SUPERFCIE ESPECFICA DO SOLO DE UNIDADES DE MAPEAMENTO DO ESTADO DE SO PAULO. I - ESTUDO DE PERFIS COM HORIZONTE B TEXTURAL E HORIZONTE B LATOSSLICO (1)

F. GROHMANN ( 2 ) , engenheiro-agrnomo, Seo de Pedologi, instituto Agronmico

SINOPSE

Empregando o mtodo do ter monoetlico do etileno glicol, determi-nou-se a superfcie especfica de 43 horizontes, que correspondem a cinco perfis de solos com horizonte B textural e quatro perfis de solos com ho-rizonte B latosslico.

A superfcie especfica apresentada pelos solos estudados est correla-cionada com o teor de argila.

Os solos com horizonte B textural apresentam pronunciada variao de superfcie especfica, em profundidade, tendo os horizontes A e B os va-lores de 21,60 e 47,40 m 2/g, respectivamente. Os valores da superfcie espe-cfica do horizonte A e do horizonte B dos solos com B latosslico foram de 73,50 e 70,20 m 2/g, respectivamente.

1 - INTRODUO As propriedades fsico-qumicas do solo so grandemente in-

fluenciadas pela superfcie especfica de seus constituintes minerais e orgnicos. O termo superfcie especfica se refere rea exposta pela unidade de peso de solo, usualmente expressa em metros qua-drados por grama (m 2 /g).

A superfcie especfica varia significantemente com a textura

( 1 ) Este trabalho constitui parte da tese de doutoramento apresentada pelo autor Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", da Universidade de So Paulo, em junho de 1970. Recebido para publicao em 12 de outubro de 1971.

( 2 ) Com bolsa de suplementao do CNPq.

do solo, com o tipo de mineral de argila e com o teor de matria orgnica do solo. Segundo Searle e Grimshaw, a rea exposta pelas partculas de solo ser tanto maior quanto menor forem essas par-tculas, e por isso que a frao argila contribui com a maior pro-poro do valor da superfcie especfica do solo. Considerando-se essa frao e dependendo do mineral de argila nela presente, en-contram-se grandes variaes de superfcie especfica, desde 20 m 2 /g at cerca de 800 m 2/g, como na caulinita e na montmorilonita, res-pectivamente. A superfcie especfica da caulinita limita-se apenas a superfcies externas, o que lhe confere valores baixos, enquanto a montmorilonita apresenta elevada superfcie interna, alm da ex-terna. A matria orgnica, embora ocorra nos solos em propores pequenas, contribui significantemente no valor da superfcie es-pecfica do solo, devido ao seu alto grau de subdiviso. Os xidos de ferro livres tambm contribuem para a superfcie especfica, prin-cipalmente nos solos tropicais, onde ocorrem com elevados teores. Verificou-se a influncia dos cations trocveis na reteno do gli-col etilnico e do ter monoetlico de etileno glicol e, como con-seqncia, nos valores da superfcie especfica do solo.

A importncia dessa propriedade fsico-qumica do solo pode ser colocada em evidncia quando se considera a superfcie expos-ta pelo material coloidal do solo. Assim, por exemplo, em 1 m3 de solo com massa especfica aparente de 1,4 g/cm3 e teor mdio de argila de 40% em peso, o sistema radicular das plantas ter sua disposio uma rea de contacto equivalente a 56 km2, quando a superfcie especfica da frao argila for de 100 m 2/g.

De acordo com Jackson e Sherman (19), a maior contribui-o do intemperismo fsico ao intemperismo qumico reside no fa-to de que, pelo aumento de superfcie, aumentam enormemente as possibilidades de reao do material. , tambm, verdade que, nas interfases lquido-gs, slido-lquido e slido-gs, ocorrem proprie-dades especficas que se tornam importantes qualitativa e quan-titativamente, medida que a superfcie especfica dos respectivos materiais aumenta.

Neste trabalho so apresentados os resultados de determina-es da superfcie especfica de solos com horizonte B textural e de solos com horizonte B latosslico.

2 - MATERIAIS E MTODOS

2.1AMOSTRAS DE SOLOS

Foram analisadas 43 amostras de solos, representativas de no-ve perfis, sendo cinco de unidades de solos com horizonte B textu-ral e quatro com horizonte B latosslico.

As determinaes de superfcie especfica foram feitas em amos-tras de solos passadas em peneira com abertura de malha de 0,140 milmetros de dimetro.

2.2 CARACTERIZAO ANALTICA DOS SOLOS EMPREGADOS

Na relao dada a seguir apresentada a classificao das uni-dades de mapeamento estudadas segundo a Comisso de Solos (26) e, como tentativa, sua correspondncia com a 7. a Aproxima-o (29).

Perfil n Classificao segundo a Classificao segundo Comisso de Solos a 7." Aproximao

740 Podzlico Vermelho Amarelo orto Typic Paleudult

902 Solo Podzolizado de Lins e Marlia, var. Marlia Typic Tropudalf

949 Solo Podzolizado de Lins e Marlia, var. Lins Rhodic Paleudalf

T. 2838/42 Podzlico Vermelho Amarelo var. Laras Arenic Tropudult

T. 2875/79 Podzlico Vermelho Amarelo var. Piracicaba Lithic Eutropept

866 Latossolo Roxo Typic Haplorthox 884 Latossolo Roxo Lithic Umbriorthox 974 Latossolo Vermelho Escuro

orto Typic Umbriorthox 947 Latossolo Vermelho Escuro

fase arenosa Psammetic Haplorthox

Em seguida esto relacionados os resultados analticos, fsi-cos e qumicos, dos solos estudados.

902 e

MO

1,37

orto

A metodologia empregada na caracterizao do material em estudo foi a seguinte:

Granulometria Foi determinada pelo mtodo da pipeta, em-pregando-se o hidrxido de sdio como dispersante qumico e agi-tao violenta para completar a disperso, segundo o mtodo pro-posto por Medina e Grohmann (20). As fraes granulomtricas foram grupadas conforme Buckman e Brady (5) pelo Sistema In-ternacional.

Bases Trocveis A extrao foi feita percolando-se 10 g de solo com 100 ml de cido ntrico a 0,05 N. O clcio e o magnsio foram determinados pelo mtodo do EDTA, segundo Raij (27). O potssio foi determinado por fotometria de chama, de acordo com Catani, Gallo e Gargantini (8).

H e A tiocveis Determinados pelo mtodo do acetato de clcio a pH 7, descrito por Paiva Netto e outros (25).

Matria orgnica Calculada, multiplicando-se o teor de car-bono por 1,724.

Carbono O mtodo utilizado foi o de Tiurin, descrito por Vettori (30).

Superfcie especfica Empregando-se o mtodo de Heilman, Carter e Gonzalez (16).

2.3 DETERMINAO DA SUPERFCIE ESPECIFICA DO SOLO E DA FRAO ARGILA

Segundo Mortland e Kemper (23), alguns mtodos absolutos de medida das superfcies tm sido derivados de princpios fun-damentais da termodinmica, eletrosttica e cintica (Bet, 1938; Harkins e Jura, 1944; e Harkins, 1952).

Diversos mtodos relativos de estimar a superfcie especfica de solos e minerais de argila tm sido desenvolvidos em virtude da maior convenincia do seu uso, quando comparados com os mto-dos absolutos. Muitos dos mtodos relativos se baseiam na adsoro, pelos materiais em estudo, de molculas polares orgnicas, tais co-mo o glicol etilnico Dyal e Hendricks (11), glicerol Dia-mond e Kinter (10) e Mehera e Jackson (21), e o ter monoetli-co do etileno glicol Carter, Heilman e Gonzalez (7).

Os dados obtidos com o uso dos mtodos relativos tm sido correlacionados por alguns autores com os valores obtidos com os mtodos absolutos, ao passo que outros os correlacionam com a superfcie especfica terica dos minerais de argila tomados como padro.

Segundo Dyal e Hendricks (11), para a determinao da su-perfcie necessrio que haja formao de uma camada monomo-lecular recobrindo todas as superfcies dos minerais de argila, in-clusive as superfcies internas. Como a adsoro das molculas pola-res orgnicas proporcional rea das partculas, esta caractersti-ca tem sido utilizada como mtodo gravimtrico para estimar a su-perfcie especfica de solos e de minerais de argila.

A partir das medidas de adsoro de molculas polares e da superfcie especfica terica de determinados minerais de argila to-mados como padro (caulinita e montmorilonita) determina-se a quantidade de substncia polar (glicol etilnico, glicerol e ter mo-

noetlico de etileno gliool) para formar uma monocamada em 1 m 2 da superfcie dos minerais de argila.

2.3 .1 . ESCOLHA DO MTODO

O mtodo empregado com mais freqncia para a determina-o da superfcie especfica do solo e seus colides o proposto por Bower e Gschwend (2), com pequenas modificaes.

Neste trabalho, porm, adotou-se o mtodo proposto por Heil-man, Carter e Gonzalez (16), e que utiliza como fase adsorvida o ter monoetlico do etileno glicol (2-etoxietanol), que denominar-se- EMEG.

Os resultados comparativos de determinao de superfcie es-pecfica de minerais de argila mostram que tanto o mtodo do gli-col etilnico, GE, como o do EMEG apresentam resultados com alta correlao. Na relao dada a seguir so apresentados os valo-res mdios de superfcie especfica de vrios minerais de argila obti-dos pelo mtodo do GE e pelo mtodo do EMEG, segundo Car-ter e outros (7).

Minerais de argila GE EMEG m?/g m2/g

Haloisita 29 75,2 76,2 Hecterita 34 464,0 461,8 Pirofilita 49 7,0 6,2 Vermiculita 340,0 350,0

Segundo os mesmos autores, a relao entre as superfcies es-pecficas totais de trs minerais de argila caulinita-5, illita-36 e a montmorilonita-21 dos EUA, determinadas pelos mtodos do GE e pelo EMEG, apresentou coeficiente de correlao r = 0,999. Estudos comparativos entre os resultados de superfcie especfica de solos obtidos por esses mtodos, realizados por Heilman, Carter e Gonzalez (16), mostraram que o coeficiente de correlao entre superfcie especfica determinada por ambos os mtodos, quando a presso de vapor do GE e do EMEG controlada, de 0,982.

Esses mesmos autores mostraram que, comparando-se a super-fcie especfica de solos determinada pelo mtodo do GE, com pres-

so de vapor do GE controlada, e a superfcie especfica obtida pe-lo mtodo do EMEG, sem controle de presso de vapor do EMEG, o coeficiente de correlao foi r = 0,995.

A principal vantagem do emprego do mtodo do EMEG, sem dvida, a de exigir menos tempo para que um excesso de EMEG se evapore, deixando uma monocamada na superfcie adsorvente.

Os valores apresentados a seguir indicam a reteno do EMEG por 0,5 g da frao argila do horizonte B22 do Podzlico Verme-lho Amarelo var. Piracicaba, aps vrios perodos de tempo de per-manncia no vcuo, temperatura de 25C e em porta-amostras de 4 cm de dimetro, quando foram inicialmente adicionados, res-pectivamente s amostras A e B, 1004 e 1510 mg de EMEG:

Permanncia no vcuo Reteno o EMEG em mg/g A B

15 minutos 837,0 1009,0 45 minutos 34,5 35,0 75 minutos 34,0 34,0

100 minutos 34,0 34,0

Verifica-se que, apesar de um excesso de EMEG, as amostras estudadas atingiram o equilbrio aps 75 minutos de permanncia no vcuo.

Na relao dada a seguir comparada a evaporao no vcuo, durante 60 minutos, de superfcies livres de GE e de EMEG, pu-ros, temperatura de 25C e em porta-amostras circular de 4 cm de dimetro:

Fase asorvia Quantidade Peso em mg aps evaporao no vcuo

Glicol etilnico, GE 1500 1237 ter monoetlico do etileno glicol, EMEG 1500 7

Verifica-se que a evaporao do EMEG no vcuo muito mais rpida que a do GE, sendo que essa caracterstica do EMEG foi decisiva na escolha como fase adsorvida para a determinao da superfcie especfica de solos neste trabalho.

So relacionadas a seguir, algumas caractersticas do GE e do EMEG:

Caractersticas Glicol etnico ter monoetlico do etileno glicol

Frmula HOCH 2 CH 2 OH C 2 H 5 OCH 2 CH 2 OH Nome 1,2 etanodiol 2 etoxietanol Peso molecular (g/mole) 62,07 90,12 Densidade (g/cm a 20C) 1,1155 0,9311 Ponto de ebulio (C) 197,2 135,1 Pureza (bidestilado) (/o) 99,99 99,99

2.3.2. PRINCPIOS BSICOS RELACIONADOS COM A DETERMINAO DA SUPERFCIE ESPECIFICA TOTAL E INTERNA DO SOLO

O clculo da superfcie especfica dos minerais de argila e co-lides do solo se baseia na adsoro de uma camada monomolecular numa superfcie conhecida, calculada teoricamente. Utilizam-se a montmorilonita e a caulinita como referncias, visto ser possvel cal-cular suas superfcies especficas tericas a partir dos parmetros de sua cela unitria, segundo Guyot (13), Dyal e Hendricks (11) e Jackson (18). Nesses clculos determinam-se apenas as reas dos planos basais, no se levando em conta as superfcies laterais, as quais so desprezveis.

Clculo da superfcie especfica terica: a) Superfcie espe-cfica terica da montmorilonita. Tomando-se por base part-culas de 0,5 [A de dimetro mdio e 100 A de espessura (10 l-minas de 10 A de espessura) e dimenses da cela unitria: a = 5,3 A, e b = 9,05 , e peso molecular de 720, a superfcie basal da unidade cristalina ser:

(5,3 x 9,05) x 2 = 96 A 2

A superfcie especfica calculada para 1 grama de montmorilo-nita ser:

A superfcie basal externa calculada para uma placa de 10 l-minas ser:

800 = 80 mVg

10

b) Superfcie especfica terica da caulinita Tomando-se por base partculas de 1 [A de dimetro mdio e de 0,05 ^ de espessu-ra, que igual a 500 A e igual a 71 lminas de 7 A de espessura, as dimenses da cela unitria: a = 5,14 X, b = 8,93 A e peso molecular 516,

a superfcie basal da unidade ser:

Supondo>-se que as superfcies basais de cada lmina so acess-veis, a superfcie total ser:

A superfcie basal externa calculada, levando-se em conta o n-mero de lminas por cristal, ser:

De acordo com Dyal e Hendricks (11) e Jackson (18), a superfcie especfica terica da montmorilonita de 808 m 2/g, re-sultado que pouco difere do apresentado por Guyot (13) e que utilizado para o clculo de recobrimento de uma molcula da fase adsorvida.

De acordo com os trabalhos de Bower e Gschwend (2) e de Carter, Heilman e Gonzalez (7), as quantidades de GE e de EMEG necessrias para a formao de uma camada monomole-cular em 1 g de montmorilonita so 250 mg e 231,7 mg, respectiva-mente.

Dividindo-se por 250 e 231,7 a superfcie especfica da mont-morilonita calculada teoricamente (808 m 2 /g) , obtm-se, respecti-vamente, 3,23 m 2 e 3,49 m2, que correspondem rea da superf-cie recoberta por 1 mg de GE e EMEG.

2.3.3 MTODO DE DETERMINAO DA SUPERFCIE ESPECIFICA TO-TAL (St) DO SOLO E DA FRAO ARGILA PELO EMPREGO DO TER MONOET1LICO DO ETILENO GLICOL (EMEG)

Para determinar a reteno do EMEG, uma amostra de 0,5 g de solo ou frao argila, isenta de matria orgnica e previamente saturada com clcio, colocada em porta-amostras de 4 cm de di-metro por 0,5 cm de altura, e submetida secagem at peso cons-tante, em dessecador contendo P2O5 e no qual se fez o vcuo.

Aproximadamente 1 ml de EMEG adicionado amostra e deixado equilibrar por uma hora. Em seguida, transfere-se a amos-tra para um dessecador de 25 cm de dimetro interno que conte-nha CaCla. Estabelece-se o vcuo por meio de uma bomba, durante 45 minutos. Aps esse tempo de funcionamento, o vcuo produzi-do, que menor do que 0,2 mm de Hg, mantido no dessecador durante 8 horas, e, ento, desfeito, tomando-se a precauo de fa-zer com que ar isento de umidade penetre no dessecador. Pesada a amostra ela imediatamente recolocada no dessecador, onde o v-cuo novamente restabelecido, por mais 45 minutos. Repete-se tal procedimento at que atinja uma constncia de peso, o que se con-segue, geralmente, aps seis pesagens, dependendo da natureza do material empregado. Neste trabalho, a superfcie especfica foi de-terminada em nove amostras de cada vez (trs amostras de solo com trs repeties). Considerou-se constncia de peso quando a diferena entre duas pesagens de uma mesma amostra no foi su-perior a 0,2 mg.

A superfcie especfica total do solo, em metros quadrados por grama, calculada dividindo-se o peso de EMEG retido por grama de solo por 0,000286 g por metro quadrado ou, ainda, multiplican-do-se por 3,4950 m 2 a quantidade de EMEG em miligrama por grama de solo. Tem-se, ento:

A superfcie especfica total, St, representa reas de exposio internas, Si, e externas, Se, dos materiais, de onde:

St = Si + Se

* 231,7/808 =

0,000286 g / m 2 - 2,86 x 1 0 _ * g/m 2

Como a superfcie especfica interna (Si) a diferena entre a superfcie especfica total (St) e a externa (Se), sua determina-o em materiais que apresentam expanso implica no emprego de algum meio que elimine tal variao de volume. Isso se consegue aquecendo a amostra a 600C, durante 4 horas (11). Nesse ma-terial, depois de frio, determina-se a reteno do EMEG e calcula-t e a superfcie especfica externa. Por diferena obtm-se a superf-cie especfica interna:

st _ Se = Si

So apresentadas a seguir as superfcies especficas dos prin-cipais componentes da frao argila do solo, obtidas por vrios au-tores:

Natureza Superfcie Mtodo de et. Autor mineralgica especfica da sup. esp.

m?/g

Gibbsita 1 N 2 - BET Nelson & Hendricks, 1943

Anatsio 10 _ Jackson, 1956 Caulinita 10 - 30 N 2 - BET Brunauer, 1945;

Fripiat, 1964 Goethita 30 N 2 - BET Hingston, 1968 Mica hidratada 100 - 200 N - BET Brunauer, 1945 Clorita 100 - 175 -" Caillre-Hnin, 1963 Oxido de ferro 100 - 400 N 2 - BET Deshpand, 1968 Silica amorfa 100 - 600 N 2 - BET Fripiat, 1964 Vermiculita 300 - 600 Glicol etilnico Hendricks, Dyal, 1950 Alofanas 400 - 700 Glicol etilnico Hendricks, 1955, 1968 Montmorilonitas 700 - 800 Glicol etilnico Hendricks, Dyal, 1950 Matria orgnica 700 800

(aparente) Glicol etilnico Bower & Gschwend, 1952

3 - RESULTADOS E DISCUSSO

3.1 SUPERFCIE ESPECIFICA DO SOLO DE PERFIS COM HORIZONTE B TEXTURAL E HORIZONTE B LATOSS-LICO

Os dados de superfcie especfica do solo original, com todos os seus componentes, so apresentados nos quadros 1 e 2. Mostram eles que a superfcie especfica total acompanha, ao longo dos per-

fis, o teor de argila do solo, evidenciando uma correlao entre teor de argila e superfcie especfica.

Assim que os solos com horizonte B textural apresentam uma variao de superfcie especfica mais pronunciada em profundida-de. A superfcie especfica mdia do horizonte A, do solo original, de 21,60 m 2/g, enquanto a do horizonte B atinge 47,40 m 2/g, refletindo bem a diferena de textura desses horizontes. O horizon-te A apresenta um teor mdio de argila de 15,5%, e o horizonte B, 28,8%.

Nos solos com horizonte B latosslico, os valores de superfcie especfica so mais elevados que os valores dos solos com horizonte B textural, em virtude do elevado teor de argila que apresentam. Entretanto, a variao dos valores da superfcie especfica peque-na, devido pequena variao textural entre os horizontes A e B. O horizonte A do solo original apresenta em mdia uma superfcie especfica de 73,50 m 2/g, e o horizonte B um valor de 70,20 m 2/g. O teor de argila do horizonte A de 39,9% e no B de 42,8%.

Os perfis T. 2875 a T. 2879, Podzlico Vermelho Amarelo var. Piracicaba, apresentam valores elevados de superfcie especfica pelo fato de esses perfis apresentarem minerais de argila 2:1, segundo Raij (26). O tipo de mineral de argila presente no solo fator que deve ser considerado. Assim que a frao argila dos perfis 866 e 884, ambos latossolos, destaca a importncia da composio mineralgica, na superfcie especfica, apresentada pelos dois perfis. As diferen-as de superfcie especfica apresentadas refletem as diferenas de composio mineralgica entre eles. De acordo com Moniz e Jack-son (22), a frao argila desses dois solos inclui, alm de outros minerais, 11,0% e 30,0%, respectivamente, de alofanas, material de elevada superfcie especfica (quadro 2), o que explica as dife-renas apresentadas pelos dois perfis.

o o

o N O O

PH

4 - CONCLUSES Com base nos resultados obtidos no presente trabalho, podem

ser tiradas as seguintes concluses: a) A superfcie especfica do solo de perfis com horizonte B

textural , em geral, menor do que a superfcie especfica dos solos de perfis com horizonte B latosslico.

b) A superfcie especfica correlacionada com o teor de ar-gila dos solos estudados.

c) A superfcie especfica varia, significantemente, com o tipo de mineral de argila presente na frao argila do solo.

SPECIFIC SURFACE AREA OF SOILS OF THE STATE OF SAO PAULO. I STUDY OF PROFILES WITH TEXTURAL B HORIZON AND WITH LATOSSOLIC B HORIZON

SUMMARY

The ethylene glycol monoethyl ether method was used for determining the soil surface area of 43 soil samples. The samples represent 5 profiles of soils with a textural B horizon and 4 ones with latossolic B horizon.

The soils with a textural B horizon presented in the A horizon a spe-cific surface area of 21.60 m 2 /g and in the B horizon a value of 47.40 m 2 /g. This difference in specific surface area is related to the texture of the horizons.

The A and B horizons of the soils with latossolic B horizon present a specific surface area of 73.50 and 70.20 m 2/g, respectively. The clay content of the A horizon is 39.9 percent and in the B horizon 42.8 percent.

The highest results of specific surface area in the profile (T. 2875 to T. 2879) are related with the kind of clay minerals present in the clay and silt fractions of the soil.

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