QUÍMICA DE SUELOS CAPÍTULO III COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SUELOS UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE AGRONOMÍA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE SUELOS Dr. DENNYS SILVA VALDIVIEZO 1

CAPÍTULO III COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SUELOS CONTENIDO 3.1Introducción 3.2Composición de la corteza terrestre 3.3Los minerales del suelo 3.4Factores que afectan la estabilidad relativa de los minerales del suelo 3.5Alteraciones de los minerales del material madre 2

3.1Introducción El suelo es una parte fundamental de los ecosistemas terrestres. Contiene agua y elementos nutritivos que los seres vivos utilizan. En el se apoyan y nutren las plantas en su crecimiento y condiciona, por tanto, todo el desarrollo del ecosistema. El suelo está formado por varios componentes: rocas, arena, arcilla, humus o materia orgánica en descomposición, minerales y otros elementos en diferentes proporciones. De igual forma en el suelo viven una gran cantidad de bacterias y hongos, tantos que su biomasa supera, normalmente, a todos los animales que viven sobre el suelo. En la zona más superficial, iluminada, viven también algas, sobre todo diatomeas. También se encuentran pequeños animales como ácaros, colémbolos, cochinillas, larvas de insectos, lombrices, etc. 3

3.2. Composición de la corteza terrestre Fe-Ni se concentran en el núcleo Oxígeno y Sílice en las capas más externas Sólo O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, H, Mn y P tienen abundancias > 0.1% en la CORTEZA 4

3.2. Composición química de la corteza terrestre 5

3.3 Los minerales del suelo ELEMENTOS MINERALES ROCAS 6

Elementos 7

3.3.2.Minerales ¿Por qué estudiar los minerales y las rocas? 8

3.3.2.Minerales ¿Por qué estudiar los minerales y las rocas? 9

3.3.2.Minerales Sólido de estructura homogénea formado de manera natural por procesos inorgánicos, con una composición química definida y una estructura atómica ordenada. Forman parte de la corteza terrestre de forma natural. Fluorita 10

3.3.2.Minerales Sólido de estructura homogénea Conformado por una sola sustancia sólida que no puede ser dividida físicamente en compuestos químicos más simples... Origen natural e inorgánico:  Lo distingue de aquellos minerales sintéticos elaborados por procesos industriales o de laboratorio...  Lo distingue de aquellos sintetizados de manera orgánica Cráneo Humano 11

3.3.2.Minerales Composición química definida:  Que puede ser expresado mediante una fórmula química específica (aunque no necesariamente constante)... ESTEQUIOMETRÍA Estructura atómica ordenada:  Los átomos forman una estructura geométrica regular. Es decir… son cristales  Los materiales no cristalinos son amorfos. Algunos son naturales: mineraloides (p. Ej. ópalo, obsidiana, ámbar, azabache,…) Los minerales son cristales Cuarzo= SiO 2 Olivino= (Mg,Fe)2SiO4 12

3.3.2.Minerales INERTESÓLIDO INORGÁNICO HOMOGÉNEO carente de las cualidades propias y exclusivas de la vida que no tenga estructura de ser vivo o que la haya perdido si su origen es orgánico mantenga constancia en forma y volumen en las condiciones físicas (P y T) de la corteza terrestre  Estructural y Químico: los elementos químicos se ordenen periódicamente y se pueden expresar con una fórmula química concreta (definida pero no fija)  Físico: las propiedades se mantengan idénticas. Cuarzo SiO 2 ( fórmula definida) Dolomita (CaMg(CO 3 ) 2 ( fórmula definida pero no fija, todas las dolomitas son carbonatos de calcio y magnesio, pero pueden presentar variaciones en la proporción de calcio y magnesio) Minerales 13

3.3.2.Minerales: propiedades físicas Dependen de su composición y la estructura  Forma cristalina  Color  Transparencia  Brillo  Raya  Fractura  Maleabilidad  Tenacidad  Dureza  Exfoliación  Densidad  Luminiscencia  Conductividad eléctrica  Magnetismo  Sabor  Olor  Tacto  Radioactividad 14

Mineraloides 15

Todos los procesos dinámicos de la tierra envuelven la construcción y destrucción de minerales, como modelos de cambio de un estado al otro. Cuando la superficie de la tierra se meteoriza y eroda, algunos minerales se destruyen y otros crecen en su lugar. En los océanos los minerales se acumulan y crecen a partir de soluciones. Otros minerales crecen al enfriarse las lavas arrojadas de los volcanes. En la profundidad de la tierra, la alta temperatura y presión remueve los átomos de una estructura cristalina de algunos minerales y los recombina en otros nuevos minerales. 16

Cada tipo de mineral es estable solo bajo condiciones específicas de presión y temperatura Los minerales de silicatos son los más abundantes y forman más del 95% de la corteza terrestre. Los más importantes minerales de silicatos son: feldespatos, micas, olivinos, piroxenas, anfibolitas, cuarzo y minerales de arcilla. Algunos minerales no silicatados importantes son calcita, dolomita, yeso y halita. Los minerales son a las rocas lo que las letras a las palabras... 17

A.Silicatos : (SiO 4 ) 4- B.No silicatos C.Óxidos : O 2- D.Hidróxidos : OH 1- E.Sulfuros : S 2- F.Sulfatos (SO 4 ) 2- G.Fosfatos: (PO 4 ) 3- H.Carbonatos : (CO 3 ) 2- I.Elementos nativos Minerales: clasificación química 18

A. Silicatos Es el grupo más abundante de los minerales formadores de rocas (constituyen el 80% de la litosfera) donde el anión está formado por grupos silicatos del tipo (SiO 4 ) Minerales: clasificación Tetraedro de Silicio: SiO 4 (carga neta: -4) Ordenamiento de átomos de O alrededor de un átomo de Si Poliedro de coordinación Oxígeno (O -2 ) Silicio (Si +4 ) 19

B. No Silicatos  Elementos nativos: Son minerales que se presentan como elementos aislados, sin combinar con otros. Oro, plata, cobre, platino, azufre, carbono (diamante y grafito)  Sulfuros: minerales formados por la combinación del azufre con un elemento metálico.  Calcopirita (CuFeS 2 ), mena de cobre  Cinabrio (HgS), mena de mercurio,  Galena (PbS), mena de plomo  Pirita (FeS 2 ), para producir ácido sulfúrico  Haluros: combinación del cloro, flúor, bromo o yodo con metales.  Halita (NaCI), sal común utilizada en alimentación  Silvina (KCI), empleado para la preparación de sales fertilizantes.  Carnalita (KMgCl 3 · 6H2O), empleado para la preparación de sales potásicas fertilizantes.  Fluorita (CaF 2 ), producción de ácido fluorhídrico para fabricar aluminio, y en la industria química Minerales: clasificación 20

B. No Silicatos  Óxidos e hidróxidos: formados por uno o más elementos, generalmente metálicos, combinados con el oxígeno o el agua.  Cuarzo (O 2 Si).  Magnetita (O 4 Fe 3 ).  Limonita (FeO.OH nH 2 O)  Carbonatos: Los carbonatos están formados por el anión carbonato (CO 3 ) = combinado con un metal.  Aragonito (CaCO 3 ).  Malaquita (Cu 2 CO 3 (OH) 2 ).  Calcita (CaCO 3 ).  Siderita (FeCO 3 ).  Sulfatos:  Yeso (CaSO 4 ·2H 2 O), las variedades de alabastro se utilizan como piedras ornamentales, mientras que el resto se emplean en la construcción, como fertilizante y como fundente cerámico Minerales: clasificación 21

Mayoría de rocas están formadas por silicatos. Unidad estructural básica: tetraedros de sílice. (SiO 4 ). Otros grupos importantes de minerales formadores de rocas (principalmente sedimentarias) en la corteza terrestre; carbonatos, sales, óxidos, etc. También de importancia económica; elementos metálicos; fosfatos, etc Roca  Definición: Material natural cohesivo conformado por granos de uno o más minerales. Las rocas están hechas de minerales... Eclogita: Granate + Piroxeno + Rutilo 22

Roca 23

Los componentes minerales del suelo pueden ser de naturaleza muy diversa dado que han sido formados a partir de una gran variedad de rocas. Cada tipo de roca tiene una mineralogía característica y esta será heredada en mayor o menor medida por el suelo. Los minerales del suelo son en muchos casos el resultado de la transformación de los minerales de las “rocas madres”. La transformación o alteración química hará que en el suelo aparezcan minerales como los llamados minerales de arcilla, diversos óxidos de hierro, etc., que son esenciales para determinar las propiedades de un suelo 3.4Factores que afectan la estabilidad relativa de los materiales del suelo 24

La estabilidad se define como la resistencia que opone el mineral a toda modificación en su composición química o de su estructura cristalina. Por tanto a mayor estabilidad menor será la alteración. La estabilidad depende de numerosos factores. Unos son debidos al propio mineral pero también determinadas características del medio van a modificar sensiblemente la estabilidad de los minerales. Así en medios muy agresivos sólo vamos a poder encontrar presentes minerales muy estables, mientras que en otros suelos con actividad más suave podremos encontrar minerales inestables. 3.4Factores que afectan la estabilidad relativa de los materiales del suelo 25

Los factores que afectan a la estabilidad de los minerales están relacionados con el mineral y con el suelo 3.4.Factores que afectan la estabilidad relativa de los materiales del suelo 26

Factores relacionados con el mineral O-Me n+ (n=1,2)<< O-Al 3+ < O-Si 4+  Composición química:. Modificará la estabilidad en función de que el mineral contenga iones más o menos solubles y según se comporten frente a la oxidación y la hidrólisis. En definitiva la estabilidad vendrá regulada por el hecho de que sus partículas constituyentes sean más o menos lábiles. En general cuanto más bajo es el contenido en sílice de los minerales menor será su estabilidad en los suelos.  Estructura. Es un factor decisivo. Por ejemplo la estabilidad disminuirá cuanto más abierta sea la estructura y aumentará para los empaquetamientos de átomos densos y compactos. Por otra parte, resulta evidente que la fuerza del enlace entre las partículas del mineral también va a ser un factor importante. 27

Factores relacionados con el mineral  Tamaño: menor tamaño → mayor superficie → menor estabilidad  Exfoliación y fragilidad: la exfoliación expresa la facilidad de fracturarse un mineral de un modo regular. Por tanto la exfoliación disminuye la estabilidad. Igual podemos decir para la fragilidad, que se refiere a la facilidad de fracturación pero ahora de una manera desordenada. 28

Factores relacionados con el mineral  Inclusiones: Se considera que aumentan la inestabilidad al presentar superficies de contacto íntimo de dos materiales con diferentes composiciones. 29

Factores relacionados con el suelo  Temperatura: Las altas temperaturas favorecen la velocidad de alteración (es un catalizador).  pH: valores extremos potencian la alteración  Potencial redox:. Dependiendo del ambiente que predomine, oxidante o reductor, los minerales que contengan formas reducidas u oxidantes podrán o no alterarse.  Factor biótico: Los organismos (principalmente microorganismos y raíces de las plantas) atacan a los minerales para extraer nutrientes.  Humedad: el agua es el agente de alteración más importante (hidrólisis, solubilización e hidratación). Su acción es más intensa si contiene algún ácido (disolución de CO 2, ácidos fúlvicos,...) 30

H 2 O + CO 2 → H 2 CO 3 CaMg(CO 3 ) 2 + 2H 2 CO 3 ↔ Ca(HCO 3 ) 2 + Mg(HCO 3 ) 2 dolomita ácido carbónico bicarbonato Ca y Mg ++++soluble El lavado o lixiviación de los constituyentes solubles liberados en los procesos de alteración hace que las reacciones se desplacen hacia la derecha, alterándose así, de nuevo más material fresco Factores relacionados con el suelo  Drenaje: regula el tiempo de contacto del agua con las partículas del suelo. También influirá regulando la concentración de las sales de la solución del suelo y modificará su poder hidrolítico. En medios impermeables el agua se satura de iones y deja de atacar a los minerales. Si el medio es permeable el agua de lluvia atravesará el suelo y una vez cargada de bases se eliminará al subsuelo (y al seguir llegando agua procedente de la lluvia continuará la alteración mineral). 31

 Herencia: simple microdivisión, sin transformación química (ej.- cuarzo)  Transformación: procesos químicos débiles (pérdidas de algunos iones), conservando la estructura inicial de los cristales (ej.- illitas, vermiculitas,...). Proceso que afecta a las micas  Solubilización: los elementos que constituyen los minerales primarios son liberados en estado soluble o pseudosoluble. Se pueden perder por drenaje o evolucionar lentamente hacia geles amorfos, generalmente después de haber sufrido una redistribución en el perfil  Neoformación: los constituyentes liberados que no son arrastrados, la mayoría, evolucionarán “in situ” hacia una forma cristalina (ej. arcillas de neoformación, montmorillonita o caolinita, según el medio) Procesos que determinan los tipos de materiales que aparecen en los suelos 32

3.5.Alteraciones de los minerales del material madre Alteración química Alteración química Transformaciones que afectan a la composición química y mineralógica de la roca y que dan lugar a mezclas de minerales de composición variable y compleja por transformación y neoformación Reacciones sencillas, exotérmicas, lentas, incompletas e irreversibles al tener lugar en un sistema abierto La producción de compuestos intermedios y finales está en función de las características de la roca originaria, de la estabilidad de los minerales y de las condiciones del medio (variación geográfica) Alteración física ( no entra en este capítulo ) Alteración física ( no entra en este capítulo ) 33

Alteración química Roca Atmósfera Biosfera Hidrosfera Resistatos Minerales heredados Minerales transformados Minerales neoformados Materiales solubles FORMACIÓN DEL SUELO Perdida por erosión Pérdidas por lavado Modificado de Porta et al. (1999) 34

La existencia de los minerales en el suelo depende de la presencia en el material original y de su estabilidad. La estabilidad se define como la resistencia que pone el mineral a toda modificación en su composición química o de su estructura cristalina. 3.5 Alteraciones de los minerales del material madre 35

La estabilidad es difícil de evaluar si se tiene en cuenta la gran diversidad edáfica Existe una relación directa entre la alteración y la energía de formación En los silicatos la estabilidad es función del grado de condensación de las redes cristalinas. Neso e Inosilicatos menos estables frente a Filo y Tectosilicatos Dentro de la series isomorfas, será función de las propiedades de los cationes (feldespatos potásico>plagioclasas sódicas >plagioclasas cálcicas) Los minerales con Fe 2+ o Mn 2+ son más alterables debido a la facilidad de oxidación En un mismo tipo de estructura, la estabilidad decrece con la creciente sustitución isomorfa del Si por Al (ej. cuarzo más estable que la ortosa) Resistencia de los minerales a la alteración química 36

Yeso, halita, …. Calcita, apatito, …. Olivino, piroxenos, anfíboles, ….. Biotita, … Feldespatos, cenizas volcánicas, … Cuarzo, …… Muscovita, illita …. Vermiculita, hidromicas, …. Montmorillonita, … Caolinita, haloisita, alofana, ….. Gibsita, bohemita, …. Hematites, goethita, ….. Circón, rutilio, ….. estabilidad Resistencia de los minerales a la alteración química 37

1.- Disolución 2.- Hidrólisis 3.- Hidratación 4.- Oxidación-Reducción 5.- Intercambio-catiónico 6.- Formación de complejos 7.- Carbonatación Procesos de alteración química 38

1.- Disolución Disociación de las moléculas en iones. Depende de pH, Tª, interacción con otros iones (ión común) y del agua. Afecta poco a los silicatos, generalmente a sales alcalinas y alcalinotérreas (minerales secundarios, no primarios) Halita o sal común: NaCl + H 2 O → Na + + Cl - + H 2 O Yeso: CaSO 4 ·2H 2 O + H 2 O → Ca 2+ + SO H 2 O Calcita: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca HCO 3 Más dificultad Procesos de alteración química 39

2.- Hidrólisis Es el mecanismo que más afecta a los silicatos, el proceso más importante de alteración química Reacción inversa a la neutralización: un silicato es atacado con los iones del agua, liberando 2 compuestos más sencillos, uno de carácter ácido y otro de carácter básico. Afecta a un gran número de minerales, dada la abundancia de silicatos en la corteza Al no actuar sobre los enlaces Si-O, en muchos casos aparecerá el SiO 2 como producto final. La estructura de los silicatos consta de tetraedros y octaedros donde el K, Ca, Na y Fe ocupan los intersticios. Los enlaces con iones metálicos son débiles, mientras que los enlaces entre O, Si y Al son fuertes. Los H + del agua penetran en las estructuras de los silicatos y desplazan al Na, Ca, K, Fe,… que se van como disoluciones iónicas en el agua 40

De manera general:  -Si-O-Me + H + ↔  - Si-OH + Me + Ejemplo:  Feldespatos: Ortosa Feld-K + H 2 O ↔ Feld-H + K + + OH - Como producto final de la rotura hidrolítica del feldespato potásico pueden generarse aparte de K +, H 4 SiO 4 y Al(OH) 3, minerales de arcilla (caolinita, illita o montmorillonita) 2KAlSi 3 O H 2 O → Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4H 4 SiO 4 + 2KOH Los productos intermedios permanecerán o serán eliminados en función de su solubilidad (ej. H 4 SiO 4, ácido silícico). El pH, el drenaje y el aporte de elementos en solución condicionarán estos productos 2.- Hidrólisis 41

 Micas Estabilidad de dioctaédricas (moscovita) > trioctaédricas (biotita). Debido a la mayor energía de formación y la presencia de Fe 2+ en la estructura de la biotita, en un medio oxidante, será menos estable Las condiciones del medio controlan la alteración de las micas trioctaédricas Oxidación en medio neutro y mal drenado: Biotita → Esmectita Oxidación en medio ácido: Biotita → Vermiculita En medio rico en Mg 2+ : Biotita → Clorita 2.- Hidrólisis 42

3.- Hidratación La incorporación de la molécula de agua, entrando a formar parte de la estructura cristalina, dando lugar a un mineral distinto. CaSO 4 + 2H 2 O → CaSO 4. 2H2O (anhidrita) (yeso) Fe 2 O 3 + nH 2 O → Fe2O 3. nH 2 O (oligisto) (limonita) Procesos de alteración química 43

4.- Oxidación – reducción Muchos silicatos contiene en su red Fe 2+ y Mn 2+ que pueden pasar a su estado de máxima oxidación (Fe 3+, Mn 3+, Mn 4+ ). Para compensar el aumento de carga (+) se produce la pérdida de iones como K + o Mg 2+, esto suponen una inestabilidad de la red y en consecuencia una mayor facilidad para la hidrólisis 5.- Intercambio-catiónico Entre las superficies de las raíces y los cationes alojados en una red cristalina, provocando una desorganización y progresivo colapso de la estructura Procesos de alteración química 44

6.- Formación de complejos Para un mismo pH ciertos ácidos orgánicos (de la actividad de los organismos y de la descomposición de la m.o.) son más efectivos que los ácidos inorgánicos. Esto se debe a la formación de complejos órgano-metálicos, en especial con el Al, Fe y Mn. 7.- Carbonatación Reacción de los iones carbonato y bicarbonato con los minerales. Afecta a todo tipo de rocas, siendo fundamental en el caso de rocas carbonatadas. Los iones carbonato y bicarbonato se originan de la disolución del CO 2 procedente de la actividad de las raíces y los microorganismos. Depende de la concentración de CO 2, pH y temperatura. 3KAlSi 3 O 8 + 2H 2 O + 2CO 2 → KAl 2 (AlSi 3 )O 10 (OH) 2 + 6SiO 2 + 2K + + 2HCO Procesos de alteración química 45

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