Il fenomeno dell'adsorbimento

Le cariche dei colloidi elettronegativi sono neutralizzate, in condizioni ordinarie, da ioni di metalli del gruppo II (soprattutto calcio e magnesio) e del gruppo I (soprattutto potassio). Nell'insieme, calcio, magnesio, potassio e sodio sono detti basi di scambio. Oltre alle basi di scambio partecipano alla neutralizzazione lo ione ammonio (NH4+) e, in tracce, metalli pesanti quali il bario, lo stronzio, il rubidio, il cesio, ecc. Quando le basi non sono sufficienti a neutralizzare le cariche, condizione che si verifica nei terreni neutri e, con intensità crescente, nei terreni acidi una parte più o meno rilevante delle cariche dei colloidi è neutralizzata dagli ioni idrogeno e dagli idrossidi di ferro e alluminio, che diventano prevalenti nei terreni marcatamente acidi.
La superficie sviluppata della matrice colloidale elettronegativa del terreno è detta complesso di scambio e si comporta a tutti gli effetti come uno scambiatore ionico: i cationi sono legati a questa superficie in modo reversibile, in equilibrio con quelli disciolti nella soluzione circolante. Il fenomeno, di natura chimico-fisica, rientra in quello più generale dell'adsorbimento. La facilità con cui i cationi sono adsorbiti sul complesso di scambio è correlata alla densità di carica e, quindi, in prima analisi, all'elettrovalenza. L'affinità per il complesso di scambio è molto alta nei cationi trivalenti (Al3+ e Fe3+), diminuisce nei cationi bivalenti (Ca2+ e Mg2+) e ancora di più in quelli monovalenti (NH4+, K+, Na+). A questa "regola" fa eccezione lo ione idrogeno, che è il catione con la maggiore affinità per il complesso di scambio. In definitiva gli ioni idrogeno competono con tutti i cationi tendendo a sostituirli nel complesso di scambio quando sono presenti in elevata concentrazione (condizione di acidità), così come il calcio si lega al complesso di scambio più facilmente di quanto lo faccia il potassio. A parità di carica elettrica l'affinità per il complesso di scambio è determinata dall'ingombro sterico e, tenendo presente che i cationi sono presenti in soluzione in forma idratata, il fattore determinante è l'energia di idratazione: gli ioni di minori dimensioni hanno una carica elettrica più alta, perciò si idratano più facilmente e avranno una minore affinità per lo scambiatore. Poiché il raggio ionico aumenta con il numero atomico, ne consegue che nell'ambito dello stesso gruppo sono adsorbiti più facilmente gli elementi con numero atomico più alto: in pratica, il calcio si lega più facilmente del magnesio e il potassio più facilmente del sodio. Ai suddetti fattori si aggiunge la concentrazione nella soluzione circolante: l'affinità di una specie ionica per il complesso di scambio aumenta all'aumentare della sua concentrazione nella soluzione: lo ione sodio ha una bassa affinità per gli scambiatori, tuttavia un'elevata concentrazione di sodio nella soluzione determina una maggiore competitività nello scambio e tende a sostituirsi ad altri cationi. Questo comportamento è alla base del potere adsorbente del terreno, rendendolo un'importante riserva di elementi nutritivi: quando si verifica un aumento di concentrazione di una base, ad esempio in seguito ad una concimazione, il complesso di scambio tende a trattenerlo rilasciando ioni idrogeno; viceversa, la riduzione del tenore in una base determina il rilascio dal complesso di scambio e l'adsorbimento di ioni idrogeno. In questo modo il complesso di scambio si comporta come un serbatoio di compensazione: trattiene gli elementi nutritivi impedendone il dilavamento e li rilascia gradualmente nella frazione solubile mettendoli a disposizione delle piante. La ripartizione delle basi di scambio nel terreno è la risultante di un complesso di equilibri in cui entrano in gioco l'affinità per il complesso di scambio, il pH del terreno e la composizione chimica della soluzione circolante.

L'adsorbimento degli anioni segue meccanismi differenti e più complessi, in parte fisici perché di natura elettrostatica, in parte chimici perché determinati da vere e proprie reazioni che avvengono sulla superficie dei colloidi. Alcuni elementi, presenti in forma anionica, siano trattenuti bene con l'adsorbimento (il fosforo), mentre altri siano trattenuti solo in misura marginale e tale da poterli considerare estremamente mobili (l'azoto nitrico, lo zolfo, il cloro).
Gli anioni di maggiore importanza presenti nel terreno sono : Cl-, NO3-; HSO4- e SO42-; H2PO4-, HPO42- e PO43-. I meccanismi di adsorbimento anionico sono riconducibili a tre tipi:
Adsorbimento negativo : consiste nell'azione repulsiva che i colloidi elettronegativi esercitano sugli anioni, è correlato positivamente alla concentrazione dell'anione nella soluzione circolante e al pH.
Adsorbimento non specifico : È un processo fisico-chimico di superficie dovuto ad interazioni elettrostatiche. Si fonda sugli stessi meccanismi dell'adsorbimento cationico, pertanto interessa la frazione colloidale elettropositiva, rappresentata per lo più dagli idrossidi di ferro e alluminio e dai minerali argillosi del tipo della caolinite, cioè dotati di scarsa capacità di scambio cationico e ricchi di gruppi -OH in superficie.L'adsorbimento non specifico interessa tutti gli anioni, compresi quelli molto mobili come il cloruro e il nitrato, tuttavia gli ioni fosfato hanno una notevole affinità, perciò in presenza anche di basse concentrazioni di fosfati, l'adsorbimento del cloruro e del nitrato viene inibito.
Adsorbimento chimico : È un processo chimico di superficie dovuto alla formazione di legami covalenti, che interessa le strutture ottaedriche dei minerali argillosi e degli idrossidi di ferro e alluminio e coinvolge per lo più gli ioni fosfato. L'adsorbimento si svolge attraverso una reazione di scambio di superficie in cui gli ioni H2PO4- e HPO42- si sostituiscono ad uno o due gruppi idrossido.

La capacità di scambio cationica delle radici dipende dalla presenza del gruppo COOH, è più alta nelle dicotiledoni (leguminose) e bassa nelle monocotiledoni.
Piante con alto CSC assorbono in prevalenza i cationi 2+ (es. Ca) rispetto ai monovalenti.
I nutrienti arrivano alle radici per flusso di massa, diffusione, intercettazione radicale.  Nel flusso di massa i nutrienti si muovono nella soluzione del terreno verso le radici influenzate dalla traspirazione delle piante, le piante assorbendo acqua assorbono i nutrienti(flusso traspirativo ->la pianta assorbe acqua , che ritorna nell’atmosfera). L’acqua va dall’alto verso il basso per la presenza del potenziale, mentre per capillarità sale; inoltre il potenziale atmosferico è maggiore rispetto a quello del suolo. Interessa i nutrienti più solubili (es. N, Ca e Mg, Cl, SO4). La quantità di nutriente trasportato dipende dal flusso di traspirazione e dalla concentrazione del nutriente nella soluzione del suolo.