Elementos Químicos del Suelo
Los elementos más abundantes de la corteza terrestre son el O y el Si, que representan el 75% del total. Le siguen el Al, el Fe, el Ca, el Na, el K y el Mg. La corteza se encuentra formada por compuestos oxigenados, fundamentalmente por silicatos. También son abundantes los óxidos como el cuarzo, la hematites, magnetita o carbonatos, sulfatos y fosfatos.
Localización de los Elementos Químicos del Suelo
Pueden encontrarse en diferentes compartimentos:
- Fase sólida: Inmovilizados en la estructura cristalina o en la materia orgánica (MO). Los elementos que se encuentran integrando la estructura cristalina de los minerales no son biodisponibles ni reactivos hasta que los procesos de meteorización los liberan. A partir de esta liberación, los elementos de la fase sólida pueden afectar a los procesos de fertilidad del suelo.
- Fase líquida: Disueltos en la solución del suelo o en suspensión. El agua de este sistema corresponde al agua capilar y gravitacional del suelo. Los iones presentes en la solución del suelo se encuentran hidratados, rodeados por un número determinado de moléculas de agua. Pueden ser transportados o perdidos por lavado.
- Fase gaseosa: Los elementos más volátiles.
- Interfase sólido-líquido: Los elementos se hallan localizados en la superficie de las partículas y en su área de influencia, de modo que se hallan en íntimo contacto con la solución.
El sistema responsable del proceso de intercambio se halla precisamente en este último compartimento, y es también llamado complejo de cambio. Este complejo está constituido fundamentalmente por arcillas y materia orgánica humificada. Este equilibrio depende de factores como la carga y el tamaño del ion. La adsorción se debe a la interacción entre partículas en disolución y la superficie de los sólidos por medio de diferentes mecanismos:
- Fuerzas físicas (Van der Waals o Puentes de H)
- Enlace iónico
- Enlace covalente
Adsorción e Intercambio Iónico
Algunas partículas del suelo tienen posibilidades 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. Esta característica está ligada a los coloides del suelo representados por la arcilla, las moléculas húmicas y los oxihidróxidos de hierro y aluminio. Al conjunto de constituyentes implicados en este proceso se le conoce como complejo adsorbente. Se define el cambio iónico como los procesos reversibles por los cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa liberando al mismo tiempo otros iones en cantidades equivalentes, estableciéndose el equilibrio entre ambas. Las causas que pueden originar el intercambio iónico son los desequilibrios eléctricos de las partículas del suelo. Para neutralizar las cargas se adsorben iones, que se pegan a la superficie de las partículas. Quedan débilmente retenidos sobre las partículas del suelo y se pueden intercambiar con la solución del suelo. A la magnitud de esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico (CIC).
Teorías del Intercambio Iónico
Existen tres teorías que tratan de explicar el porqué de este proceso:
- Red cristalina: Considera las partículas de los minerales como sólidos iónicos. Los iones de los bordes están débilmente retenidos por lo que pueden abandonar la estructura y pueden cambiarse con los de la solución del suelo.
- Doble capa eléctrica: Considera el contacto entre el sólido y la fase líquida como un condensador plano. Entre el metal (sólido) y el electrolito (disolución) existe una diferencia de potencial que atrae a los iones de la solución del suelo. Distinguimos tres modelos: Modelo elemental de Helmholtz, modelo de Gouy-Chapman y modelo de Stern.
- Membrana semipermeable: La interfase sólido-líquido actúa como una membrana semipermeable que deja pasar los iones de la solución y a los de la superficie de las partículas pero no a los del interior de los materiales.
Básicamente las tres teorías son compatibles y simplemente se trata de enfoques distintos: iones débilmente retenidos para la teoría cristalina, desequilibrios eléctricos para la teoría de doble capa eléctrica, y diferentes concentraciones para la teoría de la membrana semipermeable.
Capacidad de Intercambio de Cationes (CIC)
Es el más importante y mejor conocido. En el suelo son varios los materiales que pueden cambiar cationes. Los principales cambiadores son las arcillas y la materia orgánica. Las causas de la capacidad de cambio de cationes de las arcillas son: sustituciones atómicas dentro de la red, existencia de bordes, disociación de los OH de las capas basales, enlaces de Van der Waals.
Intercambio Catiónico en Arcillas
En las arcillas, además de en su superficie, los iones pueden entrar entre láminas. Alrededor de cada partícula se sitúa una nube de iones, colocándose en la primera capa los de signo contrario a la partícula, que se encuentran retenidos con más fuerza. La probabilidad de que un tipo de ion esté adsorbido es fruto de su concentración en la solución, cuanto mayor es esta mayor es la tendencia a la adsorción, y a medida que va disminuyendo su concentración en la solución va siendo liberado del complejo y sustituido por otro cuya concentración sea superior. El origen de las cargas de las partículas coloidales es diverso. Existen unas cargas procedentes de las sustituciones que ocurren en su estructura.
Intercambio Catiónico en MO
Las causas de la capacidad de cambio de la materia orgánica son: disociación de los OH y disociación de los COOH. 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. La importancia de las cargas variables en las sustancias húmicas es mayor que en la arcilla. Existe una gran accesibilidad en las zonas internas de su estructura. El importante número de cargas variables de la MO se pone de manifiesto cuando se determina su capacidad de intercambio catiónico a diversos valores de pH, no solo se produce un notable incremento con el ascenso del pH, sino que para valores de pH cercanos a uno su capacidad se anula.
Factores que Influyen en el Intercambio Catiónico
Los factores que hacen que un suelo tenga una determinada capacidad de cambio de cationes son varios:
- Tamaño de las partículas: Cuanto más pequeña sea la partícula, más grande será la capacidad de cambio.
- Naturaleza de las partículas: La composición y estructura de las partículas influirá en las posibilidades de cambio de sus cationes.
- Tipo de cationes cambiables: La capacidad de cambio de cationes representa el total de cargas negativas, o lo que es lo mismo, el número de cargas positivas que incorporan los cationes que vienen a fijarse.
- pH: Los suelos presentan distinta capacidad de cambio en función del pH. A pH bajos los hidrogeniones están fuertemente retenidos, pero a pH altos los H de los grupos carboxílicos primero y de los OH después, se disocian y los H+ pueden ser intercambiados por cationes.
Importancia de la Capacidad de Cambio
- Controla la disponibilidad de nutrientes para las plantas.
- Interviene en los procesos de floculación-dispersión de arcilla y, por consiguiente, en el desarrollo de la estructura y estabilidad de los agregados.
- Determina el papel del suelo como depurador natural al permitir la retención de elementos contaminantes incorporados al suelo.