Chimia solului

CHIMIA SOLULUI

Solul reprezinta invelisul superior al scoartei pamantului si cel mai nou strat al litosferei. Este alcatuit dintr-o succesiune de straturi numite orizonturi care se formeaza intr-un proces continuu de tansformari fizice, chimice si biologice ale rocilor si ale resturilor animale si vegetale.

Etapele formarii solului sunt:

1. ALTERAREA FIZICA

II. ALTERAREA CHIMICA:

II.1 Dizolvara rocilor (dizolvare congruenta si dizolvare incongruenta)

II.2 Hidratarea si Hidroliza rocilor

II.3 Carbonatarea rocilor

II.4 Oxidarea rocilor

2. ALTERAREA BIOCHIMICA.

I.           Alterarea fizica (dezagreagarea), incepe cu aparitia si cresterea fisurilor in rocilor primare sub influenta variatiilor de temperatura (inghet-dezghet) care produc o dilatare diferentiata pe adancime a straturilor, a eroziunii vantului, a radacinilor copacilor, a microorganismelor si animalelor. Toate acestea conduc la fragmentarea rocilor primare (eruptive) in mase minerale de diferite dimensiuni (pietre, pietris, nisip) sau la formarea de mase poroase. Alterarea fizica nu modifica compozitie chimica a rocii de origine.

II.        Alterarea chimica se produce sub influenta apelor naturale si a gazelor din atmosfera asupra rocilor primare dezagregate fizic. In urma proceselor de dezagregare chimica (dizolvare, hidratare, hidroliza, carbonatare si oxidare) se produce dizolvarea partiala sau totala a rocii cu formarea de noi minerale.

II.1 Dizolvarea rocilor sub actiunea apelor subterane sau de suprafata depinde de natura rocilor si mineralelor, durata si suprafata de contact roca/apa determinata de finetea sau/si porozitatea rocilor. Dizolvarea rocilor poate fi de 2 feluri:

a) Dizolvare congruenta (Simpla) = trecerea in solutie a unor compusi solubili, fara modificarea naturii lor chimice (fara reactii chimice). Exemple:

Solubilizarea HALITULUI sare gema, NaCl), ANHIDRITULUI (CaSO4), GHIPSULUI (CaSO4.2H2O), CURT (SiO2).

NaCl (s) ↔ Na⁺(aq) + Cl-(aq), S=350g/l la 25^oC este independenta de pH pt ca nu intervin ionii H⁺ .

Cuartul este una dintre cele 3 forme alotropice ale silicei prezenta in rocile primare, unde s-au format pe cale hidrotermala (depunere din solutii de SiO2 in apa calda sub presiune). Dizolvarea silicei are loc cu o viteza f mica deoarece silicea este f putin solubila in apa.

SiO2(s) + 2H2O ↔ H4SiO4 sau Si(OH)4 acid silicic, S= 6,6ppm la 25oC.

Acidul silicic format este un acid slab a carui disociere este influentata de pH; la cresterea pH-ului, echilibru se seplaseaza spre dreapta cu cresterea solubilitatii cuartului.

H4SiO4 → H⁺ +H3SiO4.

Solubilitatea silicei creste in prezenta NaOH cand se formeaza silicatul de sodiu care la randul sau disociaza prin hidroliza.

SiO2 + 4NaOH = Na4SiO4 +H2O ; Na4SiO4 + H2O = H4SiO4 + 2H2O

In solutii apoase, moleculele de acid silicic se leaga intre ele prin reactii de condensare cu eliminare de apa formand agregate tridimensionale (acizi polisilicici) care cresc pana se obtine o masa translucida gelatinoasa (gel) care treptat se solidifica, formand "cremenea", silicagel. . Se formeaza astfel diferite roci noi.

b) Dizolvare incongruenta (Simpla) = trecerea in solutie a unor compusi solubili, cu modificarea naturii lor chimice (cu reactii chimice in care se formeaza noi faze). Exemple:

- Dizolvarea Azbest -ului , are loc doar dizolvarea partiala Mg:

4Mg3Si2O5(OH)4(s)+12H⁺→Mg6Si8O20(OH)4(s)+6Mg²⁺(aq) +12H2O

Serpentin (Azbest) Steatit (TALC)

- Dizolvarea felspatului potasic are loc cu trecerea in solutie a Si si K:

4KalSi3O8(s)+2H2O→Al4Si4O10(OH)8(s)+8Si(OH)4(aq)+4K⁺(aq) +4HO^-

Felspat Caolinit (argila) depinde de pH., afectat de activit microbioana care produce CO2 (acid carbonic).

II.2 Hidratarea si hidroliza rocilor - implica reactia cu apa. Hidratarea poate fi fizica sau chimica.

a) Hidratare fizica = atragerea si fixarea moleculelor de apa pe suprafata rocilor prin legaturi ion-dipol si datorita energiei libere a suprafetelor, cu formarea unei pelicula de hidratare. Cantitatea de apa retinuta este cu atat mai mare cu cat suprafata e mai mare, adica roca e mai maruntita. In urma hidratarii ionilor din reteaua cristalina a mineralului are loc cresterea volumului ionilor cu aparitia de fisuri si crapaturi ce duc la dezagregarea rocii. NU modifica compozitia chimica, dar favorizeaza alte procese de alterare.

b) Hidratare chimica= partunderea apei in reteaua cristalina a mineraluilui sub forma de apa de cristalizare (CuSO4.2H2O) sau apa de constitutie (OH, Exemple: azbestul si talcul). Aceasta implica transformari mai profunde, chiar cu aparitia de noi minerale:

CaSO4 (anhidritul) → CaSO₄.2H₂O, numit gips (daca este alb si poros) sau alabastru (daca este compact si translucid).

Numarul moleculelor de hidratare poate sa varieze functie de umiditatea atmosferica si de temperatura:

CuSO4.5H2O → CuSO4.3H2O → CuSO4.H2O→ CuSO4

"piatra vanata"

(culoare albastru) alb cenusiu incolor

Hidratarea are ca efect solubilizarea mineralelor.

c) Hidroloza = Procesul de alterare prin reactie cu apa. In hidroliza, legaturile O-H din molecula de apa se rup si se formarea compusi solubili/solutii cu caracter acid sau cu caracter bazic. Ex.:

Fe2(SO4)3 (s) + H2O → 2Fe(OH)3(s) + 3H2SO4,.solutie acida

CaO + H2O → Ca(OH)2 → Ca²⁺ +2OH^-, solutie bazica.

II.3. Carbonatarea = alterarea rocilor prin reactii cu CO2 dizolvat in apa. Sunt un fel de reactii de hidroliza in prezenta CO2 (hidroliza acida). Afecteaza in special rocile corbonatice:

CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) ↔ Ca²⁺(aq) + 2HCO₃^- (aq)

Calcar(calcit)

CaMg(CO)3 + 2CO2(g) + 2H2O(l) ↔ Ca²⁺(aq) + Mg²⁺(aq) + 4HCO₃^- (aq)

Dolomit

Carbonatarea poate afecta si rocile silicatice:

Mg2SiO4(s)+ 4CO2(g)+4H2O(l) ↔ Mg²⁺(aq)+2HCO₃^-(aq)+H4SiO4 (aq).

Olivin

II.4 Oxidarea = un proces de alterare chimica sub influenta O2 din aer, cu modificarea starii de oxidare a unui ion. In general, oxidarea este una din cele doua secvente ale unui proces cu schimb/transfer de electroni , numit proces de OXIDO-REDUCERE. Elementul care accepta electronii cedati de ionii metalici di minerale este oxigenul:

M^m+ -né → M^(m+n)+ , cedare de electroni = OXIDARE

O2(g) →2O°(atomi neutri); O° + 2é → O^2-

In natura acest proces are loc atat la suprafata cu aerul, imprezenta umiditatii din aer, cat si in prezenta apelor naturale.

Mineralele aflate in contact cu apele anoxice (fara oxigen), au cationii metalici in cea ami joasa stare de oxidare. Cele in contact cu ape oxigenate au gradul de oxidare foarte ridicat.

Etapete oxidarii sunt:

- dizolvarea mineralului: MnCO3(s) ↔Mn²⁺(aq) + CO₃^2-(aq) sau in preze de CO₂, MnCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(l) ↔Mn²⁺(aq) +2HCO₃^-(aq);

- precipitarea oxidativa:

Mn²⁺(aq) + O₂(g) +H₂O(l) ↔ 2MnO2(s)pp + 4H⁺

Alterarea chimica prin oxidare este f. importanta in cazul rocilor care contin sulfuri greu solubile:

- MnS(s) + 4H₂O → Mn²⁺ (aq) + SO₄^2-(aq) +8H⁺(aq) +8é.

Oxidarea piritei aflata in cantitati mari in minele de carbune este un proces cu implicatii importante in compozitia chimica a solului:

Et. 1: 2FeS₂(s) + 7O₂(g) +2H₂O(l)→2Fe²⁺(aq)+4SO₄^2- (aq)+ 4H⁺(aq) ; R. Eliberare protoni;

Et. 2: 4Fe²⁺(aq) + O₂(g) + 4H⁺ (aq) bacterii→ 4Fe³⁺(aq) +2H₂O(l) (reactie lenta);

Et. 3:     Fe³⁺(aq) +2H₂O(l) → 2Fe(OH)₃(s) + 2H⁺(aq) ;Reactie de Hidroliza;

-------- ----- ------ -------- ----- ------ ----- ----- --------- ----- -----Reactia globala: FeS₂(s) + 8H₂O(l)→2Fe(OH)(s) + 4SO₄^2- (aq) +16H⁺(aq).

Precipitatul de Fe(OH)₃ depus in mine sau in apele de drenaj este principalul rezervor de Fe³⁺ solubil din sol, conform reactiei: Fe(OH)₃ ↔Fe³⁺ + 3OH^- . Ionii Fe³⁺ astfel formati conduce la dizolvarea unei noi cantitati de pirita.

III. alterare biochimica sub influenta bacteriilor

Se inalneste la oxidarea piritei (v. mai sus). Bacteriile THIBACILLUS FERROXIDANS si FERROBACILLUS FERROOXIDANS au rol de catalizatori la oxidarea ionului Fe²⁺ din pirita.

Cele mai importante procese de alterare sub influenta bacteriilor se intalnesc la descompunerea materiilor vegetale si animale de catre bacterii, cu formarea unor acizi organici care se gasesc in apele de izvor (acizi malic*, malonic**, acetic***, succinic****, tartric*****, etc). Anionii acestor acizi (−COO^-), notat cu R^-, formeaza combinatii complexe solubile cu cationii metalici din roci, conducand astfel la dizolvarea congreuenta a acestora:

Al₂Si₂O₅(OH)₄(s) + 2R^- = 2AlR²⁺(aq) + 2H₄SiO₄(aq) + H₂O.

Caolinit comb. complexa Acid silicic