Химическое взаимодействие компонент

Среди процессов химического взаимодействия наиболее широкого развиты гидролиз, окисление, растворение. Протекают до глубины 5-10 м, меняют состав, структуру и свойства грунтов.

Гидролиз

В основе лежит высокая реакционная способность Н⁺, который образуется в результате диссоциации молекул воды. В силу своего малого размера, водород легко проникает в дефекты кристаллической решетки.

Реакционная способность водорода увеличивается с размером катионов, входящих в кристаллическую решетку. Наиболее интенсивно наблюдается у силикатов и алюмосиликатов. Тетраэдрические упаковки в кристаллической решетке неплотные, поэтому ион водорода легко проникает в структуру минералов и увлекает катионы, в результате происходит увеличение избытка отрицательного заряда в кристаллической решетке, а это в свою очередь способствует дальнейшей активизации водорода. В результате минерал разрушается.

Al³⁺ выходит в раствор и появляется свободный кремнезем. Минералы, не содержащие крупных катионов (например, кварц) более устойчивы к выветриванию по сравнению с минералами, содержащими крупные катионы (полевые шпаты, пироксены, слюды).

Наиболее легко разрушаются полевые шпаты, в состав кристаллической решетки входит К, Na, Ca.

Труднее разрушаются амфиболы и пироксены (Al³⁺, Fe³⁺, Mg²⁺).

Еще более устойчивы слоистые силикаты, в которых крупные катионы совсем отсутствуют (хлориты, слюды).

Гидролиз носит стадийный характер.

ПШ и слюды à минералы промежуточного ряда (гидрослюды) à распадаются на каолинит, опал, растворимые в воде карбонаты и бикарбонаты.

Гидролиз железо-магнезиальных (амфиболы, пироксен, оливин) протекает с образованием глинистых минералов монтмориллонитового ряда (нантронит, монтмориллонит и т.д.).

Образующиеся в корах выветривания глинистые минералы хорошо сохраняются в любой климатической обстановке, но при изменении кислотности, т.е. климата в условиях щелочной среды наиболее устойчив монтмориллонит, а в кислой минералы группы каолинита.

Окисление

В основе процесса окисления лежит взаимодействие газообразной и твердой компоненты грунта. Поверхностные воды, инфильтрующиеся через зону выветривания, всегда богаты растворенным кислородом, он способен вступать в окислительные реакции с некоторыми минералами с образованием кислородных соединений: сульфаты, карбонаты, гидроокислы.

Процесс окисления протекает стадийно. Окислительные процессы развиваются до определенной глубины. По мере просачивания поверхностных вод содержание кислорода уменьшается и на определенной глубине свободного кислорода нет. Во всех корах выветривания существует граница окисления-восстановления.

Растворение

Взаимодействие жидкой и газовой компоненты с твердой фазой при определенных условиях приводит к растворению минералов. Наиболее активно протекает в зоне интенсивного водообмена и в процессе выветривания. В основе растворения лежит взаимодействие минералов с водой в результате которого происходит ослабление энергии связи ионов в структуре и под влиянием энергии теплового движения такие ионы и молекулы теряют связь с кристаллической решеткой и уходят в раствор. Энергия необходимая для растворения выделяется в процессе гидратации ионов и молекул растворителем. Наибольшей растворимостью обладают простые соли с ионной связью между атомами. Растворимость зависит от растворителя. Наибольшей растворимостью обладают жидкости с максимальной диэлектрической способностью жидкости. Вода = 81. У органических жидкостей редко поднимается до 10. В воде растворение всегда выше. Растворяющая способность воды зависит от растворенных в ней газов (особенно СО₂).

Физико-химические явления на границе минерал-вода.

К физико-химическим взаимодействиям, протекающим на границе взаимодействия минерал-вода, относят адсорбцию, осмос, ионный обмен. Их развитие зависит от дисперсности твердой фазы и возрастает с увеличением суммарной площади удельной поверхности системы, поэтому физико-химические явления характерны для тонкодисперсных образований (почвы, глины, лессы). В результате физико-химических явлений образуется связная вода, диффузионный слой ионов, а также развитие обменных процессов на поверхности минерала. Все эти явления приводят к изменению свойств.

Гидратация.

Глинистые минералы при взаимодействии с водой адсорбируют на своей поверхности полярные молекулы воды, что приводит к гидратации, т.е. образованию на поверхности частиц сплошной гидратной пленки связной воды. В основе гидратации лежат водородные, ион-дипольные и диполь-дипольне взаимодействия между молекулами воды и адсорбционными центрами поверхности дисперсных минералов.

У глинистых минералов выделяют 3 основных типа центров адсорбции, которые отличаются энергией.

1. Катионы-компенсаторы структурного заряда, которые находятся на поверхности или в межслоевом пространстве минерала.

2. Атомы кислорода и гидроксильных групп базальных поверхностей минерала.

3. Валентно-ненасыщенные атомы боковых сколов минералов.

Процесс гидратации начинается с адсорбции молекул воды на наиболее активных центрах – катионы-компенсаторы и валентно-ненасыщенные боковые сколы.

Адсорбционная способность катионов возрастает с увеличением их валентности и уменьшением ионного радиуса. Наиболее активно процесс гидратации развивается у минералов, содержащих многовалентные катионы (Mg, Al, Fe, Ca и т.д.).

У минералов, не обладающих внутрикристаллическим набуханием, адсорбция молекул воды идет на катионах, распределяется только на внешних поверхностях частицы, а у минералов типа монтмориллонита в процессе гидратации участвуют и межслоевые катионы.