Appunti di Chimica del suolo

Appunti di chimica del suolo

1. Il suolo

• Definizione, origine, genesi, composizione, struttura, tessitura.

2. I colloidi del suolo

Natura, proprietà e importanza per le proprietà chimiche, fisiche e nutrizionali. I colloidi inorganici: i minerali argillosi. I principali fillosilicati. Gli ossidi e idrossidi di ferro e alluminio. I colloidi organici: composizione elementare e i principali costituenti.

Processi di alterazione e di sintesi: mineralizzazione, fattori di influenza sulla decomposizione della sostanza organica del suolo (temperatura, umidità, pH, nutrienti). Estrazione, classificazione, caratteristiche delle frazioni umiche.

Funzioni fisiche, chimiche, biologiche e ambientali della sostanza organica.

3. Le proprietà chimico-fisiche del suolo

Adsorbimento e scambio ionico. Origine delle cariche elettriche permanenti e variabili. Equazioni di scambio. Teorie del doppio strato elettrico. Fattori che influenzano lo scambio (tipo di scambiatore, concentrazione e valenza degli ioni).

Leggi dello scambio. Capacità di scambio cationico e anionico. Serie liotropica degli elementi. Basi di scambio. Tasso di saturazione basica. La fissazione degli anioni. Adsorbimento specifico e non specifico degli anioni.

4. Reazione del suolo

Determinazione. Origine dell'acidità e dell'alcalinità. Acidità attiva e potenziale. Potere tampone del suolo. Correzione dell'acidità e dell'alcalinità. Potere tampone del suolo. Influenza del pH sul suolo e sui vegetali.

I suoli acidi. Processi di acidificazione naturali e antropici. Caratteristiche dei suoli acidi, vegetazione spontanea e piante coltivate. I suoli alcalini. Origine, caratteristiche chimiche e fisiche. Influenza dell’alcalinità sul suolo e sulle piante.

5. Salinità del suolo

Origine della salinità e processi di salinizzazione naturali e antropici. Criteri per misurare e esprimere la salinità del suolo.

6. Gli elementi nutritivi

Azoto, fosforo, potassio, zolfo, calcio, magnesio, microelementi. Quantità e forme nel suolo. Apporti ed asportazioni. Solubilizzazione ed immobilizzazione.

7. I fertilizzanti

Aspetti normativi. Concimi organici, azotati, fosfatici, potassici, semplici, composti, a lenta cessione, fluidi. Il compost. Composizione, titolo, proprietà. Rapporti col suolo e i vegetali.

Esercitazioni

• Determinazione della tessitura.
• Determinazione del calcare totale e attivo.
• Determinazione della sostanza organica.
• Determinazione della capacità di scambio cationico.
• Determinazione del fabbisogno in calce.
• Determinazione del fosforo assimilabile.
• Misura dell’attività biologica totale.
• Misura di attività enzimatiche.
• Determinazione dei composti fenolici.

Suolo

In sintesi, è la parte più superficiale della crosta terrestre. Nello specifico, è definito come un elemento dell’ecosistema, costituito da frammenti di rocce, sostanze organiche e minerali. È l’interfaccia tra:

• Biosfera.
• Idrosfera.
• Litosfera.
• Atmosfera.

Il suolo è definito come il prodotto della disgregazione della litosfera mescolato ai residui vegetali. Dal punto di vista:

• Agronomico: Il suolo è costituito dalle particelle di terreno in grado di supportare la crescita delle colture e che quindi può essere lavorato.
• Naturale: Costituito da materiali minerali e organici che garantiscono la vita sulla superficie della terra.

Il suolo è formato da tre strati principali (orizzonti), quali:

• Strato attivo (30-40 cm) impoverito per i fenomeni di eluviazione.
• Strato inerte: Arricchito di sostanze a causa dell’illuviazione.
• Sottosuolo: Corrisponde alla roccia madre.

Vi sono due correnti per definire la conoscenza del suolo:

• Pratica: Quella raggiunta dai contadini nell’arco dei secoli tramite le esperienze.
• Scienza del suolo: Studio del suolo e delle sue funzioni secondo la seguente classificazione:
  • Aspetto pedologico-naturalistico: Dipendente dall’origine, classificazione e natura.
  • Aspetto edafologico: In relazione alla pianta.
  • Aspetto ambientale: Funzione del suolo nel riciclo dei rifiuti.

La chimica del suolo è in forte rapporto con altre discipline, quali:

• Fisica del suolo.
• Fisiologia delle piante.
• Biologia del suolo.
• Chimica dell’atmosfera.
• Tossicologia ambientale.
• Chimica delle acque.

Pèdon

Il pedon è definito come il più piccolo volume di pedosfera (suolo) capace di rappresentarne le sue caratteristiche e natura. Il suolo si articola in due principali parti, quali:

• Suolo: Definito come la pellicola superficiale che coincide con il suolo agricolo, da cui si originano tutti i fenomeni di degrado e inquinamento superficiali.
• Sottosuolo: Componente strutturale del territorio. Si hanno problematiche di rischio e dissesto del territorio.

Per quanto riguarda la profondità del suolo, possiamo avere diverse altezze. Dai 30 cm fino ai 120 cm, così divisi:

• Molto sottile < 30 cm.
• Sottile 30-60 cm.
• Abbastanza profondo 60-90 cm.
• Profondo 90-120 cm.

Mentre la costituzione del suolo è articolata in tre fasi principali:

• Fase solida: formata da:
  • Particelle minerali: Derivanti dalla disgregazione delle rocce, possono essere cristallini o amorfi (basso livello dell’ordine di atomi, ioni o molecole).
  • Sostanza organica.
• Fase gassosa (aria tellurica): La composizione è simile a quella dell’atmosfera per quanto riguarda N e gas nobili. È diversa per il rapporto O₂/CO₂, infatti le percentuali di O₂ e CO₂ nell’atmosfera sono rispettivamente pari al 21% e allo 0,04% (4 parti per milione) mentre nell’aria tellurica varia, infatti la percentuale di O₂ = 20% (diminuisce progressivamente con la profondità) e quella di CO₂ = 1-2%.

  Le piante necessitano almeno di una percentuale di O₂ pari al 2% per il loro accrescimento radicale e assorbimento degli elementi nutritivi. All’interno del terreno, avvengono continui scambi gassosi attraverso due meccanismi principali:

  • Flusso di massa: Dovuto all’acqua che penetrando nei macropori, scaccia via l’aria presente al loro interno.
  • Diffusione: Movimento di un gas determinato dalla pressione parziale.

  Con la profondità diminuiscono i macropori e conseguentemente la % di O₂ presente. Negli strati superiori è di circa il 20% scendendo fino al 5% negli strati profondi. Tali percentuali sono influenzate dalla:

  • Tessitura.
  • Densità apparente.
  • Stabilità degli aggregati.
  • Aggiunta della sostanza organica.
  • Stagionalità.
• Fase liquida (soluzione circolante): Composta da acqua, sali, sostanza organica e da particelle in sospensione.

Funzioni del suolo

• Filtra, adsorbe e scambia ioni e sostanze presenti in acqua.
• Intercetta particelle e aerosoli dell’atmosfera.
• Immette gas (CO₂, CH₄ ecc.) nell’atmosfera.
• Immagazzina carbonio.
• Regola l’apporto di acqua delle precipitazioni verso le falde acquifere.
• Regola processi di smaltimento/riciclo dei rifiuti.
• Utile per la produzione di alimenti e fibre.
• Sostenitore strutturale di costruzioni.
• Contiene e sostiene la biodiversità.
• Fornisce materie prime.
• Funge da “archivio” per lo studio di resti archeologici o eventi naturali passati.

Le rocce

Le rocce sono definite come un aggregato di minerali, non esprimibile con una formula. Sono costituite da percentuali pari al 46% in O₂, 28% in Si e il restante spartito in Al, Fe, Ca, Mg, Na e K. Principalmente, le rocce si suddividono in tre tipologie fra cui:

1. Ignee (magmatiche): Derivano dalla solidificazione del magma o della lava e si dividono in:
   • Intrusive: Si formano dalla solidificazione del magma all’interno della crosta terrestre. Contengono Si, sono acide e di colore chiaro (es. granito).
   • Effusive: Si formano dalla solidificazione della lava (magma sulla superficie). Ricche di minerali di Fe e Mg, sono di natura basica, scure (es. basalto).
2. Sedimentarie: Derivano dall’alterazione delle rocce ignee per merito degli agenti atmosferici. Si suddividono in:
   • Clastiche o detritiche: Si formano per accumulo delle ignee alterate (es: ghiaie e arenarie).
   • Chimiche: Si formano dalla precipitazione di sali trasferiti dopo la loro solubilizzazione (es: travertino, salgemma).
   • Organogene biochimiche: In seguito all’azione di organismi (es: Calcari, Fosforiti).
3. Metamorfiche: Derivano dalle rocce ignee e sedimentarie quando vengono seppellite da strati di sedimenti o coinvolte nei movimenti della crosta terrestre, in cui sono sottoposte ad alta temperatura e pressione (es: marmo e ardesia).

Minerali

Un minerale è definito come una porzione della litosfera, solido e omogeneo di formula definita. Può avere struttura cristallina o amorfa. Si suddividono in:

• Minerali primari: Si formano dalla cristallizzazione del magma fuso e di fatto si possono trovare nelle rocce ignee (es: quarzo SiO₂ e apatiti).
• Minerali secondari: Si formano dall’alterazione dei minerali primari (es: calcite, dolomite, gesso, minerali argillosi).

Per quanto riguarda la struttura dei minerali, essi presentano due diverse tipologie di assetti:

• Cristallo: Struttura in cui ioni, molecole e atomi sono disposti secondo geometrie periodiche ordinate lungo le tre direzioni dello spazio, formando quello che è il reticolo cristallino.
• Cella elementare: Definita come il più piccolo gruppo di atomi costituenti il cristallo, disposti ordinatamente che ripetute nello spazio formano il reticolo cristallino.

Fra le principali cristallizzazioni abbiamo:

• Sistema rombico: tre angoli di 90°
• Sistema monoclino: due angoli a 90°
• Sistema triclino: Angoli diversi da 90°

Naturalmente, tali conformazioni si reggono in piedi grazie alle forze di legame che tengono uniti gli atomi all’interno dei minerali, come legami ionici e covalenti. Ogni minerale presenta sue proprietà e caratteri che lo contraddistinguono l’uno dall’altro. Fra le proprietà troviamo: durezza, densità e punto di fusione mentre fra i caratteri: colore e riflesso. Fra i principali minerali che possiamo trovare nel suolo, vi sono: elementi nativi, solfuri, ossidi e idrossidi, carbonati, alogenuri, solfati, fosfati e Silicati.

I silicati

Sono definiti come una classe di minerali, composti prevalentemente da ossigeno e silicio; in cui, la formula chimica di base è SiO₄^2-. I silicati sono i minerali più diffusi all’interno della crosta terrestre, in una percentuale pari all’80% di cui il 50% solamente dai feldspati (fra i silicati troviamo feldspati, olivine, pirosseni, granati e miche). Hanno forma ottaedrica e tetraedrica e contengono principalmente silicio e ossigeno.

Numero di coordinazione: Nei cristalli dei minerali, gli ioni (catione) sono circondati da altri ioni di carica opposta (anioni). Il numero degli anioni che circondano il catione centrale prende il nome di numero di coordinazione, ed è definito come il rapporto tra i raggi dei due ioni (raggio catione/raggio anione).

Nei silicati il numero di coordinazione dipende dal rapporto fra:

• Raggio silicio (Si⁴⁺) e dell’ossigeno (O^2-) N° coordinazione=4. Il catione Si⁴⁺ presenta un numero di coordinazione pari a quattro e ciò significa che attorno a tale atomo, possono essere circondati da 4 atomi di ossigeno per cui assume una configurazione tetraedrica.
• Raggio di Al³⁺, Fe³⁺, Mg²⁺ e quello degli OH^- N° coordinazione=6.

Tali cationi possono essere circondati da ben 6 ioni OH^-, assumendo una configurazione ottaedrica. Un caso particolare lo assume il catione Al³⁺ che può assumere una configurazione sia tetraedrica sia ottaedrica, fungendo da vicario al Si nei silicati che diventano alluminosilicati. I tetraedri e gli ottaedri, possono unirsi tra loro in modo diverso, originando diverse tipologie di silicati:

• Nesosilicati (es: olivina, granati, topazio): Formati da tetraedri isolati che avranno un eccesso di carica negativa sui vertici che verrano poi sottratti dal minerale stesso.
• Sorosilicati (es: berillo, tormaline): Formati da tetraedri aggregati per un vertice.
• Inosilicati (es: Amianto): Formati da tetraedri di SiO₄ che si collegano l’un l’altro grazie alla condivisione di un ossigeno, formando una catena semplice (classe pirosseni). Queste catene semplici possono a loro volta unirsi tra loro per una ulteriore condivisione di ossigeni, formando catene doppie con tetraedri alternati (classe degli anfiboli).
• Ciclosilicati: Sono strutture chiuse formate da tetraedri a maglia esagonale, a base quadrata o base triangolare.
• Fillosilicati: Sono minerali argillosi caratterizzati da una struttura a strati a simmetria tetraedrica, in cui ogni tetraedro tende a unirsi all’altro mediante ponti a ossigeno. Hanno la tipica forma a scaglie, lamellari sistemate una accanto all’altra sullo stesso piano a formare una maglia di anelli e ciò li rende finissimi.
  • Fillosilicati 1:1 (T-O): 1 foglio tetraedrico e 1 foglio ottaedrico, no sostituzione isomorfa.
  • Fillosilicati 2:1 (T-O-T): 2 fogli tetraedrici e 1 foglio ottaedrico. Sostituzione isomorfa tetraedri e ottaedri.
  • Fillosilicati 2:1:1 (T-O-T-O): 2 fogli tetraedrici e 2 fogli ottaedrici.

Una volta uniti, questi strati si sovrappongono andando a formare il cristallo. I legami all’interno degli strati sono forti (ionici) mentre quelli tra i pacchetti sono deboli (legami H, forze van der Waals). I fillosilicati espandibili non presentano forti legami interstrato e quindi sono accessibili (superfici interne) internamente ed esternamente. I fillosilicati non espandibili solo esternamente.

• Tectosilicati: Sono i più abbondanti nella litosfera e hanno una dimensione più grande rispetto agli altri nonostante abbia poca superficie di contatto. Ha pochissima capacità di assorbimento, hanno una struttura tridimensionale con gli O₂ tutti collegati con altri O dei tetraedri più vicini.
  • Se contengono solo Si, abbiamo quarzo o Opale (SiO₂).
  • Se Al vicaria il Si abbiamo:
    • Feldspati
      • Ortoclasio KAlSi₃O₈
      • Albite NaAlSi₃O₈
      • Anortite CaAl₂Si₂O₈
    • Feldspatoidi
      • Leucite KAlSi₂O₆
      • Nefelina NaAlSiO₄
• Ossidi e idrossidi: Derivano dai silicati primari. Nel suolo sono presenti ossidi e idrossidi di Fe, Al e Mg in forma idratata. Sono principalmente ubiquitari ed hanno proprietà di assorbimento di ioni, in particolare anioni. Si formano per disgregazione dei silicati primari e presentano una struttura amorfa o cristallina. La sua struttura comprende pacchetti composti di ossigeni e gruppi OH tra i quali trovano posto Al, Mg o ferro. In un suolo dove la concentrazione di ossidi e idrossidi è elevata (oxisuoli) la sua colorazione sarà particolare, infatti, l’ematite Fe₂O₃ colora il suolo di rosso. La ghoethite è una forma più idrata con formula Fe₂O₃ xH₂O mentre la forma ancora più molecolare di H₂O prende il nome di limonite (colore giallo).

Pedogenesi

La pedogenesi è definita come l’insieme dei processi di alterazione fisica, chimica e biologica di un substrato pedogenetico, che portano alla formazione del suolo.

Per far sì che si abbia la formazione di un suolo definito “maturo”, oltre che alla componente litologica sedimentaria, necessitiamo dell’azione biologica in modo tale da avere anche sostanza organica. I primi organismi viventi che colonizzano il substrato inorganico, sono i muschi, licheni e colonie batteriche le quali, oltre che continuare il processo di disgregazione fisica e chimica del substrato pedogenetico, riforniscono il suolo (non ancora maturo) di un pool di sostanze organiche e ioni minerali che saranno in seguito utili alle piante per crescere e arricchire ulteriormente il suolo appena formato.

Ovviamente, tale alterazione dipende da diversi fattori:

• Roccia madre.
• Morfologia dell’ambiente circostante.
• Clima.

Tali variabili prendono il nome di “fattori pedogenetici”. Tutto ha inizio dalla frantumazione della roccia madre, (disgregazione: chimica, fisica e biologica). Il motore di tale processo è da identificarsi nel non equilibrio energetico fra i minerali (Reticolo cristallino e n° ox.).

Il substrato appena formato (insieme di frammenti rocciosi) può avere due diverse origini:

• Stesso ambiente della roccia madre: substrato autoctono.
• Luogo di origine diverso della roccia madre: substrato alloctono (es: detriti alluvionali, morenici, eolici ecc.).

La frantumazione della roccia madre (meteorizzazione) può avvenire per via fisica, secondo sminuzzamenti della superficie rocciosa, oppure via chimica, alterandole la composizione o la struttura minerale.

Alterazione fisica

L’alterazione fisica procede secondo fenomeni atmosferici (vento, pioggia ecc.) grazie cui si ottengono sedimenti a granulometria (piccoli frammenti di roccia) che progressivamente, con l’azione degli atmosferidi diventano sempre più piccoli formando granuli di sabbia di dimensioni più piccole (frazione di millimetro), formata da un unico tipo di minerale. Le particelle di dimensione ancora più piccole come l’argilla sono ottenute mediante la concomitanza di alterazioni chimiche e biologiche.