Химические реакции,протекающие при выветривании

 

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:

 

MSiAlO_n + НОН = АlОН + [Si(OH)_0–4]_n + [Аl(ОН)₆]_n^3–

 

или

Аl(ОН)₃ + (М, Н)Аl^оSiАl^tО_n,

 

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)Аl^oSiАl^tО_n 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 + 4SiO_2.

 

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 + 2H₂SO_4.

 

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 + 3Н₂SО_4.

 

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 = Н₂SО₃;

2Н₂SО₃ + О₂= 2H₂SО₄.

 

Диоксид углерода при растворении дает угольную кислоту:

 

3СО₂ + 3Н₂О = Н₂СО₃ + 3Н⁺ + СО₃^2– + НСО₃^–.

 

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

 

СаСО₃ + Н₂SО₄ + 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 (СО₃^2–) 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:

 

M_nSiO₃ + СО₂ + Н₂О =M_nCO₃ + 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 + 4SiО_2.

 

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 + MgCО_3.

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).