Appunti chimica del suolo

Chimica del suolo

Il suolo è la parte più superficiale della crosta terrestre, la porzione solida più esterna del nostro pianeta che si estende per una profondità media di 30 km circa, arrivando a 50 km nelle zone continentali e non superando invece i 10 km nei fondali oceanici.

La terra è sostanza, materia, è densa, lenta e costante, forma i corpi, le cose, è la base fisica, la struttura, la materializzazione delle idee, la concretezza. La terra è cibo, nutrimento, forma e mantiene la vita, è il pianeta, base di ogni vita fisica, è la natura.

La terra è la componente dell'ecosistema composta di frammenti di rocce, minerali e sostanza organica, che copre una parte delle superfici emerse della terra e costituisce l'interfaccia tra: biosfera, atmosfera, idrosfera e litosfera.

Definizioni di suolo

• Prodotto della disgregazione della litosfera mescolato a residui vegetali e animali.
• "L'eccitata parte della superficie terrestre".
• Nuovo equilibrio della roccia con l'ambiente.
• In un contesto agricolo, il suolo è costituito da particelle in grado di supportare la crescita delle colture e può essere lavorato.
• In ambiente naturale, è costituito da materiali minerali ed organici, che sulla superficie della terra garantisce la vita agli organismi viventi.
• Il suolo è uno dei beni preziosi dell'umanità. Consente la vita dei vegetali, degli animali e dell'uomo sulla superficie della Terra (consiglio d'Europa, 1972).
• Secondo il punto di vista contemporaneo, il suolo, costituisce una risorsa naturale non rinnovabile che, raggiunta una condizione di stabilità determinata da fattori stato (roccia madre, clima), può regredire verso la rottura dell'equilibrio per fenomeni di alterazione (erosione, inquinamento).

I termini "terreno" e "suolo" sono sinonimi anche se il primo è un termine usato in campo agrario, mentre il secondo è un termine impiegato da naturalisti, pedologi, geologi.

Osservazioni e ricerche hanno portato gli studiosi alla conclusione che, diversamente dai minerali, i suoli non sono entità nettamente distinte, esattamente individuabili e con caratteristiche costanti ma dipendono dalle condizioni ambientali esistenti sia durante la loro formazione che nella loro maturità.

Pedon -> il più piccolo volume di pedosfera che può essere definito suolo sufficiente a descriverne in modo rappresentativo le caratteristiche e la natura.

È possibile suddividere il suolo in tre diversi strati: strato attivo (eluviale, 40-30 cm), strato inerte (iluviale) e sottosuolo. Il suolo è la "pellicola" superficiale, che in termini di utilizzo coincide con il suolo agricolo.

Il sottosuolo, invece, è la componente strutturale del territorio. Dal punto di vista ambientale i fenomeni di degrado e inquinamento superficiale attengono al suolo, le problematiche di rischio e dissesto del territorio attengono al sottosuolo.

Le fasi del suolo

Nel suolo si individuano 3 fasi:

• Solida
• Gassosa (aria tellurica)
• Liquida (soluzione circolante)

Di particolare importanza è l'interfaccia solido/liquido. La fase solida del suolo (le particelle) è costituita da:

• Minerali: prodotti di disgregazione delle rocce (minerali argillosi, ossidi, idrossidi, silice ecc.); possono essere cristallini o amorfi, in cui il livello di ordine di atomi, ioni o molecole risulta basso.
• Sostanza organica

La fase liquida è costituita dalla soluzione circolante:

• Acqua
• Sali disciolti
• Sostanza organica disciolta
• Particelle in sospensione

Aria del terreno

I pori del terreno sono in comunicazione tra loro e con l'atmosfera sovrastante il terreno stesso, per cui ad ogni variazione del contenuto di acqua nei pori stessi fa riscontro una variazione in senso contrario del contenuto di gas. In un terreno saturo di acqua non c'è aria.

La fase gassosa prende il nome di aria tellurica. I primi centimetri del suolo sono più porosi e quindi più abbondanti di aria; oltre 1 m di profondità esistono quasi esclusivamente la fase liquida e solida. La composizione dell'aria tellurica è simile a quella atmosferica per quanto riguarda N₂, gas nobili, mentre è diversa per il rapporto O₂/CO₂. Vediamo infatti che all'interno dell'aria tellurica il contenuto di CO₂ è nettamente superiore, ciò è dovuto al fatto che la CO₂ si produce continuamente nel terreno a causa della respirazione di organismi aerobi, nell'ossidazione chimica della sostanza organica ecc... Conseguentemente si riduce il contenuto di O₂. Anche il contenuto di vapore acqueo è superiore.

La considerazione che l'aria tellurica è in comunicazione con l'atmosfera esterna indurrebbe a pensare che i due sistemi gassosi dovessero avere la stessa composizione, ma si deve tenere conto della lentezza con cui tendono ad equilibrarsi. I gas più concentrati nell'aria tellurica rispetto a quella atmosferica (CO₂ e vapore acqueo) tendono a diffondere all'esterno e da qui diffonde invece nel terreno ossigeno.

Scambi tra aria tellurica e atmosferica

Tra l'aria tellurica e quella atmosferica si possono avere scambi attraverso due meccanismi:

• Flusso di massa, dovuto alle fluttuazioni del contenuto di acqua che, quando penetra nel suolo, scaccia l'aria.
• Diffusione: ciascun gas si muove in una direzione determinata dalla pressione parziale. I movimenti dell'aria avvengono principalmente nei macropori.

Problemi di aerazione

La causa sono gli eccessi di umidità dovuti a:

• Sommersione nei suoli non drenati
• Eccesso di pioggia o irrigazione
• Compattamento per lavorazioni meccaniche

Con la profondità diminuiscono i macropori e quindi la % di O₂; negli strati superiori la percentuale di O₂ è circa del 20%, negli strati più profondi scende fino al 5%.

Fattori che influenzano l'ossigeno

Sulla concentrazione di ossigeno influiscono:

• Tessitura
• Densità apparente
• Stabilità degli aggregati
• Aggiunta di sostanza organica
• Stagionalità

Funzioni del suolo

Le funzioni del suolo includono:

• Filtra, adsorbe e scambia ioni e sostanze presenti nelle acque.
• Intercetta particelle e aerosoli dell'atmosfera.
• Immette gas nell'atmosfera.
• Immagazzina carbonio.
• Regola i flussi delle precipitazioni verso le falde acquifere.
• Regola i processi di smaltimento/riciclo dei rifiuti.
• Serve alla produzione di alimenti e fibre.
• Sostiene la realizzazione di strade, abitazioni, strutture a fini produttivi.
• Supporta la biodiversità delle forme vitali.
• Fornisce materie prime.
• Incamera e protegge le evidenze del passato, come i resti archeologici, e registra eventi naturali anche molto antichi.

La pedosfera e la pedogenesi

I suoli si trovano all'interno della pedosfera, l'involucro della Terra dove sono attivi i fattori della formazione del suolo, la pedogenesi. La pedogenesi è l'insieme di processi che portano alla formazione di un suolo a partire dal substrato pedogenetico, il materiale roccioso derivante da una prima alterazione della roccia madre (materiale litologico originario). La pedogenesi è studiata dalla pedologia: scienza che studia la pedogenesi ma anche il riconoscimento e la classificazione dei suoli.

Il materiale litologico originario è la roccia intesa come aggregato di minerali, non esprimibile con una formula. Le rocce possono essere:

• Ignee (magmatiche):
  • Intrusive (ricche di silice, acide, chiare es. granito, si formano per solidificazione del magma all'interno della crosta terrestre)
  • Effusive (o vulcaniti, ricche di minerali Fe e Mg, basiche, scure es. basalto, fuoriescono sotto forma di lava)
• Sedimentarie, derivano dall'alterazione delle ignee ad opera di agenti atmosferici, possono essere:
  • Clastiche o detritiche (per accumulo meccanico delle ignee alterate; ghiaie e arenarie)
  • Chimiche (da precipitazioni di sali trasferiti dopo solubilizzazione; travertino, salgemma)
  • Organogene biochimiche (in seguito all'azione di organismi; calcare, fosforiti)
• Metamorfiche: derivano da ignee e sedimentarie una volta seppellite da strati di sedimenti o coinvolte in movimenti della crosta terrestre dove sono sottoposte a alte temperature e pressione.

Un minerale è una porzione della litosfera, solida e omogenea in ogni sua parte, di formula definita. Può essere cristallino o amorfo.

Minerali primari: formati durante la cristallizzazione del magma fuso; si trovano nelle rocce ignee (Quarzo e apatiti).

Minerali secondari: formati per cristallizzazione di particelle derivanti da alterazione dei minerali primari (Calcite, dolomite, gesso, minerali argillosi).

Nei minerali i caratteri sono: colore e riflesso; mentre le proprietà sono: durezza, densità e punto di fusione.

I principali minerali presenti nel suolo sono:

• Elementi nativi
• Solfuri
• Ossidi e idrossidi
• Carbonati
• Alogenuri e solfati
• Fosfati
• Silicati

Silicati e minerali

I silicati sono i minerali più diffusi all'interno della crosta terrestre (80%); contengono principalmente silicio e ossigeno. Nei cristalli dei minerali gli ioni sono circondati da altri ioni di carica opposta, il numero degli anioni che possono disporsi intorno ad un catione centrale è il numero di coordinazione che dipende dal rapporto dei raggi dei due ioni.

Il catione centrale nei silicati è Si, mentre gli anioni che lo circondano sono O, OH (se il Si si circonda di 4 O abbiamo una configurazione detta tetraedro, dovuta al fatto che il rapporto tra Si e O è intorno a 0.30). Tramite la regola di Magnus è possibile prevedere la coordinazione tra l'atomo centrale e le molecole (anioni) che lo circondano.

Gli ossidi-idrossidi si formano dalla disgregazione dei silicati primari; presentano una struttura a pacchetti compatti di ossigeni o O, tra i quali trovano posto Al, Mg e Fe. Possono essere amorfi o cristallini; sono strutture semplici e poco solubili e per questo motivo si trovano inalterati nel suolo, inoltre sono caratterizzati da una colorazione molto intensa. Gli idrossidi hanno basso kps, dunque tendono a precipitare quando sono in soluzioni.

Pedogenesi

Le varie tappe della pedogenesi:

1. La roccia, esposta all'azione degli agenti meteorici, subisce processi di disgregazione; le trasformazioni subite dal materiale litologico originario (roccia madre) danno origine al substrato pedogenetico. La roccia madre, il substrato pedogenetico e il suolo coesistono sul pianeta. In laboratorio, in condizioni ottimali, occorrono circa 20 anni per creare un suolo a partire da un substrato.
2. I detriti possono derivare direttamente dalla roccia madre presente, possiamo avere i detriti in situ (substrato autoctono) oppure da rocce madri esterne all'area (substrato alloctono). Le alterazioni della roccia possono essere:
• Fisiche: dovute a reazioni fisiche come la pressione; da particelle molto grandi si arriva a particelle molto piccole tramite lo sminuzzamento.
• Chimiche
• Biologiche

Le alterazioni sono provocate da vari agenti ma quello fondamentale è l'acqua (idrolisi).

Disgregazione fisica del materiale litologico

Azione dell'acqua corrente: i detriti trasportati dall'acqua si urtano, si frantumano e si polverizzano. I substrati formati da particelle trasportati da corsi di acqua si definiscono alluvionali; le particelle con dimensioni maggiori le troveremo vicino alle rocce madri, mentre le particelle con dimensioni ridotte sedimenteranno molto più lontano.

Azione del vento (corrasione): abrasione esercitata da particelle trasportate dal vento sulle rocce.

Azione dei ghiacciai (exarazione): il materiale trasportato si raccoglie a valle a formare le morene.

Insolazione, alternanza gelo-disgelo, alte e basse temperature: l'insolazione è l'azione dei raggi solari; l'alternarsi del giorno e della notte provoca dilatazione e contrazione dei minerali, con variazioni di volume e fratture; per quanto riguarda il gelo e il disgelo l'acqua passando dalla fase liquida a quella solida aumenta di volume e quindi provoca delle fratture all'interno della roccia per l'aumento di pressione.

Azione dei sali solubili: l'idratazione dei sali anidri porta ad un aumento di volume anche del 60%, l'azione dei sali solubili è più modesta: quando cristallizzano si ha un aumento di volume e dunque di pressione.

Azione delle radici nella roccia fessurata: anche il turgore delle radici esercita una pressione.

Disgregazione chimica del materiale litologico

I fattori sono l'acqua, che svolge tre tipi di azione (idratante, solvente e idrolitica) e l'ossigeno che svolge un'azione ossidante.

L'idratazione consiste nella formazione di legami tra ioni o composti e molecole indissociate di acqua, che entrano a fare parte di insiemi cristallini. Ne è esempio classico il gesso (CaSO₄ x 2H₂O).

L'acqua può idratare i minerali entrando come H₂O di cristallizzazione e ciò comporta: variazione del colore e cambiamento di simmetria. L'idratazione è un processo reversibile, l'acqua di cristallizzazione può venire allontanata per riscaldamento del minerale. L'azione di solvente dell'acqua è dovuta al fatto che, l'acqua, può modificare la solubilizzazione; l'intensità della solubilizzazione dipende dalla presenza di acqua e dalla solubilità di CO₂ (questa è influenzata dalla temperatura).

I metalli alcalini e alcalino-terrosi hanno una elevata solubilità e sono allontanati per primi dall'ambiente di alterazione. In normali condizioni di aerazione il terreno contiene in fase gassosa tanto ossigeno da assicurare un ambiente nettamente ossidante. L'azione dell'ossigeno si esplica naturalmente solo su quei componenti che possono subire una variazione, in aumento, del grado di ossidazione. Vanno presi in considerazione i potenziali standard di riduzione; il potenziale standard di riduzione è una misura quantitativa della tendenza relativa di un elemento ad essere ossidato o ridotto ad opera di un altro. Tanto più alto è il valore del potenziale stesso, tanto maggiore è la tendenza a ridursi.

Decomposizione biologica del materiale litologico

Meccanismi di azione: gli organismi (funghi, lombrichi, radici delle piante) determinano fenomeni di tipo meccanico e chimico. I funghi penetrano con le ife nelle spaccature della roccia (azione meccanica); i muschi trattengono acqua con il corpo feltroso e favoriscono l'idrolisi anche in condizioni di siccità (azione chimica).

Le prime piante pioniere e successivamente le piante superiori portano poi alla formazione di un suolo più maturo per:

• Azione meccanica delle radici
• Azione chimica della CO₂, della respirazione e degli acidi organici della secrezione radicale

Le rocce esposte agli agenti dell'alterazione chimica e fisica in un ambiente scarso di O₂ e privo di organismi non potevano originare il suolo perché mancava la componente organica. Nei primi suoli la componente organica si è formata in seguito alla comparsa della vita sulle terre emerse.

Nell'era paleozoica si assisteva alla nascita in mare di molteplici forme di vita, successivamente le alghe iniziarono a produrre O₂ con la fotosintesi e nell'atmosfera si accumulò una concentrazione del gas simile a quella attuale. Iniziava a formarsi nell'alta atmosfera, ozonosfera, lo schermo protettivo in grado di assorbire le radiazioni UV; così gli esseri viventi poterono spostarsi dal mare alla terraferma. I continenti si coprirono di vaste foreste di felci e equiseti di dimensioni gigantesche; i resti di questa vegetazione e i residui animali hanno permesso la formazione dei primi suoli.

Fasi e meccanismi tipici della pedogenesi

Le fasi e meccanismi tipici della pedogenesi includono:

• Decomposizione e sintesi: degradazione di costituenti minerali e organici e nuove sintesi
• Maturazione dell'iniziale abbozzo di suolo: trasformazione (minerali primari in ossidi e minerali argillosi, sostanza organica in humus), addizione - rimozione di sostanze (sali, particelle solide e sostanza organica).

Meccanismi:

• Eluviazione: trasferimento di particelle organiche da una zona all'altra
• Illuviazione: avviene per precipitazione chimica di composti; avviene per mezzo di fenomeni chimici associati al pH che determinano il passaggio da una zona solubile ad una non solubile e che dunque ha come conseguenza la deposizione del composto.
• Lisciviazione: trasferimento di sostanze solubili
• Podsolizzazione: trasferimento di tutte le sostanze presenti nel terreno verso il basso (tranne il quarzo e la caulinite dato che non sono solubili in H₂O), dove qua sedimentano a formare un nuovo strato. Nel punto originale rimangono dunque il quarzo e la caulinite in quanto Al e Fe hanno la possibilità di essere chelati e dunque di essere trasportati. È un processo con tempi molto lunghi; e affinché avvenga tale processo devono essere presenti sostanze organiche.
• Gleizzazione: riduzione del Fe³⁺ per eccesso di acqua.
• Carbonatazione e decarbonatazione
• Laterizzazione: processo di trasferimento di sostanze dove nel punto originale rimangono gli ossidi di Fe e Al perché non sono presenti sostanze organiche che possano chelarli.

Il suolo è quindi funzione dell'azione combinata...