Геохимия коллоидных процессов и продуктов




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Геохимия коллоидных процессов и продуктов

Геохимия коллоидных процессов и продуктов

05.09.2017


Зона гипергенеза является главной областью зарождения и наиболее активного действия дисперсно-коллоидных систем. Последние образуются здесь вследствие постоянного разрушения минералов, пород и органического вещества — перехода материала в термодинамических условиях поверхностной геосферы из менее подвижного в более подвижное состояние.
Большую группу представляют минеральные дисперсноколлоидные системы кремнекислоты, глинозема, железа, марганца и других элементов. Огромное количество их мигрирует в поверхностных водах, особенно в областях с теплым и влажным климатом, где их образованию способствуют повышенные температуры и обилие воды. Известно, что в водах рек тропиков и влажных субтропиков содержится большое количество коллоидного и растворенного кремнезема, глинозема, гидратов железа, марганца, карбонатов кальция, магния и многих других элементов.
В воде океанов и морей дисперсно-коллоидные вещества представлены самыми разнообразными органо-минеральными и минеральными дисперсными системами, образующимися как за счет вносимого сюда материала речным стоком, так и за счет органического вещества гидросферы. Некоторые коллоиды оседают непосредственно при встрече с различными электролитами морской воды, другие оседают позднее, претерпев ряд сложных воздействий в результате процессов подводного выветривания. Так образуются на дне океанов и морей разнообразные морские илы, глинистые осадки, скопления железистых, марганцевых и других рудных отложений и пр.
Роль коллоидов в почвообразовании охарактеризована в многочисленных работах почвоведов. Среди них видное место занимают труды К.К. Гедройца, Матсона, И.Н. Антипова-Каратаева, Н.И. Горбунова. Коллоиды в земной коре и их участие в минералообразовании наиболее полно описаны в фундаментальной работе Ф.В. Чухрова.
В зависимости от знака заряда коллоиды разделяются на роложительные и отрицательные. К положительным коллоидам относятся: водные окислы железа, алюминия, хрома, титана, циркония, церия, кадмия и др.; к отрицательным — кремнезем, двуокись железа, двуокись марганца, сульфиды мышьяка, сурьмы, меди, свинца, ртути, кадмия и других металлов.
Некоторые коллоиды, например гидроокись железа, заряжаются положительно или отрицательно в зависимости от среды, в которой они образуются.
Для коллоидов характерна чрезвычайно большая удельная поверхность, которая в тысячи и миллионы раз больше, чем для частиц грубых дисперсий. Это вызывает наличие особых электрических поверхностных сил, с которыми связаны многие физические и геохимические свойства: способность к поглощению других веществ и к обменным реакциям образования коллоидных растворов, называемых золями (дисперсионная среда преобладает над дисперсной фазой) и гелями (дисперсная фаза представляет студнеобразную массу). Гели возникают в результате коагуляции лиофильных коллоидов. Наибольшее распространение в зоне гипергенеза имеют гидрозоли, кристаллозоли и гидрогели. Различают два основных типа водных золей: гидрофильные и гидрофобные. Первые характеризуются сильным взаимодействием между частицами и молекулами воды, вторые — отсутствием молекулярного взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой, они менее устойчивы и легче, осаждаются. Примером гидрофильного золя является кремнезем, а гидрофобного — гидроокись алюминия.
Остановимся несколько подробнее на способности коллоидов связывать и обменивать некоторые вещества. В зависимости от условий среды в одних случаях реакции поглощения и обмена катионов связаны с самыми разнообразными химическими, физическими и физико-химическими процессами; в других — преимущественно с деятельностью микроорганизмов.
Катионы, способные к обмену, К.К. Гедройц назвал обменными, а совокупность мелкодисперсных частиц, содержащих обменные катионы, — почвенным поглощающим комплексом. Установлено, что чем богаче химический состав коллоидов элементами, атомы которых имеют небольшие потенциалы ионизации (например, щелочные и щелочноземельные элементы), тем больше они содержат обменных катионов. Наибольшее участие в обменных реакциях принимают кальций, магний, натрий, водород, алюминий, железо, калий, фосфор и др. Сорбируются и обмениваются ионы противоположного электрического знака, т. е. отрицательные коллоиды поглощают из растворов катионы, положительные коллоиды — анионы.
К коллоидам, способным активно поглощать и обменивать катионы, относятся гумусовые вещества, гели кремнезема и глинозема, гидроокислы железа, марганца и др. Данные анализов органического вещества (угля, сапропелей, нефти) указывают на присутствие в них большого количества различных элементов. Глинистые коллоиды обладают большей избирательной сорбцией по отношению ко многим химическим элементам (К, Pb, Cs, Pt, Au, Ag, Hg, V и др.). Гидрозоли кремнезема активно поглощают радиоактивные элементы, гидрозоли железа — As, U, Р, в коллоидах марганца часто обнаруживают никель, кобальт, медь, цинк, ртуть, барий и другие катионы. Большой обменной способностью обладают монтмориллонит, бейделлит, нонтронит, слюды (флогопит) и др.; средней — хлориты, мусковит, полевые шпаты и др.; малой обменной способностью — кварц, каолинит, тальк.
Обмен катионов происходит в строгих количественных соотношениях в соответствии с законом действия масс. Он совершается как в диффузионном слое мицелл, так и в кристаллической решетке самих частиц. Более интенсивно происходит обмен при увеличении концентрации раствора, взаимодействующего с коллоидами. Обменная способность резко снижается с уменьшением частиц. Энергия обмена и поглощения катионов возрастает вместе с их валентностью. У катионов одной валентности энергия обмена и поглощения возрастает вместе с увеличением радиуса. Исключение из этой зависимости представляют NH4 и Н. Наиболее распространенные катионы по своей обменной энергии могут быть расположены в следующий ряд: Fe>Al > H> Ba > Ca > Mg > NH4 > K > Na. По энергии выхода из поглощенного состояния они располагаются в обратном порядке. При уменьшении pH среды обменная способность катионов уменьшается, при возрастании pH среды — увеличивается. С понижением значения pH обменная способность аниона возрастает. Влияние различных значений pH на обменную способность катионов и анионов объясняется изменением заряда ионов коллоидов. По энергии обмена анионы располагаются в следующем порядке: OH>PO4 > SiO3 > CO4 > Cl.
Чем выше валентность иона, тем энергичнее действует он как коагулятор и тем интенсивнее адсорбируется. Адсорбируемость простых ионов возрастает с увеличением их поляризуемости. Анионы, которые характеризуются большей величиной радиуса, чем катионы, поляризуются сильнее последних. Кислоты всегда адсорбируются лучше их солей.
В тех случаях, когда в растворе имеются различные ионы, каждый из них адсорбируется в меньших количествах, чем тогда, когда в растворе имеются лишь ионы одного из этих веществ. Сильнее адсорбирующиеся ионы вытесняют ионы, которые в сравнении с ними адсорбируются слабее.
Исключительно важное геохимическое значение имеет способность коллоидов к коагуляции (свертыванию) и пептизации (разделению на отдельные частицы). Указанные свойства коллоидов в настоящее время достаточно изучены на многочисленных образцах почво-грунтов и минералов.
В учении о коллоидах под коагуляцией понимается свертывание (сгущение) частиц в коллоидно-дисперсных системах под воздействием факторов дисперсионной среды. К таким факторам относятся: действия электролитов (катионов или анионов), взаимное свертывание (при разных знаках заряда), изменение температуры и состава дисперсионной среды и др.
Механизм коагуляции коллоидных частиц состоит в уменьшении гидратных расклинивающих оболочек на их поверхности и в параллельном снижении электрокинетического потенциала. В результате происходит выпадение хлопьевидного осадка (коагулята) или образование сплошной структуры застудневания.
Для понимания явлений коагуляции коллоидов важное значение имеет изучение порогов ее для различных высокомолекулярных систем, взаимодействия минеральных и органических коллоидов, структуры коагелей, процессов перехода из золя в гель и обратно. На изучение этих вопросов в настоящее время обращено большое внимание.
Под пептизацией понимается разделение рыхлых агрегатов на отдельные первичные частицы, ведущие к повышению дисперсности коллоидной системы. Под влиянием адсорбционного воздействия пептизаторов происходит разрушение сил сцепления между частицами (коагуляционных сил) и увеличение числа свободных частиц дисперсной фазы в единице объема.
Наибольшее значение как пептизатор имеет натрий, как коагулятор — кальций. Общей закономерностью, установленной в отношении коагуляции и пептизации является то, что одновалетные катионы, особенно имеющие малый ионный радиус и большие гидратные оболочки, способствуют пептизации, двух- и трехвалентные катионы снижают ее. Гидрофильные коллоиды по сравнению с гидрофобными значительно труднее подвергаются коагуляции.
Важнейшим свойством коллоидов является большая подвижность их в результате непрерывного развития в зоне гипергенеза геохимических процессов. Вместе с ними перемещаются и перераспределяются различные химические элементы, которые в зависимости от условий концентрируются или рассеиваются в минералах и породах.
В коллоидном и растворенном состоянии передвигаются огромные массы кремнезема, глинозема, гумусовых веществ, водной окиси железа, карбонатов кальция и магния, сульфатов, хлоридов. Вместе с ними мигрируют и многие другие элементы, содержащиеся в растворах в малых и ультрамалых количествах.
Факторы, вызывающие коагуляцию коллоидов, препятствуют миграции вещества в коллоидном состоянии; факторы, вызывающие пептизацию коллоидов, наоборот, способствуют коллоидной миграции. Частицы лиофобных коллоидов (гидрозоли металлов, сульфиды и др.) обладают большей способностью к слипанию и коагуляции при действии электролитов, чем частицы лиофильных (гидрофильных) коллоидов. Лиофильные коллоиды значительно более устойчивы по отношению к электролитам и только при большом количестве последних способны образовывать хлопьевидные осадки.
Коллоидные частицы, попадающие в результате переноса в бассейн, отлагаются различными способами: с более крупными частицами, к поверхности которых они прилипают; при действии коллоидов друг на друга; электролитами, находящимися в растворе.
Как показали исследования В. Правдича при переходе из пресноводной среды в морскую соленую происходит перезарядка осадочных частиц. Правдич изучил электрокинетические потенциалы донных осадков в воде различной солености. Если в пресной воде все пробы имели отрицательный заряд, то переход к положительным зарядам начинался при солености выше 1,8%, при солености 6% в 16 случаях из 21 отмечался положительный заряд. Как отмечает этот автор, в морской воде все пробы были заряжены положительно. Это явление может привести к десорбции катионов, сорбированных на суше на отрицательно заряженных частицах, их гидролизу и седиментации на дно. Наоборот, в морской воде на положительно заряженных частицах осадочного материала могут адсорбироваться анионы. Экспериментальное изучение явлений ионного обмена в суспензии глинистого вещества при взаимодействии с морской водой провел Андре Монако. Опыты заключались в том, что глинистая фракция речных осадков в течение 10—15 дней выдерживалась в морской воде нормальной солености (37%о). В результате опытов установлено, что в наибольшей степени сорбция катионов характерна для Na+, содержание которого повысилось с 10,4 до 120 мг-экв/100 г.
Для K+ и Mg2+ эти явления менее выражены: содержание К+ увеличилось на 2—4 мг*экв/100 г, Mg2+ — 10—15 мг*экв/100 г. В противоположность вышеназванным катионам Ca2+ подвержен десорбции, его содержание в глинистой фракции речной взвеси уменьшается на 1—7 мг*экв/100 г.
С коллоидным процессом связано образование многообразных минералов. По составу они представлены минеральными, органическими и комплексными (минерально-органическими). Одни из них являются кристаллическими, другие аморфными.
В Институте геохимии и геофизики АН Белоруссии ведутся исследования в области изучения поглощенного комплекса глинисто-коллоидных фракций различных генетических типов четвертичных отложений Белоруссии. Изучены формы нахождения ряда микроэлементов в глинисто-коллоидных фракциях аллювиальных, озерно-аллювиальных и лессовых отложений (Cu2+, Mn2+, V5+, Sr2+, Ba2+, Ni2+, Cr3+, Ti4+, а также Al3+ и Fe3+).
Установлено, что связь микроэлементов с поглощающим комплексом и их поведение определяются разными факторами: а) поведение хрома и никеля — главным образом содержанием в поглощенном комплексе окислов и гидроокислов железа; б) ванадия и марганца, а также частично кальция, магния и калия — поглощающей способностью органического вещества; в) медь и частично барий не обнаруживают прямой связи с адсорбцией их органическим веществом (возможно, они входят в прочно связанные металлорганические соединения).
Из изученных пород наиболее активными адсорбентами микроэлементов являются лессовые и аллювиальные глины, содержащие органическое вещество.
Поглощенный комплекс как индикатор геохимических процессов широко используется в почвоведении при изучении палеосолености. Например, О.Ф. Сафонова, использовала состав поглощенного комплекса катионов для фациального разделения нижнемеловых кор выветривания, развитых на базальтах и сформировавшихся в условиях жаркого и влажного климата (рис. 12), а также для реконструкции катионного состава циркулировавших растворов в период формирования профиля выветривания.

Состав поглощенного комплекса катионов коры выветривания расчлененного пенеплена отличается от коры выветривания низкого пенеплена большим разнообразием компонентов (наряду с щелочными и щелочноземельными элементами в нем присутствуют обменные H+, Al3+, Fe3+, Fe2+). По-видимому, процесс выветривания в разрезе коры выветривания расчлененного пенеплена был более глубоким, что вызвало сильное разрушение кристаллической решетки многих минералов и переход элементов в обменное состояние.
Исследования, проведенные О. Ф. Сафоновой, показали также, что в составе вод, более циркулировавших в коре выветривания низкого пенеплена наблюдается существенное увеличение суммы катионов кальция и магния по сравнению с составом вод расчлененного пенеплена.
Минерализация и катионный состав циркулировавших растворов в обоих разрезах рассчитывались по одному и тому же минералу — монтмориллониту. В расчетах использовались экспериментальные данные Н.С. Спиро и К/С. Бонч-Оcмоловской, в которых установлена зависимость поглощенного комплекса глинистых пород от содержания элементов в равновесных растворах.