Химическое выветривание. 
Процессы выветривания

Химическое выветривание — это разрушение горных пород при взаимодействии их с химически активными элементами (кислородом, углекислым газом, органическими кислотами). Этот тип выветривания особенно заметен в породах, содержащих железо, — они покрываются бурой коркой. Главными районами земного шара, где происходит подобный процесс, являются экваториальные и тропические широты. Здесь горные породы разрушаются дождевой водой с растворенными в ней химически активными элементами.

Для этого типа выветривания характерно накопление в озерах и болотах полезных ископаемых: бокситов, фосфоритов, никеля, кобальта, осадочного железа (Г.В. Добровольский, 1990).

При химическом выветривании наиболее распространенными являются реакции окисления, гидратации и дегидратации, гидролиза, растворения и обмена. В результате окисления происходит присоединение кислорода аще всего окисляются соли металлов, особенно железа. Например, пирит при взаимодействии с кислородом и водой претерпевает следующие изменения:

• 2FeS₂+ 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄;
• 12FeSO₄ + 6H₂O+3O₂ = 4Fe₂(SO4)₃ + 4Fe (OH)₃
• 2Fe₂(SO4)₃ + 9H₂O = 2Fe₂O₈· 3H₂O + 6H₂SO₄.

Лимонит В результате реакций образуются лимонит (минерал красного цвета) и серная кислота. Лимонит обладает способностью впитывать воду.

Гидратация — реакция, протекающая с присоединением воды. Например, окись железагематит (красная железная руда), взаимодействуя с водой образует гидроокись или тот же лимонит.

2FeO₃+ ЗН₂О = 2Fe₂O₃ · 3Н₂О Гидролиз — реакция взаимодействия алюмосиликатов с водой и углекислотой, сопровождающаяся отщеплением катионов Са2+, Mg2± или К+ из минералов с одновременным замещением их водородом. В земной коре наиболее распространены полевые шпаты, которые в условиях влажного климата, взаимодействуя с водой и углекислотой, превращаются в каолинит по схеме:

KAlSi₃O₈+H2O>HAlSi₃O₈+KOH.

Образующееся основание (KOH) создает в растворе щелочную среду, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решётки ортоклаза. При наличии CO2, KOH переходит в форму карбоната:

2KOH+CO₂=K₂CO₃+H₂O.

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: К_В = [H⁺] [OH^-] = 1· 10^-14, где К_В — ионное произведение воды в г/ион на литрах. Степень диссоциации воды возрастает с увеличением температуры, 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 алюминия Al (OH)₃ растворим как в кислой, так ив щелочной среде, выпадая в осадок при pH = 6−8. Кремнезем SiO₂ растворим в резко щелочной среде, будучи малоподвижным в интервале pH от 3 до 8 (В.П. Ковриго, 2000).

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 (по В. М. Гольдшмиту) 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 двухв алентное железо, соответствует 0,44 в. Для двухвалентной меди 0,35 в. 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 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. (В.П. Ковриго, 2000).

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 значительно повышает их растворимость (В.П. Ковриго, 2000).