Химические реакции,протекающие при выветривании — КиберПедия 

Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...

Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...

Химические реакции,протекающие при выветривании

2017-06-12 743
Химические реакции,протекающие при выветривании 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

 

Химический элемент   Реакция   Продукт   Растворимость
Fe Окисление Гематит Fе2О3   Нерастворимы  
  Окисление с гидрата­цией ЛимонитHFeO2∙nH2O  
Редкое растворение в углекислоте Ионы Fe2+     Растворимы
Ca   Растворение в углекис­лоте   Ионы Ca2+
Mg Ионы Mg 2+
Na Гидролиз или карбонатизация Ионы Na+
  К Гидролиз или карбонатизация Иногда свя­зывается или выносится в небольших количествах   Адсорбция глиной Нерастворима
  SiАlОn   Гидролиз Глинистые минералы   Гидратированный крем­незём Нерастворимы     Растворим
  SiО2   Слабое растворение Кварц и халцедон Ограниченно рас­творимы  

 

Гидролиз. Среди многочисленных химических реакций зоны вы­ветривания первое место принадлежит гидролизу[11]– реакции между водой и ионами минера­лов и горных пород. Гидролиз,характерныйдля силикатных минералов и, в частности, для полевых шпатов, может быть представлен в следующем виде:

 

MSiAlOn + НОН = АlОН + [Si(OH)0–4]n + [Аl(ОН)6]n3–

 

или

Аl(ОН)3 + (М, Н)АlоSiАltОn,

 

где n относится к неопредёленным атомным отношениям,

о – к октаэдрической координации;

t – к тетраэдрической координации;

М –катионыатом (ион)Аl изоморфен с атомом Si (помещён в химических фор­мулах между Si и О);

­ комплекс [Si(OH)0–4]n относится к более или менее полимеризованным группам кремнезёма, в которых координа­ция иона кремния относительно гидроксид-ионов колеблется от 0 до 4 в зависимос­ти от степени полимеризации;

­ последний член правой части реакции (М,Н)АloSiАltОn может быть представлен глинистым минералом, цеолитом и обломками первичных силикатов.

В процессе гидролиза, которыйчасто сопровожда­ется под воздействием углекислоты, силикаты медленно растворяются. При гидролизе полевых шпатов происходит образование каолинита:

 

2КА1Si3О8 + 3Н2О → 2КОН + Н2Аl2Si2О8 · Н2О + 4SiO2.

 

Решающая роль в гидролизе принадлежит ионам водорода Н+, которые вытесняют ионыметаллов (К+, Nа+, Са2+) из алюмосилика­тов и разрушают их кристаллическую структуру. Процесс каолини­зации происходит в широких масштабах и часто связан с дей­ствием корней растений, которые заряжены отрицательно и поэтому дополнительно окружены ионами H+. Освобождающиеся в процессе выветривания ионы K+поглощаются корнями растений. Для осуществления гидролиза необходима интенсивная циркуляция воды, которая выносит растворимые продукты выветривания.

В целом гидролиз имеет большое значение в про­цессах экзогенеза. При гидролизе ионы ОН вместе с катионами ме­таллов поступают в Мировой океан и определяют увеличение его щёлочности, а ионы Н+, связываясь с алюмосиликатными анионами, об­разуют глинистые минералы, которые могут рассматриваться как труд­норастворимые и слабые кислоты. Таким образом, по­верхность суши становится кислотной, а Мировой океан — щелочным.

Окисление как процесс соединения веществ земной коры с кисло­родом происходит тогда, когда минерал или один из его составляющих атомов теряет электрон, отдавая его кислороду. Реак­ции окисления протекают преимущественно в водной среде, в которой растворён свободный кислород. Атомы химических элементов с переменной степенью окисления при окислении переходят в состояние с более высокой степени. Это имеет место, например, при окислении типичного химическогоэлемента лито­сферы− железа:

 

Fe2+=Fe3+ + е-.

 

Во время окисления силикатов железа(II) возникают обыч­но обводнённые продукты разложения, содержащие железо(III).При этом зеленоватая и чёрная окраска первичных силикатов меняется на красную и бурую. Окисление в природных условиях пред­ставляет собой экзотермическую реакцию и сопровождается значитель­ным выделением теплоты. Например:

 

4FеSiО3 + О2 = 2Fe2О3 + 4SiO2 + 2144 кДж.

 

Поскольку энергия окисления железа (II) довольно велика, то его соединения весьма чувствительны к процессам окисления. И когда ионы железа, связывающие кремнекислородные тетраэдры в силикатных структурах, соединяются с кислородом, то образуются оксиды, и силикатные минералы рас­падаются. Этим определяется то обстоятельство, что первичные железистые силикаты изверженных пород одними из первых подвер­гаются выветриванию.

Из всех минералов наиболее легко окисляются и превращаются в сульфаты сульфиды металлов. Этот процесс иногда называют витролизацией. Сульфиды железа (пирротин, пирит, марказит) при окислении пере­ходят в его сульфаты (например, галенит PbS в англезит PbSО4). В этом случае окисление связано с процессами гидратацией и гидролиза.

Интенсивное окисление сульфидов железа в каменноугольных залежах или кол­чеданных месторождениях вызывает подземные пожары.

Окисляются и органические вещества, в которых углерод легко переходит в CO2. Органическое вещество часто рассеяно в гор­ных породах – известняках, мергелях и глинах. Оно придаёт этим породам тёмно-серую или тёмно-бурую окраску. При окислении органических веществ породы приобретают светлые тона.

Окислению подвергаются не только первичные экзогенные мине­ралы, но и первые продукты их разложения. Так, в реальной обста­новке окисление пирита представляет собой сложный процесс:

 

2FeS2 + 2Н2О + 7О2= 2FeSO4 + 2H2SO4.

 

12FeSО4 + 3О2 + 6Н2О = 4Fe2(SО4)3 + 4Fe(ОН)3.

 

Сульфат железа как соль, образованная катионом слабого основания ианионом сильной кислоты легко поддаётся гидролизу;

 

Fe2(SО4)3 + 6Н2О = 2Fe(ОН)3 + 3Н24.

 

Лимонит является конечным продуктом реакции и в зоне окисления сульфидных месторождений образует иногда мощные скоп­ления в виде так называемой «железной шляпы». Лимонит является и конечным устойчивым продуктом реакции разложения других железосо­держащих минералов (силикатов, карбонатов). Окисление при­родных соединений железа(II) легче происходит в щелочной среде. В кис­лотных растворах окисление протекает медленно и ускоряется в раство­рах слабокислых и щелочных.

В сульфидных и углеродсодержащих образованиях происходит эндотермическое окислениеуглерода и серы:

 

,,S”+ O2 =SO2 – 293 кДж;

 

,,С” + О2 = СО2 – 395 кДж.

 

Диоксид серы растворяется в воде с образованием сернистой, затем (при окислении) серной кис­лоты:

 

SO2 + Н2О = Н23;

23 + О2= 2H24.

 

Диоксид углерода при растворении дает угольную кислоту:

 

3СО2 + 3Н2О = Н2СО3 + 3Н+ + СО32– + НСО3.

 

Серная кислота является активным геохимическим фактором и часто вызывает изменение вмещающих горных пород. Если она реагирует с известняком, то образуется гипс:

 

СаСО3 + Н24 + 2Н2О =CaSО4 · 2Н2О + Н2СО3.

 

Если сернокислые растворы взаимодействуют с глинами и желе­зосодержащими минералами, то происходит цепь сложных реакций, в результате которых образуется алунит КА13(ОН)6(SО4)2 и его желе­зосодержащий аналог – ярозит КFе3(ОН)6(SО4)2. Последний образуется в зоне окисления сульфидных месторождений на промежуточной стадии.

Восстановление как процесс, противоположный окислению, заключается в присоединении катионами электронов. Восстановление происходит обычно в водоёмах, некоторых частях почвенных го­ризонтов и коре выветривания, где по ряду причин отсутствует сво­бодный кислород. Восстановление определяется главным образом двумя факторами: органическим веществом и деятельностью микро­организмов (бактерий).

Органическое вещество в процессе разложения соединяется не только со свободным кислородом, но и с кислородом, химически свя­занным. Некоторые бактерии поглощают кислород, необходимый для их жизнедеятельности, непосредственно из природных органических и неорганических соединений.

Наиболее распространённым процессом восстановления в геоло­гических условиях является переход соединений железа (III) в соединения железа (II). В результате ионы железо могут переходить в раствор, содер­жащий угольную кислоту. Благодаря этому образуются гидрокарбонаты железа Fe(H2СO3)2. В случае потери CO2, потребляемого расте­ниями и в первую очередь бактериями, карбонат осаждается в виде нерастворимого сидерита FеСО3. Если в растворе много кислорода, то про­исходит окисление гидрокарбоната железа (II) иобразуется гидроксид железа (III), пере­ходящий затем в лимонит. Восстановление соединений железа (III) изменяет окраску пород. Например, железистые песчаники, окрашенные красным цветом, белеют под влиянием разложения органического вещества. Восстановление соединений железа(III) органическим веществом,,С” условновыражается следующими реакциями:

 

2Fe2О3 · 3Н2О +,,С” = 4FeO + СО2 + 3Н2О;

 

FeO + СО2 = FеСО3.

 

Такими же уравнениями можно представить и восстановительную де­ятельность бактерий. Тогда,,C” будет означать не органическое вещество, а углерод, находящийся в составе живых бактерий и соеди­няющийся с кислородом в течении биологических процессов.

Восстановление природных сульфатов также связано с органичес­ким веществом и деятельностью бактерий. Наиболее ярким примером может служить гипс (или ангидрит), из которого образуется известь и самородная сера:

 

CaSО4 + 2С =CaS + 2CО2;

2CaS + 2Н2О =Са(ОН)2 + Ca(SH)2;

Са(ОН)2 + Са(SН)2 + 2CO2 = 2СаСО3 + 2H2S;

H2S + O =H2O + S.

 

Сульфиды железаFeS и FeS2, присутствующие в угольных пластах и битуми­нозных сланцах, также являются продуктом восстановления сульфат­ных растворов углистым веществом, образующихся в начале по реакции

FeSО4 + 2С =FeS + 2CO2.

 

моносульфиджелеза через некоторое время превращается в дисульфид железа. Этот процесс происходит и в морских илах, где возникающий при органическом разложениисульфат железа FeSО4, восстанавливается. Таким способом возникает пирит, заполняющий часто раковины окаменелостей.

В процессах восстановления происходит также фиксация дру­гих элементов металлов при более низких степенях окисления их атомов.

Карбонатизация – процесс, который представляет собой взаимодействие карбонатных (СО32–) и бикарбонатных (НСО3) ионов с горными по­родами и минералами. Действие этих ионов представляется одним из главных факторов химического выветривания. Под влиянием карбонатизации минералы частично или полностью растворяются, а со­держащие в них атомы металлов (катионы)связываются в карбонатыМgСО3. Углекислота растворяет карбонаты кальция, магния, железа. В воде карбонат кальция CaCO3растворяется очень мало (1 часть на 10 000 частей воды), однако в воде, содержащей CO2,его растворимость возрастает в десятки раз. Кальций, магний и железо переходят в рас­твор в виде бикарбонатовМg(НСО3)2. Карбонат кальция растворяется несколько легче карбоната магния, поэтому доломитыCaCO3·МgСО3при выветривании обогащаются МgСО3.

Растворение известняков под влиянием угольной кислоты происходит согласно реакции

 

СаСО3 + Н2СО3=Са (НСО3)2.

 

Возникающий при этом гидрокарбонат кальция, переходит в раствор.

Известняки растворяются и под действием органических кислот,например, уксусной кислоты:

 

2СаСО3 + 2СН3СООН = (СН3СОО)2Са + Са (НСО3)2.

 

Гидролизсиликатов часто осложняется участием в процессе диоксида углерода,в результате чего силикаты теряют щелочные и щелочно-земельные элементы, которые переходят в раствор в виде бикарбонатов. В раствор пе­реходят также гидратированные основные силикаты и,нобольшая часть кремнезёма.

Результат совместного действияH2O и СО2 на силикаты можно представить в следующем общем виде:

 

MnSiO3 + СО2 + Н2О =MnCO3 + SiO2 + Н2О,

 

где M = К, Na, Ca, Mg и др., n=1, 2.

 

В зависимости от состава и строения силикатов уравнение реакции может быть весьма сложным.

В геологическом отношении наиболее важным является процесс выветривания полевых шпатов — главных минералов литосферы. Например, разложение ортоклаза с участием углекислоты происходит следующим образом:

 

K2Al2Si6O16 + 2Н2О + СО2 =H2Al2Si2O8 · Н2О + К2СО3 + 4SiО2.

 

Возникающий каолин остаётся на месте выветривания, карбонат калия полностью переходит в раствор, а кремнезём частично. Аналогично происходит разложение натриевого полевого шпата – альбита (Na2Al2S6O16). По конечному продукту вы­ветривания этот процесс называется каолинизацией.

Несколько иначе происходит разложение анортита, в котором крем­незёма меньше:

 

CaAl2Si2O8 + 2Н2О + СО2 =H2Al2Si2O8 · Н2О + СаСО3.

 

Довольно распространённый в гранитоидах биотит разлагается с участием углекислоты на глинистый минерал, бикарбонаты калия и магния, лимонит и кремнезём:

 

2КМg2Fе(ОН)2А1Si3О11 + 10Н2СО3 + nH2O + 2О =

→ Al2(OH)2Si4O11 + 2KHCO3 + 4Мg(НСО3)2 + Fе2О3 · Н2О + SiO2 + 6Н2О.

 

Можно привести в качестве примера также разложение пироксена (диопсида):

 

Ca(Mg, Fe)Si2О6 + 2Н2О + 2СО2 = 2H2SiO3 + СаСО3 + (Mg, Fe)СО3.

 

Продуктами этой реакции, очевидно, являются нераство­римая кремнекислота и карбонаты кальция, магния ижелеза, которые при повышеннойконцентрации СО2 могут переходить в раствор. Карбонат железа(II)при повышенном содержании кислорода окисляется и переходит в лимонит.

Другим процессом гидролитического разложения первичных си­ликатов с участием углекислоты является серпентинизация, которой подвергаются железистомагнезиальные силикаты, особенно оливин:

 

2Mg2SiО4 + СО2 + 2Н2О = Н4Мg3Si2О9 + MgCО3.

серпентин магнезит

 

Серпентинизация – процесс не только экзогенный. Он может происходитьпод действием растворов магматического происхождения,

 

Для заметок

 

Для заметок

 


[1]Экзогенные процессы наиболее характерны для биосферы.Экзогенные (поверхностные) процессы вызваны в основном внешними по отношению к Земле силами.

[2]Эндогенные процессы происходят ниже биосферного уровня, но нередко вторгаются и в биосферу (вулканизм и связанные с ним процессы).Эндогенные процессы происходят под действием внутренних сил Земли и протекают главным образом внутри Земли. К ним относятся тектонические и магматические процессы.

 

 

[3] От греч. magma – тесто, месиво, густая мазь.

[4]От позднелат. segregation­­–отделение.

[5] В высокотемпературных системах, например, в атмосфере Солнца, наблюдаются молекулы MgO. Поэтому можно считать, что в земныхмагмах магний присутствует преимущественно в виде молекул MgO и в меньшей степени в виде ионов Mg2+.

[6]Как наука Почвоведение возникла в России благодаря работам В. В. Докучаева, который первым стал рассматривать почву как особое естественно-историческое тело.

 

[7] Нивальный климат (от лат. niavalis–снежный, холодный) – климат высоких широт или высокогорный.

[8] Аридный климат (от лат.aridus– сухой)– сухой климат с высокими температурами воздуха и малым количеством атмосферных осадков; свойствен пустыням и полупустыням.

[9] Гумидный климат (от лат. humidus–влажный) – климат областей с избыточным увлажнением, когда осадки превышают сумму влаги, удущей на испарение и просачивание в почву, а избыток влаги удаляется речным стоком.

[10]Происходит от немецкого термина Verwitterung, в свою очередьвзятого от английского термина weathering. Оба термина образованы от слова «погода» (weather, wetter) и в точном переводе означают «изменение под действием погоды». Таким образом, их русский эквивалент «выветривание» неправильно передаёт смысл понятия, поскольку речь идёт о процессе, не имеющим прямого отношения к деятельности ветра.

[11] Гидролиз – разложение химического соединения под действием воды. (от греч. hydro – вода и lisis – разложение, распад).


Поделиться с друзьями:

Своеобразие русской архитектуры: Основной материал – дерево – быстрота постройки, но недолговечность и необходимость деления...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...

Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.054 с.