Riassunto Chimica del Suolo

Costituenti minerali del suolo

Una roccia è un aggregato di due o più minerali, oppure un sistema consistente di un solo composto (cristallino o amorfo) che si presenta come massa solida di notevole estensione. Sono classificate in magmatiche, sedimentarie e metamorfiche.

Rocce magmatiche

Rocce magmatiche derivano direttamente dalla solidificazione di magmi fusi. Se questo processo è avvenuto all'interno con successiva comparsa in superficie, vengono dette intrusive; se la solidificazione avviene direttamente sulla superficie terrestre, si parla di rocce effusive. Quelle effusive ipoabissali presentano un raffreddamento meno veloce, perché sono vicine ma non parte della superficie.

Il raffreddamento relativamente brusco che si ha nella formazione di rocce effusive (in contrasto con quello più graduale che si verifica in profondità) tende a produrre masse vetrose amorfe o cristalli più piccoli e malformati. Strutture in ordine di aumento di cristallinità e diminuzione della velocità di raffreddamento:

• Vetrosa (massa solida non cristallina) (ossidiana)
• Porfirica (cristalli grandi, pasta di fondo microcristallina) (porfido)
• Aplitica (cristalli molto piccoli) (aplite)
• Olocristallina (cristalli di dimensioni notevoli) (granito)

La composizione delle rocce magmatiche è molto variabile, soprattutto in funzione della profondità da cui provengono: gli strati inferiori del globo terrestre sono più ricchi di Mg e Fe e più scarsi di Al e Si.

Vengono considerate acide le rocce con oltre il 64% di Silice, neutre quelle con un contenuto compreso tra il 52% e il 65%, basiche quelle il cui contenuto è inferiore al 52%.

La serie di Bowen prevede la formazione dei vari minerali con il progressivo raffreddamento del magma; a destra la serie continua, a sinistra la serie discontinua (isomorfa). Il diagramma di Streckeisen serve per classificare le rocce ignee guardando alla composizione percentuale di quarzo, alcalifeldspati, plagioclasio e feldspatoidi.

Rocce sedimentarie

Rocce sedimentarie sono formate dal trasporto e/o deposito di frammenti di rocce preesistenti ad opera di agenti vari, oppure dall'accumulo o dalla precipitazione di composti provenienti da soluzioni, o da spoglie di organismi.

Le rocce clastiche sono formate da detriti derivati dalla frantumazione di rocce sia magmatiche che sedimentarie e metamorfiche, trasportati da agenti fisici in luoghi più o meno lontani da quelli di origine e ivi depositati.

Le rocce piroclastiche consistono di materiale di eruzione vulcanica aerea (cenere e lapilli) con successiva deposizione ed eventuale cementazione.

Le rocce di deposito chimico sono originate dalla precipitazione di composti poco solubili da soluzioni, in seguito a variazioni ambientali (temperatura, pH, pressione, concentrazione ecc.).

Le rocce di deposito organogeno sono derivate da residui di organismi in seguito alla decomposizione della parte organica.

Rocce metamorfiche

Rocce metamorfiche provengono dalla trasformazione di altre rocce preformate, operata in condizioni di temperature e/o pressione notevolmente alte, quali si verificano all'interno della crosta terrestre. Possiamo distinguere minerali primari, ereditati dalla roccia madre, o secondari, formatisi in seguito a processi susseguenti. Per comodità di esposizione i minerali vengono suddivisi in gruppi a seconda della loro composizione chimica: elementi, ossidi, cloruri, nitrati, solfuri, carbonati, solfati, fosfati e silicati.

Gli unici minerali costituiti da elementi, capaci di avere una rilevanza quantitativa e/o qualitativa, sono carbonio (sotto forma di grafite, formatosi come residuo di combustione di sostanze organiche) e zolfo (derivante dalla parziale ossidazione di gas sulfurei eruttivi che entrano a contatto con l'ossigeno dell'aria).

Gli ossidi più abbondanti ed importanti sono quelli (anidri o idrati) di Si, Al, Fe ed Mn.

Gli ossidi anidri di silicio hanno formula SiO₂ e prendono il nome generico di "silice". Non esistono doppi legami tra l'atomo di silicio e quelli di ossigeno, per cui ogni atomo di Si è legato a 4 atomi di O a formare la struttura tetraedrica alla base della chimica del Si (quarzo, tridimite, cristobalite).

Gli ossidi idrati di silicio hanno formula SiO₂·nH₂O (con l'idrogeno che entra nella composizione dei minerali in questione è infatti sotto forma di gruppi ossidrilici (-OH) legati a loro volta all'atomo di Si.

Gli ossidi di ferro e quelli di alluminio possono essere trattati insieme in vista della stretta somiglianza dal punto di vista chimico. Sono ossidi anidridi l'ematite (Fe₂O₃) e la magnetite (Fe₃O₄) ed il corindone (Al₂O₃).

Molto più importanti e frequenti sono gli ossidi idrati, con formula M₂O₃·nH₂O; in questi composti si ha la coordinazione ottaedrica, con 6 gruppi legati all'atomo centrale (gibbsite, boehmite, goethite).

Gli ossidi di manganese hanno grande importanza pedologica grazie alla possibilità di fornire Mn, elemento indispensabile per la nutrizione vegetale, il più noto ed abbondante è la pirolusite (MnO₂).

Poiché tutti i nitrati e quasi tutti i cloruri sono molto solubili in acqua, la loro presenza nel terreno in quantità è possibile solo in particolari condizioni di aridità. Il cloruro più importante è il NaCl di origine marina; i nitrati possono provenire da reazioni biologiche, concimazione ed inquinamento.

I solfuri sono tipici minerali primari in quanto non sono stabili in condizioni pedologiche normali. Il processo di ossidazione della pirite oltre a produrre idrossido ferrico genera una notevole quantità di acido solforico, è quindi da considerare una notevole causa di acidificazione dell'ambiente.

Per quanto riguarda i carbonati, molto frequente e molto abbondante il carbonato di calcio (CaCO₃) che costituisce i minerali di calcite ed aragonite, importanti per la propria azione di tampone per contrastare l'acidificazione. Il carbonato di sodio essendo notevolmente solubile in acqua è presente solo in terreni con movimento dell'acqua dal basso verso l'alto, formando efflorescenze bianche in superficie; quando è presente conferisce un alto grado di alcalinità e salinità. Più rara è la presenza di dolomite (CaMg(CO₃)₂).

L'unico solfato che si può ritrovare nel terreno in quantità apprezzabili è il solfato di calcio, in particolare sotto forma di gesso (CaSO₄·2H₂O).

Benchè non abbondanti, i fosfati sono di importanza fondamentale in quanto costituiscono la fonte di un elemento indispensabile. I minerali primari più frequenti sono le apatiti (Ca₅(PO₄)₃F/Cl/OH/CO₃^2-).

I silicati sono i costituenti minerali più importanti delle rocce del terreno.

Nei nesosilicati i singoli tetraedri non sono collegati direttamente tra loro, ma le valenze libere degli atomi di ossigeno posti ai vertici di ciascuno sono saturate dalle cariche positive di ioni metallici (Fe²⁺/Mg²⁺) (olivina (Mg,Fe)₂SiO₄).

I sorosilicati sono condensati di due tetraedri di silicio a formare l'anione Si₂O₇⁶⁻ (gneiss, micascisti).

I ciclosilicati presentano collegamenti estesi fra tetraedri fino a formare anelli chiusi di 2, 4 o 6 elementi.

Gli inosilicati sono collegamenti lineari indefiniti a catena semplice (pirosseni) o doppia (anfiboli).

I fillosilicati hanno una struttura cristallina bidimensionale, che si sviluppa in lunghezza e larghezza. Sono caratterizzati da una struttura a strati tetraedrici (Si) strettamente connessi a strati ottaedrici (diottaedrici con Al o triottaedrici con Mg) (minerali 1:1 o 2:1) e dalla possibilità di sostituzioni isomorfe. I tetraedri dello strato silicico condividono tre vertici fra loro, mentre il quarto serve da collegamento con le strutture ottaedriche; quest’ultimi hanno due vertici in comune con i tetraedri, due tra loro e i due rimanenti con altri tetraedri di un terzo piano o non sono condivisi.

I rappresentanti principali del gruppo minerali 1:1 sono la caolinite fra i diottaedrici ed i serpentini tra i triottaedrici; nel gruppo dei minerali 2:1 invece abbiamo la pirofillite ed il talco. Per quanto riguarda le sostituzioni isomorfe abbiamo la famiglia delle smectiti (montmorillonite) in cui Mg²⁺ o Fe²⁺ sostituisce Al³⁺ e Al³⁺ sostituisce Si⁴⁺, con conseguente carica negativa residua; la famiglia delle vermiculiti presenta una carica reticolare più alta; famiglia delle miche o illiti; famiglia delle cloriti.

I tectosilicati presentano una parte dei tetraedri (i quali si espandono in tutte le dimensioni dello spazio) occupati da Al³⁺, sono molto abbondanti e vengono divisi in feldspati (ortoclasio), feldspatoidi (leucite, nefelina) e plagioclasi (albite, anortite).

Componente organica del suolo

Il suolo per essere definito tale, oltre che rocce deve sempre contenere una certa quantità di sostanza organica, costituente di esseri viventi, loro residui o spoglie o prodotti dalla alterazione di quest'ultimi. Generalmente la sostanza organica migliora l'aggregazione e la porosità di qualsiasi suolo; in particolare aumenta la stabilità della struttura nei sabbiosi, diminuisce le croste superficiali nei limosi e riduce la formazione di crepe negli argillosi.

I carboidrati sono una vasta gamma di composti ternari (C, H, O) che si uniscono in zuccheri semplici (C_nH_2nO_n) mediante processi di condensazione o di alterazione. Sia semplici (glucosio, mannosio, galattosio) che a basso grado di condensazione (saccarosio, lattosio, maltosio) possono far parte del materiale organico che finisce nel suolo, ma di gran lunga più importanti sono da considerare i polisaccaridi. Amido e cellulosa sono polisaccaridi prodotti di condensazione del glucosio.

Le molecole di zucchero semplice sono unite tra loro con legami glucosidici 1->4 e nel caso dell'amido anche 1->6; nella configurazione spaziale del gruppo funzionale emiacetalico si ha la forma alpha assiale nell’amido e beta equatoriale nella cellulosa; l’amido risulta una molecola in cui la catena si avvolge dando al composto la forma granulare ramificata, mentre la cellulosa è composta da catene pressoché rettilinee legate da ponti a idrogeno. Vengono degradati da amilasi (molto più numerosi) e cellulasi, sino ad essere ricondotte al glucosio.

Le emicellulose sono polisaccaridi derivati dalla condensazione di vari zuccheri sia esosi (glucosio, mannosio, galattosio) sia pentosi (xilosio, arabinosio) con legami beta 1->4. Sono più facilmente decomponibili della cellulosa.

Le pectine sono polisaccaridi prodotti dalla condensazione con legami beta 1->4 di galattosio, arabinosio, acido pectico ed acido galatturonico.

La lignina è un polimero ternario di natura molto aromatica (resistente alla sottrazione/addizione di atomi), si può infatti considerare come derivato della condensazione di unità strutturali fenilpropaniche (alcool coniferilico, alcool sinapico, alcool paraidrossicinnamico). La lignina possiede una notevole resistenza alla demolizione dell'ossatura a carattere aromatico e una buona alterabilità delle catene alifatiche laterali, facilmente ossidabili a dar luogo a gruppi carbossilici acidi.

Aminoacidi, peptidi e proteine sono da considerarsi importanti per il proprio apporto di azoto. I peptidi sono catene prodotte della condensazione tra aminoacidi. Vengono scissi per idrolisi dagli enzimi proteasi.

I lipidi sono esteri di acidi grassi con glicerina o, in minor misura, altri alcoli; quando anche l’alcol esterificato è a lunga catena alifatica prendono il nome di cere. L’importanza nell’evoluzione della sostanza organica nel terreno risiede nel loro carattere idrorepellente, che rallenta l’attacco da parte dell'acqua. Più alterabili in funzione del contenuto di N e P sono i fosfolipidi, mentre le resine (composti di tipo terpenico a carattere idrocarburico) sono più resistenti.

I tannini sono composti di natura polifenolica (e quindi aromatica), generalmente idrofili, ma capaci di formare complessi insolubili e scarsamente attaccabili con le proteine. Altri componenti rivestono importanza soprattutto come fonte di N (acidi nucleici, clorofilla, coenzimi) o di P (acidi nucleici, fitina, fosfolipidi).

L'hum us è un materiale amorfo derivante dalla lenta azione di microrganismi degradanti molecole tipiche degli organismi vegetali; è composto da sostanze polimeriche molto resistenti all'aggressione e al dilavamento quali umina, acidi umici e acidi fulvici, oltre a una notevole quantità di spoglie microbiche. Durante l'umificazione si ha un progressivo aumento dell’acidità e una diminuzione dei rapporti C/N, C/P e C/S. Nell'impossibilità di riconoscere i singoli componenti dell'humus ci si limita a suddividerlo in frazioni con determinate caratteristiche mediante procedimenti fisici e chimici di estrazione e separazione (umina, acidi fulvici, beta-humus, acido imatomelanico, acidi umici bruni, acidi umici grigi).

Pedogenesi

La pedogenesi è l'insieme di processi fisici, chimici e biologici che portano alla formazione di un suolo, nel corso del tempo, a partire dalla roccia madre. Quest’ultimo è di particolare importanza perché molti dei processi coinvolti nella pedogenesi sono relativamente lenti; l'evoluzione di un determinato terreno continua a lungo dopo la sua prima formazione, passando attraverso fasi di sviluppo, maturità, senescenza.

Processi pedogenetici di natura fisica

I processi pedogenetici di natura fisica sono essenzialmente la frantumazione, l’erosione ed il trasporto. La frantumazione è data da dilatazione termica, alternarsi di gelo e disgelo, idratazione ed essiccamento, effetto di organismi viventi. Facilita l'alterazione in seguito ad interazione con fattori ambientali diversi e comporta una maggiore mobilità sotto l'azione di fattori di trasporto; è inoltre importante notare che la diminuzione di un ordine di grandezza delle dimensioni delle singole particelle comporta un aumento dello stesso ordine nella superficie specifica del materiale.

Il trasporto consiste nell'asportazione dal luogo di origine dei materiali costituenti il terreno e nella deposizione altrove; gli agenti che agiscono in tal senso sono principalmente le acque correnti, il vento ed i ghiacciai.

L'erosione consiste nell'azione combinata di frammentazione e trasporto. Agisce come fenomeno costante e relativamente continuo nel tempo; si verificano tuttavia eventi episodici e catastrofici (frane, smottamenti, alluvioni) in grado di modificare in tempi più brevi l’aspetto del paesaggio.

Agenti chimici della pedogenesi

Gli agenti chimici della pedogenesi sono l'acqua, le sostanze a carattere acido, l'ossigeno e i complessanti. L'acqua agisce chimicamente sui composti minerali del suolo mediante processi di solubilizzazione, idratazione ed idrolisi. La solubilità rappresenta un’importanza fondamentale per l’approvvigionamento dei vegetali poiché non esiste niente di teoricamente del tutto insolubile e le acque telluriche contengono sempre disciolte piccole ma significative quantità di sostanze di natura sia minerale che organica.

L'idratazione consiste nella formazione di legami tra ioni o composti e molecole indissociate di acqua, che entrano a far parte integrante di compagini cristalline; per idrolisi si intende la reazione per cui l'anione e/o il catione costituenti un sale si legano rispettivamente ad H⁺ od OH⁻.

L'azione degli acidi è di incrementare i processi di idrolisi alcalina che sono i più importanti e diffusi nella formazione del suolo, svolgendosi a carico dei silicati. Nel terreno possono formarsi piccole quantità di acidi minerali forti, tuttavia la presenza di questi composti è aleatoria e di scarsa entità; viceversa sempre presenti e in quantità spesso notevole sono gli acidi organici e la CO₂. Da un lato la presenza di CO₂ in concentrazione notevolmente superiore a quanto si verifica nell’acqua induce un attacco diretto che porta alla formazione dell'acido indissociato, d'altro canto l'eccesso di CO₂ è capace di neutralizzare gli OH⁻ che si formano nell’idrolisi vera e propria. L'acidificazione può provocare in particolare la dissoluzione di CaCO₃ (formazione di stalattiti e stalagmiti).

L'azione dell'ossigeno si esplica naturalmente solo su quei componenti che possono subire una variazione (in aumento) del grado di ossidazione: composti di C, N, S, Fe, Mn, P, As. In normali condizioni di aerazione il terreno contiene in fase gassosa tanto ossigeno da assicurare un ambiente nettamente ossidante; inoltre le ossidazioni ad opera dell’O₂ sono avvantaggiate da ambiente acido.

I complessanti, composti per lo più organici presenti nel terreno, sono capaci di legare ioni metallici (Fe, Cu, Ni, Pb, Mn) con legami di coordinazione.

Nel terreno si ha un apporto continuo di sostanza organica, proveniente da tutti gli esseri viventi che vi risiedono o, talvolta, semplicemente di passaggio. Gli organismi autotrofi contribuiscono ad aumentare la sostanza organica nel suolo, mentre gli eterotrofi hanno viceversa tendenza a farla diminuire, consumando.