semaine 08 interface solide:solution -...

GÉO 2142 Péd l iGÉO 2142 - Pédologie

Semaine 08

Interface solide:solution

Solution ‐

Solide‐‐

‐ ‐

‐‐ ‐ ‐

‐

‐+

+

+++

+

http://www.emsl.pnl.gov/new/highlights/200704/

‐ ‐++

1 Charges électriques1- Charges électriques

• Charges permanentes (phyllosilicates)• Charges permanentes (phyllosilicates)– substitutions isomorphiques

• Charges variables– Comportement amphotérique des oxydes Fe &

Al, kaolinite …MO

• Permanentes + variables = charges totalesPermanentes + variables charges totales

• Positives – négatives = charge nettes

Substitutions isomorphiques p q

2

Principe généralO2-

Si4+

O2-

Al3+Si4+ Al

Si4+ = 4+

tétraèdreAl3+ = 3+

4 x O2- = 8 -

4

4 x O2- = 8 -

5-4- 5

Substitutions isomorphiques Polarité des charges créées; octaèdre

Charges électriques variablessolution de sol solution de solsol

Fe(OH)

sol

Fe(OH)

H

H

HO

+ -

+ +O +H

Fe(OH)3 Fe(OH)3

H

H

+

+

+

+

H+O O

H

+HFe3+ Fe3+

H

H

+

+ +

-

O OH

+H

H

+ -

pH = 3,0protonation

O O

pH = 6,5dé t ti

+H

Rétention anions (SO42-, PO4

2-) Rétention cations (K+, Ca2+)déprotonation

Charges électriques variables

Oxydes

Kaolinite

10‐3M 10‐8M[H+]

Havlin, Beaton, Tisdale & Nelson. 1999. Soil Fertility and Fertilizers. p 41 & 43

3,0 8,0pH

Charges électriques variables

Matière organique (M.O.)

+ [H+] -M.O. COO-

ion carboxylate

M.O. COOHion carboxylate

COOH: groupe fonctionnel nommé carboxyle

10‐3 10‐8[H+]

3,0 8,0pH

Charges électriques d’un solg q

(+) < ( )10

Variables

(+) < (-)

) 5

Charges -

( ) > ( )pH0

mol

ckg

-1

Permanentes (+) < (-)

(+) > (-)

Charges +

(cm

Dans les sols:Adsorption cations >> l’adsorption anions :

10

Charges +

(+) = (-)

Adsorption cations >> l adsorption anions : charges négatives >> charges positives

point isoélectrique = PZNC

2- Rôle des charges de surface• Rétention (syn. adsorption) Accumulation nette de

matière (atomes, ions, molécules) à la surface des

g

matière (atomes, ions, molécules) à la surface des constituants réactifs de la phase solide du sol.

• Échanges ioniques (syn. désorption) Processus par lequel les ions, atomes, molécules retenus à la q , ,surface des solides du sol sont libérés et se déplacent vers la solution de sol.

+

Adsorption Absorption

Localisation cations et i f i

solide

anions en fonction charges à l’interface

solution-

-+------

Adsorption - Principe

1) Attraction

+Ca+

2) Adsorption - création complexe de surface2) Adsorption - création complexe de surface

Ca2+

Adsorption - Principe

3) Échange (stœchiométrie– relation molaire entre éléments)

Mg2+

Ca2+ Ca2+Mg2+=Ca g=

3K+ K+

Al3+ K+ Al3+=K+

3- Complexe d’échange cationique p g q• Complexe = ensemble des

cations échangeables retenu à laSolution Mg2+

K+cations échangeables retenu à la surface des sols

• Cations échangeables = cations Solide

‐‐‐ ‐

Ca2+

Ca2++

+ Al3+

disponibles à être échangés par un autre cation

• Capacité d’échange cationique

Solide‐‐ ‐

‐

‐ Ca++ Mg2+

K+Capacité d échange cationique (CEC) = somme des cations échangeables d’un sol: Ca, Mg, N K Al F MNa, K, Al, Fe, Mn

• Qualité du complexe = nutrition des plantes (ex. toxicité Al)des p a tes (e . to c té )

Capacité d’échange cationique (CEC) p g q ( )Contrôles (compétition):1) Ab d i l i Na+1) Abondance cation en solution

Ca2+ >> Mn2+

--- ─Al3+

Na

X-

Al3+

2) Charge du cation (valence)Tri (Al3+) (H+) > bi (Mg2+) > mono (Na+)

--

----

─Na+

3) Rayon ionique pour cations même valenceMg 2+ (0 066 nm) > Ba2+ (0 134 nm)

-Na+

Mg 2 (0,066 nm) > Ba2 (0,134 nm)

4) Géométrie surface

Mesure de la CECProportionnel abondance

H+- B 2+

pcharges négatives

H

Ca2+-H+

Ca2+Ba2+

Ba2+-

-

Mg2+-Ca2+

Mg2++ BaCl2

0,1MBa2+-

K+-K+

,

Ba2+

(solution)

-Al3+-

Al3+

(solution)Ba2+-

(solution)

Mesure de la CEAProportionnel abondance

F-+ Cl+

pcharges positives

F

NO3-

+

+ Cl-

Cl-+

+ F-

SO42-+ + BaCl2

0,1MCl-+

NO3-

SO42-

H2PO4-+

,

Cl-

(solution)

+2

H2PO4-

SO42-+

(solution)Cl-+

SO42-

(solution)

Calcul CEC

Unités Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Al3+ Fe3+ Mn2+ CEC

Extrait sur 1,00 g de sol tamisé < 2mm avec 10 ml BaCl2 0,1M

µmol/L 1000 100 120 60 1000 30 25

µmol/g=µmol * 0,01 L*1

L g

10 1,0 1,2 0,6 10 0,3 0,25

l/k 1 0 0 1 0 12 0 06 1 0 0 03 0 025cmol/kg= µmol * 1000

g 100

1,0 0,1 0,12 0,06 1,0 0,03 0,025

ceq/kg ou 2,0 0,2 0,12 0,06 3,0 0,09 0,50 5,97q gcmol(+)/kg= cmol * valence

kg

, , , , , , , ,

Saturation en bases (SB)• CEC = cations adsorbés = Ca, Mg, K, Na, Al, Fe, Mn, H cat o s adso bés C , g, , N , , e, ,

• SB (%) = [cations basiques] / CEC * 100cations basiques = Ca Mg K Nacations basiques Ca, Mg, K, Na

Havlin, Beaton, Tisdale et Nelson. 1999. Soil Fertility and Fertilizers. p 25.

Calcul S.B.

Unités Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Al3+ Fe3+ Mn2+ CEC

Extrait sur 1,00 g de sol tamisé < 2mm avec 10 ml BaCl2 0,1M

µmol/L 1000 100 120 60 1000 30 25

µmol/g=µmol * 0,01 L*1

L g

10 1,0 1,2 0,6 10 0,3 0,25

l/k 1 0 0 1 0 12 0 06 1 0 0 03 0 025cmol/kg= µmol * 1000

g 100

1,0 0,1 0,12 0,06 1,0 0,03 0,025

ceq/kg ou 2,0 0,2 0,12 0,06 3,0 0,09 0,50 5,97q gcmol(+)/kg= cmol * valence

kg

, , , , , , , ,

SaturationBase (%)

= somme (Ca, Mg, K, Na cmol(+)/kg)/CEC * 100= (2,0 + 0,2 + 0,12 + 0,06)/5,97 *100 = 40% = faible SB

Exemples de SB

• Chernozem (Ah):BS = 80 % = riche40 cmol (+) kg-1 / 50 cmol (+) kg-1

• Podzol (Bhf):BS = 15 % = pauvreBS 15 % pauvre1,50 cmol (+) kg-1 / 10 cmol (+) kg-1

CEC des matériaux de solmatériaux de sol

Sparks. 1995. Environmental soil chemistry, Academic Press, New York

Bohn, McNeal et O’Connor. 1979. Soil chemistry, John Wiley & Sons, New York, p.100.

Relation CEC-Surface spécifique

CEC des matériaux de sol 200

300

00g)matériaux de sol

100

CEC

(me/

10

00 200 400 600 800 1000

Surface spécifique (m2/g)


345

CEC des matériaux de sol

6789matériaux de sol 91011

MODIFIÉ ET CORRIGÉ DE : Process GeomorphologyRitter/Kochel/Miller 1999


CEC d’un sol10

CECCEC

charges (-)

) 5

M.OPhyllosilicatesOxydes Fe et Al

permanentespH0

mol

ckg

-1

Phyllosilicates

CEA

(cm Oxydes Fe et Al

variables5

charges (+)

variables

Sol organique

CEC et MOSol organique

S l i éSol minéraux

Santore, Driscoll et Aloi. 1995. Carbon Forms and Function In Forest Soils, p289.

FH

AeAe

Bhf

Bf1

Bf2Bf2

IICg

FH

Ae

pH = 4,20contrôle de M.O.

pH = 4 10 contrôle des minéraux primairesAe

Bhf

pH = 4,10 contrôle des minéraux primaires

pH = 4,22 contrôle de M.O.

H 4 65 ôl dBf1

Bf2



Bf2

IICg

pH = 5,50 contrôle argiles et phyllosilicates

4 Adsorption et désorption4- Adsorption et désorptionAdsorption = accumulation nette de solutés à la surface de solidesp

Désorption = déplacement net de la surface du solide vers la solution

Sparks 2005

Équilibre solide-solutionSolide SolutionSolide Solution

équilibre

d ti H+baisse pH

adsorption H+protonation

hausse [H+]

désorption H+hausse pHb i [H+]désorption H

déprotonationbaisse [H+]

Adsorption spécifique / non-spécifiquedso pt o spéc que / o spéc que

N é ifi S é ifiS é ifi

Lien de plus en plus résistant

H O H O

Non-spécifiqueBidentée

SpécifiqueBidentée

SpécifiqueMonodentée

H2O H2O

H2O

H2OH2ONa+

PbOH‐ P

H2O H2OH2OH2O

spécifique = pas molécule H2O entre adsorbant et adsorbép q p 2

Adsorption vs pH solution

(-) ; CEC

10

ADSADS cations

---

+++

--

Ca2+

Mg2+

Ca2+

K+

SO42-

NO -

pH

-+ - K+ NO3

p5

(+) ; CEA---

++

(+) ; CEAADS anions -

-

Ca2+

Mg2+

Ca2+

SO42-

-+

pH

- CaK+ NO3

-

Ad ti tiAdsorption cations: isothermes pour di ers matéria ddivers matériaux du sol

Ross S.M. Retention, Transformation and Mobility of Toxic Metal in Soils. In Toxic Metals in Soil-Plant System

5- Altération et solubilité • Altération chimique = modifications de la structure

cristalline des minéraux produisant d’une part lescristalline des minéraux produisant d une part les éléments en solution et d’autre part des solides.

planteDi ibilité i t

altération équilibre

planteDisponibilité croissante

CECCEAMinéraux primaires Solution

altération équilibre

altération altération

Minéraux secondaires

5- Altération et solubilité • Hydratation = association d’une molécule d’eau ou

d’hydroxyle (OH-) avec des minéraux sansd hydroxyle (OH ) avec des minéraux sans modification de la structure cristalline.Ex: CaSO + 2H O CaSO ·2H OEx: CaSO4 + 2H2O CaSO4·2H2O

(anhydrite) (gypse)

• Dissolution = Solubilisation directe d’un minéralDissolution Solubilisation directe d un minéral(carbonates, sels secondaires) au contact de l’eau.Ex: NaCl + H2O Na+ + Cl- + H2O2 2

(halite)

CaCO3 + CO2 + H2OCa2+ + 2HCO3-

(carbonate)

5- Altération et solubilité • Oxydation ou oxydoréduction = Réaction chimique

dans laquelle se produit un transfert d’électron Peutdans laquelle se produit un transfert d électron. Peutavoir une modification de la structure cristalline.oxydation = don électron Ex: Fe2+ e- => Fe3+oxydation = don électron Ex: Fe2 - e => Fe3

réduction = gain électron Ex: Fe3+ + e- => Fe2+

oùoùFeSiO4 => 2Fe2+ + 4HCO3

- + ½O2 +H2OFe2O3 + 4H2CO3

Fe réduit solution Fe oxydé solideFe réduit solution Fe oxydé solide

5- Altération et solubilité • Chélation = Formation de liens chimiques entre des

ions métalliques et une molécule d’agent complexantions métalliques et une molécule d agent complexant (acides organiques complexes: acides fulviques, acides humiques…).acides humiques…).

Caractéristiques:Structure très permanenteIsole les métauxPermet la translocation du Fe et autres métaux dans les podzols

5- Altération et solubilité • Hydrolyse = Réaction chimique entre un minéral et

les constituants de l’eau (H O): hydroxyle (OH-) etles constituants de l eau (H2O): hydroxyle (OH ) et proton (H+)

Al

OH

H+

O

O

H

H

AlO

H

Al H+H

Hydratationy

6- Transport en solution Acidification naturelle (exemples):Dissociation des acides organiquesEmbruns océaniques

p

qCroissance de la forêt

Contaminants (exemples):ÉÉléments tracesPesticidesEngrais

Exercice pour vous pratiquer!

Deux sols A et B ont été analysés pour déterminer leur composition. Les substances contribuant à la CEC du sol et leurs caractéristiques se retrouvent dans le tableaucontribuant à la CEC du sol et leurs caractéristiques se retrouvent dans le tableau suivant.

Substance Sol A Sol B CEC de la substancesubstance

m/m % m/m % cmolc / kg de sol Matière organique 4 1 240 Sable 51 30 1 Limons 20 10 1Limons 20 10 1Montmorillonite 20 0 110 Kaolinite 0 40 10 Oxydes Fe et Al 5 19 5

a) Quelle est la CEC de chaque sol? b) Quelle substance contribue le plus à la CEC pour chacun des deux sols?

Envoyez-moi vos réponses par courriel!

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