Carga Eléctrica de una Partícula de Suelo.

Todas las partículas del suelo poseen una carga eléctrica. Esto puede demostrarse fácilmente mezclando un suelo de grano fino con agua en un recipiente e introduciendo en diferentes posiciones del mismo dos electrodos que formen un circuito eléctrico con una pila y un amperímetro. El amperímetro indicará que la carga eléctrica del circuito se transmite a través de la mezcla suelo-agua. Aunque teóricamente una partícula de suelo puede poseer carga positiva o negativa, solamente se han medido cargas negativas. Esa carga eléctrica puede deberse a uno, o a una combinación, de los factores siguientes:

1. Substitución isomorfa
2. Disociación superficial de los iones hidroxilo.
3. Ausencia de cationes en la estructura cristalina.
4. Adsorción de aniones.
5. Presencia de materia orgánica.

De estas cinco posibles causas, la primera-substitución isomorfa— es la más importante.

Además de la carga eléctrica neta, una partícula de suelo puede poseer una carga de distribución, porque no coincide el centro de carga positiva con el centro de carga negativa1 Análogamente, los enlaces cristalinos de una partícula de suelo dan lugar a cargas locales.

Como la magnitud de la carga eléctrica está en relación directa con el área de la partícula, la influencia de esta carga sobre el comportamiento de la partícula en lo que se refiere a las fuerzas de masa (es decir, el peso de la partícula) estará directamente relacionado con el área por unidad de masa de las partículas. La magnitud del área por unidad de masa, superficie específica, resulta por tanto una buena indicación de la influencia relativa de las cargas eléctricas sobre el comportamiento de la partícula. El término coloide se emplea para describir una partícula cuyo comportamiento viene controlado por fuerzas de tipo superficial, en lugar de por fuerzas de masa. 

Una partícula de arcilla es un coloide debido a su pequeño tamaño y forma irregular. Cuanto más pequeña es una partícula, mayor es su superficie específica, como puede verse en la tabla 5.1. Se aprecia en esta tabla que la  Tabla 5,1 superficie específica aumenta de forma inversamente proporcional al tamafio de las partículas. Como puede comprobarse, la relación superficie-volumen de un cubo es 6/L y la de una esfera 6/D.

TABLA 5.1

La gama de tamaños de los coloides se ha fijado más o menos arbitrariamente en 1mμ, a lμ, como se indica en la figura 4.1. Por debajo de 1 mμ se encuentran los diámetros de átomos y moléculas. La mayoría de las partículas de tamaño superior a aproximadamente Iμ vienen influidas predominantemente por fuerzas de masa. También se ha propuesto una superficie específica de 25 m2/g como límite inferior de la fracción coloidal. Los principios de la química coloidal son muy útiles para entender el comportamiento de la arcilla.

Las partículas de limo o mayores tienen superficies especificas menores de 1 m2 /gr, es decir, considerablemente inferiores al límite inferior de la fase coloidal. La columna que indica “superficie específica” en la Fig. 4.11 da valores típicos correspondientes a las partículas arcillosas. Adviértase en especial la gran diferencia de superficie específica entre la caolinita (10 a 20 m2 /gr) y la montmorilonita (800 m2 /gr). La enorme superficie específica de la montmorilonita puede comprenderse si se tiene en cuenta que 6 gr de montniorilonita tienen aproximadamente la misma superficie de un campo de fútbol, o que solamente 12 gr de montmorilonita bastarían para cubrir todo un campo de fútbol (para cubrir el campo se requiere 2 X 6 gr ya que áreas de ambas caras de las partículas de arcilla contribuyen a la superficie específica). 

Una partícula de suelo, en la naturaleza, atrae iones para neutralizar su carga neta. Estos iones atraídos, que se mantienen con un leve enlace sobre la superficie de la partícula y pueden ser fácilmente substituidos por otros, se denominan iones de cambio o iones intercambiables. La partícula de suelo con los iones de cambio es neutra.

Figura 5.2  Formula de la molécula o unidad de montmorilonita.

Fig. 5.3. Cálculo de la carga netiva neta.

Para ilustrar la carga neta de una partícula de suelo, consideremos un cristal de montmorilonita de aproximadamente 1000 A de lado y el espesor de una estructura básica tricapa. La Fig. 5.2 muestra la fórmula estructural de la montmorilonita. La carga neta negativa, de 1/3 de carga unitaria, aparece equilibrada por un átomo de sodio. Como convenio se representan los iones de cambio en las fórmulas estructurales por medio del sodio, aunque en las posiciones de cambio puede existir cualquier otro catión o una combinación de diversos cationes. El calcio es un catión de cambio muy común en los suelos.

La Fig. 5.3 muestra el cálculo del peso molecular de la montmorilonita. Este pesa, de 367 gr. y la carga negativa de 1/3 por molécula, pueden expresaise como miliequivalentes por 100 gr de arcilla, que se indican en forma abreviada por me/lOO gr. El cálculo de 91 me/100 gr como carga negativa teórica o capacidad de cambio ionico de la moritmorilonita. La capacidad de cambio medida en la montmorilonita es muy próxima al valor teórico de 91.

También se puede calcular teóricamente la superficie específica y la superficie por unidad de carga de un cristal de suelo. Las Figs. 5.4 y 5.5 presentan estos cálculos para una unidad de montmorilonita con 4 cationes de cambio en la capa de gibbsita. El valor calculado de 725 m2 /gr es próximo al valor experimental obtenido en la Fig. 4.11 de 800 m2/gr. (El valor de 800 m2 /gr se obtuvo en una prueba de laboratorio en la que se depositó sobre el mineral una capa monomolecular de adsorbente). El valor de la carga neta por unidad de superficie, expresada en 1/A^2 es la “densidad de carga” del mineral. El valor teórico de 139 obtenido en la Fig. 5.5 concuerda bastante bien con el valor medio (133) indicado en la Fig. 4.11.

Figura 5.4  Calculo de la Superficie Especifica.