domingo, 22 de febrero de 2009

la fase solida del suelo


Fase sólida del suelo
La fase sólida está formada principalmente por materiales inorgánicos y materia orgánica en diferente etapa de descomposición.
La materia orgánica es la fracción orgánica del suelo que incluye residuos vegetales y animales en diferentes estados de descomposición, tejidos y células de organismos que viven en el suelo y sustancias producidas por los habitantes del suelo. Esta fracción se determina en general en suelos que pasan por un tamiz con malla de 2.0 mm.
El humus es la fracción más o menos estable de la materia orgánica del suelo, la que se obtiene después que se ha descompuesto la mayor parte de las sustancias vegetales o animales agregadas al suelo. Generalmente es de color negro. El humus está compuesto por los restos posmortem de vegetales y animales que, depositados en el suelo, son sometidos constantemente a procesos de descomposición, transformación y síntesis.
El edafón lo forman los organismos vivientes del suelo, es decir, la flora y fauna del suelo.
La composición bioquímica de los restos vegetales y animales varía dentro de un amplio rango, los tejidos verdes son más ricos en carbohidratos y proteínas, los tejidos leñosos contienen compuestos fenólicos (ligninas) y celulosas. Las bacterias tienen alto contenido de proteínas, los líquenes contienen muchos carbohidratos. Entre los componentes orgánicos de los restos vegetales y animales están los carbohidratos, proteínas, polipéptidos, ácidos nucleicos, grasas, ceras. Resinas, ligninas, etc.
El proceso de humificación consiste en la degradación o descomposición de la materia orgánica como proteínas, carbohidratos, etc. que por procesos de síntesis y polimerización producen nuevos agregados químicos que se llaman ácidos húmicos. Tienen estructura aromática compleja y variable, son compuestos de masa molecular entre 10 000 y 50 000 g/mol.
Los ácidos húmicos se clasifican en tres grupos: ácidos fúlvicos, ácidos húmicos y huminas de acuerdo a su solubilidad en diferentes solventes como agua, bromuro de acetilo, alcohol etílico y el hidróxido de sodio en solución.
Los ácidos fúlvicos representan la fracción de humus extraible por álcali, que no precipita por ácidos y que tiene color amarillento rojo. Generalmente son compuestos fenólicos de peso molecular bajo.
Los ácidos húmicos se extraen con hidróxido de sodio y que puede precipitar por ácidos como el ácido clorhídrico. Generalmente son polímeros de alto peso molecular que forman coloides esferoidales, su capacidad de intercambio catiónico se debe a la presencia de la función ácido orgánico (-COOH) y de la función hidroxilo. La fracción de los ácidos húmicos soluble en etanol se denomina ácido himatomelánico, que es de color marrón rojizo.
Los ácidos húmicos pardos son más difíciles de flocular y son más pobres en nitrógeno que los ácidos húmicos grises.
Las huminas representan la fracción que sólo es soluble en solución de hidróxido de sodio caliente.
Los restos vegetales y animales son polímeros de compuestos orgánicos que durante el proceso de transformación son degradados hasta sus constituyentes básicos y como se forma nitrógeno, fósforo y azufre lellaman proceso de mineralización. Por el proceso de humificación y mediante síntesis microbiológica se producen nuevos compuestos químicos de masa molecular grande y de color oscuro, que constituyen la fracción edáfica del suelo.
Funciones de la materia orgánica en el suelo
La importancia de agregar materia orgánica para mejorar la fertilidad del suelo la conocen los agricultores desde hace miles de años. Generalmente, la materia orgánica del suelo regula los procesos químicos, biológicos y físicos que en él ocurren.
En los procesos químicos la materia orgánica interviene en: - El suministro de elementos químicos (mediante la mineralización) como el nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, calcio y magnesio y micronutrientes disponibles para las plantas. - La estabilización de la acidez del suelo. - La capacidad de cambio catiónico de los suelos. La capacidad de intercambio de la materia orgánica es alta, varía entre 100 y 400 cmol(+)/kg. (centimoles de carga positiva por kilogramo de suelo). - La capacidad de intercambio aniónico, donde se acumulan nitratos, fosfatos y sulfatos. - La regularización de los niveles de disponibilidad de nutrimentos principales y de elementos químicos menores. - Los fenómenos de adsorción que inactivan a los plaguicidas.
La materia orgánica también afecta propiedades físicas del suelo como: - En la estructura del suelo, favorece la formación de agregados, disminuye la plasticidad y la agregación global del suelo. - En el uso del agua mejora la infiltración, reduce la evaporación, mejora el drenaje y la estructura lo que favorece la aireación, favorece el calentamiento y a través de los coloides orgánicos ayuda a retener el agua. - En el color del suelo favorece o dificulta la absorción de la energía solar.
Determinación del contenido total de materia orgánica
La determinación de la materia orgánica se basa en la cuantificación del carbono por combustión seca, en la que se determina la cantidad de dióxido de carbono desprendido o por combustión húmeda que se basa en la reducción del dicromato de sodio o de potasio y luego se determina por titulación la cantidad de dicromato no reducida. En suelos derivados de calizas o que tienen alto contenido de carbonatos es necesaria su destrucción mediante un ácido inorgánico como el ácido clorhídrico.
El contenido porcentual total de materia orgánica en los primeros centímetros del suelo es alto y decrece a medida que aumenta su profundidad, lo que indica una disminución regular de carbono orgánico. Generalmente la materia orgánica del suelo contiene en promedio el 58 % de carbono.
Fase líquida del suelo
Siendo estrictos, los suelos son sistemas sin equilibrio, ya que continuamente están ocurriendo reacciones físicas, químicas o biológicas que les están alterando sus propiedades. No obstante, se pueden alcanzar equilibrios parciales en algunos suelos en los que los sólidos del suelo no cambian. Por ejemplo, el intercambio de cationes de Na+ y de Ca2+ .
Uno de los aspectos importantes del conocimiento de un suelo es el estudio de sus propiedades químicas ya que la fase líquida del suelo está formada por la solución del suelo que proporciona los nutrientes a las plantas y es el medio en el que se llevan a cabo la mayoría de las reacciones químicas del suelo, las cuales se tratan de explicar con base en los principios de la química. Los minerales son óxidos cuyas cargas son contrarrestadas por los iones de silicio, aluminio, fierro y pequeñas cantidades de otros cationes.
Gran parte del comportamiento químico del suelo se puede explicar considerando la competencia entre las especies químicas del oxígeno, O2-, OH- y H2O para captar cationes y aniones en la solución de suelo y en los sólidos adyacentes, ya que el agua es un óxido cuya carga es contrarrestada por los iones de hidrógeno.
La cantidad de átomos, iones y moléculas que participan en una reacción química es tan grande que no se pueden medir directamente, sin embargo, es importante conocerlo porque determina la magnitud de una reacción química.
Como el medio químico de un ion en una solución acuosa es muy semejante en algunos aspectos al medio que rodea al mismo ion en un mineral resulta importante el estudio de las soluciones acuosas.
El que las moléculas de agua interactúan fuertemente entre sí se pone de manifiesto en la temperatura de ebullición tan alta y en el gran valor del calor específico del agua. Por ejemplo, el sulfuro de hidrógeno (ácido sulfhídrico) H2S es una molécula químicamente muy similar a la del óxido de hidrógeno, H2O, pero tiene una temperatura de ebullición muy baja, - 61ºC, debido a que la interacción entre sus moléculas es mucho menor que la de las moléculas de H2O. La razón principal para que existan las interacciones tan fuertes entre las moléculas de H2O son sus puentes de hidrógeno y que los iones hidrógeno forman un ángulo de 105º, lo que genera un dipolo con extremos positivos en los hidrógenos y negativos del lado del oxígeno. La atracción electrostática del extremo positivo de una molécula de H2O con el extremo negativo de otra molécula de H2O forma una estructura interna que se pone de manifiesto en el hielo (agua sólida) y se observa débilmente en el agua líquida. Esto hace que se formen en el agua líquida pequeños grupos de moléculas de agua que tienen una estructura parecida a la del hielo, es decir, que a nivel molecular el agua líquida es como una suspensión de hielo en agua.
En una solución acuosa, las moléculas de agua y los solutos en el agua interactúan todas entre sí (las moléculas de agua con las de agua y con las de los solutos y viceversa). Las moléculas de los solventes y de los solutos iónicos y no iónicos nunca están libres de la influencia de las otras moléculas o iones de su alrededor. Sin tales interacciones el estudio de la química de soluciones sería sencillo ya que las soluciones líquidas se comportarían como los gases ideales, sin considerar interacciones entre las partículas que los constituyen.
Interacción catiónica
Generalmente se habla sólo de las fases sólida, líquida y gaseosa pero no se considera a la fase coloidal que forma a las arcillas. Una parte del agua del suelo y gran parte de los iones de la solución del suelo están determinados por las cargas y los enlaces químicos que no se llevan a cabo entre los minerales arcillosos y la materia orgánica.
La carga predominantemente negativa de los coloides del suelo retiene cationes en la película de agua sobre la superficie del coloide, lo que reduce la pérdida de los iones Ca2+, Mg2+, K+ y Na+ por lixiviación y al mismo tiempo mantiene estos cationes disponibles para que sean captados por los vegetales. Principalmente, los cationes de los metales de transición y el aluminio precipitan como aluminosilicatos y casi ni están presentes en la fase acuosa. Los cationes de los metales alcalinos y alcalinotérreos tienen menor oportunidad de precipitar debido a su tamaño y a su carga. Por lo que, permanecen en la fase acuosa y neutralizan la carga superficial. La cantidad disponible para los vegetales de cationes Ca2+, Mg2+, K+ y Na+ y los considerados macronutrientes esenciales se encuentran en la parte de la solución de suelo cercana a la superficie de los coloides. Estos cationes se conocen como intercambiables porque se pueden intercambiar por otros mediante la adición de fertilizantes, de cal o por irrigación.
Los cationes liberados mediante el proceso de intemperismo y por descomposición de la materia orgánica varían grandemente en cuanto a la carga del ion, tamaño, polaridad y reaccionan de manera diferente a los iones y superficies encontrados en el suelo. Algunos tienden a precipitar de nuevo como minerales formados por el suelo(fase sólida); otros tienden a permanecer en solución aunque asociados con la superficie de la fase sólida (iones intercambiables); otros son competidores deficientes por la carga superficial y por lo tanto, permanecen de manera predominante en la solución de suelo (iones solubles).
Las soluciones de sales eliminan algunos aniones de los suelos y debido a que la mayoría de los coloides del suelo están cargados negativamente , la reacción principal la constituye el intercambio de los cationes del suelo por los de la solución extractora.
Generalmente, la distribución de los principales cationes intercambiables en los suelos agrícolas productivos es: Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ = Na+ . Lo que le ocurre a los iones después del intemperismo mineral y la descomposición de la materia orgánica depende tanto de las propiedades de los iones como de las del suelo o de los materiales producto del intemperismo y la descomposición. La composición de los cationes intercambiables en los suelos tiende a ser mucho más uniforme que la composición de la roca madre de la que se han derivado los cationes. No obstante, los cambios a gran escala en los factores de formación del suelo modifican de manera definitiva la distribución de los cationes intercambiables.
Las reacciones de intercambio catiónico son rápidas y su velocidad depende de la difusión del ion hacia la superficie del coloide o desde dicha superficie. A la relación de la dependencia entre el intercambio catiónico y la valencia del catión se le conoce como efecto de dilución de valencia.
Para fines prácticos, la suma de los cationes intercambiables Ca2+ , Mg2+ , K+ , Na+ y Al3+ equivale generalmente a la capacidad de intercambio catiónico (CIC) del suelo. La composición del catión intercambiable y la capacidad de intercambio catiónico se expresan en moles de la carga del ion/kg (anteriormente, meq/100g o meq/g). Como las cantidades intercambiadas de cationes son equivalentes químicamente el intercambio catiónico es reversible y estequiométrico. Por otra parte, la suma de todos los cationes intercambiables presentes a un pH específico varía ligeramente con el tipo de catión.

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