3 Milieu Chimiq 09

8/14/2019 3 Milieu Chimiq 09

1/106

cours de pdologie - DM - 2008cours de pdologie - DM - 2008 11

Qualit des sols

Plan du cours

1 Dfinitions - Historique

2 - Le sol : compartiment spcifique delenvironnement

3 - Le sol : milieu physique

4 - le sol : milieu ractif


2/106



RAPPEL sur la terre fine

fraction 2 mm 2 m : rle dans laporosit proprits physiques fraction < 2 m = fraction des argilesgranulomtriques

proprits des ractionschimiques


3/106


fraction < 2 m = fraction des argilesgranulomtriques :

Minraux Iaires hritsARGILES MINERALOGIQUES OXYHYDROXYDES

CATIONS et ANIONS

MOLECULES ORGANIQUES

Proprits chimiques


4/106



41 Nature et origine des constituants

411 Les ARGILES MINERALOGIQUES


5/106


411 LES ARGILES MINERALOGIQUES

Dfinition :

minraux organiss en feuillets

silicates d alumine hydrats

Phyllosilicates


6/106



A Structure des argiles

Le cristal

Le feuillet

Les couches molculaires


7/106

7

Structure en feuillets rmicroscopie et la spec

Doc. 17 - Structure en feuillets des argiles.


8/106


9/106

9

SCHEMA GENERAL DELASSEMBLAGE DES ATOMES

DANS LES MINERAUX

Les minraux du sol ont une structure agence partir dune trame dions

O2- ou dions OH- disposs en assemblage hexagonal compact

structure triangulaire

structure trtradrique structure octadrique

assemblage 1 plan assemblage 2 plans

ions O2- et OH- , de rayon R

Fig.

1

Fig.

2

Fig.

3


10/106

cours de pdologie - DM - 2008 10

R

r = 0,154 R

r

structure triangulaire


11/106


R

r = 0,224 R

r

structure trtradrique


12/106


structure trtradrique


13/106


R

r = 0,414 R

r

structure octadrique


14/106




15/106




16/106




17/106


octadrettradre

r = 0,414 Rr = 0,224 R


18/106


VALEURS DES RAYONS

ET DES RAPPORTS AU RAYON DE O2-

VALEURS DES RAYONS

ET DES RAPPORTS AU RAYON DE O2-


19/106


octadrettradre

r = 0,414 Rr = 0,224 R


20/106

20

SCHEMA GENERAL DELASSEMBLAGE DES ATOMES

DANS LES MINERAUX

Les minraux du sol ont une structure agence partir dune trame dions

O2- ou dions OH- disposs en assemblage hexagonal compact

structure triangulaireavec cavit triangulaire

de rayon r = 0,154 R structure trtradriqueavec cavit de rayon

r = 0,224 R

structure octadriqueavec cavit de rayon

r = 0,414 R

assemblage 1 plan assemblage 2 plans

ions O2- et OH- , de rayon R

Fig.

1

Fig.

2

Fig.

3


21/106

21

Les ttradres de silice (SiO4)4-trame de symtrie hexagonalecommun les ions O

2- contenu

de la trame.

Au centre des hexagones dions

situs aux sommets des t

Llment de base est le ttradre

dont les d ions O2- cur de Si4+ .

Doc. 19 - Organisation de la couche ttradrique.


22/106

22

Llment de base est loctadre

d ions O2- ouOH- curd aluminium Al3+.

La couche octadriqueest une chane

doctadres mettant en

commun des ions

hydroxydes ou des ions

oxygnes.

Doc. 20 - Organisation de la couche octadrique.


23/106

23

espace interfoliaire

couche Oc

couche Te

le feuillet

Doc. 21 - Structure d une argile Te-Oc : la kaolinite.Si2O5Al2(OH


24/106

24

Te

Oc

TeTe

Te

Oc

cation

fixeau et cation

changeable

Une illite

Une montmorillonite

Doc. 22 - Structure de 2 argiles Te-Oc-Te.


plus grand


25/106



A Structure des argiles

B Proprits des argiles :

lectrongativit Surface dchange importante

Hydratation

Dispersion / floculation


26/106


B Proprits des argiles :

I llectrongativit

Prsence de charges

lectriques ngatives


27/106


Cause 1 :

Les substitutions isomorphiques :

Al3+ remplace Si4+

Mg2+ remplacent Al3+


28/106


ion O2- ou OH-

ion Al3+

Doc. 23 - Substitutions isomorphiques.

ion O2-

ion Si4+

ion O2-

ion Al3+

Al3+ remplace Si4+

ion O2- ou OH-

ion Mg2+

Mg2+ remplace Al3+


29/106


ion O2- ou OH-

ion O2-

ion O2-

Al3+ remplace Si4+

ion O2- ou OH-

Mg2+ remplace Al3+


30/106


Exemple 1 : feuillet lectriquement neutre

la KAOLINITE Si4O10 Al4(OH)8

charges ngatives : -20 - 8 = -28

charges positives : +16 +12 = +28

dficit de charge = 0


31/106


Exemple 2 : feuillet charg ngativement

une MONTMORILLONITE Si4O10 (OH)2 Al2-x Mgx

charges ngatives : -20 - 2 = -22

charges positives : +16 +3(2-x)+2x =+22-x

dficit de charges : -x (-0,33)


32/106


Consquence :

Les substitutions isomorphiques :

Apparition d un excs

de charges ngatives sur le feuillet.


33/106


Cause 2 :

Les cassures

ou microdivisions des feuillets


34/106


Avant rupture

Aprs rupture

rupture

+

+

-

-

-

Doc. 24 - Microdivisions des feuillets de phyllosilicates.


35/106


Consquence :

Les cassures

ou microdivisions des feuillets

Apparition de charges ngatives oupositives sur les bords du feuillet.


36/106


valeurs :

kaolinite et chlorite 0,5 2 c.moles+/100g

illite 1 4 c.moles+/100g

montmorillonite : 10 13 c.moles+/100g

Application : cas du Calcium


37/106


B Proprits des argiles :I llectrongativit

II la surface dchange

origine :

forme du cristal petite taille et division disposition en feuillets superposs

types :

surface externe et surface interne


38/106


B Proprits des argiles :I llectrongativit

II la surface dchange

valeurs :

Kaolinite : 80 m2/g

Illite : 200 m2/g

Montmorillonite : 800 m2/g


39/106


B Proprits des argiles :I llectrongativitII la surface dchange

III lHydratation la rtentiondeau

origines :

liaisons hydrogne, van der Waals,... entreles feuillets et la molcule deau

hydratation des cations compensateurs

paisseur variable de l espace interfoliaire


40/106

40

Te

Oc

TeTe

Te

Oc

cation

fixeau et cation

changeable

Une illite

Une montmorillonite

Doc. 22 - Structure de 2 argiles Te-Oc-Te.


plus grand


41/106


B Proprits des argiles :I llectrongativitII la surface dchange importante

III lHydratation la rtentiondeau

consquences : capacit retenir de l eau

gonflement des cristaux en

prsence d eau impermabilit rtraction des cristaux en absenced eau fissuration


42/106


B Proprits des argiles :I llectrongativitII la surface dchange importante

III lHydratation la rtention deau

IV la Dispersion et la floculation :

tat des particules dargiles dansla suspension collodale


43/106


Ltat dispers

Etat dispers :

rpulsion des particules charges

formation d une suspension

collodaleen prsence d eau structure continue, massive enabsence d eau


44/106


Etat flocul : Attraction des particulesneutres

formation de particulesneutres sdimentables

structure agrge enabsence d eau.

Cations

adsorbs

Ltat flocul


45/106


Milieux pauvres en cations Dispersion et structurecontinue, massive

Milieux riches en cations

Floculation et structuregrumeleuse ou agrge


46/106



A Structure des argilesB Proprits des argiles

C Origines des argiles

La transformation

La nognse

Lhritage


47/106


La transformation :

Minral primaire minralsecondaire

HYDROLYSE = action des H+contenus dans leau (libration decations, de SiO4- , de Al(OH)2- ,... ACIDOCOMPLEXOLYSE ou CHELUVIATION =action dacides organiques : entranement descations ; destruction + ou - pousse des dificescristallins.


48/106


ORIGINE de

1) hydrolyse

NEOFORMATION des ARGILES : exemples


49/106


La nognse

= noformation dargile partir de SiO4-

et de Al(OH)2- ou Al(OH)2- prsents dansle milieu

ncessite des conditions de pression et

de temprature particulires (rgionstropicales et quatoriales)


50/106


Lhritage

largile est contenue dans la roche mre

ou le matriau parental du sol ;

largile est libre lors de la dissolutionde certains minraux ;


51/106


Lhritage

cas typiques des sols dvelopps surR.M. carbonates : dissolution descarbonates et libration des impuretsargileuses

= largile de dcarbonatation

autres cas : loess, marnes, schistesardoisiers


52/106


4 - le sol : milieu ractif41 Nature et origine des

constituants

42 Ractions dadsorption et de

dsorption

a) mise en vidence


53/106


Purin

Terre

sableuse

Terre

argileuse

Le purin filtr

garde sa

couleur noire

et son odeur

ammoniacale

Le purin

filtr sort

clair et

sans odeur

Mise en vidence du pouvoir adsorbant du sol :

Doc. 25 - Exprience de WAY (1850) sur la dcoloration et ladsodorisation du purin par passage sur une terre argileuse.


54/106


Solution de KCl

verse

goutte goutte

Terre

argileuseTerre

sableuse

Filtrat riche en

K+

et en Cl-

Filtrat appauvri enK+, riche en Cl

-et

enrichi en autres

cations,

notammentCa2+

Exprience au KCl

Doc. 26 - Adsorption de K+ et dsorption de Ca2+ par deux terres detexture diffrente percoles par une solution de Kcl.


55/106


4 - le sol : milieu ractif41 Nature et origine des

constituants

42 Ractions dadsorption et de dsorption

a) mise en vidence

b) dfinition et modle


56/106


Le sol fonctionne comme unchangeur d ions et

particulirement de cations

=Capacit dEchange

Cationique

Proprit dadsorptionProprit de dsorption


57/106


Echangeur A + B+Y- Echangeur B + A+Y-

Le sol comme changeur d ions


58/106


Argile

-

--

-

-

--

--

-

-

-

-

--

--

NH4+

Ca2

+

K+

Reprsentation du rle de l argile dans les propritsd adsorption.


59/106


Humus

-

--

-

-

--

--

-

-

-

-

--

--

NH4+

Ca2

+

K+

Reprsentation du rle des acides organiques de lhumus dansles proprits d adsorption.


60/106


Humus

---

-

-- - -

-

-

-

---

--

NH4+

M

K+

Argile

--

-

-

-

- -

-

---

- - -

-- Ca2

+

Reprsentation de la formation dun complexe organo-minral ;rle dans les proprits d adsorption.


61/106


C.A.H.

-

--

-

-

--

--

-

-

-

-

--

--

NH4+

Ca2

+

K+

Doc. 27 - Rle du Complexe Argilo-Humique dans lesproprits d adsorption.

K+


62/106


C.A.H

Ca

Ca

Ca

Ca

Ca

Ca

K+

absorption

C.A.H

Ca

Ca

Ca

CaCa

Ca

K+

K+

dsorption

Doc. 28 - Dpendance des ractions d adsorption et dedsorption.

K+


63/106


C.A.H.

-

-

-

--

--

-

--

-

--

--

NO3

Ca+

+-

- -

Capacit du CAH retenir des anions.

Pontcalcique


64/106


4 - le sol : milieu ractif ; proprits chimiques41 Composition et origine des

constituants


a) mise en videnceb) dfinition et modle

c) les 4 lois de lchange


65/106


Pour un cation donn, un quilibre stablit entre les

cations fixs et les cations libres.

C.A.H

X

X

X

X

X

X

X

X

X

1re : Loi de l quilibre.

2 L i d l i l


66/106


L change obit une relation d quivalence.

1 quivalent de charge Xa+ est changcontre un quivalent de charge Yb+

OU

1 centimole+ de Xa+ est change contreune centimole+ de Yb+

2me : Loi de l quivalence.


67/106


1 quivalent = la masse dlment quiapporte une mole de charge +, soit :

eq = masse molaire / valence

OU

1 centimole+ = la masse dlment quiapporte une centimole de charge +, soit :

c.mole+ = masse molaire / valence * 10-2

L ti l d h +


68/106


La centimole de charge +

210*lmentl'devalence lmentl'demolairemassec.mole1=+


69/106


Exemples :

1 eq de K+ = 39 g1 meq de K+ = 39 mg

1 eq de Ca2+ = 40 g / 2 = 20 g

1 meq de Ca2+ = 40 mg / 2 = 20 mg

1 c.mole+ de K+ = 0,39 g ou 390 mg1 c.mole+ de Ca2+ = 0,2g ou 200 mg


70/106


La somme des charges est constante pour un

mme sol ; elle dpend de la teneur en collodeset de leur nature ; elle est caractristique d unsol.

La Capacit d Echange Cationique = CEC ou T

meq/100g ou c.mol+/kg de terre

C.A.H.

-

-

--

-

--

--

-

-

-

-

--

--

3me : Loi quantitative.


71/106


La force de fixation dpend des caractristiques

des ions : rayon atomique et valence.

Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > H+ > K+ > NH4+ > Na+.

Fixation danions possible par ponts calcique ou

ferrique et charges positives en bordure des feuillets.

SiO2 > PO4 > SO4 > NO3 > Cl

maximum 5% de la charge

4me : Loi de la slectivit.


72/106


4 - le sol : milieu ractif ; proprits chimiques41 Composition et origine des

constituants


a) mise en videnceb) dfinition et modlec) les 4 lois de lchange

d) consquences

CONSEQUENCES


73/106


H

H

OH

OH

+

Ca OH2

Ca2+ C.A.H.

Dsacidification par la chaux

CONSEQUENCES


74/106


CaCl-

KCl

C.A.H.

Cl-

K+

K+Ca

Ca

Dcalcification par le K+


75/106


H+NH4+

C.A.H.

NH4+ NH4

+

r

a

d

i

c

el

l

e

Acidification due labsorption minrale


76/106


4 - le sol : milieu ractif ; proprits chimiques41 Composition et origine des constituants


43 - Capacit d change - Taux de

saturation

a) La Capacit dEchange Cationique


77/106


a) La Capacit dEchange Cationique

Capacit Totale dEchange (T)

=

Capacit dEchange Cationique (CEC)

Quantit maximale de cations de toute

nature que peut fixer un poids dtermin desol.

En milliquivalents.

Ou en centimoles de charges positives


78/106


Somme des Cations Echangeables (S)(Ca2+ , Mg2+ , K+, Na+)

Quantit de cations mtalliques retenus par le

complexe un moment donn.

T - S = teneur en H+

T ou CEC =


79/106


T - S

= ions

H+

fixs

S

=

Cations

fixs

Constance pour un

sol donn

T - S

=

ions H+changea

bles

S=

cationschangeables


80/106


Taux de saturation

V % = (S / T) * 100

Facteurs de variation

richesse en cations de la RM

frquence et importance des apports

importance des dparts (lixiviation,lessivage, exportation,...)

pH


81/106




43 Capacit dchange Taux de saturation

44 pH potentiel doxydo-rduction

a) Le pH du sol


82/106


pH du sol = pH de la solution du sol = quantitdions H+ libres un moment donn.

Deux types dacidit :

acidit actuelle ou active

acidit potentielle ou rsiduelle

a) Le pH du sol

D 29 2 i d d idit


83/106


C.A.H.

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

Acidit actuelleou active ; pH

du sol.

Cationmtallique. Acidit derserve ou

potentielle.

Doc. 29 - 2 visages de d acidit :

acidit actuelle et acidit potentielle


84/106


C.A.H.

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+

C.A.H.

H+

H+

H+

H+

H+

H+H+

KCl

K+

K+

H+

K+

Terre + eau distill

Doc. 30 les 2 mesures du pH

pH eau pH KCl

Relation pH et taux de saturation :


85/106


Relation pH et taux de saturation :

pH lev V important

pH bas V faible

pH moyen V variable

Causes de mauvaise relation :

nature des collodes

prsence dions Al3+ et Fe3+

nature des cations fixs

tension du CO2 en sols calcaires


86/106


Variations du pH :

type de RM et dhumus (3,5 9,5)

en fonction de la saison

long terme, baisse du pH du fait de lexportationet des pertes de cations.

Doc. 31 - Le pouvoir tampon du sol


87/106


Doc. 31 Le pouvoir tampon du sol

pH

7

Eau V de NaOH N/10V de HCl N/10

Aptitude des

sols sopposeraux variations

de pH

EAU

SABLE

ARGILE

Causes :


88/106


proprits du C.A.H.

acidit active et acidit potentielle

bases et acides faibles

prsence des cations

systmes tampons :

tampon des carbonates : pH 8,6 6,2

tampon des silicates : pH 6,2 5

tampon des argiles : pH 5 4,2 tampon des hydroxydes d Al : pH 4,2 2,8

tampon des hydroxydes de Fe : pH < 3,2

b) Le potentiel Rdox = Eh


89/106


Dfinition : les conditions

oxydorductrices du sol sont lies

laration du sol et la dcomposition

de certains composs organiques.

b) Le potentiel Rdox Eh

Les 4 niveaux de Eh :

1 800 450 V O2 t it ifi ti ti


90/106


1. 800 450 mV : O2 prsent, nitrification active,MO dcompose rapidement

2. 450 0 mV : O2 rare ; ralentissement de laminralisation ; apparition phnomnes derduction :

NO3- N2 (dnitrification)Fe3+ + e- Fe2+ (rduction du fer)3. 0 -200 mV : milieu anoxique ; fermentation

anarobie ; rduction gnralise ; horizon

gris-verdtre.4. -200 -300 mV : rduction totale ; dgagement

de H2S ou de CH4


91/106


O2 H2O Bct arobies

NO3- N2 Bct dnitrifiantes

Fe3+ Fe2+ Bct ferrirductrices (Geobacter ; Geothrix)

S H2S Bct sulforductrices

SO42- H2S Bct sulfatorductrices

CO2 CH4 Bct mthanognes

accepteur final oxyd accepteur rduit

-

potentiel

red

ox

+

fermentations

Relations entre potentiel rdox et respirations

Conclusions pH et taux de saturation :


92/106


p

Sol = systme chimique en quilibre stable,susceptible dvolution mais jamais brutale.

Stabilit = ncessit pour les E.V. du sol

(plantes et microorganismes) et pour les

processus pdogntiques.

Quand sol dgrad : perturbations brutales ettrs importantes des constituants ; souvent

irrversibles court et moyen terme.


93/106



42 Ractions dadsorption et de dsorption43 - Capacit d change - Taux de saturation44 - pH et Eh

45 Ractions de dissolution et deprcipitation


94/106



42 Ractions dadsorption et de dsorption43 - Capacit d change - Taux de saturation44 - pH et Eh45 Ractions de dissolution et de prcipitation

46 Forme des lments - Biodisponibilit461 Les 6 compartiments


95/106


Doc. 59 - Schmatisation des 6 compartiments de localisation deslments dans les sols (BAIZE, 1997).


96/106


Elts libres Elments lis

Elts biodisponibles Elts non biodisponibles

Non mobilisables

pendant la priode

de croissance

Ionslibrs

pendant lapriode de

croissance

Ionsde lasolut.

dusol

Ionsfaiblementabsorbs,rapidemen

tchangeab

les

Doc. 32 -Biodisponibilit des lments dans le sol.d aprs JL. MOREL - 1997


97/106


Elts libres Elments lis

Elts biodisponibles Elts non biodisponibles

Non mobilisables

pendant la priode

de croissance

Ionslibrs

pendant lapriode decroissance

Ionsde lasolut.

dusol

Ionsfaiblementabsorbs,rapidemen

tchangeab

les

Fig. 3.17 - Biodisponibilit des lments dans le sol.d aprs JL. MOREL - 1997

462 - Les principaux constituants minraux


98/106


1 - Les trois cations changeables : Ca, Mg, K

2 - Les trois principaux anions : P, N, S

3 - Trois mtaux essentiels : Fe, Al, Mn

4 - Les oligo-lments : Cu, Zn, Co, Mo, Bo

1 - Les trois cations changeables : Ca, Mg, K


99/106


Le CALCIUM :

Origines : roches carbonates, certains silicates

Rles : nutriment ; facteur pdognse

Formes :

Calcaire inactif

Calcaire actif

Calcium soluble

Calcium changeable


100/106


Le MAGNESIUM :

Origines : roches carbonates (calcaires

dolomitiques), certains silicates

Rles : nutriment ; (facteur pdognse)

Formes :

Formes complexes insolubles

Mg soluble

Mg changeable


101/106


Le POTASSIUM :

Origines : minraux silicats

Rles : nutriment ; (facteur pdognse)

Formes :

K lis aux minraux (90 98% K total)

K rtrograd dans les argiles

K li aux MO (assimilable)

K changeable (1 2% de K total)

2 - Les trois principaux anions : P, N, S


102/106


Le PHOSPHORE :

Origines : varies : minrale, organique

Rles : nutriment essentiel

Formes :

P insoluble (minraux et formes prcipites)

P organique

P absorb + ou - changeable (argile, humus et

hydroxydes)

P dissous et assimilable (H2PO4- et HPO42-)


103/106


L AZOTE :

Origines : atmosphrique, organique, engrais


Formes :

N organique

N ammoniacal = forme transitoire

N nitrique trs soluble, forme assimile


104/106


Le SOUFRE :

Origines : organique et minrale ; fumes

industrielles


Formes :

S organique

S assimilable = SO42- , soluble, peu absorbe

S minral (FeS2 et H2S)

3 - Trois mtaux essentiels : Fe, Al, Mn


105/106


Pour mmoire : formes mtalliques complexes,

-OH, O2- ; formes souvent peu solubles,

prcipites.

4 - Les oligo-lments : Cu, Zn, Co, Mo, Bo

Origines : minrale, organique

Rles : constituants denzymes

Formes :

solubles aux pH acides, mais lixiviables

insolubles aux pH levs ; carences


106/106

Ractivit du sol = proprits des argiles

surface d change importante

capacit d change cationique = pouvoird adsorption

capacit retenir de l eau

tat dispers ou flocul

Documents

3 Milieu Chimiq 09