ORIGEM DAS CARGAS ELÉTRICAS

ORIGEM DAS CARGAS ELÉTRICAS

A troca iônica corresponde às reações de intercâmbio de íons entre a solução do solo e a fase sólida (mineral e orgânica), tanto de cátions como de ânions.

Devido à presença de cargas negativas ou positivas nas superfícies das partículas sólidas do solo (especialmente da fração argila), existe a possibilidade de serem adsorvidos a estas superfícies cátions ou ânions.

Tendo em vista que estes cátions ou ânions podem ser “trocados” por cátions ou ânions que estão na solução do solo, denomina-se este processo de troca iônica.

As cargas negativas que retém os cátions (íons com cargas positivas) trocáveis podem ser originadas nas partículas do solo de duas maneiras principais: cargas permanentes e cargas dependentes de pH.

As cargas negativas permanentes existem nas estruturas dos minerais e são originadas da substituição isomórfica nos tetraedros e octaedros dos argilominerais do solo, ou seja, na formação do mineral os tetraedros ou octaedros foram preenchidos por cátions com raio iônico semelhante, porém com menor carga, o que origina um excesso de cargas negativas dos oxigênios (por exemplo Al⁺⁺⁺ no lugar de Si⁺⁺⁺⁺ no tetraedro). Estas cargas são chamadas permanentes, pois são estruturais, e não serão afetadas pelo pH do solo.

As cargas negativas dependentes de pH variam conforme o pH do solo.

Quando o pH aumenta, também aumenta a quantidade de cargas negativas dependentes de pH no solo. As cargas negativas dependentes de pH são formadas basicamente pela dissociação de H⁺ das superfícies laterais dos argilominerais 1:1, dos óxihidróxidos (OH), e de compostos orgânicos como os carboxílicos (R-COOH), quando o pH do solo tende a se elevar. Uma redução do pH reverterá o processo. Assim, as cargas elétricas dependentes de pH, podem ser positivas ou negativas, dependendo do valor do pH do solo, e, portanto podem apresentar-se como trocadores de cátions ou anions. São originadas pela adsorção ou dissociação de íons H⁺ de grupos funcionais da matéria orgânica, da bordas dos argilominerais e dos óxidos de ferro e alumínio, que são abundantes nos solos tropicais.

O principal grupo funcional de superfície da matéria orgânica é o carboxil (-COOH), enquanto o grupo funcional de superfície inorgânica de maior abundância e quantidade é o grupo hidroxil (-OH), exposto nas superfícies externas dos argilominerais e nos óxidos, hidróxidos e oxihidroxidos de ferro e alumínio.

Com a elevação do pH do solo ocorre a dissociação dos íons H⁺ da superfície e, assim, a liberação de cargas negativas para a troca de cátions. Por outro lado, com a acidificação do meio ou abaixamento do pH, a superfície do óxido adsorve íons de H⁺ e passa a apresentar carga positiva, e, portanto, troca de ânions. As cargas dependentes de pH, tanto positivas como negativas, e ambas podem ocorrer ao mesmo tempo nos solos.

A energia de ligação dos íons (H⁺) com os grupos funcionais dos argilominerais e dos óxidos é muito maior que a energia de ligação dos mesmos íons com os grupos funcionais da matéria orgânica. Assim, a matéria orgânica dissocia seus íons (H⁺) mais facilmente, criando cargas negativas em pH relativamente baixo (pH ~ 3,5). Essa propriedade, aliada a maior área de superficial específica, faz com que a matéria orgânica seja a principal fonte de cargas elétricas negativas nos solos da região tropical e subtropical, onde predominam minerais de argila do tipo 1:1, como a caulinita e dos óxidos de ferro e alumínio.

PONTO DE CAGA ZERO (PCZ)

O valor delta (∆) pH permite uma estimativa da predominância de cargas negativas (CTC) ou positivas (CTA) no solo. O Ponto de Carga Zero (PCZ) corresponde ao pH do solo no qual a quantidade de cargas negativas (CTC) e positivas (CTA) é equivalente.

∆pH = (pH em KCl) - (pH em água)

Se ∆pH <> 0 indica que predominam cargas positivas no solo (mas também há cargas negativas).

Conforme a composição mineralógica, este pode apresentar, simultaneamente, cargas elétricas positivas e negativas. Existe um determinado valor de pH do solo em que a quantidade de cargas elétricas positivas é igual à quantidade de cargas negativas. Esse valor, é denominado de Ponto de Carga Zero (PCZ). Quando o pH do solo estiver abaixo do PCZ, há predomínio de cargas elétricas positivas e, quando o pH do solo estiver acima do PCZ, predominam cargas negativas nas superfícies das partículas do solo. Os minerais apresentam valores de PCZ bastante variados. Os óxidos apresentam altos valores de PCZ, enquanto que mineral de sílica e a matéria orgânica do solo apresentam valores baixos. Assim, a carga elétrica liquida do solo depende de sua composição, isto é, das proporções em que ocorrem seus diversos constituintes.

Em geral, os horizontes superficiais dos solos apresentam um PCZ baixo, devido a presença da Matéria Orgânica, o que indica um predomínio de cargas negativas numa faixa ampla de pH, favorecendo a adsorção de cátions.

Ponto de Carga Zero alguns minerais:

Minerais PCZ

Quartzo 2,5 – 3,7

Montmorilonita 2,5

Caulinita 4,6

Magnetita 6,5

Hematita 9,5

Geothita 7,8 - 8,9

Gibsita 7,8 – 9,5

Matéria Orgânica ~3,5

FENOMENO DE TROCA IÔNICA

A capacidade de troca de cátions (CTC) corresponde À capacidade que o solo possui em reter os cátions trocáveis. Quanto maior for à quantidade de cargas negativas existentes na superfície das partículas sólidas do solo, maior será a CTC. A unidade da CTC é o cmol_c/kg (centimol de carga por quilograma). Nesta unidade o c=centi=0,01, o k=quilo=100, o g=grama (unidade de massa), e mol_c=mol de carga (corresponde à antiga unidade equivalente).

Preste atenção na seguinte conversão: 1meq/100g = 1 cmol_c/kg = 10 mmol_c/kg

A soma de bases (SB) corresponde à soma dos moles de carga dos cátions trocáveis predominantes em solos básicos (Ca⁺², Mg⁺², K⁺, Na⁺).

Valor S = SB = Soma das Bases (cmol_c/kg) = Ca + Mg + Na

onde Ca, Mg, Na e K estão em cmol_c/kg.

ATENÇÃO: Os teores trocáveis não são teores totais do cátion no solo. Os teores trocáveis são apenas a concentração destes cátions ligados às cargas negativas do solo.

A CTC Efetiva corresponde à CTC ao pH atual do solo.

CTC Efetiva (cmol_c/kg) = SB + Al

onde S e Al estão em cmol_c/kg

A CTC Potencial corresponde à CTC que o solo pode alcançar em pH 7,0. A CTC potencial também é chamada de valor T.

Valor T = CTC Potencial (cmol_c/kg) = SB + H + Al

onde S, Al e H estão em cmol_c/kg

A saturação de bases (V) corresponde à porcentagem da CTC potencial que é ocupada pelos cátions básicos (Ca⁺², Mg⁺², K⁺, Na⁺).

Valo V (%) – SB x 100 / CTC Potencial

onde S e CTC Potencial estão em cmol_c/kg

S e V for maior ou igual a 50%, o solo apresenta saturação de bases alta (eutrófico). Se V for menor que 50%, o solo apresenta saturação de bases baixa (distrófico)

A atividade da argila fornece uma idéia da CTC da fração argila, o que ajuda a inferir sobre a possível mineralogia do solo, pois sabe-se que os argilominerais 2:1 expansivos apresentam maior CTC, e os argilominerais 1:1 e oxihidroxidos apresentam menor CTC.

ATENÇÃO: não confunda atividade da argila (CTC argila) com conteúdo de argila (% argila) do solo – são duas definições bem diferentes.

CTC (argila) = Atividade da argila (cmol_c/kg) = CTC potencial x 100 / argila

onde CTC por está em cmol_c/kg de solo; argila está em dag/kg (ou %);e CTC (argila) <>c/kg de argila.

Se CTC (argila) maior ou igual a 27 cmol_c/kg de argila, do solo terá argila de alta atividade (Ta), indicando que predominam minerais com alta CTC (argilominerais 2:1). Se CTC (argila) <>c/kg de argila, o solo terá argila de baixa atividade (Tb), indicando que predominam minerais com baixa CTC (caulinita, óxidos).

A saturação do alumínio (m) corresponde à porcentagem da CTC efetiva que é ocupada pelo cátion Al⁺³. ATENÇÃO: Saturação do Al e Al trocável não são sinônimos.

Saturação do Al (%) = m = Al x 100 / CTC Efetiva

onde Al e CTC Efetiva estão em cmol_c/kg

Se Al for maior ou igual a 4 cmol_c/kg, e saturação do Al maior ou igual a 50% e/ ou V <>c/kg, e a saturação do Al for maior ou igual a 50%, o solo terá caráter álico.

A saturação do sódio corresponde à porcentagem CTC potencial que é ocupada pelo cátion Na⁺.

Saturação Na = Saturação de Sódio (%) = Na x 100 / CTC Potencial.

onde Na e CTC estão em cmol_c/kg.

Se saturação de Na maior ou igual a 15%, o solo é sódico. Se a saturação Na for ou igual a 6% e menor que 15% o solo é solódico.

A adsorção aniônica não específica funciona de modo semelhante à adsorção de cátions (CTC). A capacidade de troca de ânions (CTA) será tanto maior quanto mais cargas positivas existirem na superfície das partículas sólidas do solo (principalmente da fração argila). Na adsorção aniônica não específica os anions são adsorvidos às superfícies das partículas sólidas principalmente através de forças eletrostáticas. As cargas positivas são formadas em baixo pH pela incorporação de um próton (H⁺) à estrutura dos oxihidroxidos e compostos orgânicos (R-COOH). Nestas cargas negativas podem ficar adsorvidos ânions como o Cl^-, NO₃^-, SO₄⁼.

Na adsorção aniônica específica os elementos químicos passam a ter ligações predominantemente covalentes com a superfície sólida, não sendo trocáveis. A adsorção aniônica especifica é muito comum com os anions PO₄^-3, MoO₄⁼, SiO₄^-4.

REAÇÃO DO SOLO

A reação do solo corresponde às reações que originam íons H⁺ e OH^-, bem como suas proporções na solução do solo.

A escala do pH mede a atividade dos íons H⁺ na solução do solo.

pH = Potencial de Hidrogênio = - log [H⁺] = log 1 / [H⁺].

onde [H⁺] é a atividade do íon hidrogênio na solução.

Como a escala do pH é negativa, quanto maior o pH, menor a atividade do H⁺ na solução do solo. Como a escala do pH é logarítmica, no pH 4,0 a atividade do hidrogênio é 10 vezes maior do que no pH 5,0 e 100 vezes maior do que no pH 6,0. a escala do pH vai até 14. O pH abaixo de 7,0 é considerado ácido (predomina o H⁺ na solução do solo) o pH acima de 7,0 é considerado básico (predomina o OH^- na solução do solo), e o pH 7,0 é considerado neutro.

A maioria do solos brasileiros, em condições tropicais e subtropicais úmidas, são ácidos (pH <>+2, Mg⁺², K⁺, Na⁺), e a concentração dos cátions ácidos (H⁺ e Al⁺³).

As conseqüências da acidez são: aumento do Al e Mn disponíveis; redução da disponibilidade do P; redução da saturação de bases (V); e redução da decomposição da matéria orgânica e da atividade microbiana do solo.

Existem dois tipos de acidez:

a) Acidez Ativa: corresponde ao H⁺ presente na solução do solo (determinado pela leitura do pH do solo). É a menor fração da acidez do solo.

b) Acidez Potencial: corresponde ao H⁺ não trocável (que pode ser liberado à solução do solo se o pH tender a aumentar), e o Al⁺⁺⁺ trocável (que pode se hidrolisar na solução do solo acidificando o solo).

As fontes de acidez no solo são: ácido carbônico, fertilizantes acidificantes (especialmente aqueles com nitrogênio na forma amoniacal), mineralização dos compostos orgânicos (pela liberação pelo amônio e formação de ácidos orgânicos), adsorção de cátions pelas raízes das plantas, formação de cargas pH dependentes, e hidrólise do Al⁺³.

Em conceito muito utilizado é o poder tampão, que corresponde à propriedade de um solo em resistir à mudanças de pH, representado principalmente pela acidez potencial do solo.