CHAPITRE V : CHIMIE DU SOL

1 5 me version ( mars 2013) CHAPITRE V : CHIMIE DU SOL21 re PARTIE : LE COMPLEXE ADSORBANTDES SOLSLe sol poss de la propri t de retenir diverses substances. En effet, les cations et lesanions peuvent tre retenus par lecomplexe adsorbant du sol, c est dire l ensemble descollo des ( substances humiques, argile, sesquioxydes,..) dot s de charges n gatives ions y seront retenus sousforme changeable. En d autres termes, si on traite un sol parune solution contenant des ions diff rents de ceux retenus par le sol, il y aura change entreles ions du complexe adsorbant et ceux de la solution :Complexe M++X Complexe X +M L absorption ionique dans le sol peut tre consid r e comme r versible :les ions changeables du complexe adsorbant sont en quilibre avec la solution du sol:toute modification de la composition de la solution du sol provoque un changement de cet quilibre par change : certains ions ducomplexe passent en solution (d sorption) et sontremplac s par d autres ions, qui taient auparavant en solution (adsorption).

2 Le pouvoir adsorbant est la propri t que poss de le complexe adsorbant du sol, de retenir sa surfacedes ions provenant de la solution du sol. Cette d finition est illustr e dans lesch ma ci-dessous (figure 1).Figure 1:Le complexe adsorbant du sol (tir de Soltner D. ,1992)3I. La sorption et l change des cations :1. G n ralit s :Lescations sont fix s la surface des collo des sur les plages o se d veloppent descharges n questions relatives la nature des collo des n gatifs du sol et de l origine de leur chargeont d j t discut es ant rieurement dans les chapitrespr c n y reviendrons pas Principaux facteurs r glant l intensit des ph nom nes de sorption et d change descations :a) la nature des collo des :Le tableau suivant donne la capacit de sorption des principaux collo des n gatifs PH 7.

3 Kaolinite3 15 meq / 100 gHalloysite5 50 meq / 100 gMontmorillonite80 150 meq / 100 gIllite10 40 meq / 100 gChlorite10 40 meq / 100 gVermiculite100 150 meq / 100 gMati re organique100 450 meq / 100 gMais,pourun m me collo de, les valeurs de CEC d pendent du PH: l augmentation desvaleurs de PH se traduit g n ralement, pour les collo des n gatifs, par une augmentation descharges n gatives. Invers ment, l acidification du sol se traduit par une diminution de lasorption titre d exemple, le tableau suivant donne les valeurs CaO sorb (en meq / 100g d argile ) enfonction du PH :PHCaO sorb en meq pour 100 gd ) la nature des ions :La fixationdes ions suit un ordre pr f rentiel: les cations habituellement fix s surle complexe sont ions H+ cations m talliques, parmi lesquels : certains sont fix s en quantit importante : Ca++, Mg++, K+.

4 D autres en quantit g n ralement plus limit e : l ion ammonium NH4+ les oligo- l ments : Mn++, Zn++,Cu++,.. le fer Fe++ou Fe+++ l aluminium Al+++L intensit avec laquelle ces ions sont retenusest en g n ral la suivant :ANIONS : SO4>F>NO3>Cl>Br>..CATIONS : Li<Na<Mg<Ca<Ba<Al<HUn cation est donc d pla able par tous ceux qui sont situ s sa cet ordre de pr f rence(cations gales concentrations dans la solution du sol)estdiff rent pour chaque type d argile et pour l exemple :KaoliniteNa<H<K<Mg<Ca<BaMontmorillonite Na<K<H<Mg<Ca<BaMicaNa<Mg<Ca<K<H<BaAcides humiquesNa<K<Mg<Ca<BaCet ordre pr f rentiel de fixation, d une grande importance p dologique, peut s expliquerainsi : l intensit de fixation d pend de la valence et de l hydratation des ions :Les ions bivalents Ca++et Mg++sont plus nergiquement retenus que les ions monovalents K+, Na+.

5 Les ions faiblement hydrat s ( Mg++et surtout Ca++), c est dire entour s d une faible couche d eau (voir figure 2ci-dessous)) sont mieux fix s que les ions fortement hydrat s ( K+et Na+)Figure 2:La fixation des cations: valence et degr d hydratation(tir de Soltner D. ,1992)5 pourchaque ions, il existe un quilibre entre la quantit de cet ion fix e sur lecomplexe adsbant et la concentration de cet ion dans la solution du Le m canisme de l change des cations :a) Deux exemples d change de cations : Le remplacementdes ions H+par des cations Ca++:Lorsque l on introduit de la chaux dans un sol, ses mol cules se dissocient :Ca(OH)2 Ca+++2 OH-La concentration d ions Ca++augmente dans la solution du sol et cette concentration secommunique au complexe, par exemple un complexe argilo-humique abondamment garnid ions H+.

6 Un cation Ca++prend la place de deux ions H+, qui se combinent aux anions OH-apport s par la chaux pour former de l eau :ComplexeH++ Ca+++ 2 OH- Complexe Ca+++ 2 H2O L change de cations Ca++contre des cations K+:Si dans ce sol enrichi en calcium par le chaulage, on introduit du chlorure de potassium ( KCl,engrais potassique ), ce sel se dissout, puis se dissocie en anions Cl-et cations K+. Cesderniers, augmentant la concentration en ions K+de la solution, provoquent un change avecle complexe : ils prennent sur celui-ci la place d ions Ca++, raison de 2 K+pour 1 Ca++. Cescations Ca++remis en solution forment, avec les anions Cl-du CaCl2, sel soluble qui peut trelessiv : cet apport d engrais potassique a provoqu une d calcification du sol :c est l actiond calcifiante des engraispotassiques( voir figure3ci-dessous).

7 6 Figure 3:Deux exemples d changesentre le complexe adsorbant et la solution du sol(tir de Soltner D. ,1992)7b)M canisme d change : recherche d un quilibre entre complexe et solution dusol :Supposons la pr sence simultan e des ions K+et Ca++dans le syst me : argile-solution avons l quation d quilibre :argile Ca+++2 K+ argile ( 2 K+)+Ca++avec :k=argile Ca( K)argile K( Ca)++++++ avec k = constante d quilibre qui d pend de la nature des collo des, de la nature des ions,..II. La sorption et l change des anions :Dans les eauxde drainage, on trouve beaucoup d anions NO3-, Cl-, SO4--,..Apparemment donc ces ions ne sont pas retenus par le pouvoir adsorbant du sol.

8 De fait,chacun sait que les nitrates sont tr s facilement perdus par , les anions PO3-4sont tr s biens retenus. Certains anions peuvent donc tre fix s, etleur nergie de fixation serait la suivante, par ordre d croissant :PO43- SO4-- NO3- Cl-Plusieurs m canismes expliquent cettefixation (voir figure 4) : la fixation sur les hydroxydes de fer et d aluminium, collo des positifs li s l argile, en change contre desions OH-, fixation sur quelquesvalences positives des argiles, en change contre des ions OH , ou sur des liaisons debordure ( Al+++) , fixation sur l argile ou l humus par l interm diaire d ions Ca++(ponts calciques).Figure 5:Les modes de fixation des anions(tir de Soltner D.)

9 ,1992)8 III. Les valeurs caract ristiques du complexe adsorbant : CEC etV%1. La capacit d change ( T ou CEC ) :La capacit totale d change ou capacit d change de cations est la quantit maximalede cations qu un sol peut adsorber ( pour 100 g de mati re s che ).Autrement dit, cette mesure repr sente le total des charges n gatives du sol disponibles pourla fixation : des ions H+et Al+++, des cations appel s bases changeables : Ca++, Na+, K+, Mg++( l ion NH4+peut trepr sent aussi, mais tant tr s minoritaire, il n est pas pris en compte ).On l exprime en milli quivalents ( meq ) pour 100 g de mati re s che. L quivalent d un corps tant lerapport masse atomique ( en g ) / valence de ce corps.

10 Le milli quivalent en est le milli : Un sol qui a une CEC de 20 meq pourrait retenir :-en Ca++: 20 meq * 40/2 = 400 mg de Ca / 100 g de sol ,-en Na+: 20 meq * 23/1 = 460 mg de Na / 100 g de CEC d un sol d pend de la nature des collo des de ce sol et du PH de ce sol ( voir ).2. La somme des bases changeables ( S ) :Il s agit de lasomme des quantit s de cations basiques changeables, fix s sur lecomplexe un moment donn . On l exprime galement en meq pour 100 g de mati re s diff rence T-S repr sente donc la quantit d ions H+et Al+++fix s. Cette diff rencepeut encore tre appel = S + Al++++ H+3. Le taux de saturation ( V% ou S/T ) :Le taux de saturation est le rapport somme des bases changeables / CEC, exprim en %.