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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 IIUNIDADE II

COMPOSIÇÃO DA CROSTA TERRESTRE E DO SOLOCOMPOSIÇÃO 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 soloquímicas do soloAplicaçõesAplicações

Composição do Solo

Fase sólida

Fase gasosaFase 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 Argila2 mm 0,05 mm 0,002 mm

MacroMoléculas

Frações do solo

Por que estes

limites de tamanho

e não outros?

quartzo

Mineraisgeogênicosprimários

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 RochasÍgneas

Ultramáficas

BásicasBasalto/Gabro

Andesítico(Andesito e Diorito)

ÁcidasGranito/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

Estabilidade

Composição do solo – Fase sólida

Solo

Areia Silte Argila2 mm 0,05 mm 0,002 mm

MacroMoléculas

4

Solo

Areia Silte Argila2 mm 0,05 mm 0,002 mm

MacroMoléculas

Composição do solo – Fase sólida

Solo

Areia Silte Argila2 mm 0,05 mm 0,002 mm

MacroMoléculas

Composição do solo – Fase sólida

Solo

Areia Silte Argila2 mm 0,05 mm 0,002 mm

MacroMoléculas

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)

do objeto ou partícula

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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 5–20 m2 g-1

2:1 Vermiculita 300-500 m2 g-1

Montmorilonita 700-800 m2 g-1

Por que tanta diferença

entre a fração argila

e as outras frações ?

Diminui tamanho da partícula

ASE

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 !!!

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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

Mineraisgeogênicosprimários

Areia Silte Argila

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 Argila2 mm 0,05 mm 0,002 mm

MacroMoléculas

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 aluminio dominam;

• 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 SoloCa 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

Aum

ento

de

Si

Quartzo e minerais não intemperizáveis

Ric

o em

K

Feldspatos Ca,NaAugita

Hornblenda, etc

Muscovita

Biotita

Clorita

Feldspatos-K

Microclínio, etc

Minerais Primários

Solução do SoloAumento 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 emcontato com os minerais. A concentração na solução do solo decresceda esquerda para a diretia.

Formação de argilas residuais.

Aum

ento

de

Si

Quartzo e minerais não intemperizáveisR

ico

em K

Feldspatos Ca,NaAugita

Hornblenda, etc

Muscovita

Biotita

Clorita

Feldspatos-K

Microclínio, etc

Minerais Primários

Soluçãodo SoloA diluição aumenta

Ilita

Vermiculita

Clorita

Argilas

Residuais

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

Alofanas

Síntese das argilasMaterial amorfo

Aum

ento

de

Si

Quartzo e minerais não intemperizáveis

Ric

o em

K

Feldspatos Ca,NaAugita

Hornblenda, etc

Muscovita

Biotita

Clorita

Feldspatos-K

Microclínio, etc

Minerais Primários

Soluçãodo SoloAumento na diluição

Ilita

Vermiculita

Clorita

Argilas

Residuais

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.

MaterialAmorfo

Alofanas

Ferri-hidrita

Decréscimo de pH

Hema-tita

Óxidos de Ferro Cristalizados

Incr

easi

ng S

i

Quartzo e minerais não intemperizáveis

Ric

o em

K

Feldspatos Ca,NaAugita

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

Goethita forma-se em baixas concentrações de hidróxidos de ferro, normalmente em condições mais úmidas e na presença da matéria orgânica.

Decréscimo de pH

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Hema-tita

Óxidos de Ferro Cristalizados

Incr

easi

ng S

i

Quartzo e minerais não intemperizáveis

Ric

o em

K

Feldspatos Ca,NaAugita

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 ArgilasArgilas 2:1

Incr

easi

ng S

i

Quartzo e minerais não intemperizáveis

Ric

o em

K

Feldspatos Ca,NaAugita

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 equilibriocom a Si amorfa. Ocorrem em regiõessemi-áridas ou em depressões onde olençol 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 Sicaulinita

OH

Topo

Cargas na caulinita

6(OH)4 Al

4O, 2(OH)

4 Si6 O

Composição dos planos

Cargas

- 6+ 12- 10+ 16- 12

Carga Total 0

Lâmina de caulinitaTopo

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

OSi

O, OHAl

O, OHSiO

Coordinação

Tetraédrica

Tetraédrica

Octaédrica

Modelo de Montmorilonita

Mg

O OH Si Al

Vista dos octaedros de Al em Lâmina de argila 2:1

Al

O

OH

Hidróxidos de Alumínio

Minerais Primários

Al(OH)x . (H2O)ylibera

X +Y = 6

Al(H2O)6+++ + H2O Al(OH) (H2O)5

++ + H3O+

Al(OH) (H2O)5++ + H2O Al(OH)2(H2O)4

+ + H3O+

Al(OH)2(H2O)4+ + H2O Al(OH)3(H2O)3 + H3O+

Al(OH)3 + 3H2O

Gibbsita

Acidez produzida

Modelo da Gibbsita - Al(OH)3

OH Al

Lâmina de Gibbsita

OHAl

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)3 e 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.

Elevaçoes ElevaçoesDepressões

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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

Lâminas dioctaedrais Lâminas trioctaedrais

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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

expandem e outros não?

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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

• Não se expandem

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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 quantidades.

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Kaolinite

SiAl

SiAl

SiAl

SiAl

joined by strong H-bondno 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

SiAlSi

SiAlSi

SiAlSi

0.96 nm

joined by weakvan 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 waterBentonite

swells on contact with water

Illite

SiAlSi

SiAlSi

SiAlSi

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

ALU

MIN

OSI

LIC

ATO

S PR

IMÁ

RIO

S

Alto

em

KAl

to 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 basesRápida remoção de bases

Clima úmido e quente (- Si)

Componente Tipo de mineral

CTC(cmol+kg-1)

ASE (m2 g-1)

Espaça-mento

(nm)

Expansi-vidade

Dependência da carga com o pH

Atividadecoloidal

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

Resumo filossilicatos