ARCILLAS
(Clasificación y Descripción).
(Minerales
de Arcilla): Los minerales de la arcilla tales como la kaolinita (H4Al2Si209)
son altamente coloidales. Son formados en primer término, por el intemperismo
químico de los minerales primarios. Los minerales de la arcilla no suministran
nutrientes directamente para las plantas pero tienen la capacidad de adsorber o
retener iones nutrientes en sus superficies. Son una parte de los materiales
física y químicamente activos en los suelos.
Los silicatos al ser sometidos
a hidratación convergen como producto terminal (participan formando) a las
arcillas (partículas con diámetros menores a 2 µ “micras”). Las rocas ígneas
derivan en Basalto y el Granito. El Basalto está formado por silicatos principalmente
sin cuarzo, de tal manera que los suelos derivados de este tendrán arcillas y
limos. El granito por su parte contiene: cuarzo y feldespato
ortoclasa, junto con micas (esto es Sílice y silicatos), que producirán arenas,
limos y arcillas.
Brade-Birks (1962) hizo una
representación diagramática que resume lo expuesto y se presenta en la figura
3.4.
Los
Minerales de la Arcilla.
Los procesos químicos del
intemperismo son mucho más importantes en la formación de las arcillas. Por su
tamaño, las arcillas (diametro menor a 2 µm) son consideradas como coloides y como
tales nos interesan dos de sus propiedades, específicamente su carga eléctrica
(la cual es principalmente negativa) y su gran superficie específica.
Todos los coloides se
cargan eléctricamente, las arcillas y en general los coloides del suelo están
cargadas en forma negativa. De tal forma que atraen cationes y si recordamos a
los nutrientes esenciales para las plantas, la mayoría son elementos de carga
positiva (K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Zn2+,
Cu2+, Mn2+) o tienden a formar radicales positivos (NH4+).
Esto da por resultado que muchos de los nutrientes estén
retenidos por arcillas o coloides del suelo y dada su cercanía y/o
contacto directo con las raíces de la planta es posible que se provoque un
intercambio de nutrimentos con las raíces, es por esto que estos minerales son
de gran importancia.
Por otra parte la otra
propiedad fundamental de la arcillas es que poseen por su menor tamaño una mayor
superficie específica, dando por resultado que las arcillas expongan mucha
superficie donde pueden realizarse, entre
otras, reacciones de intercambio catiónico.
De manera general, son
reconocidos dos grupos de arcillas: las silicatadas características
de regiones templadas y las arcillas de óxido e hidróxidos de hierro y
aluminio,
encontradas en las zonas tropicales y semitropicales.
A través de los estudios
de Rayos X pudo diferenciarse a varios grupos de arcillas y sus propiedades
características. La clasificación de arcillas que adoptaremos se presenta a
continuación:
ORIGEN
DE LAS ARCILLAS SILICATADAS.
Con base en las
propiedades cristalinas de las arcillas se han definido en forma más precisa
tres grandes grupos de materiales silicatados: Kaolinita, montmorillonita y
micas hidratadas.
Además de estas arcillas, en otro grupo importante, que no
tiene denominación se tiene a la clorita y a la vermiculita.
Entre las arcillas no silicatadas, se han clasificado a las
de óxidos e hidróxidos de: hierro (goethita y limonita) y aluminio (gibsita).
Las arcillas silicatadas
se forman con más frecuencia a partir de ciertos minerales como, feldespatos,
micas, anfíbolas y piroxenas. La transformación de estos minerales en arcillas
considera dos procesos distintos.
1. Por una alteración (intemperismo) y degradación físico-química
de los minerales primarios. Este intemperismo en el caso de las arcillas
principalmente se da por ataque químico que provoca una renovación de
constituyentes solubles y sustitución de otros en su estructura (en su red cristalina).
Ejemplo: alteración de la muscovita y su transformación a mica hidratada. La
muscovita, mineral primario de tipo 2:1 es
de estructura rígida. Al iniciarse el proceso de hidratación algunos átomos de
K se pierden de la estructura cristalina y otras moléculas de H20
entran en la red produciéndose un cristal menos rígido. También se incrementa
relativamente al contenido de sílice en comparación con el aluminio en lo que
se llama estrato silícico.
2. Por una descomposición de
los minerales originarios y la posterior recristalización de algunos de sus
productos de descomposición. Este proceso es también llamado neoformación en
la literatura francesa.
Este proceso de
recristalización inserta un cambio completo de la forma estructural de los
minerales originarios y es el resultado de una intemperización mayor a la
requerida en el proceso de alteración.
Además, esta
cristalización hace posible la formación de varias arcillas a partir de un sólo
mineral dado. El coloide silícico verdadero que se forma depende de las
condiciones de intemperización y de los iones presentes en la solución
meteorizada cuando ocurre la cristalización.
Hay diferencias entre los
estados de intemperización de los silicatos mientras que la kaolinita
representa el más avanzado, la montomorillonita corresponde a un lugar
intermedio de la intemperización.
Respecto al
origen de las arcillas individuales.- Las micas hidratadas, representadas por
la illita, provienen en condiciones favorables de la alteración de las micas.
La illita a la moscovita tanto en su estructura como en características,
aparentemente sólo una leve alteración es necesaria para generar a la illita.
En otros casos la illita
aparentemente se forma de minerales originales como los feldespatos potásicos
por recristalización en presencia de abundante potasio. Aun la illita puede ser
formada de la montmorillonita cuando ésta está en presencia de abundante
potasio. Más común sin embargo, es la reacción inversa cuando la illita se
intemperiza pasando a montmorillonita por pérdida de la mayor parte de su
potasio (Fig. 3.5).
La clorita se forma en
apariencia por alteración de la biotita, una mica magnésica rica en Fe. En este
cambio se pierde Mg, K y Fe. Una alteración posterior a la intemperización
puede producir la illita o la vermiculita, que a su vez pueden ser alteradas
pasando a montmorillonita.
La montmorillonita puede
formarse por recristalización de varios minerales si las condiciones son las
apropiadas como: condiciones de intemperización moderadas (comúnmente el paso
de condiciones ácidas a alcalinas), una relativa abundancia de Mg y lixiviación
moderada.
Por alteración de otras
arcillas silicatadas como la clorita, illita y vermiculita
puede formarse también la montmorillonita.
La kaolinita representa el
estado más avanzado de intemperización que las otras arcillas silicatadas. Se
forma por la descomposición de silicatos bajo condiciones de intemperización
desde una moderada a fuerte acidez que produce la remoción de elementos
alcalinos y alcalinotérreos. Los productos solubles de Al y Si pueden
recristalizarse bajo determinadas condiciones y formar a la kaolinita. La
kaolinita a su vez está sujeta a descomposición sobre todo en los trópicos formándose
los óxidos alumínicos y sílice hidratado soluble. Esta arcilla predomina en
suelos tropicales o semitropicales.
CARACTERISTICAS
DE LAS ARCILLAS CON
ÓXIDOS HIDRATADOS DE HIERRO “Fe” Y ALUMINIO “Al”.-
Las arcillas con hidróxidos son importantes por dos razones.
1. En regiones templadas se encuentran mezcladas con las
arcillas silicatadas y
2. Este tipo de coloides frecuentemente predomina en los
trópicos.
Los suelos rojos y
amarillos de estas regiones, están constituidos en gran
parte por hidróxidos de Fe (goethita y limonita) y Al
(gibsita) de varios tipos.
Frecuentemente se
representan como Al(OH)3 y Fe (OH)3 pero las fórmulas
más correctas probablemente serían Fe203.XH20
y Al203.XH20. X indica que
el agua de hidratación asociada es diferente para diversos minerales. En los
suelos, la gibsita (Al201.3H20) es sin duda el
óxido de Al dominante mientras que la goethita (Fe203.H20)
y la limonita (Fe203.XH20) son los hidróxidos
más importantes del Fe. El número de cargas negativas por micela es muy pequeño
y tienen menor poder de adsorción que la kaolinita.
Muchos óxidos hidratados
no son tan viscosos, plásticos y cohesivos como son los silicatos, por eso sus
condiciones físicas son mejores.
ESTRUCTURA DE LOS MINERALES
SILICATADOS DE LA ARCILLA.
Generlamente las arcillas
son de forma laminar. Esto indica que exponen una gran extensión de superficie
por peso unitario.
Los minerales silicatados
de la arcilla son de naturaleza cristalina.
La estructura del cristal
se llama látice o retículo que está constituido de dos clases de estructuras
fundamentales: los tetraedros de sílice y los octaedros de alúmina.
Los tetraedros de sílice
contienen un átomo de Si rodeado de 4 átomos de oxígeno que
forman las 4 esquinas del tetraedro. El Si ocupa el intersticio del centro. La
carga de tal unidad es -4. La capa tiene una carga negativa neta y su fórmula es n(Si205)2-.
El octaedro está
constituido por 6 hidróxilos alrededor de un átomo de Al. Este acomodamiento
puede visualizarse en la forma siguiente: 4 hidróxilos formando un cuadrado. Un
octaedro individual tiene la fórmula AI(OH)3-.
Los octaedros de Al
adyacentes comparten hidróxilos comunes para formar una capa de octaedros en
forma similar el comportamiento del oxígeno en la capa tetraédrica del Si.
Como ha sido indicado las
arcillas tienen cargas negativas, las cuales atraen cationes y el número total
de cationes retenidos en la superficie de la arcilla, se expresan como meq/100
g de suelo, a esta propiedad química se les denomina Capacidad de Intercambio
Catiónico.
GRUPO DE LA ARCILLA KAOLINITA.
Es la arcilla del tipo 1:1 (contiene un estrato de Si y
otro de Al). Su capacidad de intercambio es reducida, de unos 10 meq/100 g de suelo.
GRUPO
DE LA ARCILLA
MONTMORILLONITA
Este grupo incluye otros
minerales silicatados como son la beidellita, nontronita, hectorita y saponita.
Son arcillas de tipo 2:1, el estrato de Al está entre dos estratos tetraédricos
de Si. Los O y radicales OH se comparten en más de una unidad tetraédrica y
octaédrica respectivamente, para formar la sucesión de unidades estructurales.
Este tipo de arcilla se
expande y contrae fácilmente al humedecerse y secarse
para dar un efecto de "acordeón". Las partículas tienden a ser más
pequeñas que las de la kaolinita y los suelos con alto contenido de este tipo
de arcilla se fisuran (agrietan) al secarse y tienden a ser impermeables a
humedecerse. El suelo exhibe características de plasticidad muy acentuada. Esto
también indica que en la superficie interior y en el exterior de las partículas
hay posibilidades de adsorción del agua y de nutrientes.
La sustitución del Al
octaédrico por Mg en el retículo cristalino produce la estructura de la
montmorillonita. Cuando el silicio tetraédrico es substituido por el Al se
genera la beidellita. En cambio cuando el Al octaédrico es substituido por el
hierro se tiene la nontronita.
La capacidad de intercambio de cationes de esta arcilla es
de unos 100 meq/100 g de material. La montmorillonita y minerales de este grupo
también se encuentran en clima semi-árido de escasa lixiviación y material rico
en cationes básicos principalmente Ca y Mg, en donde el pH es alcalino.
GRUPO DE LA
ILLITA
A este mineral también se
le denomina mica hidratada e hidrómica.
Otros minerales de este
grupo son la Muscovita ,
Seladonita, Biotita y Clauconita.
Se indica que el origen de
las illitas probablemente procede de las micas por un proceso químico con
pérdida de K. Estos minerales también son de retículo 2:1 donde los iones de K
son alojados en los huecos que dejan los oxígenos de las superficies internas
entre unidades con un retículo cristalino 2:1 parcialmente expandible, tiene
una magnitud de eje c de 14 a
15 Armstrong por lo que se considera en posición intermedia entre la illita y la Montmorillonita ,
aunque en sus propiedades de intercambio son diferentes ya que supera a la
montmorillonita (150 meq/100 g). Es un mineral no abundante en los suelos. Ver
cuadro siguiente.
Barshad ha indicado que la
vermiculita tiene alrededor de 50% más de CIC que la Montmorillonita.
Investigaciones sobre las propiedades del humus muestran que
sus propiedades de intercambio pueden variar de 100 a 300 meq/100 g de
material. Las siguientes capacidades de intercambio son sugeridas para el
humus y los minerales arcillosos más importantes.
PROMEDIO DE CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO EN DIFERENTES MATERIALES
COLIDALES.
ORIGEN DE LAS CARGAS NEGATIVAS DE LOS COLOIDES (MINERALES
ARCILLOSOS).
El
origen de las cargas negativas de los coloides minerales (arcillas) puede explicarse
a partir de tres mecanismos:
1. Sustitución ismórfica. Durante la
formación de la montmorillonita algunos de los átomos de Al del estrato
octaédrico son reemplazados por el Mg. Esto puede ocurrir porque los dos átomos
son similares en tamaño así que el reemplazamiento de 1/6 de los átomos de Al
no causan distorsión excesiva en el retículo.
Como
la valencia del retículo original del Al es 3+ y la valencia del Mg es 2+ cada
sustitución deja el retículo con una carga negativa insatisfecha. Este es una
carga negativa permanente en el estrato octaédrico y es satisfecha por cationes que permanecen en el
exterior de la partícula o en estrecha proximidad de la superficie como el agua
adsorbida. Así pues una de las funciones más importantes de la arcilla es
retener centenares de kg de iones nutrientes en la capa arable. Estos iones son
retenidos con suficiente fuerza para retardar su movilización en el suelo por
efecto de los lavados pero pueden ser aún fácilmente utilizados por las
plantas. Ya se han indicado substituciones isomórficas en algunos minerales de
la arcilla. En el cuadro 3.9 se muestran algunas propiedades de los minerales
arcillosos.
2. La disociación de los iones H de
radicales OH expuestos en las aristas de las partículas de arcilla, se consideran
como una fuente adicional de sitios de adsorción de carga negativa.
3. La
ruptura de ligamentos en las aristas de las partículas dan origen tanto a la
adsorción de iones positivos y negativos
en todos los minerales arcillosos e inclusive a la orientación y retención de las moléculas de agua.
Los coloides orgánicos usualmente contienen mayores
cantidades de cargas negativas que parecen aumentar con la descomposición de la Materia Orgánica
(M.O.) Estas cargas electroquímicas pueden originarse de iones H
de los Grupos carboxilo, fenólico e imídico, según las expresiones, que se
muestran a continuación:
La
ionización de estos radicales es mayor en el grupo carboxilo (54% de las cargas
negativas de la M.O .), sigue el grupo fenólico (36%) y al
final se tiene el radical ímida (10%).
Muchos minerales de la arcilla químicamente son similares
al radical negativo de un ácido como PO4 o SO4. En otras
palabras, son núcleos complejos negativamente cargados los cuales se moverán
hacia el electrodo positivo cuando están sometidos a la acción de una
corriente eléctrica.
CAPACIDAD DE
INTERCAMBIO IONICO
INTERCAMBIO CATIONICO.
La
arcilla y los coloides orgánicos exponen de 40 a 800 m2 de área
superficial por gramo y por consiguiente son las porciones más activas, tanto
física como químicamente del suelo. Las
propiedades del suelo tales como adherencia,
plasticidad, hinchamiento, absorción de agua y carga eléctrica están
estrechamente relacionadas con el área superficial y la estructura de la arcilla.
Las arcillas que presentan una superficie específica grande son por lo general
de mayor carga eléctrica y de mayor capacidad de intercambio de cationes.
Los
cationes son adsorbidos por la arcilla y coloides orgánicos porque los coloides
negativos atraen cationes positivos. En forma similar los iones Cl-
negativos atraen iones Na+ positivos. Cuando el NaCl se disuelve,
otro catión como el K+ puede
reemplazar el Na+ para formar posteriormente al KCl. De igual
manera, los cationes en la solución del suelo pueden reemplazar los cationes
adsorbidos en las superficies del suelo. Una reacción de intercambio de
cationes se ilustra como sigue:
El Ca del Ca(OH)2
reemplaza a los iones del H intercambiables en una reacción de encalado
(aplicación de cal, material empleado como mejorador de suelos ácidos). La
reacción es reversible y
químicamente equivalente por ejemplo una
molécula de Ca2+ reemplaza a 2 de H+.
Las características del
suelo cambian con la clase y proporción de iones
intercambiables presentes. Por ejemplo, los suelos ácidos contienen apreciables
cantidades de H+ intercambiable y soluble; los suelos calcáreos
suelen estar 100% saturados de bases y
contienen altas proporciones de Ca2+
intercambiable y cal libre; los suelos "alcali" contienen
más del 15 % de Na+ intercambiable.
Los cationes
intercambiables están en equilibrio con los cationes en solución. Si los
cationes de la solución del suelo son absorbidos por las plantas, la reacción
anterior cambia a la derecha para renovar el abastecimiento. De este modo los cationes intercambiables son
una fuente importante de nutrientes para las plantas. En suelos normales los
cationes intercambiables grandemente exceden a los cationes solubles. Por
ejemplo por cada ion H+ en la solución del suelo habrá de 50 a 100,000 iones de H+
intercambiables.
Los iones disueltos en la
solución del suelo pueden fácilmente ser eliminados
por efecto del lavado debido a que se mueven con la solución del suelo. Los
cationes intercambiables son difíciles de remover por efecto del lavado a menos
de que la solución contenga una sal que suministre cationes que se intercambian
con los adsorbidos por los coloides.
La
fertilización con sales solubles en agua inmediatamente afectan cambios en la
concentración del catión fertilizante en la solución del suelo y en
los coloides del suelo. La aplicación de K como fertilizante aumenta la
cantidad de K+ intercambiable y la
cantidad de K+, Mg2+ y Ca2+ solubles.
EL MECANISMO DEL INTERCAMBIO DE CATIONES.
Tanto
en suelos ácidos como en los suelos calcáreos el Ca2+ es usualmente
el catión intercambiable predominante. Los suelos ácidos resultan de la
acumulación de H+ intercambiable en el suelo. Los cationes en la
solución del suelo reemplazan a los cationes adsorbidos en el proceso
denominado intercambio de cationes. Este
intercambio es rápido y reversible y las condiciones de equilibrio existen entre los
cationes solubles e intercambiables.
DEFINICIÓN DE LA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO. Los
suelos difieren en la cantidad de cationes adsorbidos que ellos contienen por
unidad de peso. Los miliequivalentes (meq) de cationes adsorbidos por 100 gr de suelo, es lo que se llama Capacidad
de Intercambio de Cationes. Entre más
alto sea el contenido de arcilla y de humus en un suelo mayor será la capacidad de
intercambio.
Otra definición de Capacidad de Intercambio
Catiónico es: La suma total de cationes
intercambiables que un suelo puede adsorber. Se denomina a veces
"capacidad total de intercambio de cationes", "capacidad de
intercambio de bases", o "capacidad de adsorción de cationes". Se expresa en meq/100 g de suelo u
otro material adsorbente como la arcilla.
El intercambio
de cationes se puede efectuar, entre un catión en la solución del suelo
y otro catión sobre cualquier material de superficie activa como la arcilla
o el material orgánico coloidal.
Otros términos
relacionados son:
Porcentaje de saturación de bases.- El
grado con el cual el complejo de adsorción de un suelo está saturado con
cationes intercambiables diferentes al H+ (Ca +
Mg + Na + K). Se expresa como porcentaje de la capacidad total
de intercambio de cationes.
Cationes importantes desde el punto de vista agrícola.-
Comúnmente se hace referencia al potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg),
hidrógeno (H) y sodio (Na).
En
suelos de regiones húmedas el porcentaje de saturación de bases es menor que en
los suelos de regiones secas. En el primer caso suele predominar el H+ adsorbido, mientras que en las
regiones áridas la saturación de cationes básicos puede ser del 90% o mayor.
Como
ejemplo ilustrativo considérese el caso siguiente: se trata de un suelo de clima templado, donde se tiene arcilla
montmorillonítica predominante y con una capacidad de intercambio de cationes
de 35 meq/100 g de suelo (Cuadro 8.1).
No todos los cationes
tienen igual poder de reemplazamiento en el complejo coloidal, la fuerza de
adsorción de un catión depende de su radio iónico, de su carga y de su grado de hidratación. Experimentalmente se ha encontrado el siguiente orden
descendiente de energía de adsorción catiónica, llamada serie liotrópica.
H >
Sr > Ba > Ca > Mg > Rb > K > NH4 > Na > Li
INTERCAMBIO DE ANIONES.
Numerosas investigaciones
han demostrado la existencia del intercambio
aniónico en los minerales arcillosos.
Se
ha observado que los fosfatos no se lixivian fácilmente del suelo sino
que son retenidos en forma que pueden ser removidos solamente por la extracción
con soluciones de varias sales ácidas o alcalinas.
Se ha encontrado que cantidades mucho mayores de sulfato pueden ser
extraídas de los suelos con arcillas del tipo 1:1 y de los de óxidos hidratados
de Fe y de Al con una solución de fosfato de K, en comparación a la
extracción con agua.
Los suelos poseen
propiedades de intercambio de aniones y los estudios
subsecuentes han mostrado que aniones tales como los
cloruros y nitratos pueden ser adsorbidos aunque no en el grado de los fosfatos
y sulfatos.
A diferencia del
intercambio de cationes, la capacidad de adsorción de aniones aumenta al bajar
el pH. Además, el intercambio de aniones es mayor en los suelos con alto
contenido de arcillas del tipo 1:1 y óxidos hidratados de Fe y Al.
El
mecanismo del intercambio de aniones se explica como sigue: un descenso en el pH del suelo incrementa la activación de los
grupos básicos por aumentar la aceptación de protones. Por ejemplo:
En esta posición el anión
se intercambiará por otros aniones presentes en la solución del suelo.
El intercambio de aniones
es una función que depende grandemente del pH, entre más ácido el suelo, mayor
es la proporción de adsorción de aniones. Debido a que la mayoría
de los suelos agrícolas tiene valores de pH al cual la adsorción de aniones
se manifiesta al mínimo, este fenómeno no es acentuado en condiciones de
campo y con la excepción de los fosfatos y de los sulfatos en menor grado, los aniones en su mayor parte son perdidos por lixiviación.
Al
considerar los factores que afectan los elementos del suelo se indica que el
complejo de intercambio de aniones, grandemente asociado con el cristal de la
arcilla. En arcillas como la halloysita y bentonita (es importante la
capacidad de intercambio aniónica), representan la misma función para los aniones, como el complejo de intercambio de
bases lo representa para los cationes.
El complejo de intercambio
de aniones, sin embargo, es mucho menor que el complejo de intercambio de bases
y por esto es que los aniones tienden a lixiviarse del suelo más fácilmente que
los cationes.
ANIONES IMPORTANTES
PARA LAS PLANTAS.
Se considera normal que
los suelos retengan aniones en forma intercambiable. Los aniones nutrientes H2P04-
(fosfatos), SO42- (sulfatos), y NO3-
(nitratos); son en mayor o menor proporción retenidos en una forma
intercambiable y en tal condición pueden ser utilizados por las plantas.
Los nitratos, son capaces
de un ligero intercambio aniónico bajo
condiciones ácidas, pero casi no se exhibe intercambio cuando el suelo tiene
una reacción próxima al punto neutro (pH 7.0). Esto significa que el
intercambio aniónico con los nitratos es prácticamente despreciable porque
tales iones no se forman fácilmente bajo condiciones ácidas, los sulfatos a su
vez están presentes en mayores cantidades, en su forma intercambiable, cuando
el suelo es ácido.
Los fosfatos son retenidos
en el suelo en mayores cantidades y entre más ácido sea el suelo mayor
proporción de fosfato será retenida. En general,
el orden relativo del intercambio aniónico es:
Respecto a la fijación de fosfatos.
Esta se puede llevar acabo en suelos calcáreos (pH de suelo de 7.5 a 8.5), donde abunda los
carbonatos de calcio y magnesio, compuestos que son recubiertos por fosfatos
adheriendose a aquellos, propiciando la precipitación en forma de fosfatos de
de calcio y magnesio relativamente insolubles. Así mismo los suelos
arcillosos fijaran más proporción de fosfatos que los suelos de textura media o
los arenosos. En contraste en pH acidos o inferiores de 5.5 forman fosfatos
de aluminio y hierro considerados como compuestos insolubles y poco
aprovechable para las plantas. La maxima disponibilidad de fosfatos se
proporciona entre los valores de pH de suelo entre 6 a 7.
FACTORES
QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD
DE INTERCAMBIO IONICO.
En las arcillas del tipo
2:1 la capacidad de intercambio se debe principalmente a las sustituciones isomórficas en las unidades octaédricas como
ocurre en la montmorillonita y vermiculita donde se tiene el 75% de estas cargas.
En las montmorillonitas,
cuyo peso molecular es de 700 y su capacidad
de intercambio de 90 a
110 meq/100 g, bastan substituciones de 1/13 de Si por Al y de 1/7 del Al por
Mg, para alterar el equilibrio de cargas.
Las substituciones
isomórficas hacen que la mayoría de los cationes adsorbidos se concentren en
las superficies basales apreciándose en la montmorillonita y vermiculita que el
75% de aquéllos se encuentran en dichas superficies.
La capacidad de
intercambio puede ser alterada por muchos factores, aunque los más importantes
son: el tamaño de las partículas, la temperatura, el medio externo y la alteración de las posiciones de cambio.
l. Tamaño de las partículas. La montmorillonita
afecta poco su capacidad de intercambio por el tamaño de
la partícula. No así en el caso de la illita y especialmente de la kaolinita.
Partículas de la illita menores de 0.06 micras presentan doble capacidad de
intercambio, que las partículas comprendidas entre 1.1 y 0.3 micras. En el
caso de la kaolinita este cambio es de casi 4 veces, mientras que la atapulgita
y saponita experimentan incrementos del 33 y 10% respectivamente. Tales
diferencias se deben a que tanto en la kaolinita e illita la mayor parte de las
cargas negativas provienen de la disociación de los OH marginales y
naturalmente serán tanto más numerosos cuanto más partículas quepan en el mismo
volumen.
2. Temperatura. En condiciones naturales la
influencia de este factor en la capacidad de intercambio es pequeña. A
temperaturas elevadas se ohser van cambios significativos.
Ejemplo en la montmorillonita - Ca, la CIC a 100°C es de unos 90 meq/100
g; a 300°C
es de 45 meq/100 g; y a 400°C
es de 14 meq/100 g.
3. Medio externo. En la mayoría de casos el
intercambio de cationes se produce cuando los iones están en solución, pero
también puede ocurrir la adsorción de las arcillas de los cationes en
suspensión. Además, los cationes en contacto
con los pelos radiculares pueden penetrar en ellos sin previa disolución,
intercambiándose con los existentes en la planta.
4. Alteración de las posiciones de cambio. Las
distorsiones producidas en la red a causa de las sustituciones isomórficas
pueden reducir la capacidad de intercambio, especialmente cuando el Al es
sustituido por el Mg, ya que el radio de éste supera netamente al del hueco de
los oxígenos octaédricos en el que se aloja.
FACTORES QUE REGULAN EL PODER DE INTERCAMBIO DE CATIONES.
El poder de intercambio entre cationes depende
principalmente de los factores siguientes:
1. Naturaleza del ión. Los cationes de la misma
valencia tienen un poder de sustitución que depende directamente de su tamaño,
algunos investigadores indican que en el poder de
sustitución influye la hidratación del ión, por lo que los cationes de igual
valencia son retenidos con mayor fuerza cuando menor es su hidratación.
2. Concentración. A mayor concentración de un catión
mayor es su poder de sustitución. Tal fenómeno es
más bien de naturaleza compleja. Se ha informado también que la concentración
tiene poco efecto en el intercambio cuando actúan pares de cationes de la misma
valencia (K - NH4),
(Ca - Ba), pero lo contrario es evidente cuando la valencia y poder de
sustitución son diferentes (Na – Ca), (NH4 – Ca).
4. Porcentaje de posiciones iónicas ocupadas. La
liberación de un ión depende de la naturaleza de los otros iones adsorbidos y
del porcentaje de posiciones ocupadas por los cationes. Se ha comprobado que a
medida que disminuye el Ca intercambiable, el que permanece adsorbido en la
arcilla se hace más difícil de sustituir ocurriendo lo contrario con el Na,
mientras que el Mg y K ocupan un lugar intermedio.
5. Calor. Se ha
indicado que el calor reduce la capacidad de intercambio pero sus efectos son
mucho más complejos ya que también disminuye el poder
de sustitución de cada catión en relación con el que ha de reemplazar. La
montmorillonita a 130°C
fija el Li en forma no intercambiable, sin afectar el poder de sustitución del
Na, mientras que a la temperatura ordinaria
el Li es reemplazado más fácilmente que el Na.
6. Naturaleza del
mineral. El amonio es más débilmente retenido por la kaolinita que por la
montmorillonita. La kaolinita cede más Ca que la illita y ésta mayor cantidad
que la montmorillonita. La liberación del Ca es tanto mayor cuanto más grande
es el porcentaje de saturación con Ca.
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