измененные остатки, которые формируют основу почв. Можно рассматривать процессы выветривания, — а физическое и химическое выветривание обычно действуют вместе — как приспособление пород и минералов, образовавшихся при высоких температурах и давлениях, к условиям на поверхности Земли с низкими температурой и давлением. Минералогические изменения происходят для того, чтобы соединение вновь приобрело устойчивость В новой окружающей среде.

<•- 1822

82 ГЛАВА 3

НАЗЕМНАЯ СРЕДА 83

3.4. Механизмы химического выветривания

Известны различные механизмы химического выветривания, разнообразные сочетания которых действуют одновременно в ходе процессов разрушения большинства пород и минералов.

3.4.1. Растворение

(3.3)

, + С17.

Простейшая реакция выветривания — это растворение минералов. Молекула воды (см. вставку 3.1) эффективна при разрыве ионных связей (см. вставку 3.3), например таких, которые соединяют ионы натрия (Na+) и хлора (СГ) в галите (каменная соль). Мы можем выразить растворение галита упрощенно, т. е.

NaCl,T„

(галит)

Это реакция диссоциации (распада целого на части) галита на свободные ионы с образованием раствора электролита. В ней не участвуют ионы водорода (Н+), т. е. процесс не зависит от рН.

3.4.2. Окисление

Свободный кислород играет большую роль при разложении веществ в восстановленной форме (вставка 3.5). Например, окисление восстановленного железа (Fe2+) и серы (S) в обычном сульфиде, пирите (FeS2), приводит к образованию сильной серной кислоты (H2SO4):

2FeS2(IB)+7'/s 02(Г)+7Н20(Ж| -» 2Fe(OH)j(„) + H2S04(B(m). (3.4)

Сульфиды часто встречаются в алеврито-глинистых породах, рудных жилах и угольных отложениях. При разработке рудных и угольных месторождений сульфид остается в отработанной породе, которая накапливается в отвалах. Такие отвалы пустой породы имеют большие поверхности, подверженные влиянию атмосферы, где окисление сульфидов происходит быстро и в больших масштабах. Кроме того, заброшенные рудные выработки быстро затопляются грунтовыми водами. Образование серной кислоты делает дренажные воды с заброшенных рудников сильно кислыми (рН до 1 или 2). Такая кислотность может увеличить растворимость алюминия и стать причиной токсичности для водных экосистем (см. п. 3.7.3.). В окисление сульфидов вовлечены

i

?

84

ГЛАВА 3

НАЗЕМНАЯ СРЕДА

85

ВСТАВКА 3.5. (Продолжеше)

приписан электродный потенциал (Е°), равный 0 (при стандартных температуре и давлении). Все остальные электродные потенциалы измеряются относительно этого значения (см. Приложение 1). Положительное значение Е° показывает, что реакция протекает самопроизвольно [например, восстановление газообразного фтора (степень окисления 0) до фтора (F~, степень окисления -1)]. Отрицательное значение ?° показывает, что реакция протекает самопроизвольно в обратном направлении (например, окисление Li до Li*).

Чтобы рассчитать общее значение ?°, нужно объединить соответствующие полуреакции (обращая внимание на их стехиометрию). Например, реакция раствора Sn2* с раствором Fe3* состоит из двух полуреакций:

Fe]+ + е- -» Fe2+ ?" = 0,77 В, (5)

Sn4+ + 2е--> Sn2+ Е° = 0,15В. (6)

Их обьединение дает положительное значение Е°, что говорит о протекании прямой реакции:

2Fe3* + Sn2* -> 2Fe2+ + Sn4+. (7)

Для этой реакции Е° = 0,77 -0,15 = 0,62 V.

Способность любой природной среды осуществлять процессы окисления или восстановления количественно измеряется его окислительно-восстановительным потенциалом, или Eh (вставка 3.15).

микроорганизмы, что можно моделировать рядом реакций:

2FeS2(окисление пирита), (3.5) затем следует окисление закисного железа [Fe(II)]BOKHCHoe[Fe(III)]:

4FeЈ,„, + Овд + 10Н2О(ж) -> 4Ре(ОН)](п) + вНо™,,. (3.6)

Fe(II) Fe(III)

11 Названия организмов даны неточно: окисление железа в этом интервале рН осуществляют Thiobacillusferrooxidans и Leptospirillum ferro-oxidans — важнейшие агенты биогеотехнологии металлов. Thiobacillus thiooxidans и другие ацидофильные тионовые бактерии окисляют соединения серы до серной кислоты. Metallogenium окисляет Мп(П) при нейтральных значениях рН. — Прим. ред.

Окисление происходит очень медленно при низких значениях рН кислых рудниковых вод. Однако ниже рН 3,5 окисление железа катализируется железобактерией Thiobacillus thiooxidans (вставка 3.6). При рН 3,5-4,5 окисление катализирует Metallogeniuml\ Окисное железо может далее взаимодействовать с пиритом:

I

FeS2(I„ + 14FeЈ„o + 8Н2Ом -» l5Fe&»o + 2SOi7„„,+ (бН^д,,.

(3.7)

При значениях рН намного выше 3 железо (III) осаждается как обычный оксид железа (III), гетит (FeOOH):

(3.8)

Fell,,,) + 2H20<«,-> FeOOH,„) + m*iKm).

Осажденный гетит покрывает дно ручьев и кирпичную кладку в виде характерного желто-оранжевого налета".

Бактерии используют соединения железа в целях получения энергии для своего метаболизма (например, окисление закисного железа в окисное). Поскольку эти бактерии извлекают энергию при окислении неорганических вещес