Что такое химическое выветривание?
Что такое химическое выветривание?
Горные породы, почвы, минералы, древесина и даже искусственные материалы, подвергающиеся воздействию природных стихий, таких как воздух и вода, со временем претерпевают значительные изменения как в морфологии, так и в химическом составе и в конечном итоге разрушаются на более мелкие куски в результате процессов выветривания.
Когда выветривание происходит в результате химических реакций, которые изменяют химический состав таких веществ, как горные породы, почвы и минералы, этот процесс называется химическим выветриванием. Этот процесс происходит постепенно и приводит к образованию вторичных или новых минералов.
Наиболее распространенными типами химических реакций, вызывающих химическое выветривание, являются окисление, гидролиз, гидратация, карбонизация и восстановление. Ниже мы обсудим эти процессы и рассмотрим, как они влияют на горные породы.
Каковы процессы химического выветривания?
Теперь, когда у нас есть общее представление о том, что такое химическое выветривание, давайте рассмотрим различные процессы, посредством которых происходит химическое выветривание горных пород.
1. Окисление
В случае химического выветривания горных пород окисление относится к добавлению и соединению кислорода с минералами горных пород. Горные породы подвергаются окислению, когда некоторые минералы в породе вступают в реакцию с кислородом, присутствующим в почвенной воде или в атмосфере. В присутствии влаги процесс окисления ускоряется. В конечном результате образуются гидратированные оксиды.
Большинство из нас знакомы с реакцией окисления при ржавлении. Это результат реакции, в результате которой железо (в форме Fe2+) вступает в реакцию с кислородом с образованием оксидов и гидроксидов Fe3+. Ржавление металлических предметов, которые мы используем в повседневной жизни, часто приводит к разрушению предмета, поскольку проржавевшие детали становятся хрупкими и легко ломаются. Аналогичные химические реакции происходят и в породах с содержанием железа.
Пример реакции окисления , которая происходит в породе , выглядит следующим образом:
4FeO (оксид железа) + O2 → 2Fe2O3 (оксид железа)
4Fe3O4 (магнетит) + O2 → 6Fe2O3 (гематит)
Породы с содержанием железа, подвергающиеся окислению, часто приобретают красновато-коричневый цвет, что указывает на то, что порода подвергается окислению.
В присутствии влаги реакция протекает дальше с получением:
2Fe2O3 (гематит) + 3H2O -> 2Fe2O3 .3H2O (лимонит)
2. Гидролиз
Гидролиз можно рассматривать как еще один важный процесс химического выветривания. Термин гидролиз происходит от "гидро", означающего воду, и "лизис", означающего разрушение. В основе этого процесса лежит диссоциация воды на ионы водорода (H+) и гидроксида (OH-). Эти ионы вступают в реакцию с минералами, присутствующими в горных породах, вызывая изменения в составе горных пород. Чаще всего гидролизуются силикатные и карбонатные минералы.
В идеальных условиях чистая вода слегка ионизируется с образованием ионов H + и OH-, которые затем вступают в реакцию с минералами и гидролизуют их. Теоретически, при наличии достаточного количества воды исходный минерал будет полностью растворен. Например:
Мг2СиО4 + 4 ч+ + 4 О− ⇌ 2 Мг2+ + 4 О− + Ч4СиО4
Однако на самом деле вода редко отдает ионы H+. Однако ситуация меняется, если присутствует углекислый газ. Газ легко растворяется в воде с образованием слабой углекислоты, которая затем действует как донор Н +.
Реакция происходит следующим образом:
Мг2СиО4 + 4 СО2 + 4 ч2O ⇌ 2 Мг2+ + 4 HCO3− + Ч4СиО4
Гидролиз полевого шпата с получением глинистых минералов является классическим примером химического выветривания горных пород путем гидролиза.
Реакция происходит следующим образом:
2 Кальси3O8 (алюмосиликатный полевой шпат) + 2 Ч2СО3 + 9 Ч2O ⇌ Эл2Si2O5(О)4 (Каолинит, глинистый минерал) + 4 ч4СиО4 + 2 К+ + 2 HCO3−
Некоторые химические компоненты горных пород, такие как хлорид натрия, непосредственно растворяются в воде. Растворение таких веществ водой приводит к размягчению породы, в конечном итоге разрушая ее на куски. Подкисление воды ускоряет этот процесс.
3. Увлажнение
Гидратация также является одним из процессов, посредством которых происходит химическое выветривание. При гидратации минерал вступает в реакцию с водой, что приводит к жесткому присоединению ионов H + и OH-, полученных из воды, к молекулам и атомам минерала. Поглощение воды минералом приводит к увеличению объема породы, что приводит к возникновению физических напряжений внутри породы и в конечном итоге приводит к разрушению породы. Оксид железа, оксид алюминия, ангидрит и т.д. - вот некоторые из минералов горных пород, которые подвергаются гидратации. Два примера такой реакции приведены ниже:
2Fe2O3 (гематит) + 3H2O → 2Fe2O3.3H2O (лимонит)
Al2O3 (боксит) + 3H2O → Al2O3.3H2O (гидроксид алюминия)
4. Карбонизация
Карбонизация также приводит к химическому выветриванию горных пород, почв и минералов. Карбонизация относится к связыванию диоксида углерода с субстратами посредством двухстадийной реакции. Во-первых, углекислый газ вступает в реакцию с водой с образованием углекислоты. Затем углекислота вступает в реакцию с минералами в горных породах с образованием карбонатов или бикарбонатов. Карбонизация горных пород, содержащих карбонат кальция (известняк), является распространенным процессом химического выветривания, который приводит к образованию бикарбоната кальция, хорошо растворимого в воде. Такие реакции приводят к образованию полостей в известняке, которые в конечном итоге образуют известняковые пещеры. Реакции карбонизации протекают быстрее при низких температурах, потому что в холодной воде растворяется больше углекислого газа, чем в более теплой воде.
Реакция карбонизации известняка представлена ниже:
Первая стадия реакции: образование углекислоты в результате реакции воды и углекислого газа.
СО2 + Ч2O → H2СО3
Вторая стадия реакции: образование карбоната кальция путем реакции между угольной кислотой и карбонатом кальция.
H2СО3 + CaCO3 → Ca(HCO3)2
5. Сокращение
Удаление O2 из горного минерала, приводящее к образованию восстановленного вторичного минерала, также является одним из процессов химического выветривания. Реакции восстановления являются обычным явлением в условиях переувлажнения, поскольку отсутствие или низкий уровень кислорода в таких средах вызывает реакции восстановления в горных породах. Пример такой реакции приведен ниже:
2Fe2O3 (гематит) - O2 → 4FeO (оксид железа)
Конечный результат химического выветривания горных пород
Химическое выветривание в результате вышеуказанных процессов служит для изменения химического состава горных пород. Это также делает камни более хрупкими или делает минералы горных пород более растворимыми в воде. Таким образом, породы начинают разрушаться и в конечном итоге разрушаются на более мелкие куски в течение определенного периода времени, после чего эрозионные силы удаляют куски породы с места их происхождения и уносят их в отдаленные места с дальнейшей деградацией и диссоциацией.
