Химическое выветривание

ФЕДЕРАТИВНОЕ  АГЕНСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО  И ПРОФФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУ  ВПО ВГУ)

Геологический факультет

Кафедра общей геологии и геодинамики

 

 

Курсовая работа по теме:

«ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ»

 

 

 

 

 

Выполнил  студент 1 курса, гр. №7

(специальность  геофизика) Шлеенков В.В.

Руководитель: доцент Г.В. Войцеховский

 

 

  

Воронеж 2013

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ_______________________________________________________3

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

ВВЕДЕНИЕ

Выветривание - процесс преобразования и химического изменения горных пород вследствие перепадов температуры, химического и механического воздействия атмосферы, воды и живых организмов. Это совокупность физических, химических и биохимических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов в приповерхностной части земной коры. Происходит за счет действия различных факторов - влияния колебаний температуры, воздействия атмосферы, воды и живых организмов на горные породы. Если горные породы длительное время находятся вблизи от поверхности или непосредственно на поверхности Земли, то в результате их преобразований образуется кора выветривания. В процессе выветривания различные промежуточные и конечные продукты разложения могут растворяться и выноситься приповерхностными водами. Их миграция осуществляется в виде взвесей, коллоидных и истинных растворов.

Существует  несколько типов выветривания:  
1. Физическое - это механическое преобразование горных пород без изменения химического состава. 
2.Химическое  - Это преобразование горных пород при взаимодействии их с химически активными элементами (кислородом, углекислым газом, органическими кислотами). 
3.Радиационное - преобразование пород под действием радиационного излучения. 
4.Биологическое - это механическое разрушение и химическое изменение горных пород под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. 
 
В данной курсовой работе речь пойдёт о химическом выветривании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

Глава 1. Химическое выветривание.

Химическое  выветривание — это совокупность различных химических процессов, в  результате которых происходит дальнейшее разрушение горных пород и качественного  изменения их химического состава  с образованием новых минералов  и соединений.  
Преобразованию горных пород всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание (рис.1). Основные факторы данного типа выветривания – вода, углекислота, сильные (серная, азотная), органические кислоты, кислород, сероводород, метан, аммиак, биологическая деятельность.  Ведущими процессами являются растворение, выщелачивание, окисление, гидратация, вторичная карбонатизация, гидролиз и пр. происходит вынос из зоны выветривания катионов металлов, щелочей и др. элементов, оксидов, гидроксидов в форме истинных и коллоидных растворов, в виде взвесей тончайших частиц.

Биогенный фактор – важнейший агент влияние  на совокупность процессов выветривания, протекающих в обстановке взаимодействия атмосферных, гидросферных и литосферных  составляющих. Биомасса оказывает каталитическое воздействие, влияет на явления деградации и синтеза как источник энергии и вещества, создает благоприятную среду для деятельности бактериального микробиоса.

Большую роль при  процессах химических разложения играет структура воды, определяющая ее свойства как слабого электролита, диссоциирующего на ионы Н⁺ и ОН^-. Установлено, что при температуре 20?С ионное произведение воды таково: КВ = [H⁺] [OH^-] = 1•10-14, где КВ – ионное произведение воды в г/ион на литрах. Степень диссоциации воды возрастает с увеличением температуры и глубины, что способствует активизации процессов разложения пород. Поскольку вода является электролитом, она растворяет почти все известные минералы.

Существенное  значение при процессах химического  выветривания играет величина кислотности-щелочности pH, которая показывает концентрацию водородных ионов. Величина pH – обратная логарифму концентрации водородных ионов, меняется в пределах 1-14 и фиксирует реакцию среды: от кислой,  pH = 1-6, через нейтральную pH = 7 до щелочной pH = 8-14. Минимальные значения pH характерны для сильнокислых сред, максимальные – для высокощелочных. 
От величины pH существенно зависит растворимость таких компонентов как SiO₂, Al₂O₃, Fe(OH)₃, Al(OH)₃ и др., образующихся, в частности, при химическом выветривании. Гидрат окиси железа растворим, а следовательно может переноситься водными растворами только в кислой среде при pH = 1-4. Нейтрализация растворов вызывает его осаждение. Гидрат окиси

5

алюминия Al(OH)₃ растворим как в кислой, так ив щелочной среде, выпадая в осадок при pH = 6-8. Кремнезем SiO₂растворим в резко щелочной среде, будучи малоподвижным в интервале pH от 3 до 8.

Растворимость определяет возможность переноса многих компонентов и условия их осаждения.

Для реакций, происходящих при выветривании и определяющих вынос соединений с места разложения, важен такой показатель как ионный потенциал и его связь с растворимостью. Ионный потенциал определяется отношением заряда катиона к его ионному радиусу. В соответствии с этим все ионы делятся на 3 группы:

• растворимые – Na⁺, Ca₂⁺, Mg₂⁺. Их ионный потенциал равен трем. Не подвергаются гидратации, но диполи воды притягиваются к поверхности этих катионов, образуя сольватные слои. В эту группу также входят катионы калия и цезия;

• катионы-гидролизаты – трехвалентные алюминий и железо, четырехвалентный марганец. Их ионный потенциал больше 3-х. гидратируются по схеме Al₃⁺ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3H⁺;

• оксианионы [CO₃]^2- ,[PO₄]^3- и др., имеющие ионный потенциал 9,5 и более, и возникающие путем диссоциации в воде оснований. Мигрируют обычно в форме гидрокарбонат-иона [HCO₃]^- и гидрофосфат иона [H₂PO₄]^-.

Кроме показателя кислотности-щелочности важным параметром физико-химических условий среды  растворения и миграции является окислительно-восстановительный потенциал Eh. Считается, что равный нулю окислительно-восстановительный потенциал (ОКВ) соответствует реакции диссоциации водорода: Н₂ = 2Н⁺ + 2е. значение ОКВ, при котором существует двухвалентное железо, соответствует 0,44 мВ. Для двухвалентной меди 0,35 мВ. поэтому реакция сернокислой меди с самородным железом сопровождается образованием самородной меди с одновременным превращением атома железа в катион: CuSO₄ + Fe = FeSO₄ +Cu.

Особую роль в процессах химического играют продукты разрушения органического  вещества, прежде всего растительных остатков. В результате образуются гуминовые кислоты. Они создают кислую реакцию среды и участвуют в химическом разложении силикатов. С катионами ряда металлов гуминовые кислоты образуют комплексные анионы – гуматы, что способствует выносу этих элементов из продуктов выветривания в форме

6

коллоидных  растворов. Кроме того, присутствие  органического вещества создает  восстановительную среду, а растворимость  многих закисных соединений выше, чем  окисных. Микроорганизмы определяют также  протекание таких реакций как сульфат-редукция, продуцируют водород, переводят окисное железо в нерастворимое состояние и др.

Большое значение для химического выветривания и  выноса его продуктов с места  разложения материнских пород принадлежит  углекислоте, образующей с некоторыми металлами хорошо растворимые комплексы. Карбонаты металлов при взаимодействии с CO₂ превращаются в бикарбонаты, что осуществляет возможность растворения.

Рис.1. Следы  химического выветривания *

 

 

 

 

 

 

 

 

7

Глава 2. Химические реакции (окисление,  гидратация, растворение, гидролиз).

1. Окисление — процесс отдачи электронов, с увеличением степени окисления.

При окислении вещества в результате отдачи электронов увеличивается его степень окисления. Атомы окисляемого вещества называются донорами электронов, а атомы окислителя— акцепторами электронов.

В некоторых случаях при  окислении молекула исходного вещества может стать нестабильной и распасться на более стабильные и более мелкие составные части. При этом некоторые  из атомов получившихся молекул имеют более высокую степень окисления, чем те же атомы в исходной молекуле.

Окислитель, принимая электроны, приобретает восстановительные  свойства, превращаясь в сопряжённый  восстановитель:

окислитель + е ⁻ ↔ сопряжённый восстановитель.

Окисление особенно интенсивно протекает в минералах, содержащих железо. В качестве примера  можно привести окисление магнетита, который переходит в более устойчивую форму – гематит. Такие преобразования констатированы в древней коре выветривания КМА, где разрабатываются богатые гематитовые руды. Интенсивному окислению подвергаются сульфиды железа. Так, например, можно представить выветривание пирита:

 

FeS₂ + mO₂ + nН₂О →FeS0₄→Fе₂(SО₄) →Fе₂O₃*nН₂О

 

На некоторых  месторождениях сульфидных и других железных руд наблюдаются "бурожелезняковые шляпы", состоящие из окисленных и гидратированных продуктов  выветривания. Воздух и вода в ионизированной форме разрушают железистые силикаты и превращают двухвалентное железо в трехвалентное.

 

2. Гидратация — присоединение молекул воды к другим молекулам или ионам. Гидратация является частным случаем сольватации — присоединения к молекулам или ионам веществ молекул органического растворителя. В отличие от гидролиза гидратация не сопровождается образованием водородных или гидроксильных ионов. Гидратация в водных растворах приводит к образованию стойких и нестойких соединений воды с растворенным веществом (гидратов); в органических растворителях образуются аналогичные гидратам – сольваты. Гидратация обусловливает устойчивость ионов в растворах и затрудняет их ассоциацию. Гидратация является движущей силой электролитической диссоциации — источником энергии, необходимой для разделения противоположно заряженных ионов.

8 

Можно привести следующие  примеры гидратации: 1. Переход ангидрита  в гипс по реакции СаSO₄+2H₂O→CaSO₄*2H₂O (реакция обратима при изменении условий). 2. Переход гематита в гидроокислы железа: Fе₂О₃+nН₂О→Fе₂О₃*nН₂О. При гидратации объем породы увеличивается, и покрывающие отложения деформируются.

3. Растворение — проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества . Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии при растворении твёрдых веществ и её уменьшением при растворении газов. При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физические свойства раствора (например, плотность, вязкость, цвет) меняются. 
В случае химического взаимодействия растворителя и растворённого вещества сильно меняются и химические свойства — например, при растворении газа хлороводорода в воде образуется жидкая соляная кислота. 
В нашем случае, под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходит растворение горных пород. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных горных породах – хлоридных, сульфатных и карбонатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды: соли натрия, калия и другие. За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, в частности гипс, за которыми следуют карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели. В результате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод на поверхности растворимых пород образуются карстовые формы рельефа (рис.2).

 

 

Рис.2.  Карстовые формы рельефа.*

9

4. Гидролиз. Сложный процесс гидролиза особенно большое значение имеет при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключается в разложении минералов, выносе отдельных элементов, а также в присоединении гидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичная кристаллическая структура минерала нарушается и перестраивается и может оказаться полностью разрушенной, и заменена новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным гипергенным минералам. В ряде случаев гипергенное преобразование силикатов и алюмосиликатов под влиянием воды, углекислоты и органических кислот протекает стадийно с образованием различных глинистых минералов. В качестве примера можно привести схему разложения полевых шпатов (полевой шпат →гидрослюда →каолинит→ гидраргиллит):

K[AlSi₃O₈] → (К,Н₃О)А1₂(ОН)₂[А1Si₃О₁₀]* Н₂O → Аl₄(ОН)₈[Si4O10]→Al(OH)₃.

При образовании из полевых  шпатов каолинита происходит несколько  превращений и реакций: 1. Все катионы  К, Na, Са при взаимодействии с углекислотой образуют истинные растворы карбонатов (СаСО₃, Na₂CО₃, К₂СОз) и бикарбонатов. В условиях влажного и теплого климата карбонаты выносятся за пределы; места их образования. В условиях сухого климата и недостатка влаги карбонаты остаются на месте, образуя твердую корку, или выпадают из раствора на некоторой глубине от поверхности. Такой процесс образования карбонатов называется карбонатизацией.

2. Каркасная структура  полевых шпатов превращается  в слоевую, свойственную каолиниту  и другим глинистым минералам.

3. Часть растворенного  кремнезема выносится водой, что  подтверждается наличием в твердом  стоке речных вод в среднею  около 11% SiO₂. Значительная часть выносимого кремнезема быстро переходит в коллоидальное состояние и выпадает в виде аморфного гидратированного осадка SiO₂·nН₂O, который при высыхании и частичной потере воды превращается в опал. Часть SiO₂ остается прочно связанной в каолините.

4. Присоединение гидроксильных  ионов в каолините. В результате  выветривания магматических и метаморфических горных .пород, богатых алюмосиликатами (гранитов, гранодиоритов, гнейсов и др.), образуются месторождения каолина. Каолинит в условиях земной поверхности достаточно устойчивый минерал. Но при благоприятных условиях - высокой температуре, большом количестве атмосферных осадков и огромном растительном отпаде - происходит дальнейшее разложение и образуются

10

наиболее устойчивые соединения - гидроокислы алюминия, такие, как гиббсит, или гидраргиллит.