Capacidad de intercambio catiónico

capacidad de intercambio catiónico (CEC) es una medida de cuántos cationes se pueden retener en las superficies de las partículas del suelo. Las cargas negativas en las superficies de las partículas del suelo unen átomos o moléculas con carga positiva (cationes), pero les permiten intercambiarse con otras partículas con carga positiva en el agua del suelo circundante. Esta es una de las formas en que los materiales sólidos del suelo alteran la química del suelo. La CIC afecta muchos aspectos de la química del suelo y se utiliza como medida de la fertilidad del suelo, ya que indica la capacidad del suelo para retener varios nutrientes (por ejemplo, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺) en forma disponible para las plantas. También indica la capacidad de retener cationes contaminantes (por ejemplo, Pb²⁺).

Definición y principios

La capacidad de intercambio catiónico se define como la cantidad de carga positiva que se puede intercambiar por masa de suelo, generalmente medida en cmol_c/kg. Algunos textos utilizan las unidades equivalentes más antiguas me/100g o meq/100g. La CIC se mide en moles de carga eléctrica, por lo que una capacidad de intercambio catiónico de 10 cmol_c/kg podría contener 10 cmol de cationes Na⁺ (con 1 unidad de carga por catión) por kilogramo de suelo, pero sólo 5 cmol Ca²⁺ (2 unidades de carga por catión).

La capacidad de intercambio catiónico surge de varias cargas negativas en las superficies de las partículas del suelo, especialmente aquellas de minerales arcillosos y materia orgánica del suelo. Las arcillas de filosilicato consisten en láminas estratificadas de aluminio y óxidos de silicio. La sustitución de átomos de aluminio o silicio por otros elementos con menor carga (por ejemplo, Al³⁺ reemplazado por Mg²⁺) puede dar a la estructura de la arcilla una carga neta negativa. Esta carga no implica desprotonación y, por lo tanto, es independiente del pH y se denomina carga permanente. Además, los bordes de estas láminas exponen muchos grupos hidroxilo ácidos que se desprotonan para dejar cargas negativas en los niveles de pH en muchos suelos. La materia orgánica también contribuye muy significativamente al intercambio catiónico, debido a su gran número de grupos funcionales cargados. La CIC suele ser mayor cerca de la superficie del suelo, donde el contenido de materia orgánica es mayor, y disminuye con la profundidad. La CIC de la materia orgánica depende en gran medida del pH.

Los cationes se adsorben en las superficies del suelo mediante la interacción electrostática entre su carga positiva y la carga negativa de la superficie, pero retienen una capa de moléculas de agua y no forman enlaces químicos directos con la superficie. Los cationes intercambiables forman así parte de la capa difusa sobre la superficie cargada. La unión es relativamente débil y un catión puede ser fácilmente desplazado de la superficie por otros cationes de la solución circundante.

PH del suelo

La cantidad de carga negativa por desprotonación de grupos hidroxiales de arcilla o materia orgánica depende del pH de la solución circundante. Aumentar el pH (es decir, disminuir la concentración de H⁺ ctions) aumenta esta carga variable, y por lo tanto también aumenta la capacidad de cambio de cation.

Medición

La capacidad de cambio de la clasificación se mide desplazando todas las caciones atadas con una solución concentrada de otra cation, y luego midiendo las caciones desplazadas o la cantidad de cation añadido que se conserva. Barium (Ba)²⁺) y amonio (NH)₄⁺) se utilizan con frecuencia como caciones de intercambiador, aunque muchos otros métodos están disponibles.

Las mediciones de CIC dependen del pH y, por lo tanto, a menudo se realizan con una solución tampón a un valor de pH particular. Si este pH difiere del pH natural del suelo, la medición no reflejará la verdadera CIC en condiciones normales. Estas mediciones de CIC se denominan "CEC potencial". Alternativamente, la medición del pH del suelo nativo se denomina "CIC efectiva", que refleja más fielmente el valor real, pero puede dificultar la comparación directa entre suelos.

Valores típicos

La capacidad de intercambio catiónico de un suelo está determinada por sus materiales constituyentes, que pueden variar mucho en sus valores individuales de CIC. Por lo tanto, la CIC depende de los materiales originales a partir de los cuales se desarrolló el suelo y de las condiciones bajo las cuales se desarrolló. Estos factores también son importantes para determinar el pH del suelo, que tiene una gran influencia en la CIC.

Catálogos típicos para CEC de materiales de suelo

Saturación de bases

La saturación de bases expresa el porcentaje de CIC potencial ocupada por los cationes Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ o Na⁺. Estos se denominan tradicionalmente "cationes básicos" porque no son ácidos, aunque no son bases en el sentido químico habitual. La saturación de bases proporciona un índice de meteorización del suelo y refleja la disponibilidad de nutrientes catiónicos intercambiables para las plantas.

Capacidad de intercambio aniónico

Las cargas positivas de los minerales del suelo pueden retener aniones mediante el mismo principio que el intercambio catiónico. Las superficies de caolinita, alofano y óxidos de hierro y aluminio suelen tener cargas positivas. En la mayoría de los suelos la capacidad de intercambio catiónico es mucho mayor que la capacidad de intercambio aniónico, pero puede ocurrir lo contrario en suelos muy meteorizados, como los ferralsoles (oxisoles).

Referencias generales

Ramos, FT; Dores E.F.G.C.; Weber OLS; Beber DC; Campelo Jr J.H.; Maia J.C.S. (2018) "La materia orgánica del suelo duplica la capacidad de intercambio catiónico del suelo tropical bajo labranza cero en Brasil". J Sci Food Agric. 10.1002/jsfa.8881