Adsorção de cátions metálicos por espécies oxídicas do solo – Uma pequena abordagem teórica.

Por Carlos Pacheco
Discutindo com alguns colegas de trabalho sobre as formas de retenção de cátions metálicos em solos tipicamente “tropicais”, enriquecidos em óxidos férricos e de alumínio, percebi uma frequente “confusão” a respeito dos processos que cercam esse fenômeno. Sobretudo, essa confusão se aplicava às questões relacionadas à adsorção específica de cátions metálicos de elementos enquadrados como metais de transição na tabela periódica por óxidos, oxihidróxidos e hidróxidos componentes da fração argila de tais solos. Nunca é demais lembrar que tais elementos apresentam importância relevante em termos ambientais pois, vários deles, podem apresentar toxicidade acentuada aos seres vivos, representados por aqueles denominados de metais pesados. Outros, por sua vez, são micronutrientes importantes para grande parte dos vegetais. Esses fatos, por si só, já mostram a relevância do assunto. Resolvi então escrever algo sobre o assunto, com linguagem à medida do possível simples, mas com conteúdo suficiente para um blog científico.
A dúvida principal gira em torno de como cátions metálicos são adsorvidos em superfícies reconhecidamente positivas em baixos pHs. Aqui faz-se necessário lembrar que óxidos de ferro e alumínio (usarei essa designação genérica para óxidos, hidróxidos e oxihidróxidos) apresentam elevado Ponto de Carga Zero (PCZ). Esse por sua vez é o pH de equilíbrio entre cargas positivas e negativas. Abaixo do mesmo cargas positivas são predominantes e acima dele as negativas é que os são. Como a maior parte dos solos tropicais são extremamente intemperizados, lixiviados, há naturalmente um empobrecimento em bases e o pH tende a ácido. São comuns pHs abaixo de 6, indicando um pH abaixo do PCZ dos óxidos, que gira em torno de 7 a 9.
Fica evidente, então, o predomínio de cargas positivas na superfície desses minerais. O pensamento que logo vem à cabeça é que solos cuja fração argila apresenta-se enriquecida com óxidos apresentariam baixo potencial de retenção de cátions, afinal, positivo com positivo se repelem. Mas a história não é bem assim. Realmente esse fato se aplica àqueles metais alcalinos e alcalinos terrosos, mas não aos metais de transição. Dessa forma, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, entre outros, são facilmente perdidos em tais solos, explicando, de certa forma, a baixa fertilidade predominante à medida que o intemperismo avança.
Em contrapartida, tem sido constatado que solos “oxídicos” apresentam grande capacidade de retenção de elementos-traço por mecanismos similares àqueles que os tornam grandes “drenos” de fosfatos. Em outras palavras, a interação não é puramente eletrostática (interação entre cargas), mas depende de diversos outros fatores abaixo citados, finalmente constituindo uma ligação química forte, tendendo à irreversibilidade, por vários autores citada como próxima à uma ligação covalente. É importante lembrar que, simplificadamente, ligações covalentes são caracterizadas por “compartilhamentos” de elétrons, não havendo a dependência tão evidente de cargas como nas ligações iônicas, por exemplo.

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The tiny soil charges that sustain humanity

Everybody knows, or rather should know, that soils sustain vegetation by providing not only physical support, but mainly by providing nutrients to plants. To build organic matter, besides carbon (which is provided by CO2 from the atmosphere), plants need inorganic nutrients, such as nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), sulfur (S), iron (Fe) and some other elements taken up in smaller quantities. These elements originate in soil by the same process that forms soils: weathering.
Soils form from the chemical and physical weathering (decomposition) of rocks. When rocks weather physically, they simply break into smaller particles, without any mineralogical changes, but when rocks are chemically weathered, principally by CO2-rich water, newly formed (secondary) minerals appear by the chemical transformation of rock minerals or by the precipitation of dissolved elements. Some of these new minerals, generally belonging to the phyllosilicate mineral family, are very small and present peculiar features, such as exposed electrical charges.
Clays are the main bearers of charges in soil, although soil organic matter also exposes charges. The mineral nutrients in soils also have charges, for example, nitrogen is generally taken up by plants as NO3- (nitrate) or as NH4+ (ammonium). If these compounds are not held (adsorbed) by soil charges, they can be easily taken up by plants or washed away by infiltrating water from rainfall or irrigation. If all minerals could be washed (leached) by water, plants would “starve” and we would have no vegetation. That’s probably the most crucial importance of soil charges: they hold mineral nutrients and when soil solution is depleted of nutrients, they free (exchange) them, so that plants always have “food”. However, the supply of natural mineral nutrients is limited, and when too much is used or lost, man generally has to fertilize soils. Soil charges are also used to hold pollutants, like heavy metals and excess nitrate, and this is an important reason to maintain soils healthy.

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