Chimica del suolo

Suolo

TEORIA

Pedogenesi —> processo di formazione del suolo

La qualità del suolo determina sia il supporto di crescita che esso può dare alle piante, sia la

possibilità di contrarre malattie.

Definizione di suolo:

1) Il suolo è la parte più superficiale della crosta terrestre ed ha uno spessore che va da pochi

mm a qualche cm.

2) Il suolo è un componente dell’ecosistema composto da frammenti minerali, di rocce e

sostanza organica. E’ l’ interfaccia tra le 4 sfere (biosfera, idrosfera, atmosfera e litosfera).

Il suolo è definito ZONA CRITICA della terra vista la sua importanza nei processi biologici.

Si distingue il termine TERRENO (inteso in campo agricolo) da SUOLO che può a sua volta essere

diviso in naturale (non toccato dalle attività umane) o coltivato.

LABORATORIO1

TESSITURA

E’ una proprietà fisica del terreno.

Nel terreno sono presenti particelle di varie dimensioni, che si dividono in classi a seconda del

diametro.

Questa analisi ci permette di capire la fertilità del suolo e, a seconda della percentuale delle varie

classi, anche la tipologia di suolo.

Per quest’analisi si usa un setaccio, che ci permetterà di separare le particelle con diametro < 2

mm (quelle che ci interessano) dallo scheletro (tutto il resto).

Le classi di suddivisione sono:

Sabbia grossa 2-0.2 mm

Sabbia fine 0.2 - 0.02 mm

Limo 0.02 - 0.002 mm

Argilla < 0.002 mm

Le frazioni con minore diametro, hanno le maggiori proprietà.

L’esperienza si basa sulla diversa velocità di sedimentazione delle diverse classi presenti nel

terreno.

1) Si tratta il campione con esa-meta-fosfato di sodio, un disgregante che agisce solo sugli

aggregati più deboli, che si formano per azione dell’acqua piovana o della lavorazione meccanica.

Si determina così la TESSITURA APPARENTE, cioè il valore reale di tessitura del terreno.

Se trattassimo il campione con H2O2, un forte disgregante, troveremmo la TESSITURA REALE,

un valore puramente teorico.

2) Si mette la sospensione nel LEVIGATORE DI ESENWIN, un cilindro che a 25 cm di altezza ha

un punto di prelievo, costituito da una pipetta che preleva al massimo 10 ml.

3) E’ necessario attendere del tempo perché tutte le particelle di sabbia decantino, a quel punto

nella sospensione avremmo solo limo e argilla.

La velocità di decantazione è calcolabile tramite la LEGGE DI STOCKES:

V= 2/9*(D-d)*g*r^2/n

In questa formula si considerano le particelle isodiametriche, cioè tutte con lo stesso diametro.

Risolvendo, troviamo che V= 36’000*r^2.

Si impone il diametro della sabbia fine, espresso in cm, ed esprimendo il raggio più piccolo

possbibile, in modo tale che tutta la sabbia sedimenti.

T=s/V —> 25 cm/36000*(0.001)^2= 11,57 s

Aspettando 12 min, siamo sicuri che tutta la sabbia sia sedimentata.

4) A questo punto si preleva 10 ml della sospensione di argilla e limo, e si fanno essiccare in stufa.

Questo ci darà una massa da pesare.

I suoli si possono esprimere con tre termini: sabbioso, limoso o argilloso. Ma la migliore

definizione la troviamo nel triangolo di Shepard, un triangolo equilatero che presenta delle scale

da 0 a 100 su ogni lato per indicare le varie composizioni.

L’incrocio tra i tre lati, mi darà il nome del terreno.

La tessitura influenza anche il colore del terreno, infatti, un terreno sabbioso avrà un colore più

chiaro, perché contiene molti pori dai quali l’acqua può passare ed allontanarsi.

Un terreno argilloso, invece, tende ad essere molto compatto, e perciò l’acqua non passerà per

andare in profondità, ma si muoverà solo superficialmente.

DATI

Terreno 26R

peso =10,03 g

capsula = 9A

peso = 20,6300 g

peso capsula + terra = 20,7306 g

m terra = 20,7306 - 20,6300 = 0,1006 * 500 = 50,3 g (limo+argilla)

% sabbia = 100 - 50,3 = 49,7%

terreno franco-sabbioso. METODOLOGIA DI CAMPO

Prevede che si inumidisca una piccola quantità di terreno, e poi, di valutare, a seconda delle

sensazioni tattili, qual’è la componente principale del terreno.

1) abrasione —> sabbia grossa

2) smerigliatura —> sabbia fine

3) saporosità —> limo

4) plasticità —> argilla

Ovviamente, il margine di errore è molto elevato.

In più, solo un suolo argilloso assume una forma una volta bagnato.

Un suolo franco ha una composizione di: sabbia (25-55%), limo (25-45%) e argilla (10-25%)

TEORIA

LE FASI DEL TERRENO

Si definisce PEDON la più piccola quantità di volume di un suolo, in grado però di descriverne le

proprietà e la natura. (1-10 m^2 di volume + 1-10 m di profondità).

Scendendo il basso nel terreno, si nota che questo è formato da strati, definiti ORIZZONTI, che si

sono formati nel processo evolutivo della terra, e sono principalmente tre:

1) STRATO ELUVIALE (30-40 cm) è lo strato più superficiale, e contiene molto ossigeno, acqua e

attività microbica. Col tempo viene impoverito perché l’acqua, percolando verso il basso,

tende a portare via le sostanze solubili, in un processo noto come ELUVIAZIONE.

2) STRATO ILLUVIALE, formato dai depositi di sostanze che l’acqua ha portato via.

3) SOTTOSUOLO, definito come la componente strutturale del territorio.

Il suolo può essere sottile (<30 cm di profondità) oppure profondo (90-120 cm).

Nel suolo si individuano 3 fasi:

1) solida (minerali + sostanza organica)

2) aria tellurica (presente solo fino ad 1 m di profondità)

3) soluzione circolante

La parte in cui si ha il maggior numero di scambi è nell’interfaccia, cioè il punto di contatto tra la

fase solida e quella liquida.

I minerali nella fase solida sono presenti per il 40-60%, mentre la frazione organica è presente per

il 5-10%. L’acqua è presente per il 20-50% mentre l’aria è presente per il 10-35%.

La fase solida è composta da:

Frazione minerale —> composta da minerali argillosi (piccolissimi), ossidi e idrossidi di Fe e Al e

Silice (SiO2). Questi possono essere cristallini (geometria perfetta) oppure amorfi (rotondi con

pori). Tutti questi sono prodotti dalla digradazione e aggregazione delle rocce.

Frazione organica —> fauna microbica, flora, radici, residui animali e vegetali, e humus.

HUMUS = sostanza organica umificata, cioè trasformata dalla flora microbica.

La fase liquida è composta da:

falde freatiche, acqua di percolazione, acqua capillare e acqua igroscopica, quest’ultima in

particolare si lega strettamente alle particelle minerali formando un velo d’acqua noto come

MICELLA.

Vi sono anche sostanza con una solubilità maggiore del Gesso (> 2,41g/L) ed ancora la sostanza

organica disciolta (passa da un filtro di 0,45 micron), cioè sostanze organiche con una propria

solubilità. (aa, acidi organici a basso PM, acidi fulvinici (fase umificata di acidi organici già

trasformati. Da una colorazione giallo-rosso al terreno).

La fase gassosa è composta da:

1) ossigeno che non deve mai andare sotto il 2% perché altrimenti non c’è vita. (20%) Ma

un’eccessiva concentrazione porta all’ossidazione della sostanza organica.

2) azoto, la cui concentrazione viene aumentata dai processi di fissazione (78%)

3) CO2 (1-2%)

Siccome i gas si muovono molto facilmente, una parte della CO2 nel suolo migra verso

l’atmosfera.

L’incremento (arricchimento) della produzione di CO2 è dovuta a tutte quelle reazioni che portano

alla produzione di CO2 nel suolo, e sono:

1) la respirazione delle piante (O2 + CH2O —> CO2 + H2O

2) decadimento organico

3) decadimento del CaCO3 (CaCO3 + 2HCl —> CaCl2 + H2O + CO2)

Inoltre, si ha un ulteriore incremento della CO2 in primavera, poiché si ha una ripresa microbica

che porta alla produzione di CO2.

Essendo poi, la CO2 solubile in H2O, la troviamo anche nella soluzione circolante.

Gli scambi gassosi tra aria tellurica e atmosferica sono:

1) spostamenti di massa —> l’acqua spinge i gas quando arriva nel terreno. Questi eventi si

verificano sopratutto in superficie dove l’escursione termica è uguale e a quella dell’atmosfera.

2) diffusione —> ciascun gas si muove in una direzione determinata dalla su pressione parziale,

da zone a concentrazione maggiore a zone a concentrazione minore. Questi movimenti

avvengono nei pori più grandi dove l’aria circola meglio e l’acqua è poco presente perchè

percola verso il basso.

I fenomeni di diffusione di O2 sono dovuti ai fenomeni di mineralizzazione dove si consuma O2 e

si ha uno spostamento di O2 dall’atmosfera all’aria tellurica.

PROBLEMI DI AREAZIONE

1) sommersione in suoli non drenati (non si ha la possibilità di togliere acqua).

2) eccesso di pioggia o irrigazione

3) compattamento dovuto alla lavorazione del terreno

Sulla concentrazione di O2 influiscono vari fattori, tra cui la tessitura del terreno (maggiore o

minore percolazione di acqua), la densità apparente, la stabilità degli aggregati, l’aggiunta di

sostanze organiche e la stagionalità.

Nel terreno gli atomi assumono forme ossidate o ridotte a seconda della presenza o meno

dell’ossigeno, che poi hanno ripercussioni sulle reazioni del terreno.

OX: CO2-NO3-SO4-Fe(III)

RED: CH4-N2-NH4+ - S- H2S- Fe(II)

FUNZIONI DEL SUOLO

1) filtra, assorbe e scambia ioni e sostanze presenti nelle acque.

2) Intercetta particelle e aerosol presenti nell’atmosfera.

3) Immette gas nell’atmosfera (CO2 e CH4)

4) Immagazzina C.

5) Regola i flussi delle precipitazioni verso le falde acquifere.

6) Regola i processi di smaltimento riccilo dei rifiuti.

7) Serve alla produzione di alimenti e fibre.

8) Sostiene la realizzazione di strade, abitazioni, strutture a fini produttivi.

9) Supporta la biodiversità delle forme vegetali.

10) Fornisce materie prime.

11) Incamera a protegge le evidenze del passato.

FAGLIA —> frattura nel terreno dovuta ad un sisma.

PEDOGENESI

I suoli si trovano nella PEDOSFERA, involucro della terra dove sono attivi i fattori di formazione del

suolo.

Nella PEDOGENESI, cioè processo di formazione del suolo, si parte da un substrato

pedogenetico, oppure materiale litologico originario, che non è altro che la derivazione

dell’alterazione primaria della roccia madre.

La roccia si definisce come l’insieme di minerali, non esprimibile con una formula. E’ il suolo al

momento 0 della pedogenesi.

Quando è composta da 1 solo materiale, si dice OLOCRISTALLINA.

Gli elementi chimici più presenti nelle rocce sono: Ossigeno (46%), Silicio (28%), Alluminio (6%),

Ferro (5%), Calcio (4%), Sodio e Potassio (3%), Magnesio (2%).

Silicio + Ossigeno formano silicati, che sono molto presenti nei minerali.

Calcio, Magnesio, Sodio e Potassio danno alcalinità al terreno.

Calcio e Magnesio influenzano il pH del terreno.

CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE

1) IGNEE (magmatiche)

1.1) INTRUSIVE (SIALICHE) —> ricche in silice, acide e chiare, si formano per

solidificazione del magma all’interno della crosta terrestre. (GRANITO)

1.2) EFFUSIVE (FEMICHE)—> ricche di Fe e Mg, basiche e scure, e fuoriescono sotto

forma di lava. (BASALTO)

2) SEDIMENTARIE —> derivano dall’alterazione delle rocce ignee tramite agenti atmosferici.

2.1) DETRITICHE o CLASTICHE —> per accumulo meccanico delle ignee alterate (ghiaie <

2mm o arenarie > 2 mm)

2.2) CHIMICHE —> da precipitazione di sali trasferiti dopo solubilizzazione. (TRAVERTINO)

2.3) ORGANOGENE BIOCHIMICHE —> in seguito all’azione di organismi. (CALCARI)

3) METAMORFICHE —> derivano da ignee e sedimentarie una volta seppellite da strati di

sedimenti o coinvolte in movimenti della crosta terrestre dove sono sottoposte ad alte

temperature e pressione. (MARMO/ARDESIA).

MINERALI

Si definiscono come una porzione della litosfera, solida ed omogenea in ogni sua parte e di

formula definita.

Possono essere cristallini o amorfi (ALLOFANE —> silicati e ossidi di Fe e Al).

I minerali primari (quarzo e apatiti) si formano durante la cristallizzazione del magma fuso (si

trovano nelle rocce ignee).

I minerali secondari sono dovuti alla cristallizzazione di particelle derivanti da alterazioni di

minerali primari.

CALCITE CaCO3

DOLOMITE CaCO3*MgCO3

GESSO CaSO4*2H2O

Si definisce un cristallo come una struttura in cui ioni, atomi e molecole sono disposti secondo

geometrie periodiche ordinate lungo le tre direzioni dello stazione che si chiama appunto reticolo

cristallino.

Si definisce una cella elementare come la rappresentazione della formula chimico-mineralogica di

un minerale. LEGAMI CHIMICI COINVOLTI NEI MINERALI

Sono presenti legami ionici (deboli) ma anche legami covalenti (forti).

PROPRIETA’ DEI MINERALI

Durezza, densità, punto di fusione

Colore e riflesso

SCALA MOHS —> indica la durezza dei minerali. Ogni minerale scalfisce tutti quelli precedenti.

PRINCIPALI MINERALI NEL SUOLO

1) elementi nativi (Au, Ag, Cu)

2) solfuri —> contenenti Fe, Cu, Zn, Pb (TRIOLITE FeS)

3) carbonati —> minerali on scarsa durezza, conferiscono dei pH tra 7,5 e 8,5. (SIDERITE

FeCO3)

4) ossidi e idrossidi

5) alogenuri e solfati —> minerali che contengono alogeni (SILVITE KCl)

6) fosfati —> Il fosforo è elemento di fertilità. Si hanno fosfati di Fe (acidi) e Al (basici).

7) silicati —> Compongono circa l’80% della crosta terrestre, ma il 50% di essi sono FELDSPATI

(contengono K).

All’interno dei cristalli di silicati, il silicio viene spesso rimpiazzato dall’Al in un’azione che si

chiama VICARIAZIONE o SOSTITUZIONE ISOMORFA, nel senso che la forma non cambia ma

cambia la carica elettronica perché il Si è carico 4+ mentre Al 3+.

Questo comporterà un eccesso di cariche negative nella struttura.

NUMERI DI COORDINAZIONE

Nelle strutture dei minerali, un catione con una data carica + è circondato da un certo numero di

anioni di carica -, il numero di questi anioni dipende dal rapporto tra i raggi degli ioni, ed è noto

come numero di coordinazione.

Regola di MAGNUS —> si effettua il rapporto tra la carica dello ione ed il suo raggio, ci aiuta a

capire il tipo di struttura.

Quando si presenta un numero di coordinazione pari a 4 (4 Ossigeni), in una configurazione

tetraedrica, si ha un rapporto pari a 0,30.

Il range di valori è compreso tra 0,23 e 0,41.

L’Alluminio, invece con l’ossigeno assume un rapporto di 0,4.

Qui si può avere una configurazione o tetraedrica, o ottaedrica. (0,41-0,73)

Nella ottaedrica abbiamo anche ioni Mg2+, Al3+, Fe3+ e Fe2+ e la coordinazione avviene con ioni

OH- .

Le strutture dei silicati si possono legare condividendo un vertice a formare strutture che si

stratificano. L’ossigeno fa da ponte nelle strutture in cui più tetraedri si congiungono tra loro, si

chiama GRADO DI INTERCONNESSIONE e determina anche una diversa resistenza dei materiali

all’alterazione.

Si hanno:

tetraedri isolati —> NESOSILICATI come OLIVINA, FAYALITE e FOSFORITE (Mg,Fe) SiO4

2 tetraedri —> SOROSILICATI come BERILLO e TORMALINE

INOSILICATI —> I tetraedri SiO4 possono collegare in catene di lunghezza indefinita per

condivisione di ossigeni in catene semplici. (PIROSSENI)

Le catene semplici di possono anche unire lato a lato per ulteriori condivisioni di ossigeno in

c a t e n e alternate in catene doppie. (ANFIBOLI)

CICLOSILICATI —> molto rari

FILLOSILICATI —> Sono minerali argillosi nei quali sono presenti strati tetraedri di Si che si

alternano con strati ottaedrici di Al o Mg. Possono essere 1:1 o 2:1 a seconda della periodicità

con cui si presentano nello spazio.

Gli strai sono collegati con legami a idrogeno oppure con legami di Van der Walls.

Vi sono poi minerali con brutture tridimensionali, e sono:

TECTOSILICATI —> tutti i 4 ossigeni di ogni tetraedro sono in compartecipazione con quelli dei

tetraedri adiacenti. Se è presente solo Si, si parla di QUARZO (SiO2). Se è presente Al che vicaria

parzialmente Si, si parla di FELDSPATI, ad esempio ORTOCLASIO (KAlSi3O8).

Sono presenti anche i feldspatoidi, che sono meno ricchi in Si, ad esempio la LEUCITE

(KAlSi2O6). OSSIDI E IDROSSIDI

Si formano dalla disgregazione dei silicati primari, presentano una struttura di pacchetti compatti

di O oppure OH, tra i quali sono inseriti Al, Mg e Fe.

Possono essere amorfi o cristallini e sono in genere i meno solubili di tutti i minerali.

Si ottengono anche in seguito a reazioni redox su minerali ferrosi.

Si hanno:

1) EMATITE (Fe2O3) che ha un colore rosso scuro (sangue). E’ il materiale principale da cui si

estrae il Fe.

2) GOETHITE (Fe2O3*H2O) che contiene acqua che può essere allontanata con il riscaldamento.

E’ di colore marrone ed, in ambiente ricco di acqua aumentano le molecole di acqua e si

trasforma in LIMONITE (Fe2O3*nH2O).

3) MAGNETITE (FeO*Fe2O3) che ha capacità magnetiche poiché contiene entrambe le cariche

del Fe.

4) CORINDONE (Al2O3)

5) SPINELLO (MgAl2O4)

6) RUTILO (TiO2)

7) PIROLUSITE (MnO2) che è cromogeno per il terreno.

PEDOGENESI2

Nei primi suoli la componente organica si è formata dopo la comparsa della vita sulle terre

emerse. La vita è nata nell’epoca paleozoica (250-500 mln di anni fa) ed inizialmente rimase

limitata nelle acque marine dove i raggi uv non riuscivano a penetrare. Le alghe producevano O2

che andò ad accumularsi nell’atmosfera e che attenuò l’azione dei raggi uv, da qui gli esseri

viventi si sono spostati sulla terra.

I resti di vegetazione e animali hanno permesso la formazione dei primi suoli.

Le tappe della pedogenesi sono:

ALTERAZIONE dell