Faza solida a solului

Faza solida a solului

Este alcatuita din fractiunea minerala , in proportie de 90-95% din faza solida, si din fractiunea organica, 5-10 % din faza solida.

1.Fractiunea minerala este formata din fragmente de diverse dimensiuni, de la nisipuri grosiere, la mal si argila (fractiunea coloidala, cu diametrul de cativa microni).

Fractiunea minerala se poate clasifica astfel:

a). dupa provenienta: - minerale primare rezultate prin dezagregarea rocilor eruptive si metamorfice, compozitia lor chimica ramanand relativ neschimbata dupa dezagregare;

- minerale secundare rezltate din roci sedimentare sau din alterarea mineralelor primare;

b). dupa compozitia chimica: silicati si aluminosilicati.

Silicatii reprezinta fractiunile granulometrice nisip si praf, intrand in compozitia acestora in proportie de 50-90%. Celula cristalografica a silicatilor este reprezentata de tetraedrul de SiO₄, atomul de siliciu fiind asezat in centrul tetraedrului. Fiecare tetraedru are 4 sarcini libere ( SiO₄, anionul ortosilicat), ele putand fi neutralizate cu cationi bazici sau prin unirea tetraedrelor. Unirea se face prin punerea in comun a atomilor de oxigen din varful tetraedrelor rezultand , rezultand anioni pirosilicat Si₂O₇^-6. Prin unirea mai multor tetraedre, rezulta catene macromoleculare cu formula (SiO₃)n^2n-. Daca se unesc mai multe lanturi de tetraedre, se formeaza anioni macromoleculari bidimensionali cu structura ciclica, avand formula Si₂O₅^2-. Prin suprapunerea a doua lanturi de tetraedre si unirea lor prin valentele libere ale oxigenului, rezulta retele macromoleculare tridimensionale. Tetraedrele se pot uni si sub forma de cicluri cu formula ( SiO₃)_n^-2n.

Aluminosilicatii sunt alcatuiti din tetraedre de siliciu si octaedre de aluminiu. In centrul octaedrului se afla ionul Al³⁺, iar in varfuri 6 atomi de O sau grupari HO^- la distante egale de ionul Al³⁺. Prin unire octaedrele si tetraedrele formeaza foite, care prin suprapunere alternativa genereaza structura aluminosilicatilor. Legatura dintre foite se face prin intermediul unui atom de oxigen de la fiecare tetraedru, care inlocuieste o grupare hidroxil din octaedru.

Principalele minerale ce se gasesc in scoarta terestra sunt:

feldspati: sunt aluminosilicati anhidri de potasiu, sodiu si calciu;

cuart: cuartul este oxidul de siliciu cristalin. Se mai poate gasi ca silice libera sau nisip;

micele: sunt aluminosilicati de potasiu, in care se mai pot gasi, in proportii variabile si fier, magneziu sau sodiu;

calcar: este carbonatul de calciu, in combinatie cu carbonatul de magneziu formeaza dolomitul;

hornblenda si augitul: sunt minerale fero-magneziene, care contin in proportii variabile silicati de calciu, magneziu, fier si sodiu;

olivine si serpentine: olivinele sunt silicati de fier si magneziu de culoare verde. Serpentinele sunt silicati hidratati de magneziu;

argilele: sunt aluminosilicati hidratati (minerale secundare);

alte minerale: turmalina - boroaluminosilicat de metale alcaline si fier sau magneziu; rutil - oxid de titan; zircon-silicat de zinc; glauconit - silicat hidratat de fier si magneziu; apatite - fosfati de calciu; sulfati.

2.Fractiunea organica este o sursa energetica pentru flora microbiana si un factor de care depinde in mare parte, starea de fertilitate a solului. Este alcatuita din:

substante organice nehumificate : glucide, lignine, proteine, grasimi, rasini, taninuri, etc.,

substante organice specifice solului ( humusul). Componentele humusului sunt: acizii humici ( imprima culoarea bruna a solului), acizii fulvici si humina.

substante intermediare de descompunere a resturilor vegetale sau animale : acizi organici, aminoacizi, glucide, grasimi, rasini, aldehide, chinone, fenoli, etc.

Materia organica este o componenta importana a solului, avand urmatoarele roluri:

imbunatateste proprietatile fizice ale solului: contribuie la formarea structurii, porozitatii si la retinerea apei;

reduce pierderile de elemente nutritive prin eroziune;

imbunatateste aprovizionarea cu nutrienti (N, P si S);

mareste capacitatea de schimb cationic a solului;

contribuie la solubilizarea substantelor nutritive;

protejeaza unele elemente nutritive de la retrogradare, fixare in forme neschimbabile, sau de la pierderi prin levigare;

are capacitate de chelatare a ionilor metalici ( Fe, Zn, B, Cu, Mo, Co).

3. Coloizii solului

Fractiunea solului implicata in nutritia plantelor este fractiunea coloidala ( coloizii).

Coloizii sunt particule foarte mici, care nu se dizolva, ci raman dispersate in mediul de dispersie ca urmare a dimensiunilor reduse si a sarcinilor electrice. Ei poseda proprietati coloidale care sunt cu atat mai intense cu cat dimensiunea particulelor este mai mica. Cele mai importante proprietati coloidale sunt: suprafata specifica mare si capacitatea de a retine solide, gaze, saruri sau ioni. In functie de natura lor, coloizii solului determina proprietatile acestuia. Coloizii se pot gasi sub forma unui film gelatinos subtire in jurul unor particule de dimensiuni mari, sau pot ocupa spatiul dintre particulele mai mari avand rol de material de legatura.   

Particulele coloidale cu sarcini de acelasi fel se resping, ramanand in stare de dispersie, fara a precipita, ca urmare a potentialului lor cinetic.Pe masura micsorarii sarcinii particulelor de acelasi semn si scaderii potentialului cinetic, coloizii se unesc, trecand sub forma de precipitat (gel).

Procesul de unire a particulelor coloidale si de trecere din stare dispersa (de sol) in stare de gel se numeste coagulare. Procesul invers, de trecere din stare de gel in stare dispersa, se numeste peptizare.

Coagularea coloizilor are loc in mod diferit in functie de natura lor:

coloizii puternic hidratatii (hidrofili), ex.: substantele organice, mineralele din grupa montmorillonitului, coaguleaza mai greu;

coloizii slab hidratati (hidrofili), ex.: hidroxizii de fier si aluminiu, caolinitul, coaguleaza mai usor.

Procesul de coagulare mai depinde si de urmatorii factori:

natura, valenta si energia ionilor adsorbiti: capacitatea de coagulare a cationilor creste de la Fe³⁺ la Li⁺, conform sirului: Fe³⁺> Al³⁺> Ba²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺> H⁺> K⁺ > NH₄⁺ > Na⁺ > Li⁺. Atunci cand coloizii sunt saturati cu ioni monovalenti (K⁺, H⁺) ei se gasesc mai ales in stare dispersa. Prin inlocuirea cationilor monovalenti cu cationi bivalenti sau trivalenti, are loc coagularea coloizilor si formarea unei structuri hidrostabile;

pH-ul solului: reactia acida favorizeaza trecerea in stare dispersa a unor coloizii, ex.: Al(OH)₃, in timp ce reactia alcalina favorizeaza coagularea oxizilor de fier si trecerea in stare dispersa a coloizilor organici si a unor coloizi minerali.

Sub influenta unor factori, cum ar fi: umezirea, uscarea, inghetul, lumina, modificarea pH-ului, coloizii pot suferi un proces de"imbatranire" care nu presupune modificarea compozitiei chimice si mineralogice a acestora, ci doar a unor proprietati: scade capacitatea de adsorbtie, devin hidrofobi, pot cristaliza partial.

Coloizii au cel mai inalt grad de dispersie, si rolul cel mai important in nutritia plantelor cu elemente nutritive.

Coloizii solului pot fi:

a). de natura organica: acizi humici, huminici, proteine si alti compusi organici. Pot avea urmatoarele grupari reactive:

gruparea carboxilica:

humus - COOH ↔ humus - COO^- + H⁺ ,

gruparea fenolica

H₅C₆ - OH ↔ H₅C₆ - O^- + H⁺,

In ambele cazuri datorita incarcarii electronegative, particula poate atrage cationi.

grupare aminica

humus - NH₂ ↔ humus - NH₃⁺, datorita incarcarii electropozitive particula poate atrage anioni

Datorita gruparilor acide mai numeroase, humusul are un caracter electronegativ , deci retine si face schimb de cationi. Peste 50% din retinere are loc la gruparile carboxilice -COOH, 40% la cele hidroxilice -OH si doar 10% la gruparile aminice -NH₂. Humusul are urmatoarele caracteristici: o suprafata mare in raport cu volumul, sarcina negativa datorata gruparilor carboxilice si fenolice, o capacitate de schimb cationic dependenta de pH - mica la valori mici ale pH-ului. Cand pozitiile sale de schimb sunt saturate cu ioni de hidrogen poate extrage ionii nutritivi din minerale prin dizolvare, retinandu-i pentru ai pune apoi la dispozitia plantelor. Humusul este implicat in procesele de oxido-reducere din sol.

Proteinele din sol se comporta ca si substante amfotere, intrucat detin atat grupari carboxilice, cat si aminice.

b). de natura minerala. Coloizii minerali pot fi de doua feluri:

- de natura argiloasa si structura cristalina, rezultati din alterarea silicatilor si aluminosilicatilor in mediu bazic :

K₂O . 6SiO₂. Al₂O₃ + H₂O + CO₂ → Al₂O₃. 2SiO₂. H₂O + K₂CO₃ + 4SiO₂

Ortoza    caolinit

Dupa alterare, rezulta minerale argiloase care pot retine cationi prin intermediul ionilor de oxigen exteriori, al gruparilor hidroxilice exterioare sau in urma substituirii izomorfe a Si⁴⁺ sau Al³⁺ cu alti cationi cu raza ionica apropiata. In coordinarea tetraedrica Si⁴⁺ este inlocuit cu Al³⁺, iar in coordinarea octaedrica Al³⁺ este substituit de Mg²⁺, K⁺, Fe²⁺, Fe³⁺. Sarcinile ramase libere in urma substitutiilor izomorfe sunt permanente si nu sunt dependente de pH.

Datorita dimensiunilor reduse, coloizii minerali de natura argiloasa sunt foarte reactivi si constituie baza schimbului de ioni din sol, controland adsorbtia, retinerea si eliberarea multor nutrienti ai plantelor, cum ar fi potasiu, calciu, magneziu si fosfor.

Principalii coloizi minerali de natura argiloasa sunt:

caolinitul: reteaua cristalina este formata din pachete de cate doua foite, una de tetraedre de SiO₄, iar alta de octaedre de Al(OH)₆^3-, legate intre ele prin atomi de oxigen (retea de tip 1:1). Pachetele sunt legate intre ele prin intermediul atomilor de oxigen si al gruparilor OH^-, care impiedica extinderea retelei cand mineralul vine in contact cu apa. Acest mineral are o suprafata specifica mica si o capacitate de schimb cationic redusa.

montmorillonitul: reteaua cristalina este formata din pachete alcatuite, fiecare din cate trei foite - doua de tetraedre de siliciu intre care se afla o foita de octaedre de aluminiu ( retea de tip 2:1). Pachetele sunt legate intre ele prin legaturi oxigen-oxigen, care sunt mai slabe, permitand patrunderea moleculelor de apa incarcate cu diversi ioni. Aceasta structura confera montmorillonitului proprietatea de a se imbiba cu apa, deci are retea expandabila, ceea ce inseamna ca in stare uscata spatiul dintre pachete se reduce, iar in stare umeda creste. In reteaua cristalina a montmorillonitului pot exista substitutii izomorfe ale Al³⁺ cu Fe²⁺ sau Mg²⁺. Montmorillonitul are o suprafata specifica mare si o capacitate de schimb cationic ridicata.

illitul: are o retea cristalina asemanatoare cu cea a montmorillonitului. Aproximativ 15% din ionii Si⁴⁺ sunt inlocuiti cu ioni Al³⁺ sau K⁺, care participa, alaturi de atomii de oxigen, la asigurarea legaturilor dintre foite. Ca urmare, este mai putin expandabil decat montmorillonitul si are o capacitate de schimb cationic intre cea a colinitului si cea a montmorillonitului.

- de natura neargiloasa:

1). cu structura cristalina: reprezentati de oxizi, hidroxizi si oxihidroxizii de Fe si Al cristalini

2). cu structura amorfa: reprezentati de Fe(OH)₃ si Al(OH)₃, care au un caracter amfoter

in mediu acid se comporta ca baze:

[Al(OH)₃]_n + H₃O⁺ ↔ [Al_n(OH)_3n+1]^- + 2H⁺

in mediu bazic se comporta ca acizi:

[Al(OH)₃]_n ↔ [Al_n(OH)_3n-1]⁺ + HO^-

c). de natura organominerala. Micela coloidala.

Sunt complexe argilo-humice.

Alcatuirea micelei coloidale. Mineralele argiloase sau neargiloase, cristaline sau amorfe, singure sau impreuna cu substantele humice formeaza un nucleu. La suprafata lui se afla un strat de ioni negativi ( anioni), numit strat determinant de potential sau strat anionic. In jurul nucleului astfel ionizat, se afla un dublu strat de ioni pozitivi ( cationi):

primul strat este format din cationi puternic legati, imobili, nedisociati;

al doilea strat este format din cationi mobili, disociati, denumit strat exterior sau strat difuz.

Nucleul si straturile de ioni constituie micela coloidala. Ionii din micela sunt hidratati si se pot considera ca facand parte dintr-o solutie, denumita solutie micelara.