Chimica agraria

Chimica agraria

Il suolo

Il suolo è lo strato superficiale che ricopre la crosta terrestre, derivante dall'alterazione di un substrato roccioso, chiamato roccia madre, per azione chimica, fisica e biologica esercitata da tutti gli agenti superficiali e dagli organismi presenti su di esso. È formato da una miscela di materiali minerali, sostanze organiche, acqua, aria e organismi viventi. È una risorsa fondamentale per la vita sulla Terra, poiché fornisce il supporto e i nutrienti necessari per la crescita delle piante e svolge un ruolo chiave in vari cicli ecologici.

Il suolo è una risorsa naturale, limitata, sostanzialmente non rinnovabile e spesso fragile. L’aumento della popolazione mondiale (8.0 miliardi nel 2023) e dell’industrializzazione ne hanno incrementato l’uso, non più solo finalizzato alla produzione di cibo, materie prime e biomassa, ma anche di colture bioenergetiche, prodotti chimici e farmaceutici.

Funzioni del suolo

• Sequestro del carbonio (Carbon sequestration): Il suolo sequestra carbonio, riducendo la quantità di anidride carbonica nell'atmosfera e contribuendo alla mitigazione dei cambiamenti climatici.
• Purificazione dell'acqua e riduzione degli inquinanti del suolo (Water purification and soil contaminant reduction): Il suolo agisce come un filtro naturale che depura l'acqua e riduce i contaminanti, migliorando la qualità dell'acqua che entra nei fiumi e nelle falde acquifere.
• Regolazione del clima (Climate regulation): Il suolo contribuisce alla regolazione del clima attraverso la gestione del carbonio e altri gas serra, oltre a mantenere condizioni termiche adeguate per gli ecosistemi.
• Ciclo dei nutrienti (Nutrient cycling): Il suolo è essenziale per il riciclo dei nutrienti, rendendo disponibili elementi vitali come azoto e fosforo alle piante e sostenendo la crescita degli organismi.
• Habitat per gli organismi (Habitat for organisms): Il suolo fornisce un habitat per una vasta gamma di organismi, dai microrganismi agli insetti e piccoli animali, che svolgono funzioni essenziali per la salute del suolo stesso e degli ecosistemi.
• Regolazione delle inondazioni (Flood regulation): Il suolo assorbe e trattiene l'acqua, riducendo il rischio di inondazioni e migliorando la capacità di risposta agli eventi meteorologici estremi.
• Fonte di materiali farmaceutici e risorse genetiche (Source of pharmaceuticals and genetic resources): Il suolo è una fonte di composti utilizzati in farmaci e risorse genetiche essenziali per la biodiversità e la scoperta di nuove cure.
• Fondamenta per infrastrutture umane (Foundation for human infrastructure): Il suolo sostiene edifici, strade e altre infrastrutture umane, fornendo una base fisica per lo sviluppo urbano e rurale.
• Fornitura di materiali da costruzione (Provision of construction materials): Il suolo fornisce materiali come argilla, sabbia e ghiaia, fondamentali per l'edilizia.
• Patrimonio culturale (Cultural heritage): Il suolo conserva tracce del patrimonio culturale e archeologico, come rovine e reperti antichi, che offrono informazioni sul passato umano.
• Produzione di cibo, fibre e combustibile (Provision of food, fibre, and fuel): Il suolo sostiene la crescita delle piante e la produzione agricola, fornendo cibo, fibre e biomassa per combustibile.

Componenti del suolo

Il suolo è composto dal 50% da sostanze solide (minerali e altre sostanze) e da 50% da gas e acqua.

Si fa uso del termine “tessitura del suolo”: si riferisce alla composizione fisica del suolo in base alle dimensioni delle particelle minerali che lo costituiscono. Queste particelle principali sono la sabbia, il limo e l'argilla. La quantità relativa di ciascuno di questi componenti determina le proprietà tessiturali del suolo.

• Parte minerale del suolo: Consiste di particelle di sabbia, limo e argilla.
• La quantità di ciascun tipo di particella definisce la tessitura del suolo:
  • Sabbioso: Suolo a tessitura grossolana e sciolta, con più sabbia e meno argilla.
  • Argilloso: Suolo a tessitura fine e pesante, con una maggior quantità di argilla rispetto alla sabbia.
  • Sabbioso-argilloso o Loamy: Tessitura equilibrata con una distribuzione più uniforme di sabbia, limo e argilla, considerata ideale per molte attività agricole.

La quantità di ciascun tipo di particella determina la proprietà tessiturale del suolo:

• A tessitura grossolana, sciolta (più sabbia, meno argilla).
• A tessitura fine, pesante (più argilla, meno sabbia).
• Sabbioso-argilloso (mix più equilibrato di sabbia, limo e argilla).

Fornitura di nutrienti alle piante

Macronutrienti: (necessari in grandi quantità)

• Azoto (N)
• Fosforo (P)
• Potassio (K)
• Calcio (Ca)
• Magnesio (Mg)
• Zolfo (S)

Micronutrienti: (necessari in piccole quantità)

• Cloro (Cl)
• Cobalto (Co)
• Rame (Cu)
• Ferro (Fe)
• Manganese (Mn)
• Molibdeno (Mo)
• Nichel (Ni)
• Zinco (Zn)

Da dove provengono i nutrienti per le piante?

• Decomposizione della lettiera vegetale.
• Decomposizione dei minerali del suolo.
• Aggiunta da parte degli esseri umani: Fertilizzanti commerciali, letame, calce, altro.

Nel suolo vivono e interagiscono miliardi di creature viventi. I soli microrganismi possono arrivare ad oltre un miliardo in un solo grammo di suolo sano, ma nello stesso grammo si possono contare oltre 10.000 specie diverse.

La soluzione del suolo

L'acqua del suolo è una soluzione complessa che contiene:

• Molti tipi di nutrienti.
• Altri elementi in traccia.
• Molecole organiche complesse.

I nutrienti nella soluzione del suolo possono essere facilmente assorbiti dalle radici delle piante. Se i nutrienti rimanessero in soluzione, potrebbero essere rapidamente persi dal suolo.

Adsorbimento

L'adsorbimento si riferisce alla capacità di un oggetto di attrarre e trattenere particelle sulla sua superficie. Le particelle solide nel terreno hanno la capacità di assorbire: acqua, nutrienti e altre sostanze chimiche. Gli adsorbenti più importanti nel terreno sono argille e materia organica.

I minerali del suolo

Il 98% della crosta terrestre è formato da 8 elementi; O e Si costituiscono il 75%. Gli elementi presenti in percentuale più elevata formano oltre 2000 minerali; solo una dozzina si rinvengono con frequenza nelle rocce più comuni e nei suoli.

I minerali sono sostanze inorganiche caratterizzate da composizione chimica definita, o variabile entro limiti ristretti, da proprietà fisiche specifiche e da peculiare struttura cristallina con disposizione spaziale regolare e ordinata di atomi, ioni o molecole.

Si dividono in:

• Primari: minerali che si sono formati a temperature elevate (raffreddamento dei magmi) e derivano, generalmente, da rocce ignee, metamorfiche o, anche, sedimentarie.
• Secondari: di neogenesi, minerali originatisi per reazioni a più basse temperature, presenti solamente nelle rocce sedimentarie, o formatisi nel corso del processo di pedogenesi (disgregazione della roccia madre). Silicati Non Silicati.

Sulla base della composizione chimica si dividono in: (primari nella frazione sabbia-limo, secondari nella frazione di argilla).

I minerali sono organizzati in strutture ioniche, dove ciascun catione è circondato e legato da ioni di carica opposta.

Ogni minerale ha una propria disposizione di ioni nello spazio, influenzata dal raggio ionico che è differente per ogni ione.

I minerali possono essere formati da:

• Unità strutturale tetraedrica formata dalla coordinazione di quattro ioni ossigeno da parte di uno ione silicio.
• Unità strutturale ottaedrica formata dalla coordinazione di sei ioni ossidrile da parte di uno ione alluminio.

Cationi possono sostituirsi reciprocamente nella struttura delle entità cristalline se:

• Il raggio ionico non è molto diverso.
• La carica ionica non differisce di più di una unità di valenza.
• Resta inalterata la morfologia della struttura.

Carica di superficie

Sviluppo di carica permanente in seguito a sostituzioni isomorfe eterovalenti.

Nei tetraedri:

• In assenza di sostituzioni non si ha nessuna carica.
• Con sostituzione di Si⁴⁺ con Al³⁺ si ha una carica negativa in eccesso.

Negli ottaedri:

Foglio diottaedrico

• In assenza di sostituzioni non si ha nessuna carica.
• Con sostituzione di Al³⁺ con Mg²⁺ si ha una carica in eccesso.

Foglio triottaedrico

• In assenza di sostituzioni non si ha nessuna carica.
• Con sostituzione di Mg²⁺ con Al³⁺ si ha una carica positiva in eccesso.

Nesosilicati [SiO₄^4- ]n

Tetraedri di silicio indipendenti, nesos.

I nesosilicati (dal greco isola) sono costituiti da tetraedri isolati legati insieme da cationi bivalenti. Le OLIVINE [(Mg,Fe)₂SiO₄], lo ZIRCONE [ZrSiO₄], i GRANATI [R₃²⁺,R₂³⁺(SiO₄)] sono presenti in molte rocce.

Sorosilicati [Si₂O₇^6- ]n

Due tetraedri uniti, soros.

I sorosilicati (dal greco gruppo) hanno struttura definita dalla polimerizzazione dei due unità tetraedriche di silicio con legame Si-O-Si. Un esempio è l’EPIDOTO, Ca Al Fe(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH).

Ciclosilicati [Si₆O₁₈^12- ]n

Anelli esagonali di tetraedri di silicio.

I ciclosilicati sono strutturalmente formati dalla sovrapposizione di anelli a 6, più raramente a 3 o a 4, unità tetraedriche. Un esempio è il BERILLO, [Be₃Al₂Si₆O₁₈].

Inosilicati [SiO₃^2- ]n

Catene semplici di tetraedri.

Gli inosilicati (dal greco inos, fibra) comprendono i pirosseni e gli anfiboli. Nei pirosseni i tetraedri sono disposti in catene singole di lunghezza non definita. Un esempio è l’AUGITE, [CaMgSi₂O₆].

Inosilicati [Si₄O₁₁^6- ]n

Catene doppie di tetraedri.

Negli anfiboli due catene singole di unità tetraedriche sono unite insieme a formare cavità esagonali. Un esempio è l’OMEBLENDA, [(Ca,Na)₂ (Mg,Fe,Al)₅(Al,Si)₈O₂₂(OH)₂ ]).

Fillosilicati [Si₄O₁₀^4-]n

Tetraedri disposti secondo maglie esagonali.

Il silicato più diffuso di questo gruppo è la mica; sono miche la muscovite, formula KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂, anche detta mica bianca, e la biotite, formula K(Mg,Fe)₃AlSi₃O₁₀(OH)₂, anche detta mica nera. fillon.

Nei fillosilicati primari (dal greco foglio), la struttura è caratterizzata da due fogli tetraedrici (T) uniti da cationi (Al³⁺, Fe³⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) in coordinazione ottaedrica che ne neutralizzano gli ioni ossigeno apicali definendo un foglio ottaedrico (O). Si individua in tal modo uno strato TOT motivo strutturale fondamentale dei fillosilicati trimorfici.

Struttura della pirofillite (diottaedrica) e del talco (triottaedrica):

Deboli forze di van der Waals tengono uniti i pacchetti strutturali.

Tectosilicati

Reticolo tridimensionale di tetraedri.

I tectosilicati (dal greco tectos, edificio) sono caratterizzati da organizzazione strutturale tridimensionale dei tetraedri che condividono tutti gli atomi di ossigeno.

• Quarzo: SiO₂.
• Feldspati: ortoclasio, sanidino, microclino (KAlSi₃O₈); plagioclasi: albite [NaAlSi₃O₈] e anortite [CaAl₂Si₂O₈].
• Feldspatoidi: nefelina (NaAlSiO₄); leucite (KAlSi₂O₆).
• Zeoliti: Corroborante.

Forze di van der Waals

Allo stato gassoso molto rarefatto le molecole sono dotate di elevata energia cinetica e sono indipendenti le une dalle altre. Allo stato liquido e allo stato solido la situazione è decisamente diversa: in questi stati la maggior compattezza e la minor mobilità delle molecole è da imputarsi a interazioni tra esse.

Tali interazioni riguardano sia molecole polari che molecole non polari e sono conosciute genericamente con il nome di forze di Van der Waals.

• Sono forze intermolecolari o forze attrattive o repulsive tra molecole.
• Dipendono dalle fluttuazioni nella distribuzione delle cariche nelle molecole.
• Sono interazioni molto deboli con un'energia (0,1-10 kJ mol–1) mediamente cento volte inferiore a quella di un legame covalente o ionico (100-1000 kJ mol–1).
• Hanno un breve raggio d'azione e la loro intensità diminuisce rapidamente all'aumentare della distanza.

Il termine include tre tipi diversi di interazioni intermolecolari:

1. Forza dipolo permanente-dipolo permanente;
2. Forza dipolo permanente-dipolo indotto;
3. Forza dipolo istantaneo-dipolo indotto.

Forza dipolo permanente-dipolo permanente

Le molecole dipolari (molecole con due poli, uno positivo δ+ e l'altro negativo δ− e quindi dotate di un momento di dipolo μ) creano attorno a sé deboli campi elettrici che fanno sentire la propria attrazione su altre molecole polari vicine. In questo modo si verifica un'attrazione elettrostatica tra i poli opposti di due molecole. Le molecole dipolari si avvicinano e tendono a disporre i loro poli di carica opposta l'uno di fronte all'altro. In tale modo si raggiunge una configurazione di elevata stabilità che rende minima l'energia potenziale del sistema.

Il legame a idrogeno è la più intensa delle forze di primo tipo (energia di legame 20-50 kJ/mol), pertanto viene generalmente considerato a parte, pur rientrando in questa categoria.

Forza dipolo permanente-dipolo indotto

L'interazione dipolo permanente-dipolo indotto si ha tra molecole polari e molecole non polari. Nella molecola non polarizzata il baricentro delle cariche positive coincide con il baricentro delle cariche negative. Quando la molecola viene immersa in un campo elettrico, succede che la nuvola elettronica carica negativamente viene deformata ed attratta dal polo positivo.

Forza dipolo istantaneo-dipolo indotto

Le interazioni dipolo istantaneo-dipolo indotto sono forze attrattive tra molecole non polari. Anche molecole non polari possono divenire, per brevissimi intervalli di tempo, molecole polari. Ciò è dovuto al moto degli elettroni attorno al nucleo. In un atomo, di solito la distribuzione della nuvola elettronica è simmetrica rispetto al nucleo; i baricentri delle cariche negative e positive coincidono e la molecola è non polare. In un dato istante può succedere però che la distribuzione della nuvola elettronica sia asimmetrica rispetto al nucleo e addensata da un lato. Ciò determina la formazione di un dipolo istantaneo.

Ciascun dipolo istantaneo genera un campo elettrico che a sua volta induce un dipolo indotto nelle molecole circostanti. Tra il dipolo istantaneo e il dipolo indotto si viene a formare una forza attrattiva detta forza di London; grazie a questo tipo di interazione molecole perfettamente apolari come O₂ e N₂ possono esistere allo stato condensato. L'intensità delle forze di London aumenta all'aumentare delle dimensioni e della massa molecolare delle molecole. È per questo motivo che F₂ e Cl₂ sono gassosi, Br₂ è liquido mentre I₂ è solido.

I non silicati

• I carbonati: calcite (CaCO₃), dolomite [(CaMg(CO₃)₂], carbonato di sodio (Na₂CO₃).
• I fosfati: apatiti (fluoroapatite [Ca₁₀(PO₄)₆F₂], idrossiapatite [Ca₁₀(PO₄)₆OH₂], etc.) - variscite [AlPO₄.2H₂O], strengite [FePO₄.2H₂O], vivianite [Fe₃(PO₄)₂.8H₂O] – fosfato monocalcico [Ca(H₂PO₄)₂.H₂O], bicalcico [CaHPO₄.2H₂O], tricalcico, ottocalcico ù.
• Gli alogenuri: salgemma [NaCl].
• I solfati: gesso [CaSO₄.2H₂O].
• I solfuri: pirite [FeS₂], galena [PbS], blenda [ZnS].
• Ossidi e idrossidi di ferro, alluminio e manganese.

Gli ossidi di ferro sono i più abbondanti e, ad eccezione della magnetite [Fe₃O₄], sono tutti ritenuti prodotti della pedogenesi. I più comuni nel suolo sono:

Goethite [α FeOOH], diffuso nei suoli di zone temperate, catene doppie di ottaedri di Fe, cristalli aghiformi, colore giallo bruno.

Ematite [αFe₂O₃], diffuso e associato alla goethite nei suoli tropicali e subtropicali, lamine esagonali, colore rosso.

Ferridrite, ossidrossido di ferro amorfo, si rinviene frequentemente negli ambienti in cui il ferro viene ossidato e precipita in presenza di molta sostanza organica.

Gli ossidi e idrossidi di Alluminio sono molto diffusi nei suoli evoluti; il loro sviluppo nei suoli è un processo lento e ha luogo prevalentemente in ambienti acidi.

La gibbsite [γAl(OH)₃], è l’unico idrossido di Al presente nel suolo in quantità non trascurabili. Colore bianco se pura, cristalli tabulari con contorno esagonale.

Si riscontra di frequente nei suoli dei paesi della fascia tropicale dove i processi di idrolisi e di lisciviazione inducono una spinta alterazione dei costituenti litici con allontanamento quasi completo dei cationi basici ed un drastico abbassamento dell’attività del Si nella soluzione del suolo.

Gli ossidi di manganese sono spesso di colore nero o marrone scuro e si trovano in molte rocce e suoli. Gli ossidi di manganese vengono usati in molte industrie, per esempio per produrre acciaio, batterie e per scopi chimici. Si possono trovare in molte parti del mondo, in particolar modo nelle miniere di manganese. Si formano spesso vicino a depositi di ferro o in ambienti ricchi di ossigeno, come suoli o fondali marini.

La presenza di ossidi di manganese nel suolo può indicare che il terreno è ricco di minerali e che c'è una buona attività chimica e biologica, come ad esempio la decomposizione di materiale organico.

Un esempio è la pirolusite (MnO₂): è uno degli ossidi di manganese più comuni. Viene spesso usata per produrre batterie.

La Terra: caratteri generali

In base alle caratteristiche chimiche e mineralogiche la Terra si suddivide in tre «gusci» concentrici:

• Crosta, con spessore medio di 35 km, relativamente leggera e con composizione eterogenea;
• Mantello, con uno spessore di circa 2900 km, costituito in prevalenza da rocce ultrabasiche (peridotiti);