La Importancia de los Complejos Órgano-Minerales en el Suelo
Hola a todos, para terminar, por ahora, con el capítulo de los minerales, analizaremos hoy la formación de complejos órgano-minerales, como constituyentes esenciales del suelos.
La interacción entre la fracción biótica y abiótica condiciona la estructura del suelo y la movilidad de los elementos en el este medio, lo que tiene implicaciones directas en los procesos edáficos que tienen lugar para su formación. No todos los complejos formados en el suelo tienen el mismo origen, ni cumplen las mismas funciones. La expresión complejo órgano-mineral describe el resultado de una reacción, llamada complejación, que tiene lugar entre los grupos aniónicos de la materia orgánica con los compuestos minerales procedentes de la roca original.
Son varias las etapas que tienen lugar en esta asociación: En la primera etapa, se realiza una mezcla mecánica de los componentes, como consecuencia del transporte y del arrastre que tiene lugar en el interior del perfil, microfauna y agua son los principales responsables del mezclado. En la segunda etapa, originada en la mayor parte de los casos de forma simultanea con la primera, se produce como consecuencia de entrelazarse los micelios de los hongos, los pequeños cadáveres de la microfauna o material capsular de desecho, con las partículas minerales más finas procedentes de la alteración de la roca. La tercera etapa está relacionada con los procesos químicos que tienen lugar en el interior del suelo, al establecerse uniones entre ellos por medio de enlaces químicos.
Cinco son los grupos funcionales de la materia orgánica existente en el suelo con afinidad por los iones metálicos: -O-, -NH2, -N=N, -COO-, -C=O. Al anión complejante se le conoce como ligando, y la estabilidad del complejo depende del tipo de enlace que se establece entre este y el mineral. Los complejos más estables son aquellos que resultan de enlaces tipo iónico, que dan lugar a procesos de adsorción del grupo funcional de materia orgánica con la superficie del mineral arcilloso.
Son muchas las clasificaciones que sobre los complejos existen en la bibliografía, pero si nos atenemos a lo que establece Porta (1999) diferenciamos dos grandes grupos: complejos arcillo-húmicos y complejos organo-metálicos.
Los primeros son por lo general estables, insolubles y de tamaño relativamente grande. Se distinguen complejos formados por minerales arcillosos con carga negativa y grupos orgánicos de carácter catiónico; complejos formados por minerales arcillosos con carga positiva y grupos funcionales con carga negativa, y complejos formados por dos arcillas de carga negativa que se unen a través de un catión polivalente que actúa como puente.
El segundo grupo lo constituyen los complejos órgano-metálicos, formados por la unión de compuestos orgánicos con iones metálicos, como Fe, Al, Zn, Cu, etc. Este tipo de complejos son importantes ya que pueden inmovilizar metales tóxicos procedentes de vertidos y favorecer procesos de intercambio.
Dejamos aquí la formación de complejos en los suelos, como siempre hemos pretendido dar algunas pinceladas sobre este complicado tema, para que sirva como introducción y pueda ser el comienzo que quien tenga interés en profundizar en el interior del «complejo» sistema, llamado suelo.
Hasta el próximo día
Antonio López Lafuente
Hola, mi querido amigo Antonio:
Tiempo ha que no te veo, pero esta Web no es un mal lugar para quedar de vinos cuando vengas por Burgos…
has explicado perfectamente un tema con el que yo me inicié en Nancy, bajo la dirección de Ms Bruckert, hace ya algunos años.
Pero en toda esta historia de dar nombres a las cosas, hay algo que no está precisamente diferenciado: estructura y agregación, sobre todo si tienes que impartir de forma simultánea conocimientos edafologicos a estudiantes de ingenierías agronómica y de caminos.
Creo que es hora de hacerlo en un foro público, porque lo que entienden profesiones tan dispares, son cosas distintas, para una misma palabra: estructura.
Si me lo permitís, os puedo enviar, ya me diréis en que formato, unas cuantas líneas bien "estructuradas"… como un buen agregado se merece.
Un abrazo Salvador
Equilibrio ácido-base
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Para resolver problemas de equilibrio, en los que se deba conocer las concentraciones de las especies en el equilibrio, habrá que plantear un sistema de ecuaciones con tantas ecuaciones como especies existan en el equilibrio. Las ecuaciones del sistema proceden de:
a) Las constantes de equilibrio.
b) Los balances de masas.
c) El balance de cargas si es necesario.
El balance de cargas sólo será necesario en el caso de que no puedan plantearse suficientes balances de masas. Por ejemplo, en los equilibrios ácido-base, cuando entre las especies cuya concentración se deba determinar estén H+ y OH -. En este caso, otra alternativa es plantear el balance de protones.
Los pasos para la resolución de los problemas de equilibrio pueden resumirse en:
a) Plantear los equilibrios que tienen lugar.
b) Identificar las especies.
c) Plantear las constantes de equilibrio.
d) Plantear los balances de masa.
e) Plantear el balance de carga si es necesario.
La resolución directa del sistema de ecuaciones obtenido nos conducira a la solución del problema. Sin embargo, el sistema suele ser muy complejo, por lo que se debe proceder a reducir el número de ecuaciones, y realizar una serie de simplificaciones que dependerán del tipo de problema y de las condiciones en el equilibrio.
Problema.- Veamos como ejemplo la determinación del pH de una disolución de ácido debil, HA, de constante de protonación K y concentración C.
Paso A) equilibrios:
H+ + A – < = > HA
H2O < = > H+ + OH –
Paso B), especies: HA, A -, H+ y OH -.
Paso C), constantes:
(1) K = [HA]/([H+][A -])
(2) Kw = [H+][OH -]
Paso D), balance de masas:
(3) C = [HA] + [A -]
Paso E), balance de cargas (es necesario pues H+ y OH – están entre las especies a determinar):
(4) [H+] = [OH -] + [A -]
Paso F), reducir el sistema de ecuaciones a una sola ecuación. En general se elige el balance de cargas como ecuación final, y se pone en función de la concentración de protones que denotaremos por h. Para ello hemos de obtener [OH -] y [A -] en función de h. De la ecuación (2) se tiene:
(5) [OH -] = Kw / h
y de combinar las ecuaciones (1) y (3):
(6) [A -] = C/(1 + K h)
de donde:
(7) [HA] = C K h /(1 + K h)
Por lo tanto el balance de cargas quedará:
(8) h = Kw / h + C/(1 + K h)
La resolución de esta ecuación nos proporcionará la concentración de protones y a partir de ella podremos obtener las otras concentraciones. La ecuación (8) es de tercer grado, por lo que deberemos recurrir a simplificaciones. Las simplificaciones pueden ser de dos tipos:
a) Suponer que el ácido es débil y la disociación ha sido pequeña, por lo tanto [HA]>>[A -]. Esto ocurre cuando C >> 1/K. Veamos por qué. La zona de predominio de la especie HA, se extiende desde pH ácidos hasta pH = log K, este pH se alcanza cuando una concentración de ácido igual a 1/K se haya disociado, si la concentración total es suficientemente mayor habrá bastante ácido sin disociar para que se pueda conseguir este pH y por lo tanto se este en la zona de predominio de la especie HA.
Si esta simplificación se cumple:
(9) [HA] >> [A -]
sustituyendo las ecuaciones (6) y (7):
(10) C K h /(1 + K h) >> C/(1 + K h)
de donde:
(11) K h >> 1
vemos que en la suma 1 + Kh, el termino 1 esta relacionado con la concentración de A – y el termino Kh con la de HA.
Por lo tanto podemos eliminar 1 frente a Kh en el denominador del tercer término del balance de cargas que quedará:
(12) h = Kw / h + C / (K h)
por lo que:
(13) h2 = Kw + C/K
b) La segunda aproximación consiste en despreciar OH – o H+ segúún estemos en medio ácido o básico. En el caso que nos ocupa, al estar en medio ácido:
(14) h = C/(1 + K h)
que conduce a la ecuación de segundo grado:
(15) K h2 + h – C = 0
Para aplicar esta aproximación, el ácido debe ser lo suficientemente fuerte y estar en una concentración suficientemente elevada. Esto ocurre cuando:
(16) Kw < < C/K
criterio que se obtiene de la ecuación (13).
Si aplicasemos las dos simplificaciones al mismo tiempo obtendríamos:
(17) h2 = C / K
Esta última ecuación es un buen medio para obtener una aproximación del pH para la disolución de un ácido débil. Además nos permite estimar que una disolución 1 M de ácido débil, tendría un pH = 1/2 log K.
Problema 2.2.- Hallar el pH de una disolución 0.1 M de NH4Cl.
El equilibrio de disociación sería:
NH4+ < = > NH3 + H+
En este caso el balance de cargas sería:
(18) [H+] + [NH4+] = [OH -] + [Cl -]
Este balance difiere del visto en el ejemplo anterior debido a que el ácido esta cargado. Pero si tenemos en cuenta que:
(19) [Cl -] = [NH4+] + [NH3]
entonces:
(20) [H+] = [OH -] + [NH3]
que al transformar en función de la concentración de protones:
(21) h = Kw / h + C / (1 + K h)
Si despreciamos la [OH-], tendremos la ecuación (13) que al resolverla dará pH= 5,12. En el caso de aplicar la ecuación (15) el resultado será tambien pH = 5,12.
Problema 2.5.- Hallar el pH de una disolución 0.1 M de NaH2PO4.
Nos encontramos ante un sistema poliprotico y conviene recordar que del balance de masas se puede obtener la concentración de cualquier especie en función de la concentración de protones h:
ßi hi
(22) [HiA] = ——————————– C
1 + ß1 h + ß2 h2 + ß3 h3
Por otra parte, hemos de considerar que la especie que se disuelve es una especie intermedia de un equilibrio poliprótico y que por lo tanto es anfótera, pudiendo actuar tanto como ácido y como base. Esto nos puede permitir obtener el pH de forma aproximada, pues podemos suponer que el equilibrio que tendrá lugar de forma mayoritaria será:
H2PO4 – + H2PO4 – < = > HPO42- + H3PO4-
suponiendo esto, en el equilibrio:
(23) [HPO42-] = [H3PO4]
que sustituyendo en función de h tendremos:
(24) ß h = ß3 h3
de donde:
(25) 1 = K2 K3 h2
y finalmente, se puede obtener:
(26) pH = (log K2 + log K3 ) / 2
Esto indica que el pH de una disolución de una especie intermedia (anfótera), vendrá dado de forma aproximada por el pH intermedio de su zona de predominio. Para el problema que nos ocupa, los logaritmos de las constantes de protonación son: 12,38; 7,20 y 2.15. Por ello el pH segun la ecuación anterior sería 4,675.
Para obtener un pH más exacto se necesitará resolver el balance de cargas, en este caso:
(27) [H+] + [Na+] = [OH -] + [H2PO4 -] + 2 [HPO42- ] + 3 [PO43-]
Como sabemos, para poder realizar simplificaciones de forma segura, hemos de sustituir [Na+] en función de las concentraciones de las especies del sistema. Como [Na+] = C, podemos poner:
(28) [Na+] = [H3PO4] + [H2PO4 -] + [HPO42- ] + [PO43-]
sustituyendo en el balance de cargas:
(29) [H+] = [OH -] + [HPO42-] + 2 [PO43-] – [H3PO4]
Como el pH será alrededor de 4,675 entonces el predominio de las especies será:
[H2PO4 -] > [HPO42-] ~ [H3PO4] > > [PO43-]
por lo tanto podemos despreciar [PO43-]. El balance quedará:
(30) [H+] = [OH -] + [HPO42-] – [H3PO4]
que en función de h:
Kw ß1h – ß3h3
(31) h = —— + ——————————— C
h 1 + ß1 h + ß2 h2 + ß3 h3
Como [H2PO4 -] > [HPO42-] ~ [H3PO4] > > [PO43-] podemos simplificar la suma del denominador:
(32) 1 + ß1 h + ß2 h2 + ß3 h3 ~ ß2 h2
por lo que:
Kw ß1 h – ß3 h3
(33) h = —— + —————— C
h ß2 h2
de donde, podemos obtener:
Kw + C / K2
(34) h2 = ——————- C
1 + K3 C
ecuación general para las disoluciones de especies anfóteras. En el caso que nos ocupa, el pH obtenido de esta forma será 4,690.
Problema 2.13.- Calcular el pH de una disolución 0.01 M en NH3 y 0.005 M en HCl.
Como la concentración de base es mayor que la de ácido fuerte, despues de protonarse todavía quedará base libre. Así, si suponemos que la protonación es completa tendremos:
[NH4+] = [HCl] = 0.005 M = Cao
[NH3] = 0.01 – 0.005 = 0.005 M = Cbo
En este caso tenemos un problema en el que coexistirÁn la especie protonada y la desprotonada, luego en el diagrama de predominio nos encontraremos alrededor de pH = log K. Además como en la disolución existe tanto ácido como base, el pH se mantendrá relativamente constante frente a cambios en las concentraciones, por ello este tipo de disoluciones se conocen como disoluciones amortiguadoras o tampón.
Para obtener una ecuación general para estas disoluciones partiremos del balance de cargas:
[H+] + [NH4+] = [OH – ] + [Cl -]
de donde, en función del pH:
K h Kw
(35) h + ———– (Cao + Cbo) = —— + Cao
1 + K h h
donde Cao es la concentración inicialmente añadida de la especie ácida y Cbo la de la especie básica, por lo tanto la concentración total de las especies del sistema ácido base es ( Cao + Cbo ). Si en la ecuación anterior, pasamos Kw / h a la parte derecha y multiplicamos por 1 + K h, tendremos:
(36) (h – Kw ) (1 + K h ) + K h (Cao + Cbo ) = (1 + K h ) Cao
de donde reorganizando y tomando logaritmos, finalmente, se puede obtener:
Cbo + h – Kw/h
(37) pH = log K + log ———————–
Cao – h + Kw/h
que cuando Cao y Cbo son suficientemente grandes en comparación con [H +] y [OH – ], se tiene:
Cbo
(38) pH = log K + log ——–
Cao
expresión que se conoce como ecuación de Henderson. Aplicando esta ecuación se obtiene un pH = 9.24, pues, en este caso, Cao = Cbo.
Problema 2.11.- Calcular el pH de una disolución 0.01 M en NaHCO3 y 0.2 M en Na2CO3
En primer lugar aplicamos la ecuación de Henderson:
(38) pH = 10,33 + log (0,2 / 0,01) = 11,631
sin embargo en este caso [OH -] = 10 -2,369 = 0,00428 M, y frente a 0.01 no puede despreciarse. Para obtener un pH más exacto hemos de recurrir a resolver el balance de cargas. Para ello, tendremos en cuenta que predominan las especies HCO3 – y CO32-. Además despreciaremos [H+] pues el pH será básico. La ecuación obtenida finalmente es:
(38) 0,41 = Kw / h + (2 + K1 h ) / (1 + K1 h ) 0,21
Resolviendola se obtiene un pH = 11,504.
Hola! es un buen trabajo lo que han hecho pero no pudieran hablar acerca del pH ……… Siento que deberian también dar tema de eso …….espero que lo hagan ….chao
Gracias por tu marabillosa información sobre los complejos organos minerales, realmente es muy interesante tu información, asi sabe valorar las cosas, sobre todo porque me dedico a investigar y tus resultados son muy buenos, te agradesco de rtodo corazon y quiero siempre contactarte para recopilar informacion.
muchisima suerte y gracias.
Hola yo vivo en México y quisiera saber por que el pH de el suelo puede ser ácido o básico?
Es algo que me interesaria entender yo estoy estudiando 3° de secundaria y me hablaron de esto pero no me quedo muy claro me podria explicar porfavor?
Gracias.
se cnsidera un suelo basico cuando su ph es mayor de 7, esto es devido a sobresaturaciones en el suelo de algunas sales que contienen productos quimicos y no se hace un oprtuno analisis de suelos un suelo optimo para la agricultua esta entre 5.5 y max.6.0
para mejor un suelo basico osalino se pueden hacer correctivos con azufre pero sale muy costoso y cuando un suelo es muy acido ya sea por su textura o extructura se pueden hacer correctivos con cal dolomita
Por favor necesito recomendaciones para la correcion de un suelo que tiene un Ph de 7.8. el principal cultivo, es la caña de azucar, pero quiero diversificar la produccion he tenido problemas, en cafe, platano,guanabana,cacao,citricos. Que debo hacer, para corregir en parte. asnm 1100, suelo un poco arcilloso, semi pendiente
que importancia consideras que tienen los minerales en los suelos
Max, los suelos están compuestos principalmente de minerales y generalmente menos del 3% es materia orgánica