Capacidad de intercambio catiónico

La capacidad de intercambio catiónico ( CIC ) es una medida de cuántos cationes pueden retenerse en las superficies de las partículas del suelo. ^{[ 1 ]} Las cargas negativas en las superficies de las partículas del suelo se unen a átomos o moléculas con carga positiva (cationes), pero permiten que estos se intercambien con otras partículas con carga positiva en el agua del suelo circundante. ^{[ 2 ]} Esta es una de las formas en que los materiales sólidos en el 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 ⁺ , NH ₄ ⁺ , Ca ²⁺ ) en una forma disponible para las plantas. También indica la capacidad para retener cationes contaminantes (por ejemplo, Pb ²⁺ ).

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 solo 5 cmol Ca ²⁺ (2 unidades de carga por catión). ^{[ 1 ]} La capacidad de intercambio catiónico surge de varias cargas negativas en las superficies de las partículas del suelo, especialmente las de los minerales arcillosos y la materia orgánica del suelo . Las arcillas filosilicatas consisten en láminas estratificadas de óxidos de aluminio y silicio . El reemplazo de átomos de aluminio o silicio por otros elementos con carga menor (por ejemplo, Al ³⁺ reemplazado por Mg ²⁺ ) puede dar a la estructura de la arcilla una carga negativa neta. ^{[ 2 ]} Esta carga no implica desprotonación y, por lo tanto, es independiente del pH y se denomina carga permanente. ^{[ 1 ]} Además, los bordes de estas láminas exponen muchos grupos hidroxilo ácidos que se desprotonan para dejar cargas negativas a los niveles de pH en muchos suelos. La materia orgánica también hace una contribución muy significativa al intercambio catiónico, debido a su gran número de grupos funcionales cargados . La CIC suele ser más alta cerca de la superficie del suelo, donde el contenido de materia orgánica es mayor, y disminuye con la profundidad. ^{[ 3 ]} La CIC de la materia orgánica es altamente dependiente del pH. ^{[ 1 ]}

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 conservan una capa de moléculas de agua y no forman enlaces químicos directos con la superficie. ^{[ 4 ]} Por lo tanto, los cationes intercambiables forman parte de la capa difusa sobre la superficie cargada. La unión es relativamente débil, y un catión puede ser desplazado fácilmente de la superficie por otros cationes de la solución circundante.

La cantidad de carga negativa resultante de la desprotonación de los grupos hidroxilo de la arcilla o de la materia orgánica depende del pH de la solución circundante. Al aumentar el pH (es decir, al disminuir la concentración de cationes H ⁺ ), aumenta esta carga variable y, por lo tanto, también aumenta la capacidad de intercambio catiónico.

La capacidad de intercambio catiónico se mide desplazando todos los cationes unidos con una solución concentrada de otro catión, y luego midiendo los cationes desplazados o la cantidad de catión añadido que se retiene. ^{[ 1 ]} El bario (Ba ²⁺ ) y el amonio (NH ₄ ⁺ ) se utilizan frecuentemente como cationes intercambiadores, aunque existen muchos otros métodos. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Las mediciones de CIC dependen del pH y, por lo tanto, a menudo se realizan con una solución tampón a un valor de pH específico. 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 "CIC potencial". Alternativamente, la medición al pH natural del suelo se denomina "CIC efectiva", que refleja con mayor precisión el valor real, pero puede dificultar la comparación directa entre suelos. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de un suelo está determinada por sus materiales constituyentes, los cuales pueden variar considerablemente en sus valores individuales. Por lo tanto, la CIC depende de los materiales parentales a partir de los cuales se desarrolló el suelo y de las condiciones en las que se desarrolló. Estos factores también son importantes para determinar el pH del suelo, que influye notablemente en la CIC.

Rangos típicos de CIC de materiales del suelo ^{[ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]}

La saturación de bases expresa el porcentaje de la CIC potencial ocupada por los cationes Ca²⁺ ^, Mg²⁺ ^, K⁺ ^o Na⁺ ^. [ ^{1 ] [ 4 ] Tradicionalmente} se les denomina "cationes básicos" porque no son ácidos, aunque no son bases en el sentido químico habitual. ^{[ 1 ]} La saturación de bases proporciona un índice de la meteorización del suelo ^{[ 4 ]} y refleja la disponibilidad de nutrientes catiónicos intercambiables para las plantas. ^{[ 1 ]}

Las cargas positivas de los minerales del suelo pueden retener aniones utilizando el mismo principio que el intercambio catiónico. Las superficies de la caolinita, la alofana y los óxidos de hierro y aluminio suelen tener cargas positivas. ^{[ 1 ]} En la mayoría de los suelos, la capacidad de intercambio catiónico es mucho mayor que la capacidad de intercambio aniónico. Sin embargo, puede ocurrir lo contrario en suelos muy meteorizados, ^{[ 1 ]} como los ferralsoles ( oxisoles ).

Ramos, FT; Dores EFGC; Weber OLS; Beber DC; Campelo Jr JH; Maia JCS (2018) "La materia orgánica del suelo duplica la capacidad de intercambio catiónico de los suelos tropicales bajo agricultura de siembra directa en Brasil". J Sci Food Agric. 10.1002/jsfa.8881