CEC

Capacité d’échange cationique

INTRODUCTION

La connaissance de la propriété du sol est très importante dans plusieurs activités non seulement pour la nutrition de la plante mais aussi pour la conservation du sol. La capacité d’échange cationique constitue l’une des propriétés chimiques les plus importantes du sol. Pour une étude approfondie de la CEC du sol, développons dans la première partie les généralités sur la CEC et les études de cas dans la deuxième partie du corps de l’exposé.

Partie I – Généralités

1. Définition

L’échange d’ions dans le sol s’effectue au niveau du complexe absorbant, qui est formé d’argile, de matières organiques, et d’hydroxydes.

La capacité d’échange cationique (CEC) est la quantité totale de cation (ion+) qu’un poids déterminé de sols habituellement 100g peut adsorber sur son complexe et échangé avec la solution environnante dans des conditions de pH bien définies.

Pour un sol, la CEC est due aux substances colloïdales portant des charges négatives telles que les minéraux argileux, matière organique, silice colloïdale…

La mesure de la CEC présente la somme des déficits de charge négative superficielle devant être compensés pour obtenir l’éléctroneutralité de particules solides constituant le milieu à un moment donné. On peut exprimer la CEC en milliéquivalent (mé) pour 100g de matières sèches :

1mé = poids atomique x 10-3

Valence

2. Origine Cas de l’argile

La CEC des minéraux phylliteux trouve principalement son origine dans les déficits de charge permanente provoqués par des substitutions isomorphiques dans les réseaux cristallins, un cation étant remplacé par un autre de valence inférieur. En bordure des minéraux argileux, la rupture du réseau cristallin est à l’origine de charges variables : la dissociation éventuelle de groupements –OH des tétraèdres de silice peut induire des charges variables qui sont liés étroitement avec le pH.

Cas des hydroxydes

Elle est causée par la transformation des hydrates (molécules d’eau) en hydroxydes avec libération d’ions H+ en fonction du pH.

Remarque : Les hydroxydes peuvent être chargés négativement ou positivement :

En milieu acide, ils ont une charge positive et on parle de capacité d’échange anionique ;

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En milieu basique, ils ont une charge négative donc on parle de capacité d’échange cationique.

Cas de la matière organique

La CEC de la matière organique dépend du nombre de fonctions carboxyles –COOH. La matière organique est riche en anions donc la charge en surface est négative. Ces anions ont tendance à attirer des ions chargés positivement qui sont les cations. La CEC de la matière organique résulte aussi des hydroxyles liés à divers composés.

3. Equilibre de DONNAN

On considère que l’espace de l’échangeur est formé de deux compartiments A et B séparés par une membrane perméable aux ions mais imperméables aux argiles. Le compartiment contient les ions adsorbés, le compartiment B, les ions en solution. La membrane n’a pas de réalité physique dans le sol. C’est une limite fictive entre la partie proche et la surface du complexe absorbant qui contient les ions échangeables et la solution du sol. Notons que les nombres d’ions qui traversent la membrane par unité de temps sont proportionnels à leurs concentrations.

Toute modification de la composition du compartiment B (par apport d’éléments, par absorption ou par lessivage), entraîne la mise en place d’un nouvel état d’équilibre entre solution et échangeur : certains cations passent en solution (désorption) et sont remplacés par d’autres cations qui étaient au paravent en solution.

Partie II – Etude de cas

1. CEC de l’argile

Les argiles sont des polymères bidimensionnels composés de deux couches :

Tétraèdres de silicium entourés d’oxygène ;

Octaèdre de cations métalliques entourés d’hydroxyles. Le tétraèdre est lié par des oxygènes communs à l’octaèdre.

Pour les kaolinites, il n’y a pas de déficit de charge. La CEC est donc liée aux phénomènes de bordure de cristal. La CEC sera donc faible et directement liée à la granulométrie de l’argile. Pour des minéraux de grande taille, peu d’effet de bordure, la CEC sera très faible. En revanche, pour des minéraux très petits, la CEC sera moins faible.

Les argiles gonflantes (notamment les smectites) développent une forte CEC.

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Tableau sur la CEC des argiles

Composants du complexe CEC (mé par 100g) Types de charges (dominantes)KaoliniteHalloysitesMontmorillonitesVermiculitesIllitesChlorites

5 à105 à 5080 à 150 100 à 15020 à 5010 à 40

permanente

2. CEC des hydroxydes

Localisation : elle se localise généralement dans les andosols et les sols tropicaux.

Les hydroxydes ont une grande surface spécifique de cations suivant le signe de leurs charges électriques de surface qui apparaît en présence de molécules d’eau. Ces molécules d’eau se lient aux cations superficiels et se dissocient en faisant apparaître des groupes –OH en fonction du pH du milieu. Ensuite, il y a adsorption d’ions H+. Ainsi, les hydroxydes peuvent être chargés négativement ou positivement.

Variation de la nature et du nombre de charges en fonction du pH :

3. CEC de la matière organique

Les cations échangeables de l’humus sont les cations neutralisant les fonctions acides des groupes fonctionnels –OH et –COOH.

Théoriquement la CEC est élevée en milieu basique, de l’ordre de 350 à 400mé par 100g de sol pour les substances humiques pures. Mais si la fraction humifiée est mélangée avec d’autres composés, la CEC diminue considérablement de 100 à 200mé par 100g de sol. La fixation de l’humus sur l’argile pour former le complexe argilo-humique neutralise sa CEC mais elle croît avec le pH du sol. Cependant, l’adsorption de matière organique sur l’argile ne diminue pas toujours la CEC. En effet, si la liaison entre matière organique et argile est due à des forces (du type Van der Waals), il n’y a aucune perte de charge négative et la CEC totale est conservée. Notons que la nature du cation intervient dans l’échangeabilité

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Par ordre de force de rétention décroissante, on trouve pour les monovalents :

H > Cs > Rb > K > Na > Li

Et pour les bivalents :

Sr > Ba > Ca > Mg

Entre les monovalents et les bivalents :

Ba > Ca > Mg > K > Na > Li

Comme chez les argiles, les ions bivalents sont moins facilement échangeables que les monovalents.

4. Cations essentiels du sol

Les cations essentiels du sol sont : H, Cs, Rb, K, Na, Li, Sr, Ba, Ca, Mg…mais leur pourcentage dans le sol varie en fonction du type de sol. Par exemple, dans les réserves de la roche-mère ou du milieu ambiant, il est évident qu’on aura beaucoup de Ca²+ en milieu calcaire ; beaucoup de Na+ au contact d’une nappe salée ; ou beaucoup de Mg²+ sur certaines roches telles que les serpentines.

Voici quelques proportions ioniques typiques d’horizon d’altération :

Ca Mg K Na S T S/T %Sol calcaire 37.5 0.73 0.50 0.16 38.9 38.9 SaturéSol salé 5.21 9.58 0.55 8066 24.0 24.0 SaturéA sol sur serpentine 2.37 4.71 0.06 0.12 9.65 7.26 77Sol sur granite 3.50 0.29 1.32 0.04 5.15 16.1 32

CONCLUSION

Pour conclure, les constituants du sol ayant des propriétés d’échange, forment le complexe absorbant. Celui-ci sert en particulier à stocker les éléments libérés par l’hydrolyse des minéraux ou la minéralisation de la matière organique. Ces éléments représentent pour la plupart, des réserves immédiatement disponibles pour l’alimentation des plantes. Si la solution du sol s’appauvrit, le complexe adsorbant libère instantanément des ions pour rétablir l’équilibre avec son environnement aqueux. Le complexe absorbant a un rôle de volant, chimique régularisant la composition en électrolytes de la solution du sol. Il intervient de manière d’autant plus efficace que sa capacité d’échange cationique est élevée qui est sous la dépendance de la nature des échangeurs en cause de leur proportion et des conditions du milieu notamment le pH.

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