El fenómeno de intercambio iónico
El cambio iónico y la fotosíntesis se puede considerar como las más importante para las plantas.
Es un proceso reversible en el que iones de una solución acuosa son intercambiados por iones de carga similar que están unidos electrostáticamente al material coloidal.
Para entender este fenómeno de intercambio de iones se hace solo a través de los coloides del suelo.
La fracción coloidal del suelo
💬 Es la parte más fina y reactiva del suelo, formada por partículas extremadamente pequeñas, generalmente menores de 0,002 mm o 2 micras.
El interés químico y las dificultades experimentales aumenta a medida que disminuye el tamaño de las partículas del suelo.
Las partículas más grades como la arena son químicamente inactivas
El asiento de la actividad química en el suelo reside en las partículas coloidales.
En el suelo hay dos tipos de coloides, estos dos tipos de coloides existen en mezcla o complejos muy estrecho y de difícil separación.
Coloides Inorgánicos
Se presentan casi exclusivamente como arcilla de clases diversas:
- Caolinita
- Montmorillonita
- Illita
- Vermiculita
Coloides Orgánicos
Están representados por el humus proveniente de la materia orgánica.
- Ácidos húmicos, fulvicos y Huminas
- Polisacáridos microbianos
- Proteínas y enzimas adsorbidas
- Lípidos y ácidos grasos
Los coloides de la arcilla y materia orgánica están cargados negativamente y por lo tanto atraen a su superficie un gran número de iones cargados positivamente, es decir los cationes.
Los nutrientes de las plantas reside en el material coloidal, se adhiere a la superficie y van saliendo como cationes a la solución del suelo para ser tomados por las raíces de las plantas.
Cationes y Aniones importantes en el suelo
Químicamente, el suelo está compuesto por iones o átomos con diferente carga o valencia.
💬 Los iones cargados positivamente se denomina cationes y los cargados negativamente se llaman aniones.
Estos iones son importantes para los procesos químicos, biológicos y nutritivos del suelo.
Cationes más comunes en el suelo
Los cationes son fundamentales para la fertilidad del suelo, ya que muchos son nutrientes esenciales.
| +1 Catión | +2 Cationes | +3 Cationes |
|---|---|---|
| Hidrogeno H+ | Magnesio Mg+2 | Aluminio Al+3 |
| Sodio Na+ | Hierro Fe+2 | Hierro Fe+3 |
| Potasio 𝐾+ | Zinc Zn+2 | |
| Amonio H₂PO₄⁻ | Calcio Ca+2 | |
| Cobre Cu+2 | ||
| Magnesio Mn+2 |
Son atraídos por las cargas negativas de los coloides del suelo.
Aniones más comunes en el suelo
| -1 Anión | -2 Anión | -3 Anión |
|---|---|---|
| Hidróxido OH– | Difosfato HPO₄²⁻ | Trifosfato PO₄³⁻ |
| Cloro Cl– | Carbonato CO₃²⁻ | |
| Nitrato NO–3 | Sulfato SO₄²⁻ | |
| Bicarbonato HCO₃⁻ | Borato B₄O₇²⁻ | |
| Monofosfato H₂PO₄⁻ | Molibdato MoO₄²⁻ |
Son repulsados por la mayoría de los coloides, por lo que son más móviles y se lixivian con facilidad.
Fase intercambiable y solución del suelo
En el proceso de toma de nutrientes por las plantas es necesario diferenciar dos fases:
La fase sólida o intercambiable
Conforma la reserva nutritiva del suelo, comparable a una despensa.
![{\small \[ \text{Ca}^{2+},\ \text{Mg}^{2+},\ \text{K}^{+},\ \text{Na}^{+},\ \text{Al}^{3+},\ \text{NH}_{4}^{+},\ \ldots \] }](https://cienciadelsuelo.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-497e306cefc47dbc3af1d29fb9fd6f63_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Representa por la superficie de los coloides (arcilla y materia orgánica), la cual se halla cargada negativamente, está en capacidad de extraer cationes o átomos cargado positivamente.
Una parte menor de aniones retenidos con óxidos.
➜ Es la fracción de nutrientes que puede “liberarse” hacia la solución del suelo por intercambio.
La fase líquida o solución
Es equivalente a la solución nutritiva del suelo en donde los iones se encuentran libres y a disposición de ser tomados por las raíces de las plantas.
- Agua
- Iones disueltos
- Gases disueltos
- Compuestos orgánicos en solución
El contacto ion-raíz en la toma de nutrientes presentes en la solución del suelo, puede ocurrir por cualquier de los siguientes procesos de intercepción, flujo de masa y difusión.
➜ Es la fase líquida completa.
Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)
💬 Es la capacidad del suelo para retener, fijar e intercambiar cationes y dependerá del numero de cargas negativas existentes en la superficie DE sus coloides como las arcilla y materia orgánica.
La CIC indica cuántos nutrientes cargados positivamente y se puede adsorber el suelo, evitando que se pierdan por lixiviación y poniéndolos a disposición de las plantas.
La CIC se determina en laboratorio desplazando de la fase intercambiable total de los cationes.
En términos prácticos la CIC mide la cantidad de cationes expresada en miliequivalentes por 100 gramos (meq./100g) de suelo seco al horno (105°C).
En términos generales, un estimativo conceptual de la CIC en los suelos es el siguiente:
| Rango | Valoración |
|---|---|
| <= 5 | Muy bajo |
| 5 – 10 | Bajo |
| 10 – 20 | Medio |
| 20 – 25 | Alto |
| > 25 | Muy alto |
Un suelo con alta CIC
- Retiene más nutrientes esenciales.
- Tiene mayor fertilidad natural.
- Presenta mejor capacidad tampón.
- Mantiene mayor resiliencia ante prácticas agrícolas y contaminación.
Un suelo con baja CIC
- Es más pobre en nutrientes.
- Se lixivia con facilidad.
- Requiere fertilización más frecuente.
Capacidad de Intercambio Catiónico Efectiva (CICe)
💬 Es la cantidad de cationes que el suelo puede intercambiar a su pH natural, es decir, en las condiciones reales del suelo al momento del análisis.
Se calcula sumando las bases intercambiables (Ca, Mg, K, Na) más la acidez intercambiable principalmente Aluminio e Hidrógeno.
Es más útil en suelos ácidos cuando el pH < 5.5, donde la presencia de aluminio es un factor crítico.
La CICe se expresa como la sumatoria de cationes, mediante la siguiente formula:
- El Aluminio (Al³⁺) y el Hidrógeno (H⁺) El Aluminio intercambiable (Al³⁺) y el Hidrógeno intercambiable (H⁺) solo se cuantifican en suelo ácidos cuando el pH < 5,5, y se conoce como acidez intercambiable.
En términos generales, un estimativo conceptual de la CICe en los suelos es el siguiente:
| Rango | Valoración |
|---|---|
| <= 3 | Muy bajo |
| 3 – 6 | Bajo |
| 6 – 11 | Medio |
| 11 – 15 | Alto |
| > 15 | Muy alto |
Capacidad de Intercambio Catiónico
- Capacidad de intercambio «potencial« del suelo bajo condiciones «ideales».
- Capacidad máxima teórica.
- No refleja el pH natural del suelo.
- Representa la capacidad total si el suelo estuviera completamente desprotonado.
Es útil para:
- Evaluar potencial de retención y calidad del suelo.
- Evaluar los sitios de intercambio totales del suelo.
- Comparar suelos entre sí.
- Planificar prácticas de manejo y enmiendas.
Capacidad de Intercambio Catiónico efectiva
- Capacidad de intercambio «real» del suelo en campo.
- Mide los cationes intercambiables a pH real, sin modificar.
- Se calcula mediante la suma de los cationes intercambiables.
Es útil en:
- Suelos ácidos.
- Suelos con óxidos de Fe y Al.
- Suelos con fuerte dependencia del pH.
- Diagnóstico práctico de fertilidad actual.
Suelo químicamente balanceado
💬 Es aquel en el que la relación entre cationes básicos intercambiables como el Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ y Na⁺ se encuentra dentro de rangos que permiten un funcionamiento óptimo del sistema suelo–planta, favoreciendo la estructura, la nutrición vegetal, la actividad biológica y la disponibilidad de nutrientes.
Desde el punto de vista químico, un suelo equilibrado es aquel que en términos de porcentaje de saturación de cationes tiene entre:
- No solo importa la cantidad total de cationes (CIC), sino cómo se distribuyen entre los cationes principales.
- Un suelo está “balanceado” cuando la proporción de bases intercambiables se mantiene en rangos funcionales.
La reacción del suelo
💬 Se refiere al grado de acidez o alcalinidad que presenta el suelo, y se expresa mediante el valor de pH mediante la medida de la concentración del ion hidrógeno en la solución del suelo.
La reacción del suelo es decir el pH es una propiedad química muy importante.
La adecuación del suelo, como medio para el desarrollo de las plantas y los microrganismos deseables, depende de que el suelo sea ácido, neutro o alcalino.
El pH se mide en una escala logarítmica que va de 0 a 14:
- pH 7: Indica una reacción Neutra
- pH menor a 7: Indica Acidez
- pH mayor a 7: Indica Alcalinidad
![\Huge \[ \text{pH} = -\log_{10}(\text{H}^+) \]](https://cienciadelsuelo.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-0d46c284da48fc13f45a32612055c89b_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
El agua se encuentra disociada en iones H+ y OH–, de acuerdo con la siguiente reacción.
La concentración de iones hidrogeniones H+ en la solución acuosa del suelo origina la acidez, y la de los iones hidroxilos OH– la basicidad.
En un medio acuoso será ácido o alcalino según sea el ion predomínate.
Los suelos suelen presentar valores que oscilan entre 4 y 10.
La adecuación del suelo, como medio para el desarrollo de las plantas y los microrganismos deseables, depende de que el suelo sea:
🔻Ácido
⭕Neutro
🔺Alcalino
Acidez del suelo
💬 Es la condición en la cual la concentración de iones de hidrógeno en la solución del suelo es mayor que la concentración de iones hidroxilo y se traduce en un valor de pH inferior a 7 considerado este como el punto neutro.
La acidez del suelo está asociada con la presencia de hidrogeno y aluminio en forma intercambiable.
Por encima de cierto valor, la acidez del suelo puede ser un factor limitante para obtener buenos rendimientos en la mayoría de los cultivos.
Es importante conocer los efectos perjudiciales del exceso de acidez y la manera de corregirlos, así como los beneficios del encalamiento.
Alcalinidad del suelo
💬 Es la condición en la cual la concentración de iones hidroxilo en la solución del suelo es mayor que la concentración de iones hidrógeno y se traduce en un valor de pH superior a 7 considerado este como el punto neutro.
Es un proceso que se explica en el suelo por acumulación excesiva de bases (Calcio, Magnesio, Potasio y Sodio)
Proceden de rocas ricas en feldespatos, micas, piroxenos, anfíboles y apatitas.
Los suelos alcalinos con pH 7,4 a 9,0 se originan en regiones áridas, semiáridas y secas.
La precipitación es menor que la evapotranspiración.
En esta condición de déficit de agua hace que el suelo se concentren cationes básicos y aniones hasta niveles tóxicos para las plantas.
Los mayores problemas de alcalinidad están referidos a suelos salinos, sódicos y calcáreos
Colombia tiene cerca de 600.000 ha suelos afectados sales y/o sodio
Poder amortiguador del suelo
En el ámbito de la química y la agronomía, los términos Poder Amortiguador del Suelo, Poder Tampón del Suelo y Capacidad Buffer del Suelo son sinónimos y se refieren a la misma propiedad química.
💬 Es la capacidad que tienen los suelos de resistir los cambios en su reacción ante el agregado de elementos básicos o ácidos.
Es una propiedad mantiene el pH del suelo relativamente estable, evitando cambios bruscos que podrían afectar negativamente a las plantas y a la vida microbiana.
Con mayor capacidad de intercambio tendrán una mayor capacidad de resistir las modificaciones en la reacción por el agregado de ácidos o bases.
Los suelos muy arenosos, de baja capacidad de intercambio, es fácilmente modificable su reacción.
Los suelos arcillosos y/o humíferos se tendrán que agregar grandes cantidades de bases o ácido para cambiar su pH.
Capacidad filtro del suelo
💬 Es la habilidad intrínseca del suelo para purificar el agua que se infiltra a través de su perfil, atrapando, reteniendo y neutralizando contaminantes antes de que lleguen a las aguas subterráneas.
La filtración puede ser puramente:
- Filtración físico-mecánica en el sistema poroso de los suelos.
- Filtración fisico-química, si las sustancias son adsorbidas sobre las superficies activas de las partículas más finas del suelo principalmente arcilla y humus.
- Retención química si se forman precipitados insolubles en agua.
- Degradación Biológica por la diversa población de microorganismos como bacterias y hongos.
Los suelos poseen la capacidad de filtrar el efecto de sustancias contaminantes que se encuentran suspendidas a disueltas en la solución del suelo.
- De esta manera se evita qua dichas sustancias sean absorbidas por las plantas.
- Tengan algún efecto negativo sobre actividad de la biota y el desarrollo de las raíces.
- También que sean translocadas a los acuíferos a cuerpos de agua cercanos.
- La filtración fisicoquímica y química de un suelo también se conoce como capacidad de amortiguamiento del suelo.
Nutrientes del suelo
💬 Son los elementos químicos que las plantas necesitan para crecer, completar su ciclo biológico y producir biomasa, constituyen cerca del 7 % del peso seco de la planta.
Se clasifican según la cantidad requerida por las plantas:
Macronutrientes
Micronutrientes
Macronutrientes
💬 Son los elementos que las plantas necesitan en mayores cantidades que participan en procesos como la fotosíntesis, formación de tejidos, metabolismo energético y crecimiento estructural.
Macronutrientes primarios
Son los tres nutrientes esenciales que las plantas requieren en mayor cantidad porque participan directamente en procesos de crecimiento y desarrollo.
- Nitrógeno (N)
- Fósforo (P)
- Potasio (K)
Macronutrientes secundarios
Son los tres elementos esenciales que las plantas requieren en cantidades moderadas, importantes para la célula, metabolismo y las enzimas.
- Calcio (Ca)
- Magnesio (Mg)
- Azufre (S)
Micronutrientes
💬 Son elementos esenciales, pero requeridos en cantidades muy pequeñas necesario para reacciones enzimáticas y procesos metabólicos específicos.
- Hierro (Fe)
- Manganeso (Mn)
- Zinc (Zn)
- Cobre (Cu)
- Boro (B)
- Molibdeno (Mo)
- Cloro (Cl)
Elementos no minerales
💬 Son aquellos que no provienen del suelo, sino que las plantas los obtienen principalmente de la atmósfera y del agua, constituyen cerca del 93 % del peso seco de la planta.
Aunque no provienen de los minerales del suelo, son indispensables para el ciclo vegetativo.
Constituyen la mayor parte de la biomasa de la planta.
- El 44% corresponde a oxigeno (O)
- El 42% corresponde a carbono (C)
- El 7% corresponde a hidrogeno (H)
Son considerados nutrientes esenciales igual que los macro y micronutrientes minerales.
