Composición Mineral del Suelo: Edafología y Climatología

Edafología y Climatología
E.T.S. Ingenieros Agrónomos de Ciudad Real
SBMC
TEMA 2: “Composición mineral del suelo”
1.
Introducción.
El suelo posee una morfología propia que resulta de la acción combinada
del clima, materia viva, roca original, relieve y edad del proceso, teniendo en
cuenta criterios ecológicos de múltiple interacción de los sistemas naturales
litosfera, hidrosfera y biosfera.
El proceso natural por el cual se forma un suelo en la corteza terrestre se
denomina génesis edáfica.
Los minerales están formados por elementos simples. Los más
importantes en la corteza terrestre, ordenados de manera cuantitativa se
presentan en la Tabla 1.
Tabla Nº1: Composición de la corteza terrestre (%)
Elemento
(%)
Elemento
(%)
Oxígeno
52,32
Magnesio
1,39
Hidrógeno
16,95
Potasio
1,08
Silicio
16,67
Titanio
0,22
Aluminio
5,53
Carbono
0,14
Sodio
1,95
Fósforo
0,04
Hierro
1,50
Manganeso
0,03
Calcio
1,48
Nitrógeno
0,03
Fuente: Sparks (2003)
Cuando las rocas se meteorizan constituyen los materiales de origen y
se pueden agrupar en materiales residuales y materiales transportados.
La litosfera está compuesta por rocas y éstas por minerales. La
interacción de la atmósfera, hidrosfera y la biosfera provocan la alteración de
los minerales y la subsiguiente liberación de nutrientes para las plantas.
1.1.
Concepto de mineral y roca.
Un mineral es una sustancia natural que posee una composición
química determinada, o una escala definida de composiciones químicas,
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propiedades físicas igualmente determinadas y que pertenece a la corteza
terrestre.
Por el contrario, las rocas son combinaciones de minerales y forman la
corteza terrestre.
2. Tipos rocas.
Las rocas son combinaciones de minerales, aunque algunas puedan estar
constituidas por un solo mineral, generalmente en una roca hay una serie de
minerales llamados esenciales y otros minerales acompañantes que se
denominan accidentales. Las rocas son los materiales iniciales a partir de los
cuales se forman los suelos. Se clasifican en: ígneas, sedimentarias y
metamórficas.
Las rocas ígneas, también llamadas hipogenéticas o magmáticas,
proceden del enfriamiento del magma que da lugar a una roca consolidada al
enfriarse. El tamaño de los minerales de las rocas ígneas depende de la
velocidad de enfriamiento del magma. Se clasifican en plutónicas (o intrusivas),
volcánicas (o efusivas) y filonianas.
Rocas plutónicas e intrusivas: se forman por el enfriamiento lento del
magma en el interior de la corteza solidificándose a grandes
profundidades de la superficie de la Tierra. Se caracterizan por su
textura granulosa y por ser holocristalinas (cristales casi siempre
visibles y de aspecto homogéneo). Granito, granodioritas, sientas,
dioritas, gabros, peridotitas.
Rocas volcánicas o efusivas. Son las que se han solidificado en la
superficie de la corteza, ascendiendo como lavas por grietas abiertas
expuestas al exterior, o lanzadas por los volcanes. El enfriamiento es
rápido (en o cerca de la superficie terrestre) no pudiendo cristalizar
totalmente, presentándose generalmente como cristales finos vidrio
volcánico amorfo. Riolitas, dacitas, traquitas, andesitas y basaltos.
Rocas filonianas. Se han solidificado en la periferia de la masa
magmática ascendente, ocupando grietas abiertas entre las rocas
preformadas. Suelen adoptar la forma de vetas o filones. Su textura
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cristalina es generalmente
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microcristalina, pudiendo a veces
presentar fenocristales. Aplitas y pegmatitas.
Las rocas sedimentarias se forman por consolidación de los productos
de la erosión de otras rocas. Estos sedimentos son transportados hasta un
determinado lugar y depositados más o menos lejos de donde se encontraba la
roca que se meteorizó. En el lugar donde han sido depositados se pueden
consolidar por varios motivos: recementación (rocas clásicas), precipitación
(rocas precipitadas), evaporación del agua (rocas evaporíticas). Se clasifican en
función de la forma predominante de producirse el depósito.
Detríticas: La sedimentación se produce por disminución de energía del
agente transportante. Pueden ser incoherentes (gravas, arenas, limos
y arcillas) o coherentes (conglomerados, brechas arcosas, areniscas,
cuarcitas, pizarras arcillosas, etc.)
Químicas: Por concentración (evaporación del disolvente), precipitación
o sobresaturación. Calizas y dolominas
Mixtas. Margas.
A modo de ejemplo: una roca ígnea (granito) se meteoriza y la arena de
cuarzo del granito es transportada por el aire y depositada en el fondo de un
mar; con el paso de los años, esa arena de cuarzo puede ser cementada en una
masa sólida formando una roca sedimentaria (arenisca).
Las rocas metamórficas proceden de rocas ígneas o sedimentarias que
han sido sometidas a una temperatura y presión elevada, lo que hace que se
produzcan cambios químicos, estructurales y mineralógicos en las rocas. Las
principales rocas metamórficas son: mármol, cuarcita, filita, esquisto micáceo.
Gneis, anfibolita, etc.
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Con grado bajo de
metamorfismo
podemos
encontrar
pizarras
compuestas por minerales
indicadores de bajo gado de
metamorfismo
moscovita,
biotita)
(clorita,
como
cuarzo y feldespato.
2.1.
Ciclo de las rocas.
Nuestro planeta está formado por muchas partes interactuantes que
forman un todo complejo. El ciclo de las rocas nos permite examinar muchas
de las interacciones entre las diferentes partes del sistema Tierra. Además, nos
ayuda a entender el origen de las rocas ígneas, sedimentarias o metamórficas,
y a ver que cada tipo está vinculado a los otros por los procesos que actúan
sobre y dentro del planeta.
Ciclo básico. El magma es la roca fundida que se forma a una gran
profundidad por debajo de la superficie de la tierra. El magma se enfría y se
solidifica (cristalización); las rocas resultantes se denominan rocas ígneas.
Si las rocas ígneas afloran a la superficie se meteorizan (la acción de la
atmósfera las desintegra y descompone lentamente), los materiales resultantes
pueden ser desplazados pendientes abajo por la gravedad antes de ser
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capturados
y
transportados por algún
agente
erosivo.
partículas
y
disueltas
Las
sustancias
(sedimentos)
experimentan
la
litificación,
el
mediante
cual el sedimento suele
litificarse dando lugar a
una
roca
sedimentaria
cuando es compactada por
el peso de las capas o
cuando es cementado
conforme el agua subterránea de infiltrada llena los poros con materia mineral.
Si la roca sedimentaria se entierra profundamente dentro de la tierra estará
sometida a grandes presiones o a un calor intenso. La roca sedimentaria
reaccionará ante el ambiente cambiante y se convertirá en un tercer tipo de
roca, las rocas metamórficas.
3.
Materiales de origen de los suelos.
La facilidad o dificultad para que una roca se erosione o se meteorice
depende de su composición mineralógica, las rocas más duras tardarán más en
meteorizarse que las rocas más blancas, al igual que las rocas de colores claros
se meteorizarán antes que las de color oscuro.
Cuando las rocas se meteorizan constituyen los materiales de origen y se
pueden agrupar en materiales residuales y materiales transportados.
Materiales residuales: también se denominan autóctonos. Se trata de
rocas
duras,
ígneas,
sedimentarias
o
metamórficas
que
se
desintegran y los productos de la meteorización permanecen sobre la
roca subyacente. En los suelos formados a partir de dichos
materiales, la “roca madre” se podrá encontrar debajo del suelo.
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Materiales
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transportados:
también
llamados
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alóctonos.
Son
fragmentos de rocas y minerales de uno o varios tipos (sedimentos:
materiales minerales no consolidados) que han sido transportados
por las fuerzas mecánicas de la naturaleza y posteriormente
depositados en un lugar alejado de donde se meteorizaron las rocas
de origen. Se trata, por tanto, de sedimentos sobre los que se pueden
formar suelos (no habrá una “roca madre” debajo del suelo). Dichos
sedimentos
serán
muy
variados
según
el
tipo
de
material
transportado, y se clasifican en función de los agentes de transporte
y sedimentación. Los agentes que pueden realizar el transporte son
el agua, el viento, el hielo y la gravedad.
a)
Materiales transportados por el agua: a su vez se subdividen
en: aluviales, lacustres y marinos. Los aluviales son elementos arrastrados y
depositados por los ríos y arroyos. Las terrazas son depósitos dejados
antiguamente por los ríos en zonas que ya no están sometidas a inundaciones
del cauce actual y nos dan una idea de por dónde iba antiguamente el cauce del
rio. En general, dan lugar a suelos fértiles.
Los lacustres son materiales que fueron arrastrados y depositados sobre
lagos glaciares. Cuando el hielo se derretía se producían torrentes que
arrastraban sedimentos a los lagos. No todos los suelos formados sobre
lacustres van a ser iguales, ya que dependen de los materiales transportados y
de las condiciones climáticas a las que son sometidos.
Los materiales marinos son sedimentos que han sido llevados por los
ríos hasta los océanos. Conforme ha ido cambiando la línea del litoral han ido
saliendo a la superficie (por ejemplo, la albufera de Valencia).
b)
Materiales depositados por el viento: también se denominan
depósitos eólicos y se subdividen en loes, cenizas volcánicas y dunas. Los loes
son importantes porque ocupan grandes extensiones como origen de suelos. Se
cree que el origen de estos depósitos fue después de la última glaciación se
produjo un periodo muy árido, frio y con grandes vientos, lo que produjo la
erosión y el transporte de materiales finos que cubrieron grandes extensiones.
Estos materiales finos suelen ser principalmente limos. Se trata de zonas llanas
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como la llanura de Moscú, el norte de Francia y la zona de Alemania y Bélgica
en Europa o la pampa Argentina y gran parte del centro de Estado Unidos en
América. Se corresponden con suelos bastante fértiles.
Las cenizas volcánicas son poco importantes ya que ocupan pequeñas
extensiones. Suelen ser suelos claros y porosos y, por lo general, bastante
fértiles.
Las dunas arenosas no tienen gran importancia debido a su pequeña
extensión, pero son bastante problemáticas ya que son móviles y constituyen
un inconveniente para la agricultura pues pueden invadir terrenos fértiles.
c)
Materiales depositados por el hielo: en este caso
encontramos las morrenas y las llanuras de deposición glacial. Las morrenas
son depósitos glaciales, es decir, materiales depositados por el hielo y que
suelen tener formas irregulares. La morrena puede dividirse en morrena
terminal, morrena de glaciar y morrena lateral. Al ocupar pequeñas zonas no
son de gran importancia para la agricultura.
Las llanuras de deposición glacial suelen ir asociadas a glaciares
porque están constituidas por materiales que fueron arrastrados por las aguas
del glaciar; arrastrando, a su vez, gran cantidad de sedimentos y depositándolos
en las zonas más bajas rellenando valles.
d)
Materiales depositados por la gravedad: se denominan
materiales coluviales y son fragmentos de rocas, piedras y materiales minerales
sueltos que se acumulan al lado de una pendiente y que han llegado hasta allí
rodando por la pendiente (arrastrados por la gravedad). Se encuentran en zonas
áridas, frías y montañosas debido a que con las heladas las rocas se fracturan
y son frecuentes los deslizamientos y las avalanchas (por ejemplo, los taludes).
4.
Composición mineral del suelo.
Los minerales del material de origen van sufriendo transformaciones con
el tiempo. A los minerales que forman parte o constituyen el material parental
se les denomina materiales primarios. Éstos, en el suelo, se ven sometidos a
un proceso de meteorización física o degradación, el cual tiene como resultado
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una reducción de tamaño de los minerales sin que se modifique su estructura
ni su composición.
Una vez que han reducido su tamaño se denominan materiales
heredados; son idénticos al material de origen y comunican al medio algunas
características o propiedades (de carácter heredado) como pueden ser color,
textura, estructura, etc. Son más frecuentes en suelos jóvenes ya que conforme
el suelo va evolucionando estas características heredadas son menos patentes.
Por este motivo se dice que en un suelo joven “han sucedido” pocas cosas.
Paralelamente a la degradación física, y si hay suficiente agua, los
minerales
se
pueden
ver
sometidos
a
procesos
de
meteorización
o
descomposición química (oxidación, hidrólisis, carbonatación, etc.) Esta
alteración química sí que produce una gran modificación en la estructura y la
composición de los minerales.
Por lo tanto, en el suelo, como consecuencia de estos procesos, quedan
libres sustancias solubles (K+, Mg2+, Ca2+, etc.), minerales parcialmente
transformados, minerales nuevos (arcillas) y productos resultantes de la
degradación (óxidos de hierro y aluminio).
Las sustancias solubles pueden permanecer en el horizonte y estar
disponibles para ser tomadas por la planta, o bien pueden ser transportadas
por la acción del agua y acumularse a una cierta profundidad, dando un
horizonte B de acumulación dependiendo de las condiciones climáticas de la
zona; y en tercer lugar pueden intervenir en la síntesis de los minerales nuevos
que se forman en el ambiente profundo del suelo y no recuerdan en nada al
material de origen; se denominan minerales neoformados.
En función de cómo se ordenan internamente sus moléculas los
minerales se dividen en:
•Minerales amorfos: Sus moléculas se ordenan al azar.
•Minerales cristalinos: Las moléculas se distribuyen de forma
organizada.
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En el caso de que, en un mineral, la orientación interna de sus
moléculas se manifieste por la adopción de formas poliédricas visibles, el
mineral se dice que se presenta en forma cristalizada o (bajo forma de cristal).
Existen siete tipos de mallas o redes tridimensionales a las que se
ajustan todas las posibles estructuras internas de los minerales cristalinos,
dando origen a los conocidos sistemas de cristalización: cúbico, hexagonal,
tetragonal, trigonal, rómbico, monoclínico y triclínico.
A su vez, los minerales pueden clasificarse en función del ion principal
que lo forma, Clasificación de STRUNZ, y tenemos: carbonatos, sulfuros,
silicatos, etc.
Los minerales más abundantes son los silicatos, ya que constituyen el 95% de
la corteza terrestre.
4.1.
Minerales primarios.
Constituyen la mayor parte de las fracciones de limo y arena presentes
en los suelos (tamaño de partícula superior a 2 micras), aunque también se
pueden encontrar en la fracción arcilla (tamaño de partícula inferior a 2 micras).
Los más importantes cuantitativamente hablando son los silicatos.
4.1.1. Silicatos.
El cuarzo tiene como fórmula química SiO2, es muy duro y poco soluble.
Es muy resistente a la alteración y descomposición química. Es un mineral muy
estable.
Los feldespatos son los minerales más abundantes. Se alteran más
fácilmente que le cuarzo y al descomponerse dejan en libertad algunos
elementos nutritivos para las platas (un feldespato potásico cuando se
descompone deja en el suelo potasio que pueden absorber las plantas).
Las micas se descomponen con más facilidad aún que los feldespatos,
por lo que es menos frecuentes encontrarlas en los suelos. Las más importantes
son la biotita y la moscovita, y también dejan en libertad elementos nutritivos
como el hierro o el potasio.
El resto de los silicatos son menos estables y se descomponen
químicamente con mayor facilidad. De todos ellos tiene interés agronómico la
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turmalina, ya que es un borosilicato que al descomponerse proporciona boro a
los cultivos.
Los silicatos poseen una estructura cristalina que se caracteriza por un
poliedro de coordinación que es un tetraedro regular, en su estructura básica,
cada átomo de silicio se coordina con cuatro átomos de oxígeno mediante enlace
covalente de alta energía, lo que explica si elevada estabilidad.
La agrupación de tetraedros idénticos compartiendo oxígenos y la unión
de cationes dan origen a las distintas estructuras que se agrupan en seis
subclases: nesosolicatos, sorosilicatos, filosilicato, tectosilicatos, ciclosilicatos e
inosilicatos.
4.1.2. No silicatados.
Existen otros minerales no silicatados (es decir, no contienen sílice):
hematita, goetita y limonita son una fuente de hierro; la pirofanita es una fuente
de manganeso; calcita es fuente de calcio; apatita es fuente de calcio y fósforo;
dolomita es fuente de magnesio y calcio; yeso es fuente de azufre y calcio.
4.2.
Minerales secundarios.
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Los minerales secundarios son aquellos que se han formado en
ambientes meteóricos. Pueden proceder de la transformación de los minerales
primarios o de los procesos de neosíntesis a partir de productos en solución.
Los más importantes son los que se incluyen en el grupo de los llamados
minerales de la arcilla.
Otros
minerales
secundarios
importantes
son:
algunos
óxidos,
hidróxidos, carbonatos, etc.
La composición mineral del suelo es muy diferente de unos suelos a otros,
ya que depende del material de origen y de las condiciones del medio (clima) que
pueden modificar dicha composición (Tabla Nº2).
Tabla Nº2: Características del suelo en función del tipo de roca.
Tipo de roca
Posibles características del suelo
Granito
Tendencia arenosa
Si el régimen de humedad es percolante
aparecen suelos ácidos.
Basalto y cenizas volcánicas
Tendencia arcillosa
Color rojo oscuro a pardo oscuro
Elevado contenido en hierro
Con estación seca: arcillas esmectíticas.
Con régimen percolante: caolinita
Régimen perhúmedo: alófana
Esquistos
Tendencia arcillosa
Arcillas micáceas (ilitas) y vermiculitas.
Con estación seca: esmectitas
Areniscas
Textura gruesa
Muy permeables
Régimen percolante: suelos ácidos, pobres en
bases
Arcosa
Rico en arcilla, posible translocación de arcilla.
Caliza
Sobre caliza dura: suelos muy pedregosos, poco
profundos.
Régimen húmedo: rico en arcilla.
Lulitas (calcilulita = marga)
Arena cuarzosa
4.3.
Arcillitas: tendencia arcillosa
Limilita: tendencia limosa (suelos jóvenes).
Escasa posibilidad de evolución. En climas
cálidos y húmedos puede llegar a desarrollarse
un horizonte A importante.
Resistencia de los minerales a la meteorización.
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La estabilidad de un mineral (su propia dificultad para descomponerse o
alterarse químicamente) depende de su composición química y de su estructura
cristalina (que condicionan su color, dureza etc.).
En los silicatos la estabilidad está relacionada en primer lugar con el
grado de condensación de la red cristalina. En general se cumple:
Tectosilcatos > Filosilicatos > Inoilcatos > Nesosilicatos
De modo general y muy simplificado, la estabilidad de los minerales
primarios más importantes puede representarse en el siguiente cuadro:
La solubilidad de un mineral depende de su composición química y de su
estructura cristalina. Cuando un mineral es más estable cuanto más cuesta
degradarlo. Goldich instituyó un índice de estabilidad:
Cuarzo > Moscovita > Magnetita > Ortoclasa > Albita > Anorita > Biotita
> Apatita > Alfiboles > Piroxeno > Olivino
La descomposición o alteración química de los minerales también depende
de los factores del medio, fundamentalmente del clima (precipitaciones y
temperatura).
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La importancia de conocer cuál es el mineral que hay en el suelo radica
en el hecho de que si los minerales se descomponen liberan sus elementos
constituyentes, muchos de los cuales pueden ser nutrientes para las plantas.
El grado de meteorización de un suelo es un dato importante a la hora de
evaluar, como una primara aproximación, la fertilidad natural del mismo, ya
que algunos de los elementos minerales más móviles (K, Ca, Mg) son nutrientes
para los vegetales.
5. Propiedades de los coloides del suelo debido a sus cargas
eléctricas.
Todos los constituyentes de la fracción mineral arcilla tienen
comportamiento coloidal debido a su pequeño tamaño y a que poseen cargas
eléctricas positivas o negativas. Estas características le confieren propiedades
físico-químicas
especiales
denominadas
propiedades
coloidales.
Estos
coloides pueden unirse en el suelo a los compuestos orgánicos formando el
complejo órgano-mineral del suelo.
En el suelo existen componentes que se comportan como coloides,
tanto componentes minerales como orgánicos, por lo que todos tienen que tener
las siguientes propiedades coloidales:
•
Pueden formar suspensiones coloidales más o menos estables.
•
Pueden actuar como cementos de partículas minerales más
gruesas para formar agregados estructurales del suelo.
•
Tienen capacidad para adsorber a su alrededor iones de carga
contraria para compensar su carga eléctrica.
•
La mayoría de los colides tiene capacidad para absorber
moléculas de agua e hincharse.
5.1.
Clasificación de los coloides
Según su carga eléctrica los coloides se agrupan en electronegativos
o acidoides y electropositivos o basoides. Se pueden concentrar en el suelo
en estado disperso cuando en el medio edáfico predominen los iones que tienen
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su misma carga eléctrica (se producen repulsiones); o en estado floculado
cuando en el medio predominan los iones de carga contraria a la suya (se
producen atracciones). En este caso, los coloides se aglomeran actuando como
cementos de partículas minerales más gruesas, formando agregados con lo que
el suelo tendrá una buena estructura.
Coloides electropositivos o basoides: estos coloides tienen carga
positiva en la mayoría de los suelos en condiciones normales de pH.
Son oxihidróxidos de hierro y aluminio [Fe(OH) 2+; Fe(OH)++; Al(OH)2+;
Al(OH)++]. Debido a que tienen carga positiva en un medio ácido,
donde predominan los protones, deben encontrarse dispersos;
cuando el pH en básico se encuentran floculados, pero no siempre es
así, ya que se comportan como bases débiles, lo que significan que
tienen poca tendencia a permanecer disociados y una gran apetencia
por grupos OH-, o por otros aniones que compensen sus cargas
positivas. En consecuencia, sólo estarán dispersos en medios
fuertemente ácidos (pH < 5,0) y van a estar floculados en medios
ligeramente ácidos y básicos. Además, estas partículas tienen la
propiedad de adsorber a su alrededor una nube de aniones para
compensar su carga eléctrica, y estos aniones no sólo van a ser
grupos OH-, sino que también pueden ser NO3-, PO42- SO42-, etc.
Coloides electronegativos o acidoides: son los minerales de arcilla, la
alófana y los compuestos húmicos. Según su carga, en pH ácidos
deben encontrarse floculados, mientras que en pH básicos deben de
encontrarse dispersos. Su comportamiento es de ácidos débiles, por
lo que sólo los encontramos dispersos en pH fuertemente básicos (pH
> 9.0) y floculados en pH ligeramente básicos y en pH ácidos.
Las partículas coloidales de arcilla y alófana tienen una carga negativa
dispersa a su alrededor, lo que le confiere la propiedad de adsorber iones a su
alrededor de carga contraria a la suya para compensar esa carga eléctrica,
atrayendo así a Fe3+, Al3+, Ca2+, Mg2+, Na+, H+, K+, etc.
Esta capacidad de los coloides para adsorber iones es una de las
propiedades más importantes del suelo. Se debe a que muchos de estos iones
son nutrientes para las plantas y los coloides tienen la capacidad de retenerlos
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con una fuerza suficiente que evite su pérdida en los horizontes más profundos
del suelo pero que permite que sea absorbido por las plantas.
Según su afinidad por el agua los coloides se pueden clasificar en
hidrófobos o suspensoides y en hidrófilos o emulsoides. Los coloides
hidrófobos son los que tienden a rodearse de una fina capa de moléculas de
agua (arcillas); mientras que los hidrófilos se rodean de una capa de agua de
gran espesor – capa de solvatación – Se comportan como hidrófilos los
compuestos húmicos.
Debido a esta propiedad de los coloides de rodearse de una capa de
agua, los suelos que tienen mucha materia orgánica van a ser capaces de
retener una gran cantidad de agua.
Los coloides en su estado floculado son la base de la estructura del suelo
porque actúan como cementos de partículas más gruesas.
Los coloides tienen capacidad de absorber e intercambiar iones con el
medio en el que se encuentran.
Los coloides pueden adsorber moléculas de agua e hincharse.
5.2.
Floculación de coloides electronegativos por cationes
Los coloides electronegativos son los más abundantes en el suelo y se
rodean de cationes para compensar su carga eléctrica; pero no todos los
cationes tienen la misma fuerza para mantener floculados los coloides.
El poder floculante de los cationes depende de su valencia, de forma que
los trivalentes (Fe3+, Al3+) tienen más facilidad de mantener floculados un coloide
que los bivalentes (Ca2+, Mg2+), y a su vez éstos floculan con más fuerza que los
monovalentes (K+, Na+). Los cationes trivalentes pueden flocular arcillas y
compuestos húmicos; los bivalentes floculan las arcillas, pero su capacidad
para flocular compuestos húmicos es menor. Los monovalentes tienen muy
poca capacidad de mantener floculados a arcillas y casi ninguna a los
compuestos húmicos. Debido a que tanto la arcilla como los compuestos
húmicos son coloides hidrófilos y se rodean de una capa de agua de gran espesor
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y los coloides monovalentes no tiene capacidad de flocularlos. Los suelos donde
predominan los cationes monovalentes son suelos con una mala estructura.
5.3.
Acción combinada de iones antagonistas.
En un suelo normal hay al mismo tiempo iones con capacidad floculante
e iones dispersantes, por lo tanto, según cada caso predominará una acción u
otra. A continuación, vamos a estudiar tres casos en tres suelos diferentes.
a) Suelos calizos: se caracterizan por ser suelos con un elevado
contenido en calcio y tener pH básico (8.5). Los coloides electropositivos deben
estar floculados y los electronegativos dispersos. Atendiendo al pH debería
predominar la acción dispersante, el calcio es un catión divalente tiene acción
floculante; en este caso predomina la acción floculante del calcio frente a la
dispersante del pH, por lo que los suelos calizos tienen, en general, una buena
estructura, los coloides actúan como cementos y forman agregados.
b) Suelos salinos (o salino – sódicos): Estos suelos se caracterizan por
tener un pH básico (< 9.0) y predominancia del catión sodio. Atendiendo al pH
debería predominar la acción dispersante, el sodio es un catión monovalente
que tiene poca acción floculante; en este caso predomina la acción dispersante
del pH frente a la floculante del catión. Los suelos no tienen buena estructura,
ya que arcillas y humus están dispersos, es suelo se vuelve asfixiante para las
raíces de las plantas, que quedan aprisionadas en una capa sin huecos (sin
aire). Todas las partículas están individualizadas.
c) Suelos ácidos con mucho aluminio: los coloides van a estar
siempre floculados, tienen poco magnesio, calcio, potasio y sodio. Son suelos
fuertemente ácidos (pH < 4.5) que tienen una vegetación acidificante y un clima
frio y húmedo; en estos suelos hay muchos compuestos húmicos solubles (tipo
R-COO-), que son muy ácidos, con abundantes cargas negativas. Al tener las
arcillas las mismas cargas que los compuestos húmicos se producen
repulsiones y en consecuencia los coloides están dispersos, es decir, predomina
la acción dispersante de los compuestos orgánicos solubles muy ácidos, frente
a la acción floculante de los compuestos de aluminio y los protones. Al quedar
dispersos los coloides electronegativos emigran en la profundidad del suelo
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(arcillas, compuestos húmicos y óxidos de hierro y aluminio). Estas condiciones
son las típicas de los suelos denominados podzoles.
6. Características, propiedades generales y estructura de los
minerales de arcilla.
Los minerales de arcilla están incluidos en la fracción arcillas
granulométricas de diámetro inferior a 2 micras. Son aluminio-silicatos
microcristalinos pertenecientes a la subclase de los filosilicatos.
La fórmula genérica de todas las arcillas es:
𝑛 𝑆𝑖𝑂3 𝐴𝑙2 𝑂3 𝑚 𝐻𝑂2
La relación entre sílice y aluminio es característica de cada tipo de
arcilla (SiO3/Al2O3) y puede oscilar entre 1 y 5.
Todas las arcillas tienen estructura laminar, interviniendo dos tipos de
capas: tetraédrica y octaédrica. La diferencia básica entre las dos capas es la
disposición de los iones Si, Al, Mg, Fe, O y OH. Dicha disposición varía dado que
el tamaño de un catión determina la coordinación de iones O y OH.
Capas tetraédricas: el tetraedro de Si es la unidad estructural básica,
y consta de un ion Si rodeado de cuatro iones O. Los tetraedros
forman una capa compartiendo O basales. Esta capa tiene una carga
neta negativa.
Capa octaédrica: la unidad básica consiste en una disposición
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octaédrica de seis iones O u Oh alrededor de un ion central, normalmente
aluminio, magnesio o hierro. En dicha capa todos los iones O u Oh están
compartidos entre los octaedros adyacentes.
Si el catión central es trivalente (Al): dos tercios de los espacios
centrales estarán llenos y la estructura se llama dioctaédrica, hablándose de
capa gibsítica. Si el catión central es divalente (Fe, Mg): todos los espacios
centrales están llenos se llama estructura trioctaédrica, hablándose de capa
brucítica.
La variedad de minerales de arcilla se debe a la distinta disposición
de las capas tetraédricas y octaédricas. Las dos capas se unen compartiendo lo
iones O apicales de la capa tetraédricas. Estos iones forman una red hexagonal,
mientras los O de la capa octaédrica forman una red triangular, de este modo
uno de casa tres iones en la capa compartida es un ion OH.
Las capas se unen formando hojas, láminas o estratos; al espacio que
hay entre las láminas se le denomina espacio intralaminar y al espacio que
ocupa una lámina y su espacio laminar se le denomina espacio basal. El
espacio basal es característico de cada tipo de arcilla y sirve para identificarlo.
Según el número y disposición de las capas se distinguen tres tipos
fundamentales de minerales:
1:1. En donde una capa tetraédrica se une a una octaédrica.
2:1. Dos capas tetraédricas se une a una capa octaédrica central.
2:1:1. Donde hay una capa octaédrica central no compartida entre
láminas adyacentes del tipo 2:1
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Todas las arcillas tienen en su superficie un exceso de carga negativa
y presentan las siguientes propiedades coloidales:
•
En su estado disperso forman suspensiones coloidales,
mientras que en estado floculado pueden cementar partículas
minerales más gruesas.
•
Pueden adsorber cationes sobre sus láminas y algunas en los
espacios interlaminares. Estos cationes son intercambiables
con otros cationes del medio; a los cationes adsorbidos se les
denomina cationes de cambio y suelen estar disponibles para
la nutrición de la plantas. Algunas arcillas pueden adsorber
en sus espacios intralaminares moléculas de agua, lo que las
hace hincharse.
•
Pueden deslizarse unas partículas sobre otras, cuando están
en contacto con el agua, propiedad que recibe el nombre de
plasticidad. Por su estructura tienen una gran superficie
específica que es la usan para reaccionar; en este caso en los
cristales de arcilla abarca toda la superficie externa de los
minerales de arcilla y en ocasiones la superficie interna.
6.1.
Origen de las cargas negativas de las arcillas
Las arcillas tienen dos tipos de cargas negativas: permanentes y
variables. Las cargas variables, normalmente, son dependientes del pH.
Las cargas negativas permanentes se presentan por las sustituciones
isomorfas en la estructura atómica de las arcillas. Ocurren cuando los átomos
centrales de los tetraedros u octaedros son sustituidos por otros cationes de
similar radio iónico pero de menor valencia. Por cada sustitución que se
produzca quedará una carga negativa libre sin compensar en los oxígenos de la
estructura.
En las capas tetraédricas el silicio puede ser sustituido por Fe 3+ o Al3+.
En las capas octaédricas el aluminio puede ser sustituido por Mg 2+ o Ca2+ y el
magnesio puede ser sustituido por Li+.
Las cargas negativas variables pueden ser, a su vez, de dos tipos
dependiendo de donde se produzca. Si se producen en los bordes de ruptura
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lateral de la arcilla, dependiendo del pH del medio, lo que ocurre es que los
grupos OH- se ionizan y pierden un protón.
Si se producen en la superficie de las capas tetraédricas (tanto superior
como inferior) lo que ocurre es que el silicio es más electropositivo que el oxígeno
y los dos electrones que comparten quedan más próximos al oxígeno, con lo cual
éste queda con una carga residual negativa y el silicio queda con una carga
residual positiva. Debido a que los oxígenos se sitúan en la parte superficial de
la capa aparece, en esta zona, una carga residual negativa que atraen a los
protones para compensar dicha carga.
Según sea la estructura de cada arcilla, unas tendrán más cargas
negativas por lo que en algunas arcillas estas cargas se puede presentan tanto
en los bordes de ruptura lateral como en las superficies. Además, muchas
arcillas tienen cargas negativas libres en los espacios interlaminares. Son estas
cargas negativas las que dan lugar a una de las propiedades más importantes
del suelo: la capacidad de intercambio catiónico, debido a que para
compensar esas cargas negativas van a adsorber una serie de cationes (cationes
de cambio), que están a disposición de las plantas pero quedan protegidos del
lavado y son intercambiables.
En algunas de estas arcillas los cationes van a quedar fijados y no van
a estar disponibles para las plantas.
6.2.
Minerales de arcilla
La arcilla es un mineral que puede encontrarse en la capa superficial
de la corteza terrestre. Los minerales arcillosos se presentan, generalmente, en
forma de hoja y en su mayor parte pertenecen a una subclase de los silicatos
llamada filosilicatos (Ruiz, 2001).
La clasificación de las arcillas se basa en:
•
Fórmula genérica y relación sílice-alúmina.
•
Tipo de hoja o lámina (TE-OC; TE-OC-TE; TE-OC-TE OC).
•
Tipo de capa octaédrica.
•
Si existen o no sustancias isomórficas (cargas negativas
permanentes).
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•
Espacio basal (constante o variable)
•
Propiedades coloidales (CIC, hinchable por el agua).
A) Arcillas monofilitas
A.1) Caolinita.
Es la arcilla más abundante en los suelos.
Es una arcilla tipo TE-OC (1/1), con una relación sílice-alúmina de 2.
Se caracteriza por no tener sustituciones isomórficas, por lo que su espacio
basal es constante e igual a 7 Å, por lo que no es hinchable. Posee una baja
capacidad de intercambio catiónico (10-20 meq/100 gr). Tiene pocas cargas
negativas variables que, en este caso, dependen del pH del medio por lo que
pueden absorber pocos cationes.
Las láminas que forman la caolinita están íntimamente mediante
puentes de hidrógeno.
A.2) Halosita.
Se diferencia de la caolinita por la presencia de una capa de moléculas
de agua entre láminas unidad por enlaces de hidrógeno. Ello determina un
aumento del espacio basal a 10 Å.
Con el calentamiento del agua desaparece de forma irreversible dando
lugar a la llamada metahalosita.
A.3) Montmorillonita o Esmectita.
Es una arcilla tipo TE-OC-TE (2/1), con una relación sílice-alúmina de
4. Se caracteriza por tener sustituciones isomórficas, tiene cargas negativas
tanto en la parte superior e inferior como en los laterales y en el espacio
interlaminar. El espacio basal es variable entre 10 y 19 Å (pueden hincharse).
Posee una alta capacidad de intercambio catiónico.
Es una arcilla que se expande en húmedo y se contrae en seco, por lo
que en los suelos en los que abundan estos tipos de arcillas se pueden producir
las llamadas grietas de retracción, lo que significa que corren peligro los camales
de
riego,
las
construcciones,
etc.,
por
la
repetición
de
ciclos
de
expansión/retracción.
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En las zonas donde existen periodos alternativos de humedad/sequía
a lo largo del año se pueden producir rotura en las raíces de los árboles y
actualmente estas arcillas se usan para sellar residuos radiactivos por su poder
impermeabilizante.
A.3) Micácea o Ilita.
Es una arcilla tipo TE-OC-TE (2/1), con una relación sílice-alúmina de
4. Se caracteriza por tener sustituciones isomórficas (el 25% se producen en la
capa tetraédrica donde el silicio se cambia por aluminio). El espacio basal es
constante e igual a 10 Å (pueden hincharse). Posee una baja capacidad de
intercambio catiónico (20-30 meq/100 gr). No es hinchable.
Las cargas negativas permanentes van a estar próximas a los espacios
interlaminales; además posee cargas negativas variables. Para compensar las
cargas negativas en los espacios interlaminares van a absorber cationes de
potasio, los cuales van a quedar retenidos por la arcilla con gran intensidad,
diciendo que están fijados, es decir, que no son intercambiables ni están
disponibles para las plantas. Se dice que las ilitas retrogradan el potasio; en
ocasiones en lugar de potasio pueden fijar amonio.
A.4) Vermiculita.
Es una arcilla muy parecida a la ilita. Se caracteriza por su capa
trioctaédrica y también tiene sustituciones en la capa tetraédrica, pero en menor
número que la ilita, por lo que las cargas negativas quedan más dispersas. En
consecuencia, en el espacio interlaminar pueden absorber otros cationes de
distinto tamaño al potasio y pueden hidratarse. Tiene mayor capacidad de
intercambio catiónico que las micas. El espacio basal es variable entre 10 y 14
Å (pueden hincharse). Se considera a la vermiculita como una arcilla que
procede de la alteración de la ilita, ya que cuando ésta se abre – en condiciones
de humedad – pierde cationes potasio y deja entrar otros cationes.
En los suelos podemos encontrarlas juntas.
A.5) Clorita.
Es una arcilla tipo TE-OC-TE OC (2/1/1). La parte TE-OC-TE es una
lámina de arcillas micáceas y la capa OC puede ser una capa trioctaédrica
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brucítica (con magnesio como átomo central) o bien una capa dioctaédrica
gibsíca (con aluminio como átomo central). La capa tetraédrica se une con la
octaédrica mediante puentes de hidrógeno (igual que en la caolinita), por lo que
la arcilla no se puede hinchar y su espacio basal va a ser constante (14 Å). Su
capacidad de intercambio catiónico es tan baja como la caolinita (10 – 20
meq/100 gr). Solamente tiene cargas variables.
B) Arcillas polifilitas
Se llaman también minerales interestratificados o arcillas mixtas.
Aparecen cuando la estructura de la arcilla está constituida por distintos tipos
de láminas. La interestratificación puede ser regular o irregular. Las
propiedades de este grupo dependen de los tipos de láminas que los constituyan.
Según el tipo de láminas los espacios basales serán variables o constantes, lo
que las hará expandibles o no, y tendrán mayor o menor capacidad de
intercambio catiónico.
Lo más frecuente de encontrar en la naturaleza son polifilitas
constituidas por asociación de láminas de ilita/vermiculita.
C) Silicatos fibrosos o minerales pseudofiliticos.
Se trata de arcillas fibrosas que están formadas por láminas largas
y estrechas. No se apilan unas láminas sobre otras. La longitud suele ser una
característica de cada familia. Las más frecuentes en los suelos son attapulgita
y sepiolita.
C.1) Attapulgita.
También se la conoce como paligorkita. Es una lámina de tipo
TEOC-TE de 10 Å de espacio basal donde la capa octaédrica es discontinua.
C.2) Sepiolita.
Es una lámina de tipo TE-OC-TE asociada a una capa octaédrica
de brucita. Su espacio basal es de 12 Å.
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D) Alófana.
Son silicatos de alúmina hidratados parecidos a las arcillas en su
composición pero que son amorfos en lugar de cristalinos. Tienen una
capacidad de intercambio catiónico próxima a 70-100 meq/100 gr pero la
mayoría de las cargas negativas son variables que dependen del pH del medio.
Además, bajo determinadas condiciones pueden generar cargas
positivas, en lugar de negativas, con lo cual pueden absorber aniones nutritivos
para las planta, poseyendo, en este caso, capacidad de intercambio aniónico.
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Tema 2: “Composición mineral del suelo”
Esquema de los principales tipos de arcilla de los suelos
Minerales secundarios
Disposición de los cationes cambiables y no cambiables para tres tipos de
arcilla