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:
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.
Окислениекак 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 + 3Н2SО4.
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+ + СО32– + 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.
Восстановлениекак 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).