Los cimientos microscópicos del suelo (1): la ciencia de lo diminuto

Las arcillas son partículas minerales diminutas pero esenciales en el suelo, ya que controlan las reacciones químicas, el almacenamiento de nutrientes y las propiedades físicas del suelo. Se forman por la meteorización y alteración de rocas, dando lugar a minerales de neoformación. Aunque invisibles, su relevancia es enorme: un solo gramo de arcilla puede tener la superficie de varias pistas de tenis, lo que explica su papel crucial en la fertilidad del suelo y en la dinámica de los ecosistemas terrestres.

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◼ Antonio Jordán López

La importancia de lo pequeño

Las arcillas son partículas. Partículas minerales muy, muy pequeñas. No puedes verlas, no puedes manejarlas... pero la unión hace la fuerza. El que la arcilla sea pequeña le permite hacer muchas cosas.

Hank Pym: Deberías poder encogerte y crecer en un instante. Así tu tamaño se adaptará a tus necesidades. Ahora cuélate por la cerradura, Scott. Atacas grande, te cuelas pequeño y sales grande.

Scott Lang: ¡Aaah!

Hank Pym (Michael Douglas) y Scott Lang (Paul Rudd) en Ant-Man (Peyton Reed, 2015).

Scott Lang (Paul Rudd) en un fotograma de Ant-Man (Peyton Reed, 2015).

La arcilla es uno de los principales componentes minerales del suelo, cuyas propiedades químicas y físicas dependen en gran parte de ella. El estudio de los minerales de arcilla nos permite tener una idea general de la composición, la génesis y el funcionamiento del suelo.

Imagen de microscopía electrónica de barrido de partículas de arcilla. Cauê de Souza Coutinho Nogueira Nogueira.

¿Qué partículas minerales podemos encontrar en el suelo?

En el suelo existe una gran variedad de minerales, al igual que en las rocas. Sin embargo, la composición de los minerales del suelo y la roca no es siempre la misma, debido a que en el medio edáfico (el suelo) existen procesos físicos y químicos que no se dan en la roca, y condicionan su estabilidad de distinta manera. En el suelo, los minerales más abundantes, con diferencia, son el cuarzo (SiO₂) y los feldespatos ((K,Na,Ca,Ba,NH₄)(Si,Al)₄O₈). Hay otros menos importantes, pero que pueden ser muy abundantes en un suelo determinado, como los óxidos e hidróxidos (de hierro, Fe₂O₃, o aluminio, Al₂O₃), los carbonatos (CaCO₃) o el yeso (CaSO₄·H₂O), por ejemplo. 

Las partículas minerales del suelo proceden de la roca sobre la que se desarrolla o de las rocas que había en el lugar desde el que han sido transportadas hasta ese lugar. Expuesta a la meteorización (como la dilatación o contracción por efecto del calor o el frío, entre otros tipos), la roca se va fragmentando en trozos más pequeños. Como resultado obtenemos rocas más pequeñas (fragmentos de roca) y partículas más finas como la arena o el limo. Estos elementos poseen las mismas propiedades físicas y químicas de la roca de la que proceden, excepto el tamaño.

Las partículas minerales del suelo aparecen tras la meteorización física (fragmentación) y química (hidrólisis) de la roca.

Las reacciones químicas que alteran estos materiales actúan continuamente, pero como veremos un poquito más adelante, el proceso se acelera cuanto más pequeños son los fragmentos o partículas. La meteorización química libera los elementos que forman la roca y que empiezan a reaccionar entre sí, reorganizándose de formas diferentes. El resultado son nuevos minerales (minerales de neoformación)  que no estaban presentes en la roca. Estos minerales son las arcillas.

El tipo concreto de arcilla que se forme dependerá en parte del mineral que se esté alterando, pero también de una serie de otras variables, como la temperatura, la presión o las sustancias químicas disueltas en el agua con la que la roca esté en contacto.

Los minerales arcillosos no solo se forman durante la meteorización de la roca en la superficie, sino que también pueden aparecer a partir de la alteración hidrotermal de la roca dentro de la corteza o durante la diagénesis (alteraciones minerales que tienen lugar cuando los sedimentos quedan enterrados debajo de otros sedimentos) y su transformación en roca sedimentaria.

Si bien la temperatura y la presión que actúan sobre la roca durante la alteración hidrotermal o la diagénesis pueden variar enormemente, las condiciones de meteorización son similares en todo el mundo. Las principales diferencias son la cantidad de agua disponible y la temperatura (es decir, el clima).

La llanura, a la distancia de unas cuantas millas de la costa, pertenece a la gran formación pampeana, que se compone en parte de una roca margosa muy calcárea y en parte de arcilla rojiza.

Charles Darwin. El viaje del Beagle (1839).

¿Cuál es el tamaño de las partículas minerales del suelo?

Si los clasificamos por tamaño, las partículas minerales sólidas que podemos encontrar en el suelo son cuatro: gravas o fragmentos de roca (tamaño mayor de 2 mm), arena (entre 0.05 y 2 mm), limo (entre 2 μm y 0.05 mm) y arcilla (menor de 2 μm). Los fragmentos de roca tienen una importancia relativa solo desde el punto de vista físico y, en cualquier caso, no forman parte de lo que llamamos "matriz" del suelo, que es el conjunto de partículas minerales y materia orgánica que se asocian entre sí para formar agregados, lo que es característico del suelo y nunca de la roca.

En un agregado de suelo podemos encontrar fragmentos de roca (mayores de 2 mm), arena y limo (partículas visibles individualmente) y arcilla, en este caso de color rojo (que podemos ver, pero cuyas partículas no podemos distinguir individualmente). Antonio Jordán/Imaggeo.

Así pues nos quedamos con los otros tres tipos: arena, limo y arcilla. Debido a su tamaño, las partículas de arena, incluso las más finas, pueden ser visibles a simple vista. Las partículas de arcilla, sin embargo, seguirían siendo invisibles aun usando un microscopio óptico. Si utilizásemos una lupa, las veríamos más o menos así:

Fracciones de tamaño de arena y limo. La arcilla sigue siendo demasiado pequeña para poder ser representada a esta escala.

Las partículas de arena y limo son entre 10 y 1000 veces más grandes que la mayor partícula de arcilla. Por lo tanto, su relevancia en cuanto a las propiedades físicas del suelo (permeabilidad, aireación...) será tan grande como la de la arcilla. Sin embargo, desde el punto de vista químico, la cosa cambia. La intensidad de las reacciones químicas en que pueden participar las partículas sólidas del suelo depende de la superficie expuesta. Si conocemos su tamaño, y asumiendo que se trate de partículas más o menos esféricas, podemos calcular con bastante precisión la superficie expuesta, que será igual a 4 π r² (siendo r el radio de la esfera). Así sabemos cuánta superficie tiene expuesta una partícula de arena, limo o arcilla. ¿Pero qué ocurre cuando tenemos muchas partículas de arena, limo y arcilla mezcladas o en proporciones muy diferentes? Ah... la cosa se complica, porque la misma cantidad de arena que de arcilla no muestran la misma superficie. Necesitamos una clase de albañilería.

Arcilla. Slim Sepp/Wikimedia Commons.

La albañilería al rescate

Bueno, albañilería y un poquito de geometría sencillita.

Supongamos que construimos un pequeño muro con 16 ladrillos como el de la siguiente imagen (y es un ejemplo para simplificar la cosa, porque si yo construyo un muro con semejante aparejo, el capataz me despide al minuto). Prescindiremos de las unidades (pueden ser metros, centímetros o pies, para el caso no nos importa). Si tenemos en cuenta las dimensiones que aparecen en la imagen (4 de alto por 8 de ancho y 1 de grueso), la superficie total del muro será la suma de la cara que vemos (4×8) más la cara oculta del otro lado, la del lado derecho (4×1) más la del izquierdo y la de la parte superior (8×1) más la base. Eso sumaría 88.

Si calculamos el volumen del muro (4×8×1) obtenemos 32. Ahora podemos calcular su relación superficie:volumen, es decir, dividir la superficie total del muro entre su volumen (88÷32=2.75).

Cálculo de la superficie específica de un muro y de los ladrillos que lo forman.

A continuación podemos deshacer el muro separando los ladrillos y hacer lo mismo con ellos. La superficie expuesta ahora será la que ofrece un ladrillo ((1×2)×2+(1×1)×2+(2×1)×2=10) multiplicada por el número de ladrillos (16). El resultado de la operación es 160. El volumen total del conjunto de ladrillos corresponderá al de un solo ladrillo (1×2×1=2) multiplicado también por el número de ladrillos (16), lo que resulta en 32. La relación superficie:volumen del conjunto de ladrillos será 160÷32=5. Si hacemos lo mismo con la superficie de un solo ladrillo y su volumen, volveremos a obtener el mismo valor, 5.

Así que a la relación entre la superficie y el volumen del muro (2.75) o la de los ladrillos (5) le podemos llamar "superficie específica", y la superficie específica de los ladrillos en el ejemplo es casi el doble que la del muro. Además, vemos que la superficie específica crece cuando más pequeños son los objetos.

Si le cuesta comprenderlo, piensa cuánta pintura necesita para pintar el muro y cuánta para pintar todos y cada uno de los 16 ladrillos. ¿En qué caso tendría que emplear más pintura? Obviamente, en el caso de los ladrillos, porque muestran superficies que en el muro están ocultas.

De la superficie específica de las partículas sólidas depende la velocidad de las reacciones químicas.  Esta es la razón por la que el café molido libera sabor y cafeína más rápido qtue los granos enteros, por la que la sal fina se disuelve más rápidamente que la sal gruesa al cocinar o por la que usamos detergentes en polvo o líquido en lugar de pastillas de jabón para la lavadora.

La superficie específica de las partículas del suelo cambia de la misma manera con el tamaño. En la siguiente figura podemos ver cómo la superficie específica (línea azul) crece exponencialmente cuanto más pequeña es la partícula. Su valor es extremadamente bajo para partículas del tamaño de la arena, comienza a incrementarse relativamente cuando llegamos a partículas de tamaño cercano a una décima de milímetro y crece muchísimo después, para partículas de tamaños del orden de micras.

Superficie específica (línea azul) de las partículas del suelo en función de su tamaño (suponiendo que todas las partículas son perfectamente esféricas). El intervalo de partículas de tamaño arcilla (2 μm) se representa en rojo, el de limo (2 μm - 0.05 mm) en verde y el de arena (0.05 - 2 mm) en azul claro.

Por lo tanto, en una determinada cantidad de arena y la misma cantidad de arcilla, la superficie expuesta puede variar enormemente. Cada partícula de arcilla tendrá una superficie muy pequeñita, ¡pero hay muchas partículas! Para hacerse una idea, en un gramo de arcilla podemos encontrar hasta 800 m² de superficie total. Ha leído bien. Un poquito más que cuatro pistas de tenis de individuales.

Dependiendo del tipo, la superficie de las partículas contenidas en un gramo de arcilla puede llegar a sumar prácticamente lo mismo que cuatro pistas de tenis. Kindel Media/Pexels.

▶ Un campo de fútbol en una pizca de arcilla

Arcilla y fertilidad

Toda esa superficie mineral es la que reacciona con la fase líquida (el agua que existe en el suelo y todas las sustancias disueltas en ella), permitiendo, por ejemplo, que el suelo pueda almacenar los nutrientes que requieren las plantas. Ahora ya sabemos algo más sobre por qué la arcilla, por muy baja que sea la proporción en que se encuentra en el suelo, es tan importante.

¿Pero cómo almacena la arcilla los nutrientes? ¿Cómo influye el tamaño de las partículas del suelo en su fertilidad? Para eso necesitamos saber cómo está hecha la arcilla. Próximamente por aquí.

Resumen

1. La arcilla es una partícula mineral muy pequeña, invisible al ojo humano.
2. Se forma por meteorización química de la roca.
3. Existen diferentes tipos de arcillas según el mineral de origen y las condiciones ambientales.
4. La arcilla tiene una gran superficie específica en relación a su tamaño.
5. Un gramo de arcilla puede sumar la superficie de varias pistas de tenis.
6. La meteorización transforma fragmentos grandes en partículas cada vez más reactivas.
7. El suelo contiene arena, limo y arcilla, cada uno con propiedades distintas.
8. Las arcillas almacenan nutrientes esenciales para las plantas.
9. Su importancia química es mayor que la física debido a su superficie reactiva.
10. Aunque invisibles, las arcillas son clave en la fertilidad y en el ciclo de la vida del suelo.

Preguntas para pensar un poco

¿Por qué una partícula tan pequeña puede influir tanto en la fertilidad del suelo?

¿Qué diferencia hay entre arena, limo y arcilla?

¿Cómo convierte la meteorización una roca en arcilla?

¿Qué relación existe entre tamaño de partícula y reactividad química?

¿Por qué un gramo de arcilla puede tener la superficie de varias pistas de tenis?

¿De qué depende el tipo de arcilla que se forma en un suelo?

¿Qué papel tienen las arcillas en el almacenamiento de nutrientes?

¿Cómo cambia la composición mineral del suelo con el tiempo?

¿Por qué las arcillas son más importantes químicamente que físicamente?

¿Qué nos cuentan las arcillas sobre la historia y génesis de un suelo?