Aula 9

Química dos Solos Química dos Solos -- Parte IParte I

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Instituto de Ciências ExatasDepartamento de Química

QUI106 - Química Analítica Ambiental

Química dos Solos Química dos Solos -- Parte IParte I

Solos e sedimentos-- Definição e composição químicaDefinição e composição química-- Uso como indicador de poluiçãoUso como indicador de poluição-- Propriedades físicoPropriedades físico--químicas e a fertilidade do soloquímicas e a fertilidade do solo

Prof. Rafael Arromba de SousaJuiz de Fora, 2013

1

A A ListosferaListosfera e o Soloe o Solo

OO solosolo éé umum dosdos componentescomponentes dadaLITOSFERALITOSFERA,, aa qualqual constituiconstitui umum dosdos trêstrêsambientesambientes físicosfísicos dodo planeta,planeta, tambémtambémchamadochamado dede crostacrosta terrestreterrestre ��

2

SoloSolo e RochasRochas (ígneas, sedimentares ou metamórficas)

DefiniçãoDefinição::Resultado das interações da litosfera, hidrosfera e atmosfera

OrigemOrigem:Data de milhares de anos � intemperismo causado pelas chuvas ácidas evariações de temperatura sobre as rochas superficiais (erupções vulcânicas)

1) Fotos dos tipos de rochas que podem ser encontrados na litosfera

1.1) Exemplos de rochas ígneas (magmáticas)

A A ListosferaListosfera e o Solo e o Solo -- As rochas

Imagem da rocha magmática Imagem da rocha magmática basaltobasalto

Imagem da rocha magmática Imagem da rocha magmática granitogranito

�� Formadas pela consolidação do magmaFormadas pela consolidação do magma

1) Fotos dos tipos de rochas que podem ser encontrados na litosfera

1.2) Rochas sedimentares

A A ListosferaListosfera e o Solo e o Solo -- As rochas

Formadas pela sedimentação de diferentes materiais ao longo dos anos

Imagem de rocha magmática Imagem de rocha magmática sedimentarsedimentar

1) Imagens dos tipos de rochas que podem ser encontrados na litosfera

1.3) Ex de rochas metamórfica

A A ListosferaListosfera e o Solo e o Solo -- As rochas

Formadas a partir de rochas magmáticas e sedimentares

Imagem de uma rocha de Imagem de uma rocha de xistoxisto, rocha magmática , rocha magmática metamórficametamórfica

Esta rocha, ao contrário das anteriores (que podem ter usos gerais, como naconstrução civil), alguns tipos de xisto são usados para produzir energia

Composição Química do SoloComposição Química do Solo

Ponto de vista MACROSCÓPICOPonto de vista MACROSCÓPICO

Solo é composto por Solo é composto por 3 fases 3 fases cujas proporções podem variarcujas proporções podem variar

-- sólidasólida ((mineraisminerais e e matéria orgânicamatéria orgânica))

-- líquidalíquida (água) (água) �� constitui a chamada “solução do solo” (água + substâncias dissolvidas)constitui a chamada “solução do solo” (água + substâncias dissolvidas)

6

-- gasosagasosa (gases como O(gases como O22 e Ne N22))

Solo para plantio Solo para plantio �� 50% (sólida) : 25% (líquida) : 25% (gás)50% (sólida) : 25% (líquida) : 25% (gás)

Porção mineral (fase sólida) Porção mineral (fase sólida) �� ARGILAARGILA

-- Mineral originado de silicatos (substituição de íons): categoria de Mineral originado de silicatos (substituição de íons): categoria de aluminosilicatosaluminosilicatos-- Partículas com diâmetros < 2 Partículas com diâmetros < 2 µmµm-- Constituem uma reserva de nutrientes minerais para as plantas Constituem uma reserva de nutrientes minerais para as plantas

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase sólida

Para lembrar...Para lembrar...

SilicatosSilicatos são partículas formadas por estruturas poliméricas de são partículas formadas por estruturas poliméricas de SiOSiO4444--

�Podem estar organizados de diversas formas(ver página 553 em Baird C, Química Ambiental, 2ª Ed)

7

Difícil solubilização (“Difícil solubilização (“problemaproblema” para a ” para a análise químicaanálise química): (SiO): (SiO22))nn

�� Abertura TOTAL Abertura TOTAL de amostra: de amostra:

SiOSiO22 (s)(s) + O+ O22-- �� SiOSiO3322--

(fusão(fusão alcalina)alcalina)

∆

É a transformação química de uma amostra sólida em uma outra formaÉ a transformação química de uma amostra sólida em uma outra formasólida, a qual é facilmente solúvel em água ou ácidos diluídossólida, a qual é facilmente solúvel em água ou ácidos diluídos

Quando for necessário realizar uma “Quando for necessário realizar uma “determinação totaldeterminação total” ” dos dos constituintes inorgânicosconstituintes inorgânicos de uma amostra de solo:de uma amostra de solo:

�� Procedimentos de Procedimentos de aberturaabertura de amostra (via seco)de amostra (via seco)

�� Procedimento de Procedimento de digestão (digestão (via úmida)via úmida)

SiOSiO22 + 6 + 6 HFHF → H→ H22SiFSiF66 + 2 H+ 2 H22OO

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase sólida

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SiOSiO22 + 6 + 6 HFHF → H→ H22SiFSiF66 + 2 H+ 2 H22OO

Uso deUso deHFHF

Utilizar EPIsUtilizar EPIsapropriadosapropriados

Não utilizar Não utilizar materiais de materiais de

vidrovidro

Neutralizar oNeutralizar oexcesso de ácidoexcesso de ácido

HÚMUSHÚMUS

Material orgânico que dá ao solo sua cor escura (“castanhoMaterial orgânico que dá ao solo sua cor escura (“castanho--amarronzada”)amarronzada”)

Constituído por vegetais e animais parcialmente decompostosConstituído por vegetais e animais parcialmente decompostos

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase sólidaA Matéria OrgânicaA Matéria Orgânica

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Imagem de uma porção de Imagem de uma porção de húmus, retirada do solohúmus, retirada do solo

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase sólidaO HúmusO Húmus

-- TornaTorna--sese enriquecidoenriquecido comcom nitrogênionitrogênio emem relaçãorelação aoao materialmaterial originaloriginal

(perda de CO2)

-- ApresentaApresenta váriasvárias substâncias,substâncias, comocomo proteínasproteínas ee ligninalignina

-- OsOs compostoscompostos comcom gruposgrupos ácidosácidos (( -COOH)) �� ácác.. húmicohúmico ee fúlvicofúlvico

� Importantes para “estabilizar” espécies metálicas, solúveis em meio alcalino

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ÉÉ formadoformado naturalmentenaturalmente (espontaneamente)(espontaneamente) porpor bactériasbactérias ee fungosfungos dodo solosolo(organismos(organismos decompositores)decompositores)

ProcessoProcesso

-- DependeDepende tambémtambém dede outrosoutros fatoresfatores:: umidadeumidade ee temperaturatemperatura-- PodePode serser induzidoinduzido pelopelo homemhomem

� Importantes para “estabilizar” espécies metálicas, solúveis em meio alcalino

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase Gasosa

Apresenta os mesmos constituintes do ar mas com algumas diferenças nas suas Apresenta os mesmos constituintes do ar mas com algumas diferenças nas suas

proporçõesproporções

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�������� SolosSolos BEMBEM AREJADOSAREJADOS garantemgarantem bombom desenvolvimentodesenvolvimento radicularradicular

-- SolosSolos cinzentoscinzentos indicamindicam baixabaixa aeraçãoaeração

-- amônioamônio (NH(NH44++))

�������� OO NN22 éé oo MAISMAIS IMPORTANTEIMPORTANTE -- uréiauréia-- nitratonitrato (NO(NO33

--))

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase Gasosa

Presença das formas acessíveis de nitrogênioPresença das formas acessíveis de nitrogênio

Fertilidade do soloFertilidade do solo

�� Transformação do nitrogênio orgânico nas formas acessíveis: Transformação do nitrogênio orgânico nas formas acessíveis: Fixação de nitrogênioFixação de nitrogênio

-- Natural Natural

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-- Natural Natural -- Uma das etapas envolve ação bacterianaUma das etapas envolve ação bacteriana-- Pode ser favorecido com o uso de certosPode ser favorecido com o uso de certos

cultivares cultivares

�� Reações:Reações:

Bactérias Rhizobium

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase Gasosa

Lembrando...Lembrando...

A fixação de nitrogênio influencia o equilíbrio entre os ciclos A fixação de nitrogênio influencia o equilíbrio entre os ciclos biogeoquímicos biogeoquímicos

�� OO NN22 fixadofixado podepode retornarretornar àà atmosferaatmosfera:: desnitrificaçãodesnitrificação

ReaçãoReação::

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A atmosfera recebe continuamente NA atmosfera recebe continuamente N22 tanto da hidrosfera quanto da litosfera, tanto da hidrosfera quanto da litosfera, proveniente da decomposição da matéria orgânicaproveniente da decomposição da matéria orgânica

O uso O uso de de fertilizantes fertilizantes aumenta o aporte de Naumenta o aporte de N22 do solos para a atmosferado solos para a atmosfera

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fixação de substâncias

OutrasOutras substânciassubstâncias podempodem serser fixadasfixadas nono solosolo ee tambémtambém emem sedimentosedimentos,s,dependendodependendo dasdas suassuas característicascaracterísticas

SEDIMENTOS:AgregadosAgregados dede partículaspartículas mineraisminerais ee dedepartículaspartículas orgânicas,orgânicas, queque sese encontramencontram ememcontatocontato comcom aa parteparte inferiorinferior dede corposcorpos dede águaágua

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Fixação de metais “pesados” Fixação de metais “pesados” em em solossolos e em e em sedimentossedimentos

Camada superficial do solo

teoricamenteteoricamenteacessível a raízesacessível a raízes

Frações com as quais entram em contato

teoricamenteteoricamente acessível a acessível a organismos aquáticosorganismos aquáticos

ACÚMULOACÚMULO

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fixação de substâncias

OutrasOutras substânciassubstâncias podempodem serser fixadasfixadas nono solosolo ee tambémtambém emem sedimentossedimentos,,dependendodependendo dasdas suassuas característicascaracterísticas

Meios de fixação Meios de fixação de metais “pesados” de metais “pesados”

em em solossolos e em e em sedimentossedimentos

Adsorção sobre partículas minerais Adsorções

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Adsorção sobre partículas minerais

Complexação pelos ác. húmicos

Reações de precipitação(forma de sulfetossulfetos)

Adsorções (superfície interna dos poros no caso dos poluentes orgânicospoluentes orgânicos)

Reações de precipitação(forma de sulfetossulfetos)

Dependem do pH da solução do soloDependem do pH da solução do solo

A correção do pH A correção do pH (utilizando cal, p. ex) tende a (utilizando cal, p. ex) tende a diminuir a disponibilidade de diminuir a disponibilidade de

espécies como Cdespécies como Cd2+2+

Dependem do pH da águaDependem do pH da água

SE não houver interferência SE não houver interferência de microorganismos, espécies de microorganismos, espécies

como como HgSHgS permanecem permanecem imobilizados imobilizados

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fixação de substâncias

Metais “pesados”, Metais “pesados”, PAHsPAHs e Pesticidas em e Pesticidas em SOLOSSOLOS e e SEDIMENTOSSEDIMENTOS

INDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTALINDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTAL

Sedimentos: avaliação temporal (profundidade)Sedimentos: avaliação temporal (profundidade)

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MASMAS a toxicidadea toxicidade: depende da : depende da forma químicaforma química

Métodos especiação (solos e sedimentos)Métodos especiação (solos e sedimentos)

Técnicas de amostragem (solos)Técnicas de amostragem (solos)“LANÇAR MÃO”“LANÇAR MÃO”

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fixação de substâncias

Metais “pesados”, Metais “pesados”, PAHsPAHs e Pesticidas em e Pesticidas em SOLOSSOLOS e e SEDIMENTOSSEDIMENTOS

INDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTALINDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTAL

Exemplo-

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Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fixação de substâncias

INDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTALINDICADORES DE POLUIÇÃO AMBIENTAL

Exemplo-

ALGUNS ASPECTOSALGUNS ASPECTOS

-- Estudou o desempenho da extração sobre pressãoEstudou o desempenho da extração sobre pressão

-- Empregou material de referência certificadoEmpregou material de referência certificado

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-- Empregou material de referência certificadoEmpregou material de referência certificado

-- A extração com A extração com SoxhletSoxhlet foi usada como referência para avaliar os resultadosfoi usada como referência para avaliar os resultados

-- Realizou as análises por GCRealizou as análises por GC--MSMS

�� O aumento da T melhora a eficiência da extração para a maioria dos O aumento da T melhora a eficiência da extração para a maioria dos analitosanalitos

�� À 200 À 200 ooCC houve degradação parcial de alguns houve degradação parcial de alguns dibenzofuranosdibenzofuranos cloradosclorados

�� O desempenho do método pode variar se aplicado a amostras de soloO desempenho do método pode variar se aplicado a amostras de solo

Composição Química do Solo Composição Química do Solo –– Fase Líquida

Solução de Solução de eletrólitoseletrólitos e e substâncias orgânicas solúveissubstâncias orgânicas solúveis que envolve a que envolve a fase sólidafase sólidae que está em equilíbrio com a mesmae que está em equilíbrio com a mesma

PRINCIPAIS ELETRÓLITOS:H+, Na+, K+, NH4

+, Ca2+, Mg2+, Al3+, SO42-, NO3

-, PO43-, CO3

2-, ...Define o pH do soloDissociação de ác. fracosTroca iônica na superfície dos minerais

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A A água do soloágua do solo contém os contém os nutrientes necessários para o desenvolvimento das para o desenvolvimento das plantasplantas

Nutrientes que Nutrientes que provém do solo provém do solo e se dissolvem na águae se dissolvem na água

Importância da umidade no soloImportância da umidade no solo

� Solos argilosos concentram mais água do que solos arenosos

ComposiçãoComposição QuímicaQuímica dodo SoloSolo --Propriedades Físico-químicas

Estão relacionadas à sua Estão relacionadas à sua fração argila fração argila �������� Define o tamanho das partículasDefine o tamanho das partículas

ARGILAPartículas de Partículas de aluminossilicatosaluminossilicatos com com ϕϕ < 0,002 mm< 0,002 mm

�������� Origina os Origina os microporosmicroporos e retém e retém bastantebastante águaágua

Demais frações minerais do solo:Demais frações minerais do solo:

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Demais frações minerais do solo:Demais frações minerais do solo:

SILTEPartículas de quartzo (maioria) com Partículas de quartzo (maioria) com ϕϕ entre 0,002 entre 0,002 –– 0,05 mm0,05 mm

�������� Origina poucos poros, “adensa” o solo e retém Origina poucos poros, “adensa” o solo e retém poucapouca águaágua

AREIAPartículas de quartzo com Partículas de quartzo com ϕϕ entre 0,05 entre 0,05 –– 2 mm2 mm

�������� Origina os Origina os macroporosmacroporos, facilita a aeração e retém , facilita a aeração e retém pouca pouca águaágua

Solos com pouca água Solos com pouca água �������� menos nutrientes disponíveis ...menos nutrientes disponíveis ...

ComposiçãoComposição QuímicaQuímica dodo SoloSolo --Propriedades Físico-químicas

Dependendo da proporção dessas frações Dependendo da proporção dessas frações

Solos com diferentes características químicasSolos com diferentes características químicasTipo de aproveitamento para a agricultura depende dos seguintes parâmetrosTipo de aproveitamento para a agricultura depende dos seguintes parâmetros

�������� ACIDEZACIDEZ:: dadadada pelapela presençapresença dede íonsíons HH++

Determinada por potenciometria (pH) ou por titulação

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Determinada por potenciometria (pH) ou por titulaçãoAnáliseAnálise éé feitafeita emem diferentesdiferentes meiosmeios (água,(água, soluçãosolução dede KClKCl ee soluçãosolução dede CaClCaCl22))

�������� MATÉRIAMATÉRIA ORGÂNICAORGÂNICA:: dadadada teorteor dede substânciassubstâncias orgânicasorgânicasDeterminada por técnicas instrumentais ou calcinação

�������� ALUMÍNIOALUMÍNIO SOLÚVELSOLÚVEL:: concentraçãoconcentração dede íonsíons AlAl33++ queque ocorremocorrem emem solossolos ácidosácidosDeterminado por técnicas espectrométricas de análise, como a de absorção atômica

�������� MACRONUTRIENTESMACRONUTRIENTES –– K,K, Ca,Ca, MgMg ee PP:: concentraçãoconcentração dasdas espéciesespécies KK++,, CaCa22++,, MgMg22++ ee POPO4433--

Determinados por técnicas espectrométricas de análise (PO43- é medido como P)

ComposiçãoComposição QuímicaQuímica dodo SoloSolo --Propriedades Físico-químicas

Expressão dos resultados analíticosExpressão dos resultados analíticos

�� OsOs resultadosresultados analíticosanalíticos podempodem serser expressosexpressos dede diversasdiversas formasformas�� AlgumasAlgumas delasdelas “combinam”“combinam” resultadosresultados dede análisesanálises diferentesdiferentes

Exemplos:Exemplos:

-- SOMASOMA DASDAS BAESBAES ((SS)):: dadadada pelapela somasoma dosdos elementoselementos alcalinosalcalinos

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-- CAPACIDADECAPACIDADE DEDE TROCATROCA CATIÔNICACATIÔNICA ((CTCCTC)):: expressaexpressa aa capacidadecapacidade dede trocartrocar cátionscátionsCalculada pelo somatório da quantidade de analitos “positivos” em relação à massa deamostra seca

-- SATURAÇÃOSATURAÇÃO DASDAS BASESBASES ((VV)):: expressaexpressa aa relaçãorelação entreentre aa quantidadequantidade dede elementoselementosalcalinosalcalinos ee osos demaisdemais comcom cargacarga positivapositivaCalculada como VV== (( SS xx 100100// CTCCTC))

-- SATURAÇÃOSATURAÇÃO PORPOR ALUMÍNIOALUMÍNIO ((mm)):: expressaexpressa aa relaçãorelação entreentre aa quantidadequantidade dede AlAl33++ ememrelaçãorelação aoao somatóriosomatório dede basesbases ee oo teorteor dede alumínioalumínioCalculada como mm== (( [Al][Al] xx 100100 // (( SS ++ [Al])[Al]) ))

Composição Química do SoloComposição Química do SoloFertilidade e sua Utilização

O conceito está ligado a disponibilidade de nutrientes para o desenvolvimento dasplantas

Necessários: MACRO NUTRIENTES e MICRO NUTRIENTESNecessários: MACRO NUTRIENTES e MICRO NUTRIENTES

EmEm solossolos produtíveisprodutíveis,, nosnos quaisquais osos CiclosCiclos biogeoquímicosbiogeoquímicos nãonão sãosão suficientessuficientes parapara mantermanteroo solosolo sempresempre fértil,fértil, osos elementoselementos essenciaisessenciais aosaos vegetaisvegetais nãonão sãosão inesgotáveisinesgotáveis

� Quando há deficiência de minerais é possível realizar intervenções para garantir a

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� Quando há deficiência de minerais é possível realizar intervenções para garantir aprodutividade:

CALAGEM ���� AdiçãoAdição dede calcáriocalcário parapara elevarelevar oo pHpH-- Diminui a toxicidade de AlAl33++ e MnMn22++ e aumenta os teores de Ca2+ e Mg2+

ADUBAÇÃO ���� AdiçãoAdição dede substânciassubstâncias químicas,químicas, asas quaisquais variamvariam comcom oo contextocontexto-- Tipos: correção (antes plantio), de crescimento (início desenvolvimento) e,

manutenção (durante)-- PodemPodem serser compostoscompostos principalmenteprincipalmente porpor fontesfontes dede::

fósforo,, potássio,, cálcio,, magnésio,, boro ee nitrogênio (material(material orgânico)orgânico)ExEx:: tipotipo NPKNPK (fonte(fonte dede nitrogênio,nitrogênio, fósforofósforo ee potássio)potássio)

Composição Química do Solo Composição Química do Solo --Classificação e Nomenclatura

BRASIL: Baseada nos aspectos genético-natural (fatores de formação do solo)

Descrito pelo “Sistema Brasileiro de Classificação de Solos”Descrito pelo “Sistema Brasileiro de Classificação de Solos”(EMBRAPA)(EMBRAPA)

Existem, em outros países, outras formas de classificação(Não existe uma classificação universal)(Não existe uma classificação universal)

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(Não existe uma classificação universal)(Não existe uma classificação universal)

Característica geral do sistema brasileiroCaracterística geral do sistema brasileiro: :

�� fornece também informações relativas a sua utilizaçãofornece também informações relativas a sua utilização�� Obedece a seguinte ordenação:Obedece a seguinte ordenação:11-- Ordem Ordem –– 22-- Subordem Subordem –– 33-- Grande grupo Grande grupo –– 44-- Subgrupo Subgrupo –– 55-- Família Família –– 66-- Série Série –– 77-- FasesFases

ExEx: : LatossoloLatossolo Vermelho Vermelho EutroférricoEutroférrico típico A moderado textura média fase floresta tropical típico A moderado textura média fase floresta tropical subcaducifóliasubcaducifólia relevo suave onduladorelevo suave ondulado

Outras “ordens”Outras “ordens”: argilosos, : argilosos, podzólicospodzólicos, , gleissolosgleissolos, , neossolosneossolos, , neossolosneossolos regolíticosregolíticos

ReferênciasReferências

BairdBaird, C; Química Ambiental, 2ª Ed, , C; Química Ambiental, 2ª Ed, BookmanBookman: São Paulo, 1999: São Paulo, 1999

Nascentes, C. C.; Costa, L. M.; Química Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais, 2011Nascentes, C. C.; Costa, L. M.; Química Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais, 2011

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25

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