J. Miguel Reichert, PhD

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UNIDADE II COMPOSIÇÃO DO SOLO

J. Miguel Reichert, PhD

(Profs. Antonio AzevedoProfs. Antonio Azevedo--USP e Eduardo Couto USP e Eduardo Couto -- UFMTUFMT)

Aula Passada Composição da crosta terrestre

Nesta Aula

Composição do solo

UNIDADE II UNIDADE II

COMPOSIÇÃO DA CROSTA TERRESTRE E DO SOLO COMPOSIÇÃO DA CROSTA TERRESTRE E DO SOLO

Composição do solo Composição do solo Fases gasosa, líquida e sólida Fases gasosa, líquida e sólida Mineralogia da fração argila Mineralogia da fração argila

Relação da mineralogia com propriedades físicas e Relação da mineralogia com propriedades físicas e químicas do solo químicas do solo Aplicações Aplicações Composição do Solo Fase sólida Fase gasosa Fase líquida

Composição do Solo

Fase gasosa

• Atmosfera do solo é diferente da atmosfera em:

• Composição: • Mais CO2 • Menos O2

• Umidade

• Mais vapor de água

• Temperatura • Depende da profundidade

Composição do Solo

Fase líquida

• Solução do solo: • Concentração de solutos • Reações químicas • Água do solo: • Quantidade • Estado: • Energia de retenção: • Disponibilidade para as plantas • Movimento

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Composição do Solo

Fase sólida

• Partículas de natureza diferente: • Mineral

• Orgânica

• Partículas de tamanho diferente: • Areia

• Silte • Argila

• Partículas de origem diferente: • Orgânica

• Mineral: • Geogênica • Pedogênica

Assunto principal desta aula:

fase sólida do solo

com ênfase na

fração argila

Características possuem relação

Natureza

Origem

Tamanho

Composição do solo – Fase sólida

Solo

Areia Silte Argila

2 mm 0,05 mm 0,002 mm

Macro Moléculas

Frações do solo

Por que estes

limites de tamanho

e não outros?

quartzo

Minerais geogênicos primários

Areia Silte Argila

Frações de tamanho

(3)

Por que acontece

esta distribuição ???

Lembrar seqüência de Bowen

Apresenta a seqüência de formação de minerais a partir do resfriamento e da

composição do magma. Seqüência de Bowen Tipos de Rochas Ígneas Ultramáficas Básicas Basalto/Gabro Andesítico (Andesito e Diorito) Ácidas Granito/Riolito

Seqüência de Goldich

• É aproximadamente o inverso da seqüência de Bowen.

• Mostra a susceptibilidade dos minerais à decomposição pelo intemperismo, quando expostos na superfície da Terra.

• Existe alguma lógica nisto? Qual?

Aumenta

a

Composição do solo – Fase sólida

Solo

Areia Silte Argila

2 mm 0,05 mm 0,002 mm

Macro Moléculas

Composição do solo – Fase sólida

Por que o

tamanho da partícula

é importante ?

Por causa da

Área Superficial Específica

Área Superficial

Específica

_{Quanto maior a ASE,}

maior a reatividade (capacidade de

participar de reações químicas)

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ASE das frações do solo

Classe de Tamanho Composição Mineralógica Diâmetro (mm) A.S.E. (m2 _g-1₎

Areia grossa Quartzo 2,0-0,2 0,01

Areia fina Quartzo 0,2–0,05 0,1

Silte Minerais primários 0,05-0,002 1

Argila Minerais secundários < 0,002 5-800*

ASE da fração argila

depende do tipo do argilomineral:

1:1  Caulinita

Por que tanta diferença

entre a fração argila

e as outras frações ?

Diminui tamanho da partícula

A

S

E

ASE

• A fração argila é a que possui, de longe, a maior ASE.

• Daí infere-se que esta fração controla o comportamento químico do solo:

• Retenção de nutrientes • Acidez

• Retenção de poluentes

• Eficiência de biomoléculas (herbicidas, fungicidas,etc.)...

Então, quem trabalha em

sistemas naturais

tem que entender

como isto funciona !!!

(6)

Esta

reatividade

do solo

pode ser resumida em uma

propriedade:

CTC

Capacidade de Troca de Cátions

Eis a reatividade !!!

CTC

• É uma propriedade considerada quase tão importante para os ecossistemas quanto a fotossíntese !

• Sem ela os ecossistemas terrestres provavelmente não existiriam.

• Todo profissional de ciências agrárias deve entender como ela funciona... O que evita muitos desastres !!

CTC

• Para entender a CTC, é preciso entender sua origem.

• A origem da CTC está na estrutura das partículas da fração argila do solo. • A partir de agora vamos tentar entender

estas estruturas.

O que existe na fração argila dos solos?

quartzo

Minerais

geogênicos primários

(7)

quartzo

Areia Silte Argila Minerais primários (geogênicos)

Óxidos de ferro e alumínio pedogênicos Minerais silicatados pedogênicos

(secundários)

O que existe na fração argila dos solos?

Composição do solo – Fase sólida

Solo

Areia Silte Argila

2 mm 0,05 mm 0,002 mm

Macro Moléculas

Fração argila do solo

• A partir das tabelas anteriores conclui-se:

• Existe muita variedade na composição da fração argila

• Na grande maioria dos solos minerais, os

filossilicatos de aluminiodominam;

• Nos solos tropicais e subtropicais, além dos filossilicatos de alumínio, também são importantes

os óxidos (Fe e Al).

• A matéria orgânica, apesar de sua menor

quantidade (em massa), possui uma reatividade muito maior que a dos colóides minerais, e por isto é bastante importante também.

Hoje será discutida a

parte mineral.

Em breve voltaremos

à parte orgânica

SOLO

AREIA SILTE ARGILA

MINERAL ORGÂNICA FILOSSILICATOS DE ALUMINIO ÓXIDOS MINERAIS 1:1 MINERAIS 2:1 ÓXIDOS DE FERRO ÓXIDOS DE ALUMÍNIO

Filossilicatos de Alumínio

ou

Aluminossilicatos

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Filossilicatos de alumínio

• Reveja a aula de classificação de minerais. • Uma unidade básica dos silicatos é o tetraedro

de silício.

• No caso dos Filossilicatos, o octaedro de alumínio também é outra unidade básica

Solução do Solo

Ca Mg K Na Si

Lixiviação

Precipitação

Al Si Fe

Cristalização

Decomposição química Minerais Primários (maioria argilas) Minerais Primários

Das rochas ao material do solo…

Ambientes para a formação de argila

A

um

ento

de

Si

Quartzo e minerais não intemperizáveis

R ic o e m K Feldspatos Ca,Na Augita Hornblenda, etc Muscovita Biotita Clorita Feldspatos-K Microclínio, etc Minerais Primários Solução do Solo Aumento na diluição

Este modelo mostra os principais minerais primários na área verde no lado esquerdo. Incluem-se os feldspatos no topo e na base e os filossilicatos no meio.

A área azul representa a solução do solo em contato com os minerais.

A concentração na solução do solo decresce da esquerda para a diretia.

Formação de argilas residuais.

A

um

ento

de

Si

R ic o e m K Feldspatos Ca,Na Augita Hornblenda, etc Muscovita Biotita Clorita Feldspatos-K Microclínio, etc Minerais Primários Soluçãodo Solo A diluição aumenta Ilita Vermiculita Clorita Argilas Residuais

Incluem-se os minerais formados pela substituição dos elementos na rede cristalina das camadas dos silicatos primários sem a completa destruição da esrutura original.

Alofanas

Síntese das argilas

Material amorfo A um ento de Si

R ic o e m K Feldspatos Ca,Na Augita Hornblenda, etc Muscovita Biotita Clorita Feldspatos-K Microclínio, etc Minerais Primários Soluçãodo Solo Aumento na diluição Ilita Vermiculita Clorita Argilas

A síntese das argilas implica na construção de uma nova rede cristalina a partir dos eletrólitos na água do solo. Todos os elementos constituintes passam para a fase sólida.

Quando a a taxa de suprimento de Fe, Si, Al é muito mais rápida que a taxa de cristalização dos minerais de argila, eles precipitam-se como ferrihidrita e alofana.

Este é a maioria dos casos de formação dos vidros vulcânicos e para o Fe nas rochas máficas.

Material Amorfo Alofanas Ferri-hidrita Decréscimo de pH Hema-tita

Óxidos de Ferro Cristalizados

Increa

si

ng

Si

R ic o e m K Feldspatos Ca,Na Augita Hornblenda, etc Muscovita Biotita Clorita Feldspatos-K Microclínio, etc Minerais Primários Solução do Solo Aumento na diluição Ilita Vermiculita Clorita Argilas Residuais Material Amorfo Alofanas Ferri-hidrita Argila de baixa Goethita Goethita forma-se em baixas concentrações de hidróxidos de ferro, normalmente em condições mais úmidas e na presença da matéria orgânica. Decréscimo de pH

(9)

Hema-tita

Óxidos de Ferro Cristalizados

Increa

si

ng

Si

R ic o e m K Feldspatos Ca,Na Augita Hornblenda, etc Muscovita Biotita Clorita Feldspatos-K Microclínio, etc Minerais Primários Solução do Solo Aumento na diluição Ilita Vermiculita Clorita Argilas

Residuais MaterialAmorfo Alofanas Ferri-hidrita Argila de baixa atividade Goethita Decréscimo de pH 5 3 Gibbsita caulinita 7 Hema-tita Síntese de Argilas Argilas 2:1 Increa si ng Si

R ic o e m K Feldspatos Ca,Na Augita Hornblenda, etc Muscovita Biotita Clorita Feldspatos-K Microclínio, etc Minerais Primários Solução do Solo Aumento na diluição Ilita Vermiculita Clorita Argilas

Residuais MaterialAmorfo Alofanas Ferri-hidrita Argila de baixa atividade Goethita Decréscimo de pH 5 3 Gibbsita caulinita 7 Esmectitas Argila 2:1

Elas se formam em solução do solo rica em Si e Mg . A atividade da Si está próxima ou excede o equilibrio

com a Si amorfa. Ocorrem em regiões semi-áridas ou em depressões onde o lençol freático traz Mg e Si.

Modelo da caulinita

OH

O

Al

Si

Lâmina de caulinita

Octaedro de Al na caulinita Vista de cima OH O Al Si caulinita OH Topo

Cargas na caulinita

6(OH) 4 Al 4O, 2(OH)

4 Si

6 O

Composição

dos planos Cargas - 6 + 12 - 10 + 16 - 12 Carga Total 0

Lâmina de caulinita

Topo Base

Modelo de Argila 2:1

• Duas lâminas de tetraedro de Si. • Uma lâmina de octaedro de Al. Octaedro de Al Tetraedro de Si

(10)

Lâmina de argila 2:1

Composição dos planos

O

Si

O, OH

Al

O, OH

Si

O

Coordinação Tetraédrica Tetraédrica Octaédrica

Modelo de Montmorilonita

Mg O OH Si Al

3

+ 3H

2

O

Gibbsita

Acidez produzida

Modelo da Gibbsita - Al(OH)3

OH

Al

Lâmina de Gibbsita

OH Al

6

6 -12 +

0 Cargas

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Cargas das Argilas 1

Cargas das Argilas 2

Este mecanismo é dominante nas argilas 2:1. Elas normalmente têm uma carga permanente que não depende do pH da solução

do solo.

Substituição

Cargas das Argilas 3

As argilas 1:1 tais como a caulinita praticamente não têm carga permanente. Suas cargas desenvolvem-se a partir da quebra das extremidades dos cristais por troca protônica.

Ambientes para formação das argilas.

1. Argilas residuais: Indicam que o intemperismo foi incompleto; diferenciam os solos ou horizontes jovens daqueles que alcançaram estágios extremos de decomposição química.

2. Esmectitas. São formadas em soluções ricas em Si e Mg. Ocorrem principalmente em regiões semi-áridas nas depressões onde o lençol freático traz o Si, ou próximas às rochas máficas intemperizadas. 3. Argilas amorfas. Formam-se em soluções super

saturadas com Al(OH)3e Si(OH)4. Normalmente~estão

associadas com cinzas vulcânicas.

4. Argilas de baixa atividade. São formadas em soluções muito diluídas com baixos conteúdos de Si. caulinita, goethita, hematita e gibbsita são as argilas

dominantes.

Argilas de baixa atividade.

.

A África é um continente muito velho e contém a maioria dos solos com argila de

baixa atividade. Área com argila de baixa

atividade.

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Polimerização das unidades básicas

• Os tetraedros de Si se polimerizam compartilhando oxigênios.

• Nos filossilicatos, são compartilhados os oxigênios da base.

• Isto forma uma

LÂMINA TETRAEDRAL

• Os octaedros de alumínio também se

polimerizam, formando as

LÂMINAS OCTAEDRAIS.

Polimerização das unidades básicas

• Só existe um tipo de lâmina

tetraedral,

• Mas existem dois tipos de lâminas

octaedrais:

• dioctaedrais

• trioctaedrais

Polimerização das unidades básicas

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Nos minerais pedogênicos,

só ocorrem lâminas

DIOCTAEDRAIS

Os Filossilicatos 1:1

Filossilicatos 1:1

• As lâminas tetraedrais se ligam às lâminas octaedrais para formar os filossilicatos. • Esta ligação também se dá pelo

compartilhamento de oxigênios.

• Quando uma lâmina tetraedral se liga a uma lâmina octaedral, temos:

• FILOSSILICATO 1:1.

• O principal filossilicato 1:1 no solo é:

• CAULINITA

Os Filossilicatos 2:1

Filossilicatos 2:1

• Duas lâminas tetraedrais podem se ligar a uma lâmina octaedral.

• Esta ligação das lâminas também se dá por compartilhamento de oxigênios. • Diferente dos filossilicatos 1:1, há vários

grupos de filossilicatos 2:1 importantes no solo:

• Ilitas; • Vermiculitas • Esmectitas • Minerais 2:1 HE

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Minerais 1:1 não podem se expandir

Nos minerais 1:1, um plano de átomos de H fica “no meio” de dois planos de átomos de O, criando uma ligação mais forte que não permite que as camadas se afastem.

Minerais 2:1 podem se expandir

• Nos minerais 2:1, dois planos de átomos de O ficam “em contato”, o que causa repulsão e o mineral PODE (nem sempre é o caso) se expandir.

• Quando o mineral se expande, criam-se 2 novas superfícies, o que aumenta muito a ASE dos minerais 2:1 expansíveis.

Por que alguns minerais 2:1 se

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A superfície siloxana

É a superfície formada pelos “anéis” hexagonais da polimerização do tetraedros de silício.

A superfície siloxana

• As cavidades formadas pelos anéis são chamadas de CAVIDADES SILOXANA. • As cavidades siloxana podem ou não ter

carga elétrica.

• As cavidades siloxana têm o tamanho aproximado dos íons de K e de NH4.

A cavidade siloxana

• Se a cavidade siloxana estiver carregada, íons de K+_{(principalmente) ficam “presos”}

entre as cavidades de duas camadas, e elas não podem se expandir.

• Neste caso, o mineral 2:1 não se expande.

Diferenças entre os 2:1

Os minerais 2:1 se dividem em

função de:

• Capacidade de expandir

• Quantidade de cargas elétricas (CTC)

• Estas duas

características estão relacionadas.

• Quando a carga é muito alta, ocorre fixação de K e o mineral não expande, ou expande pouco.

Expansão

Carga

Diferenças entre os 2:1

Ilitas

• São muito parecidas com as micas, porém possuem moléculas de água (são

hidratadas) e ocorrem na fração argila • Possuem carga muito alta

• Fixam K

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Ilita

Vermiculitas

• Possuem carga maior que as ilitas.

• Podem fixar um pouco de K.

• Expandem, porém não tanto quanto as esmectitas.

Esmectitas

• Possuem carga menor que a da vermiculita, mas maior que a da ilita. • São as mais expansíveis.

• Por isso, possuem maior ASE.

2:1 HE

• São minerais 2:1 nos quais polímeros de AlOH (e, às vezes, FeOH) se depositaram nas entrecamadas.

• Esta deposição bloqueia a expansão e a CTC dos minerais 2:1 originais.

• São minerais típicos do solo. • Ocorrem geralmente em pequenas

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Kaolinite Si Al Si Al Si Al Si Al

joined by strong H-bond no easy separation

0.72 nm Typically 70-100 layers joined by oxygen sharing Kaolinite



used in paints, paper and in pottery and

pharmaceutical industries

Halloysite



kaolinite family; hydrated and tubular structure

(OH)8Al4Si4O10.4H2O (OH)8Al4Si4O10 Montmorillonite Si Al Si Si Al Si Si Al Si 0.96 nm joined by weak van der Waal’s bond

easily separated by water



also called smectite; expands on contact with water

Montmorillonite



A highly reactive (expansive) clay



montmorillonite family



used as drilling mud, in slurry trench walls,

stopping leaks

(OH)4Al4Si8O20.nH2O

high affinity to water

Bentonite

swells on contact with water

Illite Si Al Si Si Al Si Si Al Si 0.96 nm joined by K+_ions

fit into the hexagonal holes in Si-sheet

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Others…



A 2:1:1 (???) mineral.



montmorillonite family; 2 interlayers of water



chain structure (no sheets); needle-like appearance

Chlorite

Vermiculite

Attapulgite

Si _Al Al or Mg Micas Muscovita Biotita Clorita primária Feldspato Augita Hornblenda Outros A L U M IN O S IL IC A T O S P R IM Á R IO S A lt o e m K A lt o e m M g , C a , N a , F e Carbonatos Microclina Ortoclásio Outros Ilita Vermiculita Clorita Esmectita (Montmorilonita) Caulinita Óxidos de Fe e Al Clima úmido e quente (- Si)

Rápida remoção de bases Muito Mg na zona de intemperismo - K + H2O - K + K - K - K - Mg - Mg - K - Mg

Lenta remoção de bases Rápida remoção de bases

Clima úmido e quente (- Si)

Componente Tipo de _mineral _(cmolCTC

+kg-1) ASE (m2g-1) Espaça-mento (nm) Expansi-vidade Dependência da carga com o pH Atividade coloidal

Mica 2:1 20-40 70-120 1,0 Não Média Alta

Vermiculita 2:1 120-100 600-800 1,0-1,5 pequena Baixa Alta Montmorilonita 2:1 80-120 600-800 Variável Sim Baixa Extrem.

alta Clorita 2:1:1 20-40 70-150 1,4 Não Elevada Média Caulinita 1:1 1-10 10-20 0,72 Não Elevada Baixa