1 INTRODUÇÃO
2.2 Propriedades do Solo
2.2.3 Carga Elétrica no Solo
A presença de cargas elétricas no solo está associada sobretudo ao seu próprio processo de formação. Diversos processos, como a substituição isomórfica, a dissociação do grupo OH, a protonação das hidroxilas, entre outros, são responsáveis por gerar um desequilíbrio elétrico, resultando num balanço de cargas elétricas positivas ou negativas. A presença de cargas elétricas é uma característica mais comum nos solos argilosos, especialmente coloidais, e é responsável por diversas características físico-químicas do solo, que exercem influência direta no comportamento mecânico e hidráulico do material.
No processo de formação dos solos, a ação intensa do intemperismo e as variações hidrotermais, fazem com que alguns minerais e a matéria orgânica sejam reduzidos a partículas extremamente pequenas. Associadas a essas ações intempéricas, fenômenos físico-químicos reduzem ainda mais essas partículas que podem atingir dimensões menores que 0,001 mm, essas partículas são chamadas de coloides. Além das argilas coloidais, há também no solo os coloides orgânicos (húmus), oriundos da decomposição de matéria orgânica (LOPES e GUILHERME, 2004). Essas partículas coloidais (argila e húmus) são as principais responsáveis pela atividade físico-química do solo.
Os coloides geralmente apresentam um balanço de cargas elétricas negativas (-), originadas do processo de formação (em alguns casos os coloides podem também desenvolver cargas positivas). Esse excesso de carga negativa pode atrair e reter íons com cargas positivas, semelhante ao comportamento de um imã. Esse tipo de comportamento dos coloides pode explicar, por exemplo, porque o nitrogênio na forma de nitrato (NO3-) lixivia mais facilmente
no solo, do que nitrogênio na forma de amônio (NH4+). Segundo Lopes e Guilherme (2004) o
nitrato apresenta uma carga negativa fraca, de forma que acaba sendo pouco retido no solo, permanecendo como íon livre na água do sistema, passível de ser lixiviado sob certas condições pluviométricas.
As cargas elétricas presentes no solo são geralmente divididas em dois grupos: as cargas permanentes e as cargas variáveis (dependentes do pH). As cargas permanentes, são cargas que não dependem do pH, presentes nas estruturas dos minerais e por isso sempre operantes. São produtos principalmente da substituição isomórfica. Nas Argilas do tipo 2:1, a carga permanente é fruto desse processo, de modo que nas motmorillonitas, por exemplo, as partículas Al3+ dos octaedros podem ser totalmente ou parcialmente substituídas por partículas
Mg2+. Essa substituição acaba resultando em uma valência (carga) negativa livre não atendida,
a substituição do átomo tetravalente (Si4+), dos tetraedros, por átomo trivalente (Al3+), deixando
dessa forma, uma valência (carga) negativa livre (ALLEONI e MELO, 2009).
Outro processo que pode levar a um balanço de carga elétrica negativa é a dissociação do grupo OH. Segundo Lopes e Guilherme (2004) a presença do grupo OH nas bordas de um cristal de argila ou da matéria orgânica pode levar a dissociação de H+,
contribuindo para um saldo de carga elétrica negativa. De acordo com os autores as cargas negativas são originarias da dissociação dos radicais orgânicos (carboxílicos, principalmente, e fenólicos, em menor escala), e minerais, principalmente sesquióxidos de ferro e alumínio. Essas cargas são denominadas cargas variáveis e são dependentes do pH. Observa-se que à medida que se eleva o pH, o seu aparecimento é favorecido. Em solos tropicais, predomina argilas cauliníticas (tipo 1:1). Nesse tipo de mineral (silicatado) os óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio sob condição de pH elevado conferem um saldo de caga elétrica negativa.
Apesar da predominância de cargas negativas, podem ocorre também no solo um saldo de cargas elétrica positivas. Esse balanço é favorecido por fenômenos como a protonação das hidroxilas (OH) dos óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio, preferencialmente. Tratam-se, também de cargas variáveis, mas ao contrário da dissociação do grupo OH, é favorecido por pH extremamente baixo.
Nota-se, portanto, que as cargas elétricas variáveis no solo são originadas principalmente por óxidos e hidróxidos (óxidos hidratados) de Fe e de Al e matéria orgânica. Os óxidos hidratados de ferro e alumínio podem desenvolver tantas cargas negativas como positivas em suas superfícies, dependendo do pH da solução do meio. O desenvolvimento de cargas elétricas pela matéria orgânica, por outro lado, ocorre sob valores de pH bem mais baixos que os óxidos, o que favorece a ocorrência de cargas negativa, sendo pouco provável um saldo de cargas positivas. A origem das cargas negativas da matéria orgânica advém da dissociação de hidroxilas.
Em suma, devido a todo esse processo as partículas de argila apresentam cargas elétricas negativas nas faces e cargas positivas nos bordos, e como resultado, as cargas negativas das partículas de argila atraem íons positivos (cátions) de sais dissolvidos na água. Cada partícula pode, também, atrair várias camadas de moléculas de água em forma de esferas hidratadas dos cátions buscando um certo equilíbrio iónico. É devido a esses fenômenos que, argilominerais como as montmorillonitas, apresentam um alto poder de inchamento.
2.2.3.1 Capacidade de Troca Catiônica (CTC)
A presença de carga elétrica nos solos é responsável por processos como a adsorção ou troca iônica, a dupla camada difusa, entre outras. Entender como se processam esses fenômenos é primordial para compreender o comportamento do solo em diversas situações. A Capacidade de Troca Catiônica (CTC) e a Dupla Camada Difusa (DCD), por exemplo, exercem influência direta sobre a condutividade hidráulica dos solos, além de poderem explicar também como ocorre a dinâmica de poluentes nesse meio.
O fenômeno da troca iônica pode ocorrer de modo a induzir a retenção de cátions ou ânions, caracterizados por um excesso de cargas negativas ou positivas. Como o próprio nome sugestiona a troca catiônica caracteriza-se pela troca de cátions (Al3+, Ca2+, Mg2+, K+,
Na+, NH4+, etc), enquanto a troca aniônica caracteriza-se pela troca de ânions (NO3-, PO4-,
HPO42-, HCO3-, SO42-, etc).
Como nos solos, em geral, predominam as cargas negativas, dar-se-á neste trabalho mais ênfase as trocas catiônicas, sendo os estudos envolvendo CTC, também, muito mais abundantes do que aqueles sobre CTA.
Segundo Lopes e Guilherme (2004), nas argilas, os cátions retidos (adsorvidos) podem ser substituídos por outros cátions, o que significa dizer que eles são trocáveis. Por exemplo, o cálcio pode ser trocado pelo hidrogênio e/ou potássio. A Capacidade de Troca Catiônica (CTC) é a expressão utilizada para designar o número total de cátions trocáveis que um solo pode reter em relação a sua quantidade de carga negativa. Em outras palavras, CTC é um parâmetro físico-químico, que indica a quantidade de cátions, que o solo é capaz de reter em determinadas condições, e trocar por quantidades estequiométricas equivalentes de outros cátions, sendo função da intensidade de cargas negativas presente nas próprias partículas do solo. Ou seja, essa é uma troca basal, definida como uma troca de cátion-por-cátion, estabelecida entres cátions das unidades estruturais das argilas, e a solução aquosa, que contém o cátion de maior atração.
Essa habilidade das argilas de carregar cátions trocáveis, pode ser expressa em termos de miliequivalentes por 100g de argila, e, segundo Lopes e Guilherme (2004), possui algumas características que devem ser ressaltadas face as suas implicações:
a) O fenômeno de troca é reversível: isto significa que embora haja um ponto de equilíbrio na reação, um cátion desloca outro e assim sucessivamente; b) O fenômeno de troca é estequiométrico: os cátions se substituem em
c) O fenômeno de troca é instantâneo: tão logo seja adicionado ao solo o novo cátion, a troca desse novo cátion com cátions já adsorvidos ao solo ocorre instantaneamente.
Lopes e Guilherme (2004), destacaram alguns fatores que afetam diretamente a CTC:
a) Espécie e quantidade de argila e matéria orgânica – de acordo com a composição do solo, ou seja, proporção de cada material e a presença ou não de matéria orgânica, o valor de CTC pode variar significativamente (Tabela 2.)
b) Superfície específica - quanto mais subdividido for o material, maior será a sua superfície específica e maior a CTC do solo.
c) pH - a influência do pH do meio na CTC será tanto maior, quanto maior for a presença de espécies de minerais de argila com dominância de cargas dependentes de pH e, ou, matéria orgânica que, praticamente, só apresenta esta característica. Esse efeito é decorrente da dissociação dos radicais orgânicos e, ou, sesquióxidos de ferro e alumínio, além de fenômenos de desobstrução de cargas da matéria orgânica ocupadas por alumínio, ferro e manganês
Os cátions que estão retidos (adsorvidos) as estruturas dos argilominerais não são “presos” com a mesma intensidade. Em um sentido mais amplo, a energia de ligação dos cátions às estruturas dos argilominerais, não são as mesmas. Essa intensidade varia com a maior ou menor valência e com o grau de hidratação dos cátions. Desse modo, esses são passíveis de serem “trocados”, seguindo uma série preferencial, que ilustra a facilidade de deslocamento de um cátion, a qual apresentamos abaixo:
Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+ < H+
Destaca-se que o hidrogênio é exceção à regra, pois, apesar de ser monovalente, apresenta uma ligação por covalência muito “forte”.
Na tabela 1 apresenta-se a CTC, bem como a superfície específico e tamanho de partículas de minerais argilosos e não argilosos.
Tabela 1 - CTC de materiais argilosos e não argilosos. MATERIAL CTC (cmolc/kg) Matéria orgânica humificada 100-250 Vermiculita 100-150 Montmorilonita 80-120 Ilita 30-50 Clorita 10-40 Galuconita 5-40 Haloisita 5-10 Caulinita 3-15 Óxidos de Fe e Al 2-5
Fonte: Grim & Guven (1978)