Coloides DEL Suelo - Apuntes 16 PDF

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Coloides del suelo...

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CONTENIDO I.

INTRODUCCION.....................................................................................................................3

II.

OBJETIVOS:.........................................................................................................................3

III.

MARCO TEÓRICO...............................................................................................................4

3.1.

SISTEMAS COLOIDALES, DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN....................................4

3.2.

CONCEPTOS BÁSICOS...................................................................................................5

3.2.1.

¿QUÉ SON LOS COLOIDES?..................................................................................5

3.2.2.

COMPORTAMIENTO COLOIDAL..........................................................................5

3.2.3.

PROPIEDADES DE LOS COLOIDES:.....................................................................6

3.3.

LAS PARTÍCULAS COLOIDALES DEL SUELO............................................................6

3.4.

PROPIEDADES DE LOS COLOIDES INORGÁNICOS..................................................7

3.5.

LAS PROPIEDADES DE LOS COLOIDES ORGÁNICOS PRINCIPALMENTE SON:. 8

3.5.1.

Según la naturaleza de sus cargas los coloides se dividen en:.....................................9

3.5.2.

Con base en su afinidad por el agua, los coloides se dividen en:................................9

3.6.

ORIGEN DE LAS CARGAS NEGATIVAS.....................................................................11

3.7.

FUERZAS DE REPULSION DEL SISTEMA COLOIDAL DEL SUELO......................12

3.8.

TEORÍAS Y MODELOS DE LA DOBLE CAPA............................................................13

3.8.1. 3.9.

Doble capa difusa de Gouy Chapmann.....................................................................13

PUNTO DE CARGA CERO (PCC).................................................................................14

3.10.

FORMAS EN QUE SE PRESENTAN EL ESTADO COLOIDAL..............................15

3.11.

CLASIFICACION DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES...................................16

IV.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................17

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I.

INTRODUCCION

En este presente trabajo tiene por finalidad conocer sobre los coloides del suelo, el cual se puede dividir por la composición química de los suelos en orgánicos e inorgánicos. Representan las partículas minerales el 50% del total, de las cuales dominan la arena, arcilla y caliza, y en menor medida óxidos e hidróxidos de fierro y sales; las de origen orgánico suponen el 5%; el 45% que resta lo ocupan aire y agua, los cuales aprovechan la porosidad de la arena (el componente más importante de los suelos) para penetrar en los suelos y permitir la interacción con los demás elementos.

II.

OBJETIVOS:

Presentar los conceptos de coloides, que nos permita interpretar los procesos que ocurren en el suelo

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III. III.1.

MARCO TEÓRICO SISTEMAS COLOIDALES, DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN.

Coloide es un estado de la materia orgánico (humus), inorgánico (Arcilla) con partículas de tamaño muy pequeño y, por tanto, con gran área superficial, que usualmente presentan propiedades intercambiables (complejo coloidal). A igualdad de peso los coloides orgánicos tienen mayor capacidad nutritiva y acuosa que la arcilla. La Química Coloidal es una rama especializada dentro de la físico-química. La palabra coloide proviene del griego y significa: gluten, gelatina. Generalizando y en términos modernos, una dispersión coloidal es un sistema en el cual las partículas de dimensiones coloidales (menores de 1 ó 2 μm) pueden ser dispersadas en un solvente formando una fase continua. Las partículas dispersadas pueden ser partículas sólidas, macromoléculas, gotas de líquido o burbujas de gas y el solvente puede ser un líquido o un gas. En el caso del sistema coloidal del suelo, están involucradas las arcillas, los óxidos y las sustancias húmicas. Las propiedades importantes que desempeñan, retención de agua y gases, intercambio iónico y molecular, contracción-expansión, y estabilidad de agregados del suelo, son derivadas de la alta superficie específica que presentan. Por su relación con el agua, por su carga. Los suelos se forman mediante los cambios producidos por el efecto de la temperatura y humedad en las rocas (procesos de meteorización). Algunos minerales y la materia orgánica se descomponen hasta llegar a formar partículas extremadamente pequeñas. Las reacciones

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químicas que ocurren reducen el tamaño de estas partículas hasta que no se pueden ver a simple vista. Las partículas más pequeñas se llaman coloides.

III.2.

CONCEPTOS BÁSICOS

3.2.1. ¿QUÉ SON LOS COLOIDES? Riat (2012) Partículas de la fracción sólida del suelo con tamaño lo suficientemente pequeño para tener comportamiento coloidal. El término de coloide se utiliza para definir a aquella sustancia que, al encontrarse con un líquido, se va dispersando poco a poco. El coloide puede componerse en dos fases que son fundamentales en el proceso que son, una fase dispersora y una fase dispersa. Por su parte la fase dispersante o dispersora es un fluido, es decir, una sustancia continua. Mientras que la fase dispersa, se compone de las partículas coloides. Asimismo, se tiene que un sistema coloidal, las partículas coloidales, las cuales suelen ser elementos sólidos muy pequeños, pueden llegar a dispersarse en la fase dispersora. Es importante señalar que, en ciertos casos, la fase dispersora del coloide no es un líquido, sino una materia en un estado de agregación diferente. 3.2.2. COMPORTAMIENTO COLOIDAL Riat (2012) menciona que, los sistemas coloidales son sistemas de dos fases en las cuales partículas muy pequeñas de una sustancia están dispersas en un medio de una sustancia diferente.

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3.2.3. PROPIEDADES DE LOS COLOIDES: Tamaño: muy pequeño, menor de 2 μm de diámetro. Superficie específica: exponen una gran superficie por unidad de área, externa e interna. De 10 a 800 m²/g. Carga electrostática superficial: en su mayoría negativa. Adsorción de cationes y agua.

3.3. LAS PARTÍCULAS COLOIDALES DEL SUELO. Aguirre (1963) Muchas de las propiedades químicas del suelo se deben a la presencia de materiales que presentan carga eléctrica. Estos materiales son conocidos como “coloides del suelo” y abarcan a las partículas de arcilla y materia orgánica humificada. En los sistemas coloidales uno o más de sus componentes incluyen a partículas que tienen una dimensión entre 10-7 a 10-5 cm, es decir, contienen macromoléculas o pequeñas partículas. Allison (1977) No se puede decir que una sustancia sea estrictamente un coloide porque esto implica: un estado de la materia y, por lo menos dos componentes o fases, por eso formalmente no existe una sustancia coloidal, sino un sistema coloidal. Como el sistema coloidal es un sistema heterogéneo, es necesario distinguir entre sustancias dispersadas y el medio en el cual está dispersado este material (dispersante).

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Características 1) Tener tamaño de la partícula muy pequeño. 2) Poseer carga eléctrica 3) Tener un área superficial grande 4) Atravesar los filtros 5) Presentar movimiento Browniano 6) Presentar el fenómeno de Tyndall (dispersan la luz) 7) Adsorber partículas 8) Flocular (los coloides que se unen precipitan) 9) Absorber humedad (retener humedad) Valencia (1999) En el suelo existen los coloides inorgánicos y los coloides orgánicos. Estos dos tipos de coloides existen en mezclas o en un complejo muy estrecho y es difícil separar sus propiedades.

3.4. PROPIEDADES DE LOS COLOIDES INORGÁNICOS. 1) Actúan como sustancias amortiguadoras. 2) Adsorben metabolitos tóxicos. 3) Adsorben antibióticos. 4) Inmovilizan cationes orgánicos.

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5) Protegen físicamente a microorganismos (hábitat). 6) Adsorben los elementos nutritivos: PO4 3-, HPO4 2-, K+, Na+, etc., (tantos positivos como negativos). 7) Constituyen el cemento de los agregados más o menos gruesos (naturaleza física). 8) Confieren al suelo su estructura de la cual, van a depender sus relaciones con el aire y con el agua. 9) Confieren al suelo sus propiedades de elasticidad, plasticidad, consistencia. 3.5. LAS

PROPIEDADES

DE

LOS

COLOIDES

ORGÁNICOS

PRINCIPALMENTE SON: 1) Almacenamiento de nutrimentos orgánicos (tanto positivo como negativo). 2) Adsorben sustancias lipofílicas (sustancias solubles en grasas). 3) Ayuda a la absorción de iones (tanto positivo como negativo). 4) Incorpora sustratos. Buckman (1977) A excepción de las arenas puras, todos los suelos contienen partículas de tamaño coloidal. En los suelos las propiedades en las que intervienen las cargas eléctricas de las partículas finas son llamadas con frecuencia "propiedades coloidales", aunque este término sea impropio desde el punto de vista químico formal.

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3.5.1. Según la naturaleza de sus cargas los coloides se dividen en: a)

Electropositivos, o basoides que están cargados positivamente, un ejemplo

son los llamados con frecuencia sesquióxidos de Fierro y Aluminio, que se comportan como bases débiles que dispersan en medio ácido y floculan en medio alcalino.

Figura N°1: Micela coloidal en medio ácido.

b) Electronegativos, están cargados negativamente, son los más abundantes en el suelo. Comprenden a las arcillas silicatadas, a los geles minerales complejos y finalmente a los ácidos húmicos. Tienen propiedades de ácidos débiles dispersos en medio alcalino, floculan en medio ácidos. 3.5.2. Con base en su afinidad por el agua, los coloides se dividen en: Hidrófobos, como las arcillas, cuyas moléculas están rodeadas por una capa delgada de agua. Hidrófilos o liófilos (emulsoides), como los ácidos húmicos, que presentan alrededor de las moléculas una capa espesa de agua llamada de "solvatación".

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Figura 2: Fuente Universitat Politécnica de Catalunya

Ortiz (1990) Las partículas de arcilla, también conocidas como minerales secundarios, presentan carga eléctrica. Estas partículas se han formado a partir de los minerales constituyentes de las rocas, los cuales, mediante cambios en el tiempo, se han transformado en otros minerales más pequeños y más reactivos desde el punto de vista químico. Existen una gran cantidad de minerales de arcilla, los que varían tanto en tamaño como en sus propiedades químicas. Esta gran variedad es generada por los diferentes materiales minerales que dan origen a estas partículas, por el clima en el cual se forman y el tiempo transcurrido desde la transformación del mineral original en el mineral secundario. Cepeda (1991) Cada coloide (arcilloso u orgánico) tiene carga negativa (-) que se desarrolla durante los procesos de formación. Esto significa que los coloides pueden atraer y retener partículas cargadas positivamente (+), de igual forma como los polos opuestos de un imán se atraen entre si. Los coloides repelen a otras partículas cargadas negativamente, como también lo hacen los polos iguales de un imán. Un elemento químico que posee cargas eléctricas se denomina ion. El potasio, sodio (Na), hidrogeno (H), Ca y Mg tienen carga positiva y se denominan cationes.

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Cajuste (1977) Los coloides tienen algunas propiedades físicas marcadas que afectan fuertemente las características agrícolas de los distintos suelos. Los suelos de las regiones con precipitación escasa y poca agua subterránea están sometidos a lixiviación moderada y, por tanto, contienen gran cantidad de compuestos originales, como calcio, potasio y sodio. Los coloides de este tipo se expanden en gran medida cuando se mojan y tienden a dispersarse en el agua. Al secarse toman una consistencia gelatinosa y pueden, tras un secado adicional, formar masas impermeables al agua. Cajuste (1977) En la mayoría de los suelos los coloides de minerales arcillosos son más numerosos que los coloides orgánicos. Los coloides son los responsables de la reactividad química del suelo. El tipo de material parental (roca madre) y el grado de meteorización determinan el tipo de arcilla presente en el suelo. Unas arcillas son más reactivas que otras y esta característica depende del material parental y de los procesos de meteorización.

3.6. ORIGEN DE LAS CARGAS NEGATIVAS. Las cargas negativas son de dos tipos: permanentes y dependientes del pH. a) Las cargas permanentes. Se encuentran en las arcillas silicatadas y resultan de la sustitución isomórfica dentro de la estructura de la arcilla y su cantidad es mayor en las arcillas de tipo 2:1. b) Las cargas dependientes del pH. Las poseen los sesquióxidos de

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Fierro y Aluminio y están directamente relacionados con la variación del pH del suelo. Con valores bajos de pH, la carga y por tanto la capacidad de intercambio catiónico es baja, pero aumenta al elevarse el pH.

3.7. FUERZAS DE REPULSION DEL SISTEMA COLOIDAL DEL SUELO. Buckman (1977) Las arcillas tienen una carga negativa la cual es balanceada por los cationes intercambiables adsorbidos sobre su superficie. En suspensión, estos cationes tienden a difundir desde la arcilla hacia la solución externa por la diferencia de concentración entre esta y la "doble capa". Una gran porción de los iones, aquellos de la vecindad inmediata de la superficie coloidal, no pueden moverse mucho, porque la gran fuerza de atracción de la carga negativa del coloide los retiene con gran fuerza, Capa de Stern. Los otros, más alejados de la superficie de atracción del coloide, menos retenidos y con más libertad se encuentran en la Capa Difusa Buckman (1977) La "doble capa" tiene un espesor que varía de 50 a 300 Å. Cuando las partículas arcillosas se aproximan unas a otras, se origina una fuerza de repulsión porque la doble capa presenta el mismo tipo de carga. La suspensión es entonces considerada activa y las arcillas se mantienen en suspensión. Con la aproximación coloidal, los iones de la doble capa interfieren unos sobre otros, conduciendo a una reorganización en ambas partículas coloidales. El trabajo de este reacomodamiento es llamado energía de repulsión o potencial de repulsión (PR). El rango y la efectividad de este potencial de repulsión de pende del espesor de la doble capa de los coloides. Recordemos que ese espesor puede aumentar o disminuir con la variación de la

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concentración de la solución o la predominancia de cationes nono o bivalentes. A mayor espesor de la doble capa, mayor potencial de repulsión.

3.8. TEORÍAS Y MODELOS DE LA DOBLE CAPA 3.8.1. Doble capa difusa de Gouy Chapmann. Tan Kim (1993) En un experimento se observó el desplazamiento de las partículas de arcilla bajo el efecto de un campo eléctrico. Como resultado de las investigaciones derivadas del experimento se llega a la conclusión, que la causa del fenómeno era la presencia de cargas superficiales en la región límite entre el sólido y el líquido. Las cargas de las arcillas, no se ponen de manifiesto en otras condiciones. Cuando el suelo se humedece, la capa de agua que rodea las partículas crece y la superficie no retiene tan fuertemente a los cationes. La atracción electrostática que sufren los iones es entonces contrarrestada por la difusión de los cationes, que tiende a igualar las diferencias de concentración de la fase acuosa externa. El balance entre estas dos fuerzas hace que la concentración de los cationes disminuya con la distancia a partir de la superficie. La carga negativa del coloide es neutralizada por los iones de la solución que constituyen la "doble capa difusa". Tan Kim (1993) El resultado combinado de la atracción de cationes y repulsión de aniones de la capadifusa, se muestra en la Figura 2. La solución que queda así dividida en: la atraída por las cargas de la coloide doble capa y la que se ubica afuera de ella, que se denomina solución externa. La solución cercana a la superficie cargada negativamente tiene exceso de cationes y deficiencia de aniones, respecto a la solución externa En la figura 2a, se ve como el efecto del incremento de la

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concentración de la solución, de Mo1 a Mo2, es la de contraer la doble capa difusa. En la figura 2b, se presenta la acción de cationes mono-bi y trivalentes a una misma concentración en solución. Resumiendo, el espesor de la doble capa disminuye con el aumento de: • La concentración de la solución. • La carga de los cationes o la disminución de carga de los aniones que forman la solución.

3.9. PUNTO DE CARGA CERO (PCC) Van (1977) menciona que, los coloides del suelo pueden presentar cargas negativas y positivas simultáneamente. Van (1977). Parte de esa carga es fija y parte de esa carga es pH dependientes o cargas variables. La carga variable cambia, al participar de la adición de hidróxidos, OH- , o de H+, según la acidez del medio. Como consecuencia de la alteración originada por el pH de la solución que la rodea sobre las cargas variables del coloide, este puede tomar un potencial neto de carga diferente, a distintos niveles de pH. Un coloide, puede presentar a determinado pH un potencial positivo y a otro pH, un potencial negativo. También es posible coincidir en un pH en que el balance de cargas producidas por la sumatoria de las cargas fijas más las cargas variables sea igual a cero. El pH donde la carga neta de superficie de los coloides es 0 o que la suma de cargas negativas es igual a la suma de cargas positivas, se llama Punto de Carga Cero. Las cargas negativas del coloide, hacen posible el intercambio preferencial de

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cationes y las cargas positivas hacen posible el intercambio de aniones, por ejemplo, en la retención de los iones fosfatos del suelo. A un valor de pH por encima del PCC, el coloide presentará carga neta negativa y valores por debajo de este pH, el coloide presentará carga neta positiva.

Figura 3: Distribución de la carga superficial de la FCA tipo fieltro. Isotermas de adsorción

3.10. FORMAS EN QUE SE PRESENTAN EL ESTADO COLOIDAL Thomas (1869) Las soluciones coloidales son sistemas heterogéneos polifásicos, pues contienen al menos dos fases distintas: la dispersa, finamente dividida, y la dispersante. En general, cuando las dispersiones coloidales se encuentran en estado líquido se dice que forman un sol. Si tienen forma consistente poseyendo alguna de las propiedades elásticas o plásticas de los cuerpos sólidos, aunque el medio dispérsame sea líquido se dice que constituyen un gel. Thomas (1869) El fenómeno de la gelificación puede ser reversible o irreversible. En el primer caso las micelas, una vez separadas del disolvente, pueden ser llevadas nuevamente a su condición de sol, sea por un simple contacto con el medio dispersante o bien con otra sustancia, distinta de éste, en cuyo caso se dice que el coloide es reversible por peptización. Por el contrario, si el gel no puede ser disuelto

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nuevamente es que ha gelificado en forma irreversible, proceso denominado coagulación y caracterizado por que, en él, las micelas se reúnen formando flóculos grandes tal como sucede con la sangre quo contiene coloides circulando en solución (es un sol) pero, en determinadas condiciones y mediante un mecanismo algo complicado, se transforma en un gel irreversible, es decir coagula.

3.11. CLASIFICACION DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES

Thomas (1869) menciona que, las soluciones coloidales se clasifican de acuerdo con el estado de agre...