В большинстве случаев природные процессы выветривания и гипергенного минералообразования сопровождаются поглощением воды, без разложения вещества, к которому она присоединяется, как при гидролизе. Эти процессы получили название гидратации, а химические соединения — гидратов. В гидратации участвуют в основном два вида воды: 1) связанная вода — кристаллизационная, входящая в кристаллические решетки минералов и 2) свободная вода, не участвующая в строении кристаллического вещества: а) находящаяся в свободных пустотах (цеолитная вода), б) сорбированная поверхностью вещества (адсорбированная вода). Гидратация осуществляется в результате сил молекулярного взаимодействия молекул H2O и гидратируемого вещества. При этом молекулы воды, присоединяясь к минералу, занимают в его кристаллической решетке строго определенные места.
В гидратированных минералах молекулы воды могут быть связаны с катионами, входящими в состав соединений, а также с ионами кислорода в случае гидратов гидроокисей и кислородных солей. Связь молекул воды с катионами по своей природе является в основном электростатической, а с ионами кислорода —- гидроксильной. В ряде случаев образуются соединения с большим числом гидратов воды (глауберова соль, сода и др.). Для сернокислой меди известны одноводный гидрат CuSO4*H2O, трехводный CuSO4*3H2O и пятиводный CuSO4*5Н2О (медный купорос). Гидраты солей, кислот и оснований составляют обширный класс кристаллических соединений, получивших название кристаллогидратов. К кристаллогидратам относятся только те соединения, которые содержат отдельные молекулы H2O; соединения окислов и гидроокислов, не содержащие молекулы воды, представляют собой самостоятельную группу гидроокисей. В них вода является конституционной в отличие от кристаллизационной воды, содержащейся в гидратах.
Наиболее многочисленны примеры гидратации, связанные с кристаллизацией солей. Озерно-соляные отложения,как и солевые выцветы на поверхности почв, дают многочисленные образования этой категории. Особенно распространены многие природные сульфаты: мирабилит (глауберова соль) Na2SO4*10H2O, гипс CaSO4*2H2O, кизерит MgSO4*H2O, эпсомит (горькая соль) MgSO4*7H2O, мелантерит FeSO4*7H2O и др. Встречаются они также среди галоидных солей (бишофит MgCl2*6Н2О, карналлит KMgCl3*6Н2O), карбонатов (сода Na2CO3-IOH2O, термонатрит Na2CO3*H2O и другие более или менее растворимые соли).
Гидратация является, несомненно, одним из первых моментов выветривания гипогенных минералов и изменения их свойств, ибо по понятным причинам они в дальнейшем легче адсорбируют газы и пары CO2 и разрушаются, причем продукты этого разрушения также поглощают воду, давая характерные для коры выветривания сорбционные соединения типа (mАl2O3*pSiO2*nH2O), коллоидальные формы кремнезема (SiO2-RH2O, гидроокиси железа (Fe2O3*nH2O) и т. д.
Сорбционная вода может быть адсорбированной, т. е. поглощенной поверхностью вещества и абсорбированной — поглощенной во внутрь вещества. В первом случае господствует физическая сорбция, она характеризуется слабой связью адсорбата и адсорбента, во-втором — химическая сорбция с прочной химической связью адсорбента. С сорбцией связано поглощение минералами многих химических элементов, находящихся в растворах.
Цеолитные свойства воды получили свое название от группы минералов цеолитов, в которых особенно ярко проявляются специфические свойства ее нахождения — в свободных полостях вдоль каналов и в межслоевых пространствах. Количество воды в цеолитах может меняться без нарушения кристаллической однородности вещества с постепенным изменением физических свойств. Обезвоженные медленным нагреванием цеолиты вновь способны поглощать воду с восстановлением прежних физических свойств (показателей преломления, удельного веса и др.).
Реакции гидратации в большинстве случаев являются обратимыми. При изменении температуры и давления может происходить обезвоживание гидратных соединений, т. е. дегидратация их. Характерными примерами этого процесса, как известно, являются переходы гипса в ангидрит (CaSO4*2Н2O — CaSO4+2Н2O), глауберовой соли в тенардит (Na2SO4*10Н2О — Na2SO4+10Н2О), соды в трону (3Na2СО3*H2O+CO2 — 2Nа3Н(СО3)2*2Н2О) и случаи полной или частичной потери кристаллизационной воды.
Весьма распространенным явлением дегидратации в природных условиях является переход гелей в твердые кристаллические минералы, например образование гидрогематита и турьита из лимонита и других гидратов железа. Есть основания предполагать, что в коре выветривания, подвергнутой прямому действию солнечных лучей, происходит дегидратация некоторых органических и минеральных гидратных соединений почвы и потеря кристаллизационной воды некоторыми солями, не говоря уже о потере воды у абсорбционных коллоидных соединений. Процессы дегидратации весьма широко протекают в жарких пустынных областях.
В качестве ярких примеров дегидратации можно указать на гипс, мирабилит и другие минералы. Как указывает А.В. Сидоренко, широко распространенный в пустыне гипс под воздействием высокой температуры обезвоживается и превращается в более или менее рыхлую массу. Это явление сопровождается расщеплением минерала по плоскости спайности трещинами. Подобные явления наблюдаются в пустынях Кара-Кум, Кызыл-Кум и др. С воздействием Солнца связано образование полугидрата гипса при выветривании серы, что подтверждается нахождением его в месторождениях серы. В результате обезвоживания мирабилита образуется белый рыхлый порошок безводного сульфата натрия.
На серных буграх в центральных областях пустыни Кара-Кум встречаются светло-серые песчаники, переходящие на поверхности в красные и розово-красные. Эти цвета песчаников обладают особенно большой интенсивностью в обнаженных, обращенных на юг, и меньшей — на северных склонах, где они слабо нагреваются солнцем. Пестро-красная окраска вызвана обезвоживанием гидроокислов железа и переходом их в гематит. Кремневые отложения, находящиеся на дневной поверхности, содержат меньше воды, чем подобные образования, залегающие на некоторой глубине.
На основании сказанного геохимическое значение гидратации и дегидратации можно охарактеризовать следующим образом:
- гидратация сопровождается образованием большой группы водных минеральных соединений, в которых важную роль играют электрически нейтральные молекулы воды;
- гидратация и дегидратация играют большую роль в гипергенном преобразовании минералов, изменения их состава и свойств в зависимости от условий температуры, давления, миграции паров, газов и др.;
- гидратные соединения типа кристаллогидратов могут рассматриваться как комплексные соединения, в которых молекулы воды как структурные единицы располагаются в определенной координации вокруг тех или иных катионов и ионов (например, в кристаллической структуре NiSO4*6H2O шесть молекул воды непосредственно окружают катион Ni2+);
- с гидратацией минералов часто связана селективная адсорбция катионов отдельных элементов, например, катионов калия, бария, лития, никеля, радиоактивных элементов и др.
Главная