Pédologie 6

4. PROPRIETE DE LA FRACTION FINE

4.1 Introduction

La fraction fine jouit de propriétés colloïdales bien que possédant une structure finement cristalline.

Les particules qui la composent portent des charges électriques qui conditionnent leur état dans le sol.

On distingue :

- l'état dispersé ou peptisé : les particules ont la même charge électrique et se repoussent

- l'état floculé ou agrégé : les charges électriques des particules sont neutralisées ; les particules s'agglomèrent les unes aux autres et constituent un ciment un ciment qui peut souder entre elles les particules plus grosses ( limons et sables). L'état floculé est à l'origine des agrégats dont la formation assure au sol une structure favorable.

4.2 Exemples de floculation et de peptisation :

1) Si dans un sol, l'argile est à l'état dispersé, elle cherche à reformer avec l'eau un mélange homogène car elle est incapable de maintenir soudés les agrégats terreux. D'où la structure se dégrade sous l'effet de la pluie  : on dit qu'elle est instable et le sol devient compact, asphyxiant.

2) Dans ce même sol, si l'argile est à l'étét floculé par Ca++ ( voir ci-après), elle ne se remet pas en mélange avec l'eau et garde ses micelles agglutinées : elle maintient les agrrégats terreux soudés entre eux par l'entremise de Ca++. En outre, les particules agglomérées constituent un ciment qui peut souder les particules plus grossières et peut contribuer à la formation de la structure. Içi, la structure résistera aux effets dégradants de la pluie  

4.3 Théorie de Helmoz-anatomie de la micelle

Pour comprendre le comportement d'un colloïde vis-àvis des charges électriques, il est utile d'en comprendre la composition.

Les particules colloïdales, considérées à l'état élémentaire, portent le nom de micelles

Les micelles sont un amas de plusieurs (grosses) molécules comprenant, au centre, un noyau compact et, vers l'extérieur deux couches de charges électriques. Le noyau conditionne les propriétés générales de la micelle : il est entouré par une première couche dense et rigide de charges électriques de même signe.

Les charges électriques de cette première couche sont entourée par un nuage de charges de signe contraire. Ce nuage est d'autant plus dense qu'il se rapproche de la couche rigide, les charges étant plus larges vers l'extérieur. 

Cette couche externe est constituée par les ions adsorbés ( = fixés sur) par le colloïde.     

Les colloïdes électronégatifs (argile humus) sont de loin les plus abondants dans le sol. Ils adsorbent H+ et les cations Ca++, Mg++, Na+, K+, NH4+, ... c'est à dire les ions positifs.

Les colloïdes électropositifs attirent les ions OH- et les anions PO43-; SO42-;Cl-,... 

Remarquons que la capacité d'adsorption varie suivant le type de colloïde. C'est ainsi que l'humus a un pouvoir adsorbant 4,5 fois plus élevé que l'argile.

Les colloïdes sont des macromolécules organiques ou minérales qui, placées dans l'eau, ne forment pas une solution, mais forment une suspension colloïdale.

La formation de cette pseudo solution s'explique par le fait que la taille de ces macromolécules est plus grande que celle des " vides " offerts dans le maillage des molécules d'eau, vides qui accueillent les petites molécules dont on dit qu'elles sont dissoutes dès lors qu'elles sont " cachées " dans ce maillage.

Dans le milieu aqueux, les micelles colloïdales sont animées de mouvements de types browniens. Ces mouvements sont dus, au moins en partie, au fait que les colloïdes adsorbent des charges électriques négatives ou positives qui entraînent des mouvements de répulsion entre les micelles.

1) état dispersé : le nuage de cation (en vert) est lâche autour du micelle.
2) état floculé : le nuage de cation est resserré autour du micelle.

 

La présence d'une couche d'adsorption de charges électriques de même signe à la surface d'une substance colloïdale explique que des charges électriques de signe contraire soient attirées, plus ou moins fortement, par les micelles. Par exemple, autour des colloïdes électronégatifs comme les argiles ou les humus, se forme un nuage de charge positives constitué essentiellement par des ions hydrogène (H+ ou H3O+) et des cations métalliques (Ca++, Mg++, K+, Na+, Fe+++ ou Fe++, Al+++) ou de l'ammoniac (NH4+).

Lorsque le nuage de charges positives autour d'une micelle électronégative est très lâche, souvent parce que les charges positives sont en petite quantité, les micelles, de même signe, se repoussent mutuellement, ne peuvent se déposer et occupent tout le volume du liquide. On dit que les colloïdes sont dans l'état dispersé.

Les deux états floculé et dispersé sont généralement réversibles. Le fait que les colloïdes soient dispersés ou floculés a beaucoup d'importance pour les sols. Lorsque les argiles et les humus sont floculés, ils soudent entre elles les particules inertes du sol (sables, limons) formant ainsi des agrégats terreux meubles, aérés et résistants aux effets déstructurants de la pluie. Lorsque les argiles et les humus sont dispersés, les sables et les limons ne présentent pas de structure en motte ou bien quand elle existe encore, cette structure est détruite à la première pluie. Les sols sont battants et asphyxiques.

Les micelles colloïdales et les cations métalliques n'ont pas tous la même capacité à floculer. Un des facteurs importants à prendre en considération, c'est le degré d'hydratation aussi bien des micelles que des cations. Les argiles, peu hydratées, sont toujours plus faciles à floculer que les humus très hydratés. De la même façon, les cations Ca++ ou Mg++, faiblement hydratés ont un pouvoir de floculation plus important que les ions Na+ ou K+ davantage hydratés.

La charge et la taille des cations jouent aussi un rôle fondamental. Les cations les plus gros et les plus chargés (Fe+++ ou Al+++) floculent mieux les colloïdes que les ions petits et peu chargés (H+).

Le calcium est l'ion floculant par excellence. Il est utilisé dans les techniques de chaulage ou d'amendements calcaires. On peut observer, par exemple, que les rivières des pays calcaires ont toujours des eaux plus claires que celles qui traversent des pays siliceux ou encore que pour clarifier les eaux d'un puits, il suffit d'y jeter une ou deux poignées de chaux. Le magnésium, souvent associé au calcium, a des effets analogues, bien que moins énergiques. Toutefois, sa prédominance aurait des effets préjudiciables à l'argile, mais le magnésium est rarement plus abondant que le calcium sauf sur les terrains dolomitiques .

Le sodium pose surtout un problème sur les terrains récupérés sur la mer. Ce cation flocule fortement les argiles. On le constate aisément dans les estuaires où les alluvions transportées floculent fortement au contact de l'eau salée des estuaires et provoquent leur envasement (ce phénomène peut être visualisé, par exemple, au moment de la balance des marées depuis le haut du pont du Bonhomme, sur le Blavet, près d'Hennebont). Mais en présence d'eau douce, le sodium, formant de la soude, a, au contraire un fort pouvoir dispersant. Le seul moyen de lutter contre ce phénomène est de remplacer le sodium par du calcium au moyen d'apports en sulfate de calcium (plâtre).

Le potassium possède un fort pouvoir décalcifiant, et par voie de conséquence, se révèle dispersant.

Les ions H+ floculeraient bien l'argile, mais, parce qu'ils acidifient les sols, s'opposent à la formation de l'humus stable. Or, en l'absence d'humus, la floculation de l'argile n'est pas suffisante pour assurer, à elle seule, la stabilité des sols. Là encore, les amendements calciques sont les seuls moyens d'offrir aux sols une stabilité compatible avec leur fertilité.

4.4 Typologie des colloïdes du sol

On peut caractériser les colloÏdes du sol :

A. Suivant leur affinité pour l'eau

B. Suivant leur charge électrique

A. L'affinité pour l'eau des colloïdes

On distingue :

- Les colloïdes hydrophobes ou suspensoïdes ou lyophobes.

MICELLE HYDROPHOBE

Leurs micelles sont entourées d'une mince couche d'eau; ces colloïdes fixent l'eau indirectement par les ions hydratés qu'ils sorbent

Ex : l'argile.

- Les colloïdes hydrophyles ou émulsoïdes ou lyophiles.

 

Ces colloïdes fixent directement l'eau sur leur noyau, cette épaisse couche d'eau est dite de "solvatation". Ex. l'humus ou acides humiques.Il semble que c'est la raison pour laquelle l'humus est plus difficile à floculer que l'argile dont les micelles ne sont entourées que d'une mince couche d'eau.   

B. Les colloïdes et leurs charges électriques sont 

- des colloïdes électronégatifs ou acidoïdes :

Les principaux sont les argiles minéralogiques et les humus ( acides humiques ). On peut y ajouter des gels minéraux complexes ( complexes ferro et ferrisiliciques, plus simplement appelés complexes fer-silice), les matières albuminoïdes à pH supérieur à 4,5.

Les colloïdes électronégatifs ont des propriétés d'acides faibles; ils sont dispersés en milieu alcalin et floculés en milieu acide

- des colloïdes électropositifs ou basoïdes :

Les principaux sont les hydrates de fer et d'alumine ( aussi appelés oxyhydroxydes ou sesquioxydes), les matières albuminoïde à pH inférieur à 4,5.

Les colloïdes électropositifs se comportent en bases faibles : se dispersent en milieu acide et floculent en milieu alcalin. 

Remarque : Certains colloïdes du sol sont en réalité des amphotères : ils changent de signe pour un certain pH appelé point isoélectrique. Le point isoélectrique pour lequel toute charge est annulée correspond au minimum de stabilité : la tendance à la floculation est maximale. C'est ainsi que l'argile de type "kaolinite",colloïde électronégatif, se dirige vers l'anode lors de l'électrolyse à pH 7, à un pH de l'ordre de 4 elle change de signe et en dessous de 4, elle se dirige vers la cathode.   

4.5 Interactions colloïdes ions

1) L'action des acides (H+) et des bases (OH-) sur les colloïdes électronégatifs s'explique par les lois de l'équilibre chimique, l'argile étant assimilée à un acide faible peu dissocié.

 

Si l'on augmente la concentration en H+ il y a déplacement d'équilibre dans le sens (2) = floculation; si l'on apporte des ions OH- ceux-ci se combinent aux H+ et l'équilibre se déplace dans le sens (1) = dispersion. Les particules argileuses électronégatives sont donc peptisés en milieu OH- et floculés en milieu H+. C'est l'inverse pour les colloïdes électropositifs.

La peptisation est donc réalisée si les charges sont équilibrées par des charges de même signe, tandis que la floculation se réalise si l'équilibre est assuré par des charges de signe contraire. 

2) Les cations n'ont pas tous le même pouvoir floculant vis à vis des colloïdes électronégatifs.

Tous les cations floculent les colloïdes électronégatifs parce que chargés positivement; il y a floculation lorsque les charges négatives de la micelle sont neutralisées.Mais l'activité des divers cations varie avec leur charge électrique et leur degré d'hydratation : l'action floculante des cations +2 et +3 est beaucoup plus énergique que celle des cations +1, les cations plurivalents prenat plus facilement des ponts.

Cette remarque est surtout importante pour les colloïdes électronégatifs hydrophyles ( ac.humiques )dont les molécules sont protégées par une couche d'eau assez épaisse.

Les cations monovalents K+, Na+,NH4+ , sont fortement hydratés et ne peuvent se rapprocher des particules colloïdales : ce sont des floculants faibles sauf à forte concentration. Ils floculent l'argile ( lyophobe) s'ils sont en excès dans les solutions du sol mais ils sont presque sans effet sur l'humus ( lyophile ).

Les cations bivalents Ca++, Mg++  sont moins hydratés et ont une action floculente plus énergique

Les ions trivalents Al+++ sont très énergiques.

En pratique, les ions K+ et Na+ , peu hydratés, floculeront l'argile quand ils existeront en excès dans la solution des sols, mais ils sont pratiquement sans action sur l'humus. Par contre les ions peu hydratés Ca++ et Mg++ floculeront plus aisément l'argile et l'humus, mais ils agiront beaucoup plus rapidement sur l'argile que sur l'humus, ce dernier étant lyophile.       

3.Echanges cationiques et anioniques

L'énergie d'adsorption n'étant pas la même pour tous les ions :

- Echelle d'énergie décroissante de fixation cationique ( dite de HOFMEISTER)

H+,  Al3+, Ba++, Sr++, Ca++, Mg++, K+, NH4+, Na+ 

Il faut remarquer que l'ion H+ se comporte comme un ion trivalent, ce qui est une exception.

-Echelle d'énergie décroissante de fixation anionique.es

OH-,  Cl-,  NO3 -, SO4-- 4.

4.Le cas des ions antagonistes 

Il arrive que dans un sol, des ions dispersants et des ions floculants entrent en compétition, que se passe-t-il alors ?

Traitons ce cas à l'aide de trois exemples :

- 1)  Argiles en milieu calcaire : le pH est légèrement supérieur à 7 d'où présence d'ions OH- et l'argile devrait peptiser. Mais l'ion Ca2+ est très abondant : c'est son action qui l'emporte et fait floculer l'argile. Car Ca2+ est plus énergique que OH-. Les colloïdes sont à l'état floculé, conférant aux sols calcaires une structure grumeleuse.   

- 2)  Argiles sodiques : Dans les sols inondés régulièrement par l'eau de mer , l'ion Na+ est dominant et sature les colloïdes . A forte concentration Na+ est floculant et le sol possède une structure agrégée . A plus faible concentration ( lessivage par les eaux de pluies qui sont des eaux douces) ou d'une irrigation par des eaux douces, la structure devient mauvaise ; ceci s'explique par les lois de l'équilibre chimique.   

La soude étant une base forte, l'argile sodique est beaucoup plus hydrolysée que l'argile calcique.

En présence d'eau douce, il y a déplacement de l'équilibre dans le sens 1 et libération d'OH- à action dispersante, d'autant que l'argile estrès dissociée ( NaOH = base forte).

En présence d'eau salée, déplacement de l'équilibre dans le sens 2 d'où moins de OH- et le pH reste voisin de 7. Les argilessont alors floculées par Na, parce que la dispersion de l'argile Na est faible et que l'ion Na+ est présent en excès.

Nous verrons plus loin que le seul moyen d'améliorer ces sols est d'éliminer Na et de le remplacer par Ca ( au moyen de CaSo4 ).

- 3) Argiles H+ et argiles Al3+

En milieu acide, il devrait y avoir floculation, mais les composés organiques solubles sont abondants et jouent un rôle "protecteur"; leur action peptisante l'emporte sur l'action floculante des cations H+ et   Al3+. Il est donc nécessaire de remplacer les ions H+ par des ions Ca++ ( amendements calcaires ). Mais si les composés organiques dispersants font défaut , les argiles seront floculées : Fe3+ et Al3+ adsorbés, abondants dans les sols acides, favorisent cette floculation ( sols bruns acides d'Ardenne ).

 

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Date de dernière mise à jour : 21/06/2014