Scambi ionici tra radici e terreno

Le piante assorbono elementi nutritivi solo con acqua; gli ioni attaccati in superficie a particelle o sostanze organiche, vengono assorbiti in quantità ben definiti in modo da non alterare troppo la pressione osmotica. La radice estrae gli ioni dalla soluzione circolante assorbendone gli elementi nutritivi come fosse una pompa.  Il suolo ha la capacità di trattenere e scambiare ioni. Lo scambio ionico avviene sulla superficie delle argille , di altri composti inorganici, della sostanza organica e delle radici. La capacità di scambio può essere cationico (determinate dalla presenza di cariche negative sulla superficie delle argille) e anionico. I nostri suoli sono superalcalini caratterizzati da una capacità cationica elevata e un’anionica limitata (NO3- non viene assorbito rimanendo in soluzione e portando problemi).
Lo scambio ionico è un fenomeno che avviene continuamente fra fase solida e fase liquida del terreno in quanto sia cationi (Na+,K+,NH4+,Ca2+, Mg2+) che anioni(PO43-, H2PO4-, Cl-, SO42-), tendono a ristabilire qualsiasi alterazione dell’equilibrio fra le due fasi, attraverso i processi di adsorbimento(dalla liquida alla solida) e desorbimento(passaggio dalla fase solida alla liquida). La capacità del terreno di fissare determinati ioni, impedendo il crearsi di eccessi di salinità ed il dilavamento, prende il nome di potere adsorbente, che esplica una funzione equilibratrice nei riguardi delle disponibilità alimentari; è legato alla presenza di colloidi organici e minerali nel terreno; i primi sono rappresentati dall’humus ed i secondi dalle argille. Per ambedue si parla di capacità di scambio cationico o CSC o CEC(meq fissati da 100g di terreno), che si esplica con legami di vario tipo, è superiore nella frazione organica che in quella minerale (kaolinite è il più basso). Per le argille, per esempio, la potenzialità di scambio è regolata dal tipo di argilla(più elevato nella montmorillonite), tipo di catione scambiabile (Ca+ più tenacemente adsorbito rispetto a K+, Na+), concentrazione e natura del catione, pH.  A partire da pH 5.5 avviene la dissociazione acida dell’OH. Le cariche sono dovute anche alla dissociazione dei gruppi OH delle strutture fillosilicatiche (piano ottaedrico) e alla presenza di legami liberi là dove viene interrotta la continuità della struttura, ossia in corrispondenza dei vertici e degli spigoli dei cristalli: scambi di vertice. In condizioni basiche, il gruppo OH- si comporta da acido, cede protoni e diventa negativo avendo quindi capacità cationica.
Se aumenta la negatività diventano pH dipendenti, con l’aumento del pH(dissociazione degli OH-), le cariche positive sono molto più basse e il suolo non più carico. Anche le sostanze umiche presentano caratteristiche di elettronegatività  dissociandosi come acidi. I cationi che vengono assorbiti sono: neutri: Ca (80%), Mg (15-20%), Na e K (2-5%); acidi (aumentano gli H+ e Al a spese dei cationi NB il rapporto tra i cationi risulta costante) ed alcalini (+15% da Na). La forza con cui sono adsorbiti dipende dalla carica e dal raggio ionico idratato (fa eccezione l’H+ per le dimensioni ridotte e l’elevata delnsità della carica) :
Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+
La forma argillosa non comprende solo i fillosilicati o silicati idrati di alluminio, ma anche altri materiali estremamente diversi come silice, sesquiossidi idrati di ferro e di alluminio, humus, carbonati, solfati, solfuri. Spesso i fillosilicati sono rivestiti da stratificazioni di ossidi e idrossidi di Fe e Al e di sostanza organica che ne modificano la capacità adsorbente e la possibilità di rigonfiamento in presenza di acqua. Le argille sono formate da materiali argillosi con struttura laminare (silicati) formati da tetraedrico (Si e 4O2-) e ottaedrico (Al e OH-).         
A seconda dei 2 foglietti di Si e Al  abbiamo argille 1:1(caolinite),  2:1 (mantomorilonite, illite; in queste tra i due foglietti ci sono forze di Van der Walls, se sono molto vicini e quindi c’è poca acqua, c’è poca attività di scambio) e 2:1:1 (Si:Al:idrossido Mg,Fe,Al). Le dimensioni estremamente piccole delle particelle argilloidi e la proprietà di liberare ioni (H+ e OH-) evidenziando cariche elettriche negative o positive, conferiscono a questo materiale caratteristiche diverse rispetto alla sabbia e limo. L’argilla è un tipico colloide micellare, capace di circondarsi di un alone di acqua, di rimanere sospeso nel mezzo liquido fino a che non vengano neutralizzate le cariche elettriche e di flocculare allorchè tali cariche siano neutralizzate da cationi e da colloidi di diverso segno. Il potere flocculante cresce in questo modo: Na+<NH4+<K+<Mg2+<Ca2+<H+. La carica negativa nasce dalla sostituzione del Si4+ o Al3+ con cationi a carica inferiore (es. Mg2+): sostituzioni isomorfiche. Sono cariche permanenti non influenzate dalle condizioni ambientali (es. pH); avvengono soprattutto nei minerali 2:1.