constituyentes inorgánicos - Universidad Politécnica de Cartagena

PROGRAMA OFICIAL DE POSGRADO
EN INGENIERÍA DEL AGUA Y DEL
TERRENO
MÓDULO I.-INSTRUMENTACIÓN Y MÉTODOS DE
ANÁLISIS QUÍMICO
LA DIFRACCIÓN
Ó DE RAYOS X EN
EDAFOLOGíA Y MEDiO AMBIENTE
Ponente: Ángel Faz Cano
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA
1.-CONSTITUYENTES DEL SUELO. POTENCIAL
APLICACIÓN DE LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X
2 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
2.-PREPARACIÓN
3.-SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS
4.-TRATAMIENTOS
5.-DIFRACTOGRAMAS
6.-ÁNÁLISIS SEMICUANTITATIVO
1.-CONSTITUYENTES
1
CONSTITUYENTES
DEL
POTENCIAL
APLICACIÓN
DIFRACCIÓN DE RAYOS X
SUELO.
SUELO
DE
LA
Suelo: resultado de la actuación del clima y de los seres vivos
sobre un material litológico
g
determinado.
ÎEs un material heterogéneo formado por tres componentes
principales: fases sólida, líquida y gaseosa.
ÎEs un sistema abierto,
abierto dinámico y de composición compleja.
compleja
zFase sólida: formada p
por los componentes
p
inorgánicos
g
y los
orgánicos.
zFase líquida: agua con sustancias en disolución y suspensión.
zFase gaseosa: constituida por aire.
aire También recibe el nombre de
atmósfera del suelo.
CONSTITUYENTES ORGÁNICOS
ÎComplejo sistema de sustancias cuya dinámica viene determinada,
por una parte,
y
t por la
l incorporación
i
ió constante
t t de
d restos
t orgánicos,
á i
por otra, por la transformación biológica, física y química de esos
restos.
ÎAtendiendo a su naturaleza, dos tipos:
zMateria
zM
t i orgánica
á i
f
fresca:
ÎRestos orgánicos frescos, poco alterados y descompuestos, que
tienen una estructura organizada.
ÎConstituye la materia prima del humus.
zH
zHumus:
ÎSustancias orgánicas más evolucionadas que resultan de la
descomposición de la anterior.
ÎEs una materia orgánica elaborada y específica del suelo a cuya
formación se llega por un complicado proceso, en parte de carácter
bi ló i
biológico,
en parte
t físico-químico,
fí i
í i
que se llama
ll
h ifi
humificación.
ió
ÎTiene una composición compleja.
CONSTITUYENTES ORGÁNICOS
zHumus:
Se establecen dos grupos de sustancias:
zSustancias orgánicas de naturaleza individual:
ÎProductos de descomposición de restos orgánicos o productos de
síntesis
síntesis,
que están constituidos por diversas sustancias,
sustancias
nitrogenadas o no, pero que se pueden adscribir a alguno de los
grupos
p de la química orgánica.
ÎEntre estas sustancias:
-Grasas y sustancias similares.
-Carbohidratos y sustancias relacionadas.
relacionadas
-Proteínas y derivados.
-Lignina y derivados.
-Sustancias tánicas.
-Resinas y terpenos.
-Ácidos orgánicos,
orgánicos fenoles y polifenoles.
polifenoles
ÎNo son específicas del suelo y constituyen entre un 15-18 % de
la M.O.
ÎSe les puede considerar como componentes del humus, siempre
que tratemos a éste en un sentido muy amplio.
CONSTITUYENTES ORGÁNICOS
zSustancias húmicas en sentido
estricto:
ÎSon el 90-95 % de la M.O.
ÎSustancias
orgánicas
sumamente
complejas,
no
adscribibles a ningún grupo de la
química
í
orgánica.
á
ÎSu
origen,
naturaleza
y
propiedades
no
son
perfectamente conocidas.
ÎDentro de éstas podemos
encontrar:
-Acidos húmicos.
-Acidos
Acidos fúlvicos.
fúlvicos
-Humina.
CONSTITUYENTES ORGÁNICOS
CONSTITUYENTES ORGÁNICOS
CONSTITUYENTES ORGÁNICOS
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
SEGÚN EL TAMAÑO DE PARTÍCULA
ÎEn
sólida
del
constituyentes
ÎE la
l fase
f
ólid inorgánica
i
á i
d l suelo
l intervienen
i t
i
tit
t
de distinto tamaño que presentan propiedades diferentes:
m
de 63 a 2000 μm (p
(puede a su vez
zArena: con tamaño
fraccionarse en subfracciones, por ejemplo de 63-100, 100-250,
250-500, 500-1000 y 1000-2000 μm.
zLi : con un tamaño
zLimo:
t
ñ de
d 2 a 63 μm. En
E él se diferencian
dif
i
li
limo
fino de 2 a 20 mm y limo grueso de 20 a 50 mm.
fracción m
más p
pequeña
q
((<2μm).
μm)
zArcilla: es la f
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS-ARCILLA
Tipo
Ti
1 1
1:1
(
(caolinita),
li it )
2 1
2:1
(ilit
(ilita,
vermiculita, esmectitas) o 2:1:1 (clorita).
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS-ARCILLA
SEGÚN EL TAMAÑO DE PARTÍCULA
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
Á
zFilosilicatos (arcilla):
ÎS
ÎSon
aluminosilicatos
l i
ili t que presentan
t
sustituciones
tit i
i
isomórficas
ó fi
d Si
de
por Al y, en casos particulares otros cationes, lo que les hace
presentar una cierta carga eléctrica negativa.
zÓxidos e hidróxidos (arcilla, limo y arena):
ÎC j t diverso
ÎConjunto
di
d óxidos
de
ó id
e hidróxidos
hid ó id
d diferentes
de
dif
t
elementos:
l
t
Si, Ti, Fe, Al, Mn.
ÎLa presencia de cargas variables en la superficie de estos óxidos
también promueve la adsorción de aniones.
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
zCarbonatos (arcilla, limo y arena):
ÎComponentes muy importantes en suelos
de
zonas con
l
d
precipitación menor que ETP (calcita o carbonato cálcico).
ÎContribuyen enormemente a que se mantengan los agregados
estructurales ya que el ión calcio media en los enlaces de la
materia orgánica con la fracción mineral.
ÎTambién
b é tienen influencia
fl
en las
l variaciones de
d pH.
zFosfatos (arcilla,
(arcilla limo y arena):
ÎAparecen en forma cristalina de forma más rara en el suelo
pero
pueden
aparecen
en
variedades
metaestables
y
metaamorfas.
f
ÎFosfato cálcico (apatito, hidroxiapatito) u otros fosfatos.
ÎLas formas más amorfas y de menor tamaño contribuyen a
estabilizar la estructura edáfica.
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
Carbonato cálcico pobremente
cristalino
cristalin
Carbonato cálcico cristalizado
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
Diferentes usos agrícolas
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
Diferentes usos silvícolas
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
zSulfuros, sulfatos,
zSulfuros
sulfatos cloruros (arcilla,
(arcilla limo y arena):
ÎSon poco importantes en suelos de climas húmedos puesto que
son fácilmente lavados.
ÎLos
L
sulfuros
lf
pueden
d
ser transformados
f
d
por oxidación
d ó en
sulfatos, más solubles, conforme aumenta el potencial redox del
medio.
medio
ÎEstos sulfatos son disponibles para las plantas.
ÎLos cloruros son las sales más solubles, presentándose sólo en
suelos
l de
d regiones áridas
á d y semiáridas.
á d
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
Cloruros
Sulfatos
CONSTITUYENTES INORGÁNICOS
Sulfuros:
Blenda
Pirita
G l
Galena
Sulfatos
FASE LÍQUIDA
ÎEs el componente fluido del suelo e interviene básicamente:
1.-Como
factor
biológico,
ya que es indispensable
1
f
b ló
d
bl para la
l vida
d de
d
las plantas y hace de portador de nutrientes.
2 -Como
2.
Como
factor
de
edafogenético
edafogenético,
interviniendo
en
la
meteorización, humificación, migración de constituyentes (arcilla,
óxidos, humus, etc.).
ÎDiferentes
f
estados
d desde
d d ell punto de
d vista físico:
fí
Agua
disolución del suelo
Solución del
suelo
FASE LÍQUIDA
zAgua higroscópica:
ÎAgua que absorbe el suelo a expensas
de la humedad atmosférica.
zAgua
A
capilar:
il
ÎEs la que está absorbida en los poros
y en las cavidades más pequeñas.
pequeñas
ÎSe mueve por el suelo mediante
difusión capilar de las zonas donde hay
más
á a donde
d d hay
h
menos.
ÎNo está retenida con demasiada
energía por ello puede ser utilizada por
energía,
las plantas.
zAgua gravitacional:
ÎEs la que se mueve por la acción de la gravedad y corresponde al
g
que momentáneamente se encuentra en el suelo después
p
de una
agua
lluvia abundante o riego.
ÎLlena los poros más gruesos del suelo (Ø > 8 mm).
FASE GASEOSA
ÎEs la parte gaseosa del suelo, muy estable,
ya que se establece un doble equilibrio:
1.-El consumo de O2 y la producción de CO2,
en la que los seres vivos juegan un papel
importante.
importante
2.-La renovación de la atmósfera del suelo
por intercambio de aire con la atmósfera
exterior.
ÎEstá
constituída
esencialmente por O2, CO2
y
N2,
aunque
en
condiciones
reductoras
pueden p
p
presentarse SH2,
CH4 y H2.
ÎEl % de O2 suele ser
más bajo que el de la
atmósfera.
ÎLa concentración
de CO2 es mayor
que la del aire.
ÎLa concentración
de N2 es similar a la
de la atmósfera.
2.-PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
ÎPrevio a la extracción de la arcilla, se deben de realizar los
siguientes pasos para eliminar
todos
los
cementantes que puedan
l
d
l
d
dificultar su buena dispersión.
ÎEn el caso de suelos se pesa una determinada cantidad de tierra
fina (tamizado a 2 mm), mientras que en el caso de roca, se
tratan trozos minúsculos trozos de roca. En detalle, los pasos son:
-Eliminación de yeso y otras sales solubles. Se trata una adecuada
cantidad de tierra fina con agua destilada.
destilada Se lava el número de
veces necesarias para que se disuelva todo el yeso y las sales
solubles de la muestra.
-Eliminación
El
ó de
d carbonatos
b
mediante
d
ell método
é d de
d Ostrom (1961)
(
)
en un medio acético 0,3M procurando mantener esa concentración
ácida en el medio.
medio La eliminación total se habrá producido cuando
haya cesado el burbujeo producido por la producción activa de
dióxido de carbono.
ARCILLA
PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
-Materia orgánica (Kunze, 1965). Se utiliza para su oxidación
H2O2 all 30%.
all baño
maría
% El ataque se hace
h
b
í tomando
d las
l
precauciones oportunas para no perder muestra ya que caliente,
sobre todo en muestras muy humíferas,
humíferas la reacción puede ser muy
violenta.
-Eliminación de óxidos de hierro. Método de Mehra y Jackson
(1
(1960)
) basado
b
d en la
l extracción
ó con citrato sódico
ód
y reducción
d
ó con
hidrosulfito sódico en un medio tamponado con bicarbonato sódico.
El ataque de la muestra se realiza al baño maría teniendo la
precaución de no sobrepasar los 80 oC que permitiría la formación
de sulfuro de hierro precipitado que puede crear artefactos.
ÎUna vez eliminados
l
d
l
los
anteriores cementantes, la
l muestra
resultante se debe desecar en estufa procurando no sobrepasar
los 65 oC
C. Una vez seca la muestra se podrá iniciar la extracción
de la arcilla.
ARCILLA
PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
ARCILLA
-Separación de la arena.
-Dispersión
Di
ió muestra.
t
-Extracción arcilla y limo.
EXTRACCIÓN DE LA ARCILLA
ÎEl
E rresiduo
u sólido obtenido
t n
se pa
pasa
a p
porr un tam
tamiz
z de 5
50 mm,
se recoge en una probeta la fracción que atraviesa el tamiz
y se lava las veces necesarias hasta la total dispersión de la
arcilla.
ill
ÎEl proceso termina con la extracción de esta fracción por
f nac n de los 10 cm superiores
up r r
tras rreposo
tra
p
de 8 h
horas
ra a
sifonación
20oC. Se podrán realizar tantas extracciones como arcilla se
pretenda obtener o realizar el número necesario hasta
agotar
t arcilla
ill existente.
i t t
ARCILLA
CARACTERIZACIÓN
MINERALÓGICA MEDIANTE
DIFRACTOGRAMA DE POLVO
DIAGRAMA
DE POLVO
Molienda de
lla muestra
t
(roca/suelo)
3.-SATURACIÓN DE LAS MUESTRAS
SATURACIÓN DE LAS
MUESTRAS
ÎSe lleva a cabo a continuación la saturación de la arcilla con
diferentes cationes, de modo que se podrán estandarizar los
resultados obtenidos al conocer exactamente el catión existente
en cada caso. Las saturaciones más empleadas son:
1.-MAGNESIO: Se realiza de acuerdo al método propuesto por
Jackson (1982). Para ello se pone la arcilla en contacto con
diferentes reactivos,
reactivos seguido de centrifugación y decantación del
sobrenadante. Se añade secuencialmente HCl 0,1N, acetato
magnésico
g
1N, cloruro magnésico
g
1N, metanol 50%, metanol 95 %
y acetona 95%; siendo los últimos pasos necesarios para lavar el
exceso de cloruros, cuya presencia se evalúa con nitrato de plata,
mientras que la acidificación inicial es para evitar la formación de
hidróxido de magnesio.
SATURACIÓN DE LAS
MUESTRAS
2.-POTASIO: Se realiza de acuerdo al método propuesto por
J k
Jackson
(1974) Para
(1974).
P
ello
ll se pone la
l arcilla
ill en contacto con
diferentes reactivos, seguido de centrifugación y decantación
del sobrenadante.
sobrenadante Se añade de un modo secuencial HCl 0,1N,
0 1N
acetato potásico 1N, cloruro potásico 1N, metanol 50%,
metanol 95 % y acetona 95%; siendo los últimos pasos
necesarios
i
para lavar
l
ell exceso de
d cloruros,
l
cuya presencia
i se
evalúa con nitrato de plata apareciendo un enturbiamiento
blanquecino mientras que la acidificación inicial es para evitar
blanquecino,
la formación de hídróxido potásico.
SATURACIÓN DE LAS
MUESTRAS
1 ml 1 ml 1 ml 1
m
l
-1 -2 -3 -4
-5
SATURACIÓN DE LAS
MUESTRAS
3.-CLORUROS
3 CLORUROS DE ALQUILAMONIO: Se realiza la saturación
con cloruros de alquilamonio con longitudes de cadena de 8-18
(Weiss y Lagaly,
g y 1967; Lagaly
g y y Weiss, 1969; Ruehlicke y
Kohler, 1981; Mermut y Arnaud, 1990; Stanjek et al., 1992)
después de la saturación de la muestra con Na (Köster et al.,
1972) Para la saturación en sodio se utiliza cloruro sódico 2N.
1972).
2N
Se aplica tres veces sucesivas, y en cada caso se realiza:
aplicación,
p
centrifugado
g
y decantación del sobrenadante. El
lavado con etanol en este caso se realiza al menos tres veces y
con agua destilada otras tres, aún así siempre comprobando que
la prueba con nitrato de plata para cloruros sale negativa.
negativa Tras
secar la muestra a baja temperatura se tiene la muestra lista
para saturar en cloruros de alquiamonio.
p
q
Para ello se utilizan los
correspondientes cloruros de cadena carbonada variable y se
mantiene la muestra 24 horas en la estufa con agitación
discontinua en cada caso,
caso a continuación se lava y centrifuga
seis veces con etanol cada muestra.
4.-TRATAMIENTOS
TRATAMIENTOS
ÎETILENGLICOL: Las muestras saturadas en magnesio se
mantienen en una atmósfera saturada en etilenglicol durante
unas cuatro horas (Hendricks y Dyal, 1950; Brindley, 1966).
E t prueba
Esta
b se puede
d realizar
li
i t d i d las
introduciendo
l
preparaciones
i
en agregado orientado saturadas en magnesio en un desecador
saturado en etilenglicol a una temperatura de unos 80 oC.
ÎTRATAMIENTO
TÉRMICO:
Los
agregados
orientados
saturados en magnesio se introducen en la mufla a 550 oC
d
durante
t unas dos
d horas
h
(Whitti
(Whitting,
1965)
1965).
ÎTRATAMIENTO ÁCIDO: La muestra de arcilla saturada en
magnesio se introduce en un matraz a reflujo con ácido sulfúrico
20% durante 30 minutos (Martín-Vivaldi y Rodríguez-Gallego,
1961). A continuación se centrifuga y se desprecia el
sobrenadante.
b
d t Posteriormente
P t i
t aplicamos
li
N OH 1% y se vuelve
NaOH
l
a
centrifugar. Tras decantar el último sobrenadante, se pasa la
arcilla a un porta con la ayuda de agua destilada. Dejar
finalmente secar a temperatura ambiente el agregado orientado.
TRATAMIENTOS
-Saturación en Mg
-Etilenglicol
-Tratamiento térmico
-Tratamiento ácido
5.-DIFRACTOGRAMAS
DIFRACTOGRAMAS
Difractómetro Philips
DIFRACTOGRAMAS
Difractómetro Bruker
DIFRACTOGRAMAS
Polvo monomineral
DIFRACTOGRAMAS
Polvo multimineral
DIFRACTOGRAMAS
Polvo multimineral
DIFRACTOGRAMAS
Polvo multimineral
DIFRACTOGRAMAS
Identificación mineral
según tratamiento
DIFRACTOGRAMAS
Identificación mineral
según tratamiento
DIFRACTOGRAMAS
Identificación mineral
según tratamiento
Para filosilicatos en diagrama orientado basta rodar hasta 45o.
En el caso de etilengricol, térmico y ácido vale con 15o. 68o en
el caso de los de polvo.
DIFRACTOGRAMAS
Identificación mineral
según tratamiento
DIFRACTOGRAMAS
Identificación mineral
según tratamiento
DIFRACTOGRAMAS
Identificación mineral
según tratamiento
TEXTURA
Textura excesivamente arcillosa
-Porosidad
-Permeabilidad
+Escorrentía
+Erosión hídrica
TEXTURA
Textura equilibrada
+Porosidad
+Permeabilidad
-Escorrentía
Escorrentía
-Erosión hídrica
TEXTURA
+Porosidad
+Permeabilidad
-Escorrentía
-Erosión hídrica
+Erosión eólica
Textura excesivamente arenosa
TEXTURA
6.-ANÁLISIS SEMICUANTITATIVO
ANÁLISIS
SEMICUANTITATIVO
ÎUna vez que los diagramas se han interpretado (Thorez,
(Thorez 1975)
se realiza la estimación semicuantitativa relativa. Para ello se
pueden utilizar los p
p
poderes reflectantes dados p
por Martín-Pozas
(1968) y Martín-Pozas et al. (1969).
Así, para la ilita en la reflexión de 10 Å un poder reflectante de
0 5 y 1 para la caolinita en la reflexión de 7Å,
0,5
7Å ambas
reflexiones del difractograma de agregado saturado en Mg. Para
la clorita se utiliza un p
poder reflectante de 2 en la reflexión de
14 Å del agregado sometido a tratamiento térmico. Para la
vermiculita se emplea el mismo poder reflectante que para la
ilita ya que su estimación se hace por diferencia entre el pico
ilita,
de 10 Å del diagrama de calentamiento a 550oC y el de 10 Å de
la arcilla saturada en Mg.
g
ÎPara semicuantificar el total de filosilicatos, el cuarzo y los
feldespatos, se utilizan, en los difractogramas de polvo, los picos
correspondientes 4,45,
4 45 4,24
4 24 y 3,24Å
3 24Å con reflexiones de 0,1,
0 1
0,7 y 1, respectivamente.
ANÁLISIS
SEMICUANTITATIVO
ÎLa proporción semicuantitativa de los filosilicatos presentes
en
cada
muestra
viene
expresada
en
las
tablas
correspondientes
p ndi nt de
d la
l siguientes
i i nt forma:
f m :
+++++: más del 80%
++: 15-30%
++++: 50-80%
+: 5-15%
+++: 30-50%
t: menos del 5%