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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA “LUIZ DE QUEIROZ”
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DO SOLO
Av. Pádua Dias, 11 – Piracicaba, SP – Brasil – CEP 13418-900 – Fone: (19) 3417-
Docentes:
Prof. Luís Reynaldo F. Alleoni (coordenador)
Prof. Carlos Eduardo P. Cerri
Profa. Jussara Borges Regitano
Disciplina LSO 300 – Química e Fertilidade do Solo
APOSTILA – AULAS TEÓRICAS
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA “LUIZ DE QUEIROZ”
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DO SOLO
Docentes
Prof. Luís Reynaldo Ferracciú Alleoni
Engenheiro Agrônomo pela Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALQ), da
Universidade de São Paulo (USP) em 1985, Mestre (1992) e Doutor (1996) em Solos e Nutrição de Plantas e
Livre-Docente em Química do Solo (2000) pela ESALQ/USP, com Pós-Doutorado pela Universidade da
Florida - EUA (2005/2006). É Professor Titular no Departamento de Ciência do Solo da ESALQ e tem
experiência em alterações químicas do solo em função do manejo e comportamento de elementos
potencialmente tóxicos no ambiente. Atua também na área de Redação Científica.
Prof. Carlos Eduardo Pellegrino Cerri
Engenheiro Agrônomo pela ESALQ/USP (1997), Mestre em Solos e Nutrição de Plantas pela
ESALQ (1999), Doutor em Ciência Ambiental pelo CENA/USP (2003) e Livre-Docente em Manejo da
Matéria Orgânica do (2010) pela ESALQ/USP. É Professor Associado no Departamento de Ciência do Solo
da ESALQ e tem experiência em temas relacionados à Matéria Orgânica do Solo, Aquecimento global e
mudanças climáticas, agricultura e mercado de créditos de carbono, modelagem matemática, geoestatística e
geoprocessamento.
Profa. Jussara Borges Regitano
Engenheira Agrônoma pela ESALQ (1984), Mestre em Solos e Nutrição de Plantas pela
Universidade Federal de Lavras (1987); Doutora em Agronomia/Ciência do Solo pela Universidade de Purdue
- EUA (1994), com Pós-Doutorado em Comportamento de Pesticidas no Ambiente pela Universidade de
Minessota - EUA (2003). É Professora Doutora no Departamento de Ciência do Solo da ESALQ e tem
experiência na área de comportamento ambiental de pesticidas, fármacos e poluentes orgânicos no solo.
Origem das Cargas nos Solos
Literatura recomendada:
Origem das cargas; Ponto de carga zero
- ERNANI, P.R. Química do Solo e Disponibilidade de Nutrientes, 2008. cap. 3 – p. 46-55.
- LEPSCH, I.F. 19 Lições de Pedologia, 2011. cap. 5 – p. 107-117.
- LOPES, A.S. Manual da Fertilidade do Solo, 1989. cap. 1 – p. 22-23.
- MELLO, F.A.F.; BRASIL SOBRINHO, M.O.C.; ARZOLLA, S. et al. Fertilidade do Solo, 1987. cap. 3 – p. 45-50 e cap. 5 – p. 78-82.
- MEURER, E.J. Fundamentos de Química do Solo, 2006. cap. 5 – p. 125-146.
- NOVAIS, R.F.; ALVAREZ V., V.H.; BARROS, N.F.; FONTES, R.L.F.; CANTARUTTI, R.B.; NEVES, J.C.L. Fertilidade do solo, 2007. cap. 4 - p.151-157 e cap. 5 – p. 215-
- RAIJ, B. van. Avaliação da Fertilidade do solo, 1981. cap. 3 – p. 17-30 e cap. 6 – p. 83-85.
Tipos de carga no solo:
1. Cargas permanentes ou constantes
2. Cargas variáveis
1. Cargas permanentes ou constantes
Principal processo: substituição isomórfica,
também chamada iônica (termo mais
adequado)
Características:
substituição de íons de tamanhos
semelhantes, mas com cargas diferentes
Formam-se cargas permanentes
Grande quantidade de cargas (-) formadas
em argilas do tipo 2:
TETRAEDROS DE SÍLICA E
OCTAEDROS DE ALUMINA
Tetraedros de sílica e octaedros de alumina
_
_
O _
Dissociação
O
O
O
O
H+
COLOIDE
H
H
H
H
H
Carga negativa
Carga negativa
Carga negativa
H +
Protonação
O
O
O
O
O
Carga positiva
Carga positiva
Carga positiva
COLOIDE
H +
H +
H + H +
H +
H
H
H
H
H
varia c/ pH
Importantes para:
- minerais silicatados 1:1 (nas bordas);
- colóides orgânicos;
- hidróxidos de Fe e de Al.
Características das cargas variáveis:
Geração de cargas negativas
na matéria orgânica
- Principais grupos: carboxílico e fenólico
- Carboxílico : – COOH – COO-^ + H +
- Fenólico : O OH (^) O O-^ + H +
Geração de cargas nos hidróxidos de Fe e de Al
- Importantes em solos tropicais altamente
intemperizados: alto teor de hidróxidos de Fe e de Al
- Apresentam caráter anfótero (anfi = duplo):
podem ter balanço positivo ou negativo de
cargas
Fe
Fe
O OH
OH
OH
Fe
Fe
O O
O
O
Fe
Fe
O OH 2
OH 2
OH 2
Protonação - carga (+) Carga nula Dissociação - carga (-)
- Se o colóide estiver num meio em que o pH >
pcz do colóide: carga negativa.
- Se o colóide estiver num meio em que o pH <
pcz do colóide: carga positiva.
- Se o colóide estiver num meio em que o pH =
pcz do colóide: carga nula.
Fe
Fe
O OH
OH
OH
Fe
Fe
O O
O
O
Fe
Fe
O OH 2
OH 2
OH 2
Abaixo do PCZ^ P C Z^ Acima do PCZ
Valores comuns de PCZ de solos
Camada superficial (0-20 cm): PCZ na faixa de 3 a 4.
Camada subsuperficial: geralmente os valores
de PCZ se mantém na faixa de 3 a 4, mas
podem ser mais altos, dependendo
principalmente dos teores de hidróxidos de
Fe e de Al.
Teores de matéria orgânica e de óxidos, PCZ, pH e
carga líquida de um solo tropical altamente
intemperizado
A
B
teor de matéria orgânica;
- < valor de PCZ;
- pH do solo > PCZ;
- carga líquida (-);
- pred. retenção de cátions == CTC > CTA.
- < teor de matéria orgânica;
- predominam os óxidos;
valor de PCZ;
- pH do solo pode ser < PCZ;
- carga líquida pode ser (+) == CTA > CTC.
Questões: Origem das cargas elétricas do solo e Ponto de Carga Zero – Prof. Alleoni
-As cargas elétricas do solo são divididas em duas classes principais. Quais são elas?
-Qual o principal mecanismo de geração de cargas permanentes ou constantes? Esse tipo de carga é mais comum em solos tropicais úmidos bem drenados ou em solos temperados? Por quê?
-Quais as principais substituições iônicas (ou isomórficas) que ocorrem nos tetraedros de sílica e nos octaedros de alumina?
- Explique o mecanismo de geração de cargas por dissociação do grupo OH e por protonação. Como a variação do pH da solução do solo afeta os mecanismos?
- Quais os principais radicais orgânicos que participam da geração de cargas elétricas? São formadas predominantemente cargas positivas ou negativas?
- Qual o mecanismo de geração de cargas nos seguintes colóides do solo: matéria orgânica minerais de argila óxidos e hidróxidos de Fe e de Al
- Por que é mais comum que o solo tenha carga líquida negativa do que positiva?
- Defina Ponto de Carga Zero (PCZ).
- Quais os valores médios de PCZ dos óxidos de ferro e de alumínio, minerais de argila e matéria orgânica?
CTC, Adsorção, troca iônica
- ERNANI, P.R. Química do Solo e Disponibilidade de Nutrientes, 2008. cap. 3 – p. 46-
- LEPSCH, I.F. 19 Lições de Pedologia, 2011. cap. 5 – p. 107-
- LOPES, A.S. Manual da Fertilidade do Solo, 1989. cap. 1 – p. 22-
- MELLO, F.A.F.; BRASIL SOBRINHO, M.O.C.; ARZOLLA, S. et al. Fertilidade do
Solo, 1987. cap. 3 – p. 45-50 e cap. 5 – p. 78-
- MEURER, E.J. Fundamentos de Química do Solo, 2006. cap. 5 - p. 125-
- NOVAIS, R.F.; ALVAREZ V., V.H.; BARROS, N.F.; FONTES, R.L.F.;
CANTARUTTI, R.B.; NEVES, J.C.L. Fertilidade do Solo, 2007. cap. 4, p.151-157; cap. 5, p. 215-230.
- RAIJ, B. van. Avaliação da Fertilidade do Solo, 1981. cap. 3, p. 17-30; cap. 6, p. 83-85.
24 g
Mol = 6,02 .10 23
1 milimol = mmol
Ex.: 1 mmol de Mg = 24 mg
1 milimol de carga = mmol (^) c
mmol (^) c = mmol valência
mmolc de Ca = 40 = 20 mg 2
Até 1996: usava-se a unidade miliequivalente (meq)
mmol (^) c = meq = equivalente miligrama
Capacidade de troca de cátions
- CTC - número de milimols de cargas negativas por unidade de massa ou de volume.
Unidades: mmolc dm -3^ (à base de volume) ou mmolc kg-1^ (à base de massa)
Unidades antigas (até 1996): meq 100 cm-3^ - 1 meq 100 cm-3^ = 10 mmolc dm-3^ ou meq 100 g-1^ - 1 meq 100 g -1^ = 10 mmolc kg-
- Importante: reações de troca de cátions são baseadas em carga por carga (e não íon por íon).
Estimativa da CTC
Exemplos: a) Um Chernossolo cultivado, localizado em Iowa-USA (pH 7; 20% de argila e 4 % de matéria orgânica);
- Argila do tipo 2:1 com CTC média de 800 mmolc kg-
- Matéria orgânica com CTC de 2.000 mmolc kg-
CTC oriunda do teor de argila: 20% de 800 mmolc kg-1^ = 160 mmol (^) c kg- CTC oriunda da Matéria Orgânica: 4 % de 2.000 mmolc kg-1^ = 80 mmol (^) c kg- Assim, a CTC total do Chernossolo é: 160 + 80 = 240 mmolc kg-
b) Um Latossolo localizado em uma área de floresta virgem na região amazônica, no Brasil (pH = 4; 60 % de argila e 4 % de mat. orgânica).
- CTC dos minerais de argila (Caulinita) + Óxidos de Fe e Al é 30 mmolc kg-^.
- CTC da matéria orgânica em solos muito ácidos = 1.000 mmol (^) c kg-
CTC oriunda do teor de argila:
60 % de 30 mmol (^) c kg-1^ = 18 mmol (^) c kg-
CTC oriunda da Matéria Orgânica:
4 % de 1.000 mmol (^) c kg-1^ = 40 mmolc kg-
Assim, a CTC total do Latossolo é:
18 + 40 = 58 mmol (^) c kg-
Capacidade de troca catiônica dos solos
- CTC – relacionada às quantidades dos colóides no
solo e a CTC desses colóides.
- CTC originada do húmus: papel dominante nas reações de troca de cátions no solo, principalmente dos tropicais altamente
intemperizados.
Relação entre pH do solo, PCZ e cargas
de um solo altamente intemperizado
Superfície de carga (cmol
/kg)c
Adsorção
e
troca iônica
- Adsorção =
- Eletrovalente ou iônica =
acúmulo de íons ou moléculas na superfície de uma partícula
atração por cargas elétricas
- Covalente = Reação íntima entre o íon e a
superfície do colóide
Adsorção e troca de cátions
- Eletrovalente ou Iônica
Ca Mg
Série liotrópica =
- Mg 2+^ + Ca2+^ = REVERSÍVEL
Al 3+^ > Ca2+^ > Mg2+^ > K +> Na+
Superfícieexterna Troca de cátions
Superfície interna
Superfície externa
Colóide
Cargas negativas do colóide
Ânions e cátions em solução
Cátions em solução
Cátions adsorvidos
Superfície dos colóides e troca de cátions
Fe
O
Fe
OH 2 +
OH
OH 2 +
OH
+ H 2 PO 4 - P
Fe
O
Fe
OH 2 +
O
OH 2 +
O
O
O
- Covalente
- Principal = Fosfato (H 2 PO 4 - )
ex.: P em óxido de Fe
- SO 4 2-^ = intermediário entre fosfato e nitrato
Adsorção específica e não-específica
Ligação iônica
- relativamente fraca;
- elétrons não são compartilhados ;
- água de hidratação ou solvatação permanece;
- exemplos: - cátions trocáveis: cálcio, magnésio, potássio; alumínio.
- alguns ânions: nitrato, carbonato, fluoreto.
Ligação covalente
- reação mais íntima;
- elétrons são compartilhados;
- sem água de hidratação;
- adsorção é chamada específica;
- exemplos: - alguns metais pesados: Cu, Pb, Cd
- ânions derivados de ácidos polipróticos (com muitos hidrogênios)
ex.: fosfato
Questões: Adsorção e Troca Iônica - Prof. Alleoni
- Qual a definição de CTC? Quais as unidades utilizadas até 1996? Quais as unidades recomendadas atualmente?
- Calcule a estimativa de CTC de um solo A com 20% de argila e 4 % de matéria orgânica, sendo a argila do tipo 2:1 com CTC média de 700 mmolc kg-1^ e matéria orgânica com CTC de 900 mmolc kg-1^. Faça o mesmo para um solo B com 50% de argila e 2 % de matéria orgânica, sendo a argila do tipo 1:1 e alto teor de óxidos de Fe e de Al com CTC média de 60 mmol (^) c kg-1^ e matéria orgânica com CTC de 800 mmolc kg-1^. Qual deles tem maior CTC? Qual deles deve ser da região tropical úmida? Explique sua resposta.
- Cite a faixa de valores de CTC dos argilominerais 2:1, 1:1 e óxidos de Fe e de Al.
-Um solo A tem 80% da CTC representada por cargas permanentes e 20 % de cargas variáveis. Por outro lado, um solo B tem 25% da CTC representada por cargas permanentes e 75 % de cargas variáveis. Qual dos solos deve ser da região tropical úmida? Explique sua resposta.
-A matéria orgânica é responsável, aproximadamente, por que % da CTC total de solos do trópico úmido? Que relação isso tem com o sistema de plantio direto?
-Explique por que, a CTC de um solo é próxima à sua CTA num solo em que o pH está próximo ao ponto de carga zero (PCZ).
- Defina o fenômeno de adsorção.
