CTC potencial ou máxima é 
dependente de pH mais alto e CTC efetiva, que é a CTC ao pH natural do solo. 
A medição da CTC potencial do solo é usual (SCHROEDER, 2017).
Nunes (2005) comenta que a troca de cátions é importante para a manu-
tenção da vida na Terra. Por meio desse processo, os elementos oriundos do 
intemperismo químico e da adição de adubação são retidos temporariamente 
no solo, sendo incorporados na cadeia trófica ou lixiviados.
Segundo Raij (2010), a CTC depende da composição mineralógica do solo, 
bem como da sua química e da presença de matéria orgânica. Tiecher (2015) 
comenta que a matéria orgânica, em solos ácidos intemperizados como os 
existentes no Brasil, é a principal fonte de carga elétrica negativa, representando 
uma grande porção da CTC.
Na Figura 1, você pode ver a diferença entre a CTC permanente e a CTC 
dependente de pH.
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Figura 1. Representação da CTC de um solo de região tropical.
Fonte: Sousa Neto ([2000?], documento on-line).
Capacidade de troca aniônica
A capacidade de troca de ânions é defi nida como a soma do total de ânions 
que um solo pode adsorver (INSTITUTO DA POTASSA & FOSFATO, 1998). 
Schroeder (2017) comenta que locais de cargas negativas são mais numerosos. 
Assim, a CTA é menor em comparação com a CTC. Além disso, as reações de 
troca envolvendo ânions são de menor importância do que as que envolvem 
cátions. O mesmo autor afi rma ainda que a CTA também depende do pH, mas 
em sentido contrário. Ou seja, valores menores de pH apresentam maior valor 
de CTA, tendo como principais ânions trocáveis PO4, SO4, NO3, Cl, malato e 
citrato (orgânicos) e MnO4
2– e B(OH)4 (micronutrientes).
Gatiboni ([2000?]) apresenta um desenho esquemático sobre a relação 
entre pH, PCZ, CTC e CTA (Figura 2).
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Figura 2. Ponto de carga zero e seu efeito na floculação e na dispersão do solo.
Fonte: Gatiboni ([2000?], documento on-line).
Raij (1981) comenta que a troca de íons ocorre devido ao excesso de cargas 
existentes nas partículas sólidas, sendo que predomina, na maioria dos solos, 
a troca de cátions. O autor ainda afirma que a maioria dos solos apresenta um 
excesso de carga negativa na superfície das partículas. Os cátions e os ânions se 
deslocam de forma livre na solução do solo, estando sujeitos às trocas catiônicas.
Brady e Weil (2014) afirmam que, exceto em certos horizontes subsuper-
ficiais intemperizados, a troca de cátions é muito maior do que a de ânions. 
Além disso, essas reações de troca são reversíveis e equilibradas por carga. 
Os autores afirmam ainda que a reação é influenciada por: ação de massas, 
carga relativa, tamanho dos íons hidratados, natureza do coloide e outros íons 
adsorvidos no coloide.
Os cátions em solução estão em equilíbrio com os cátions trocáveis. Du-
rante a absorção de um deles, pode ocorrer a reposição. Assim, os cátions 
são retidos pelo solo segundo a série liotrópica (RAIJ, 1981). Maciel, Alves 
e Silva (2015) afirmam que os cátions trocáveis possuem energia de retenção 
aos coloides do solo, seguindo uma série liotrópica, que considera carga 
e tamanho de íon hidratado. Na Figura 3, você pode ver um esquema que 
sintetiza a série liotrópica.
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Figura 3. Série liotrópica.
Fonte: Adaptada de Raij (1981) e Brady e Weil (2014).
A série liotrópica é uma sequência lógica de retenção de cátions no solo. 
Assim,o solo tende a apresentar maior teor de cálcio do que de magnésio 
(DEMATTÊ, 2011). Na série liotrópica, um cátion pode ser deslocado por 
qualquer outro que esteja situado mais à sua esquerda, com maior densidade 
de carga e, portanto, maior força de retenção (DOMÈNECH; PERAL, 2006). 
A série liotrópica se baseia na valência do cátion. Nesse sentido, os cátions 
trivalentes são mais fortemente atraídos do que os divalentes; e estes, do que 
os monovalentes. Em síntese, solos expostos a soluções com concentrações 
iguais de cátions mono, di e trivalentes devem adsorver em especial cátions 
trivalentes (NUNES, 2005).
Para cada categoria de solo, há uma série preferencial. Contudo, de forma 
geral, a energia de ligação aumenta com valência, raio iônico, menor grau de 
hidratação do cátion e concentração do cátion no solo (CAMARGOS, 2005).
Brady e Weil (2014) comentam que, por meio da troca iônica, elementos como cálcio 
(Ca+2) e potássio (K+) são liberados e passam do estado de adsorção eletrostática sobre 
superfícies coloidais para a solução do solo. Dessa forma, o K+ é absorvido pelas plantas.
Raio iônico hidratado
Inicialmente, você deve diferenciar raio atômico de raio iônico. Atkins e Jones 
(2006) defi nem o raio atômico de um elemento como a metade da distância 
entre os núcleos de átomos vizinhos. Já o raio iônico refere-se à distância 
entre o centro do núcleo de um átomo e o elétron mais afastado do núcleo, 
fazendo referência a um íon (LAUS, 2011). O raio iônico de um elemento é 
a sua parte da distância entre íons vizinhos em um sólido iônico, ou seja, a 
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distância entre centros de um cátion e um ânion vizinhos é a soma dos dois raios 
iônicos (ATKINS; JONES, 2006). Na Figura 4, você pode ver as tendências 
de periodicidade dos raios iônicos.
Segundo Laus (2011), o raio iônico é, assim como o raio atômico, a distância 
entre o centro do núcleo de um átomo e o elétron mais afastado do núcleo. 
Porém, não faz referência a um átomo, mas ao seu íon. Na prática, considera-se 
o raio do íon óxido como 140 pm e calcula-se o raio dos outros íons com base 
nesse valor. De acordo com Laus (2011), o raio iônico hidratado é formado 
quando o íon atrai moléculas de água em torno de si. Além disso, quanto 
menor for o íon, maior será o seu raio iônico hidratado.
A mobilidade de solutos no solo é dependente da interação iônica com a 
matriz. Ânions como o cloreto são muito móveis, sendo passíveis de rápida 
lixiviação no solo. Cátions de menor raio iônico hidratado aproximam-se 
mais da superfície da argila e, por consequência, têm a atração eletrostática 
aumentada. Isso lhes dá maior poder de adsorção na fase sólida e maior poder 
de deslocamento de outros cátions adsorvidos no complexo de troca. Assim, 
de acordo com a valência e o raio hidratado, tem-se uma ordem de permuta-
bilidade, também chamada de série liotrópica.
Nunes (2005) afirma que o número de hidratação varia dependendo do 
método de determinação. Ainda, segundo esse autor, o raio efetivo de um 
íon hidratado pode diferir por um fator de dois, três ou mais. Desse modo, 
conforme Nunes (2005, documento on-line):
A energia livre de hidratação de uma espécie iônica i é proporcional ao qua-
drado de sua valência (zi) e inversamente proporcional ao dobro de seu raio 
(ri). Então, a energia de hidratação de cátions divalentes, e especialmente 
dos trivalentes, é muito maior que dos monovalentes. Para cátions de mesma 
valência, aqueles que possuem menor raio são mais hidratados e por isso 
possuem um maior raio hidratado. Quando cátions são eletrostaticamente 
adsorvidos por solos eletronegativos espera-se que a afinidade dos coloides 
por cátions de diferentes valências siga a ordem genérica M+< M2+ < M3+.
Você ainda deve saber que a energia de hidratação é a energia liberada 
quando existe a interação de um íon com as moléculas de um solvente. Quanto 
maior for a interação, mais negativa será a energia de hidratação. Desse modo, 
íons menores geralmente possuem mais energia negativa de hidratação.
Assim, solos que são expostos a soluções que contêm iguais concentrações de 
cátions monovalentes, divalentes e trivalentes absorvem, principalmente, cátions 
trivalentes. Já com relação aos cátions de mesma valência, a força de adsorção será 
determinada pelo raio hidratado dos íons, conforme o Quadro 1 (NUNES, 2005).
7Troca iônica
 Fonte: Adaptado de Nunes (2005). 
Cátion
Raio 
(nm)
Raio 
hidratado 
(nm)
Polarizabi-
lidade (cm3)
Energia de 
hidratação 
(kJ mol–1)
Troca 
relativa 
(%)
Li+ 0,076 0,382 0,03 503 32
Na+ 0,102 0,358 0,17 419 33
K+ 0,138 0,331 0,80 356 51
Rb+ 0,152 0,329 1,42 335 63
Cs+ 0,167 0,329 2,35 314 69
Mg2+ 0,072 0,428 0,10 1.802 69
Ca2+ 0,100 0,412 0,54 1.571 71
Sr2+ 0,118 0,412 0,87 1.425 74
Ba2+ 0,135 0,404 1,68 1.341 73
Al3+ 0,054 0,475 4.649 85
La3+ 0,103 0,452 3.268 86
 Quadro 1. Raio, raio hidratado, polarizabilidade e energia de hidratação de cátions em 
relação à habilidade relativa de troca em NH4-esmectita 
De acordo com a teoria de Eisenman, aplicada em sistemas de coloides de 
solos mencionados por Ji e Li (1997 apud NUNES, 2005), a seletividade dos 
adsorventes aos cátions é definida pelo campo de força efetivo dos sítios de 
adsorção, bem como da energia de hidratação dos cátions. Assim, a energia de 
hidratação desempenha um papel predominante. Por sua vez, o ordenamento 
dos íons em função da sua força de adsorção entre íons de mesma valência é 
consistente com a série liotrópica (NUNES, 2005). Segundo o mesmo autor, 
se o campo de força próximo do sítio de adsorção for tão elevado a ponto 
de conter a energia de hidratação, esse íon poderá ser parcial ou totalmente 
desidratado. Assim, o fator determinante na afinidade entre íons e superfícies 
adsorventes passa a ser o raio iônico em vez do raio hidratado.
A mobilidade de solutos no solo depende da interação dos íons com a matriz 
(MATOS; COSTA, 1996). Adriano e Doner (1982 apud MATOS; COSTA, 1996) 
afirmam que ânions como o cloreto são muito móveis, sendo passíveis de rápida 
lixiviação do solo. Matos e Costa (1996, p. 172) ainda tratam da atração eletrostática:
Troca iônica8
Cátions de menor raio iônico hidratado aproximam-se mais da superfície da 
argila e, por consequência, têm a atração eletrostática aumentada, o que lhes 
dá um maior poder de adsorção na fase sólida e maior poder de deslocamento 
de outros cátions adsorvidos no complexo de troca.
Do ponto de vista da química dos solos, a adsorção de cátions é deter-
minante para a sua biodisponibilidade para as plantas, bem como para a sua 
mobilidade no solo.
Força de ligação íon-coloide
Dependendo da distância a que o íon encontra-se do coloide, este receberá uma 
denominação diferente. Íons livres são aqueles que se encontram distantes 
dos coloides de forma que não existe atração. Já íons trocáveis são aqueles 
atraídos por diferentes energias de ligação. A interação entre os íons e os 
coloides ocorre devido às forças eletromagnéticas. Nas dispersões de soluções 
no solo (adsorção física), é possível destacar as interações por força de Van 
der Waals (Keesom, Debye e London) e a interação hidrofóbica.
A força de Vander Waals é definida como a atração que ocorre por meio 
de interações eletrostáticas muito fracas em superfícies neutras ou moléculas 
não polares. As ligações feitas por forças de Van der Waals ocorrem devido 
às interações permanentes ou dipoloinduzidas, ou ainda devido às interações 
causadas pela dinâmica de polarização de moléculas neutras, como você pode 
ver na Figura 4 (TIECHER, 2015).
Figura 4. Efeito da correlação eletrônica que resulta nas forças in-
termoleculares de Van der Waals, ligando duas moléculas neutras 
formadas por ligações atômicas covalentes.
Fonte: Tiecher (2015, p. 48).
9Troca iônica
Para que ocorra a ligação química por forças de Van der Waals, visto que 
as moléculas possuem elétrons que se movem em uma nuvem eletrônica, o 
movimento desses elétrons em uma molécula neutra deve ser correlacionadoou emparelhado com o movimento de prótons em outra molécula neutra a 
cada instante. Esse tipo de ligação é fraca e adirecional, com a resistência da 
ligação dependente da área de contato aproximada. Ou seja, quanto maior for 
a área onde duas moléculas neutras interagem, maior será a força de atração 
(TIECHER, 2015).
Em contraponto às forças de Van der Waals, há as ligações de hidrogênio. 
Elas são uma força intermolecular mais forte que ocorre entre dipolos perma-
nentes das moléculas, em que o polo positivo é sempre o hidrogênio e o polo 
negativo pode ser o flúor, o oxigênio ou o nitrogênio. Segundo Tiecher (2015), 
a ponte de hidrogênio é uma atração eletrostática. As pontes de hidrogênio 
podem se apresentar das seguintes formas:
a) os elétrons são compartilhados entre dois átomos;
b) existe uma força de atração entre um átomo (com carga elétrica negativa) 
de uma molécula e um átomo de hidrogênio ligado de maneira covalente 
a outro átomo negativo de outra molécula;
c) um átomo capta os elétrons de outro átomo.
As pontes de hidrogênio são de extrema importância para os minerais 
do solo. Elas são responsáveis pelas propriedades da água. De acordo com 
Tiecher (2015, p. 46):
A caulinita, por exemplo, é um argilomineral composto por uma lâmina oc-
taedral e outra tetraedral contendo Al e Si, respectivamente. O hidróxido de 
Al e a lâmina silicatada na caulinita são unidas principalmente por ligações 
iônicas com um forte caráter covalente para formar uma unidade coesa. A 
ligação Al–O é 37% covalente enquanto que a ligação Si–O é 49% covalente. 
Essas unidades são ligadas às unidades adjacentes por pontes de H entre o O 
ligado ao Si e os prótons ligados no hidróxido de Al. Embora a força de ligação 
das pontes de H seja fraca, essa força é suficiente para conferir estabilidade 
à estrutura da caulinita.
Troca iônica10
Essas ligações químicas estão apresentadas na Figura 5, a seguir.
Figura 5. Ligações químicas estruturais.
Fonte: Tiecher (2015, p. 47).
Segundo Gatiboni ([2000?]), existem diversos fatores que afetam a energia 
de ligação entre coloides e íons. Você pode conhecê-los a seguir.
  Valência do íon: quanto maior for a valência, maior será a energia de 
ligação ao coloide.
  Grupo periódico do íon: elementos de transição formam compostos 
de maior energia de ligação do que o grupo dos metais alcalinos e 
alcalinos terrosos.
  Tamanho do íon: quanto menor for o íon, mais fortemente ele será 
adsorvido.
  Hidratação do íon: quanto mais hidratado for um íon, menor a força 
com que será adsorvido.
  Concentração de íon na solução: quanto maior for a concentração de 
um íon na solução, maior será a sua adsorção.
  Seletividade do coloide: alguns coloides possuem preferência para a 
adsorção de certos cátions.
11Troca iônica
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13Troca iônica
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