Capacitatea tampon a solului

Puterea tampon a solului este proprietatea de a opune, în anumite limite, variații ale pH-ului prin neutralizarea efectului agenților chimici acizi sau alcalini care ajung în sol.

Soluții tampon

Același subiect în detaliu: soluție tampon .

O soluție se numește tampon atunci când are capacitatea intrinsecă de a menține pH - ul stabil chiar și după adăugări semnificative de acid sau bază. Această abilitate derivă din prezența în soluție a unei specii chimice sau, a unei combinații a mai multor specii chimice, cu proprietăți amfotere , comportându-se ca un acid în prezența bazelor puternice și ca bază în prezența acizilor puternici.

Cele mai multe tampoane sunt reprezentate de un acid slab în prezența sării sale cu o bază puternică (de exemplu, soluție de acid acetic și acetat de sodiu ) sau, invers, de o bază slabă în prezența sării sale cu un acid puternic (de exemplu amoniac și soluție de clorură de amoniu ). Proprietatea amfoterică derivă din faptul că în soluție se stabilesc echilibre multiple acido-bazice, capabile să se deplaseze în lanț, neutralizând orice creștere a ionilor de hidrogen sau a ionilor de hidroxil datorită adăugării de acizi sau baze.

Solul ca sistem tampon

În sol, puterea de tamponare derivă parțial din soluția circulantă și parțial din fracția solidă. Soluția circulantă participă la această proprietate într-o măsură neglijabilă, datorită prezenței unor săruri dizolvate, formate în mare parte din baze puternice ( sodiu și calciu ) combinate cu acizi slabi ( acid carbonic și acizi organici).

Cu toate acestea, proprietatea de tamponare a solului provine în mare parte din coloizii organici și minerali și din bazele de schimb adsorbite. Rezultă că puterea de tamponare este mare în solurile cu capacitate mare de schimb de cationi , în timp ce rata de saturație de bază influențează versatilitatea acestei proprietăți.

Capacitatea complexului de schimb de a se comporta ca tampon se datorează faptului că setul de situri saturate de ioni de hidrogen și baze de schimb se comportă ca un sistem amfoteric, reacționând, dacă este necesar, ca bază sau ca acid în prezența agenților acizi. sau alcaline.

Acțiune tampon către baze

Funcțiile acide permit solului să se opună creșterii pH-ului cauzată de un agent alcalinizant. Aceste funcții, fiind acizi slabi, se află într-o formă nedisociată (-AH) și pot trece la forma disociată (-A ^- + H ⁺ ) în prezența unei baze; ionii de hidrogen eliberați prin disociere neutralizează baza adăugată în sol și anulează tendința de creștere a pH-ului. Funcțiile dotate cu aceste proprietăți, prezente în sol, sunt practic trei.

1. Grupări hidroxid protonizate ale gibbsitei .

Gibsite este cea mai reprezentativă formă minerală de hidroxid de aluminiu , Al (OH) ₃ . Hidroxidul este polimerizat cu aluminiu care coordonează 6 ioni OH ^- într-o structură octaedrică . Coordonarea acestor ioni de către un metal accentuează caracterul slab de bază al oxigenului, care în virtutea disponibilității a două dublete de electroni acționează ca bază către ioni de hidrogen. La valori medii ale pH-ului, grupurile terminale de hidroxid ale gibbsite-ului sunt în mare parte protonizate și se pot comporta ca acizii atunci când se adaugă baze:

{[Al(OH)_{3}]_{n}-OH_{2}}^{+}+OH^{-}\longrightarrow [Al(OH)_{3}]_{n}-OH+H_{2}O

{\ displaystyle {[Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH_ {2}} ^ {+} + OH ^ {-} \ longrightarrow [Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH + H_ {2} O}

{\ displaystyle {[Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH_ {2}} ^ {+} + OH ^ {-} \ longrightarrow [Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH + H_ {2} O}

Această proprietate apare în soluri moderat acide sau practic neutre (pH 5,5-7,5). De fapt, la un pH ridicat grupările hidroxid nu sunt protonizate și prezintă proprietăți acide mult mai slabe, în timp ce la un pH scăzut brucita este destabilizată cu formarea de hidroxid de aluminiu ușor polimerizat și a ionilor Al ³⁺ , ambii absorbiți de coloizi.

2. Complex de schimb saturat cu ioni Al ³⁺ schimbabili

La valori scăzute ale pH-ului, sunt prezente procente mari de aluminiu schimbabil. Ionul de aluminiu este o specie chimică instabilă care, în cazul adăugării de baze, adaugă ioni de hidroxid (OH ^- ) care precipită sub formă de hidroxid de aluminiu polimerizat, în timp ce baza de schimb este adsorbită în locul aluminiului:

nAl^{3+}+3nOH^{-}\longrightarrow [Al(OH)_{3}]_{n}\downarrow

{\ displaystyle nAl ^ {3 +} + 3nOH ^ {-} \ longrightarrow [Al (OH) _ {3}] _ {n} \ downarrow}

{\ displaystyle nAl ^ {3 +} + 3nOH ^ {-} \ longrightarrow [Al (OH) _ {3}] _ {n} \ downarrow}

Această proprietate se manifestă în soluri acide cu un pH sub 5,5. De fapt, la un pH mai mare, aluminiul schimbabil este prezent în cantități nesemnificative, deoarece este în mare parte polimerizat.

3. Schimbă complexul saturat cu ioni H ⁺

La valori foarte scăzute ale pH-ului, complexul de schimb este în mare parte saturat cu ioni de hidrogen. De fapt, în aceste condiții, funcțiile acide ale substanței organice (de exemplu, grupările carboxil și grupările hidroxid fenolice ) sunt nedisociate și excesele de sarcină negativă ale mineralelor argiloase sunt neutralizate de ioni de hidrogen. Dacă se adaugă o bază, coloidii adsorb cationii eliberați din bază și eliberează ioni de hidrogen care, la rândul lor, neutralizează ionii de hidroxid:

scambio-H+OH^{-}\longrightarrow scambio^{-}+H_{2}O

{\ displaystyle exchange-H + OH ^ {-} \ longrightarrow exchange ^ {-} + H_ {2} O}

{\ displaystyle exchange-H + OH ^ {-} \ longrightarrow exchange ^ {-} + H_ {2} O}

Această proprietate se manifestă în soluri puternic acide, cu un pH mai mic de 4. De fapt, la un pH mai mare proprietățile acide ale coloidilor sunt atenuate deoarece sunt disociate în principal în forma electronegativă.

Pe baza proprietăților descrise, puterea de tamponare a solului împotriva alcalinizării apare mai ales în solurile cu reacție neutră sau acidă și cu intensitate crescândă pe măsură ce pH-ul scade.

Acțiune tampon față de acizi

Acțiunea tampon față de acizi este exercitată de bazele de schimb adsorbite pe coloizi, de prezența carbonaților chimic activi și a hidroxizilor de aluminiu.

În ceea ce privește rolul coloidilor, hidrogenul este cationul care are cea mai mare afinitate pentru complexul de schimb; o creștere a activității ionilor de hidrogen în soluția circulantă, datorită adăugării unui acid, este neutralizată prin adsorbția hidrogenului pe complexul de schimb, cu eliberarea consecutivă de cationi metalici. Din punct de vedere strict chimic, adăugarea unui acid puternic deplasează cationii metalici din acidul slab (coloidul), cu formarea unei sări formată dintr-un acid puternic și o bază puternică, prin urmare pH-ul tinde să se stabilizeze pe o valoare mai mică decât cea care ar apărea în absența coloizilor saturați:

scambio{\begin{matrix}-\\-\end{matrix}}Ca^{2+}+2H^{+}\longrightarrow scambio{\begin{matrix}-H\\-H\end{matrix}}+Ca^{2+}

{\ displaystyle exchange {\ begin {matrix} - \\ - \ end {matrix}} Ca ^ {2 +} + 2H ^ {+} \ longrightarrow exchange {\ begin {matrix} -H \\ - H \ end { matrice}} + Ca ^ {2+}}

{\ displaystyle exchange {\ begin {matrix} - \\ - \ end {matrix}} Ca ^ {2 +} + 2H ^ {+} \ longrightarrow exchange {\ begin {matrix} -H \\ - H \ end { matrice}} + Ca ^ {2+}}

Această proprietate este strâns legată de rata de saturație de bază : o valoare TSB scăzută corespunde unui procent mai mare de hidrogen schimbabil și, prin urmare, unei puteri de tamponare mai mici.

Carbonatii chimic activi, reprezentati de carbonati solubili (sodiu in solurile de sodiu si bicarbonat de calciu in solurile calcaroase) si de calcar activ , efectueaza o actiune de tamponare colaterala, impotriva acidificarii, ca saruri formate dintr-o baza puternica si un acid slab. În acest caz, activitatea ionilor de hidrogen este redusă printr-o schimbare a echilibrului de disociere a acidului carbonic:

{HCO_{3}}^{-}+H^{+}\longrightarrow H_{2}O+CO_{2}

{\ displaystyle {HCO_ {3}} ^ {-} + H ^ {+} \ longrightarrow H_ {2} O + CO_ {2}}

{\ displaystyle {HCO_ {3}} ^ {-} + H ^ {+} \ longrightarrow H_ {2} O + CO_ {2}}

Acțiunea carbonaților are loc la valori ridicate ale pH-ului, deoarece carbonații de calciu sunt prezenți în cantități semnificative la pH 8-8,5 și carbonați de sodiu la pH peste 8,5.

Hidroxizii de aluminiu prezintă proprietăți slab bazice la valori ale pH-ului apropiate de neutru sau ușor mai mici. Atomul de oxigen al grupurilor hidroxid de suprafață poate acționa ca bază și adaugă ioni reducându-și activitatea în soluția circulantă:

[Al(OH)_{3}]_{n}-OH+H^{+}\longrightarrow {[Al(OH)_{3}]_{n}-OH_{2}}^{+}

{\ displaystyle [Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH + H ^ {+} \ longrightarrow {[Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH_ {2}} ^ { +}}

{\ displaystyle [Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH + H ^ {+} \ longrightarrow {[Al (OH) _ {3}] _ {n} -OH_ {2}} ^ { +}}

Pe baza proprietăților descrise, puterea de tamponare a solului împotriva acidificării apare în principal în soluri cu o reacție neutră și alcalină.

Relațiile dintre capacitatea de tamponare și alte proprietăți ale solului

După cum am văzut, în afară de contribuția redusă dată de soluția de circulație, puterea de tamponare a solului depinde de capacitatea de schimb cationic și de rata de saturație de bază.

Capacitatea de schimb este responsabilă pentru numărul de echivalenți acizi sau alcalini pe care solul îi poate neutraliza; cu alte cuvinte, un sol cu capacitate redusă de schimb epuizează mai ușor siturile din care poate elibera ioni de hidrogen sau pe care îi poate adsorbi, opunându-se variațiilor de pH. Capacitatea de schimb depinde de conținutul de coloid și de natura chimică a acestora, prin urmare puterea tampon se manifestă mai intens în solurile bogate în materie organică și, într-o măsură mai mică, în cele argiloase . Solurile cu textură grosieră , pe de altă parte, sunt sărace în coloizi minerali și, adesea, și în coloizi organici, au în general o putere de tamponare mai ușoară și sunt mai susceptibili la variații ale pH-ului.

Proprietatea specifică de a se opune atât acidificării, cât și alcalinizării se datorează ratei de saturație a bazei. Un mediu cu TSB scăzut are cea mai mare parte a complexului de schimb saturat de ioni de hidrogen și aluminiu, prezintă o puternică putere tampon împotriva alcalinizării, dar este vulnerabil la agenții acidifianți. În schimb, un mediu cu TSB ridicat are cea mai mare parte a complexului de schimb saturat cu calciu, magneziu și, eventual, sodiu; prin urmare, prezintă o puternică putere tampon spre acidificare, dar este vulnerabilă la agenții alcalinizanti. Din cele spuse se poate deduce că un TSB optim este aproape de 50%, deoarece solul exercită efectiv puterea de tamponare atât spre creșterea, cât și spre reducerea pH-ului.

Rata de saturație de bază este strict dependentă de reacția solului:

Solurile acide au un grad foarte scăzut de saturație bazică, deoarece complexul de schimb este predominant saturat de hidrogen. Aceste soluri prezintă o putere de tamponare ridicată față de agenții de alcalinizare, în timp ce puterea de tamponare spre acidificare este modestă sau nulă.
Solurile moderat acide au un grad de saturație bazic de ordinul a 50%, prin urmare prezintă un comportament optim deoarece au o rezistență ridicată atât la acidificare, cât și la alcalinizare.
Solurile neutre au un grad foarte ridicat de saturație bazică, deoarece complexul de schimb este aproape complet saturat cu ioni de calciu și magneziu. Aceste soluri prezintă o putere mare de tamponare față de agenții acidifianți, în timp ce puterea de tamponare către alcalinizare este puțin mai slabă.
Solurile alcaline au un grad de saturație de bază de 100%, complexul de schimb fiind complet saturat de calciu și magneziu sau, parțial, și de sodiu. Aceste soluri prezintă o putere de tamponare foarte mare față de agenții acidifianți și practic nu există opoziție cu creșterea pH-ului.

Un alt aspect de luat în considerare este că, în aceleași condiții, puterea de tamponare a solurilor alcaline spre acidificare este mai mare decât cea a solurilor acide spre alcalinizare. Acest fenomen face corectarea solurilor alcaline mult mai dificilă și mai costisitoare decât cea a solurilor acide. Comportamentul se datorează concurenței a doi factori:

Capacitatea de schimb cationic crește odată cu pH-ul, prin urmare, cu același conținut de coloid, solurile alcaline au un CSC mai mare decât solurile acide.
În solurile alcaline există săruri care contribuie la creșterea puterii de tamponare: carbonat de calciu și bicarbonat de calciu în soluri cu alcalinitate constituțională (soluri calcaroase); carbonat de sodiu, bicarbonat de sodiu și fosfați de sodiu în soluri cu alcalinitate de absorbție.

Semnificația agronomică a puterii de tamponare

Reacția solului afectează diferite aspecte ale fertilității în sens larg. În special, disponibilitatea unor elemente nutriționale, solubilitatea acestora și, prin urmare, disponibilitatea în forme asimilabile, structura solului și toate proprietățile fizice dependente de acesta sunt asociate cu pH-ul.

În condiții normale, este evident că stabilitatea pH-ului este o cerință fundamentală, astfel încât solul să își poată menține starea de fertilitate în timp, evitând concatenarea fenomenelor corelate care îl pot agrava. Din acest punct de vedere, puterea de tamponare este o proprietate care acționează pozitiv în solurile neutre sau ușor subacide, care au, în general, cele mai bune condiții fizico-chimice pentru producția agricolă.

În condiții de reacție anormală, puterea de tamponare își manifestă cea mai înaltă expresie tocmai în raport cu intervențiile corective , de aceea este conturată ca o proprietate negativă. De fapt, în solurile puternic acide tinde să anuleze efectul calcitațiilor sau, cel puțin, să reducă consistența acestora; în același mod, în solurile alcaline tinde să anuleze efectul intervențiilor de acidifiere (majoritatea efectuate cu administrarea de gips ).

Bibliografie

Diversi autori, Chimia solului , editat de Paolo Sequi, Bologna, Pàtron, 1989.
Luigi Giardini, General Agronomy , ed. A III-a, Bologna, Pàtron, 1986.
Alda Belsito, și colab., Chimie agricolă , Bologna, Zanichelli, 1988, ISBN 88-08-00790-1 .

Elemente conexe

Portalul Științelor Pământului : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu Științele Pământului