Структура глинистих мінералів 2 1
Іншим важливим структурним розташуванням є структура 2:1, складена октаедричною сіткою, укладеною між двома тетраедричними, апікальні кисневі атоми яких направлені всередину з кожного боку октаедричної сітки. Узагальнення двох шарів апікальних киснів з октаедричною сіткою призводить до більш високому відношенню кисень: він у структурі 2:1, ніж в октаедричній сітці 1:1. Таку структуру мають решту групи глинистих мінералів, у тому числі найважливішими є група слюд, що включає звичайні слюдисті мінерали та іліт, група смектитов і група хлоритів.
Ілліт - це термін, що використовується для опису слюдоподібних тонкодисперсних мінералів, і він не є специфічною назвою мінералу; проте загалом склад ілітів близький до слюди мусковіту (див. рис). У структурі мусковита один із кожних чотирьох атомів кремнію в тетраедрах заміщений на алюміній. Постійне заміщення чотиривалентного кремнію на тривалентний алюміній призводить до того, що тетраедричний шар у мусковит несе сильний негативний негативний заряд. В ідеалі іліти мають діоктаедричну структуру, але деякі атоми алюмінію в октаедрах заміщені на Fe 2+ і Mg 2+ , в результаті чого октаедричний шар набуває чистого негативного заряду.
Загалом пакети 2:1 в іліті несуть сильний чистий негативний заряд, відомий як заряд шару. Він нейтралізується великими катіонами, зазвичай К + , який розташовується між пакетами 2:1 і зв'язаний іонним зв'язком у шестерній координації з базальними киснями протилежних тетраедричних сіток.
Важливо, що зв'язування між пакетами 2:1 не може бути здійснено водневими зв'язками за допомогою ОН-груп (як у каолініті), оскільки на зовнішніх поверхняхкожного пакета 2:1 знаходяться лише базальні тетраедричні атоми кисню. Більш того, іонний зв'язок між К+ міжпакетного простору та тетраедричними киснями досить сильний, що надає іллітовим глинам стійкість. Це є причиною їх поширеності у продуктах вивітрювання, особливо в помірному та холодному кліматі.
Смектитовая група глинистих мінералів структурою близька до иллитам. В октаедричних позиціях поширене заміщення А1 3+ на Mg 2+ і Fe 2+ , а також відбувається заміщення деякої кількості Si 4+ на А1 3+ тетраедрах, що призводить до чистого негативного заряду шару. Однак за силою цей заряд становить одну третину заряду шару в іліті. Отже, смектити не здатні ефективно зв'язувати міжпакетні катіони, і пакети 2:1 не міцно пов'язані між собою. Це дозволяє воді та іншим полярним розчинникам проникати у міжпакетний простір, викликаючи набухання мінералу. З водою в міжпакетний простір входять також і катіони, особливо Н + , Na +, Ca 2 + і Mg 2 +, які нейтралізують негативний заряд. Зв'язок між пакетами 2:1 здійснюється за допомогою прошарку гідратованих катіонів - поєднанням водневих зв'язків та сил Ван-дер-Ваальса. Ці слабкі зв'язки вільно утримують катіони міжпакетному просторі, дозволяючи їм заміщатися інші катіони.
В результаті подібної структури іллітів і смектит пакети 2:1 можуть змішуватися або перешаровуватися, утворюючи змішано-пошарові глини. Більшість ілітів і смектитов невеликою мірою перешаровуються, але вони не класифікуються як такі до визначення за допомогою рентгенівських променів. Як і слід очікувати, змішаношарові ілліт-смектитові глини мають середню ємність катіонного обміну між членами кінцевого ряду.
Отже, урезультаті вивітрювання, що відбувається під впливом механічних, хімічних і біохімічних факторів, у зовнішній частині літосфери виникають дві групи продуктів вивітрювання: рухомі, що відносяться з місця їх утворення на різні відстані, і залишкові (незміщені), що виникли на місці вивітрювання гірської породи. Залишкові продукти вивітрювання прийнято називатиелювієм.
Верхня оболонка земної кори, складена продуктами вивітрювання, називається короювивітрювання.Тут гірські породи, повітря та життя приходять у тісний зіткнення. Глибина вивітрювання, тобто потужність кори вивітрювання, у різних районах земної кулі різна. Вивітрювання поширюється по тріщинах гірських порід до глибини кілька десятків, котрий іноді сотень метрів. Однак, як правило, воно відбувається головним чином у зоні, що лежить вище за рівень ґрунтових вод. Особливо потужна кора вивітрювання формується в умовах спекотного та вологого клімату тропічних та субтропічних областей, де вона досягає 100-200 м.
Поверхневий шар кори вивітрювання, розпушений і збагачений органічною речовиною, що володіє родючістю, утворює грунт. речовини, що утворився за рахунок життєдіяльності рослин та тварин, що забарвлює ґрунт у темний колір. Вивченням грунтів займається наукагрунтознавство.Гірські породи, на яких і за рахунок яких відбувається процес грунтоутворення і виникають грунти, називаютьсягрунтоутворюючими породами.
Гідросфера
Гідросфера – сукупність усіх природних вод Землі. З хімічної точки зору вона являє собою розчин або завис різних речовин у воді, причому їхконцентрація може бути невеликою. Рух речовини в гідросфері переважно односпрямований: зверху (де вода утворюється з водяної пари) донизу (куди вода стікає під дією сил тяжіння). Для того, щоб потрапити знизу вгору, речовина повинна вийти з гідросфери.
Оскільки гідросфера, на відміну атмосфери, — щільне середовище, перемішування речовини у ній відбувається досить повільно (середній час перемішування — 1600 років). Тому речовина в гідросфері перемішується переважно локально, і склад гідросфери, на відміну складу атмосфери, дуже неоднорідний. Відповідно, і хімічні процеси у різних частинах гідросфери можуть бути неоднаковими. Наприклад, хімія океанських і болотяних вод дуже різниться.
Реакції багатьох речовин у малих концентраціях від реакцій тієї ж речовин у великих концентраціях. Насамперед сильно загальмовано утворення опадів, оскільки для утворення зародка кристала потрібна певна кількість речовини.
Багато речовин у гідросфері присутні у вигляді різноманітних хімічних форм, між якими існує динамічна рівновага. Розподіл речовини формами залежить від наявності у розчині інших речовин.
Хоча прийнято говорити «у природній воді розчинені солі» жодних солей у природній воді насправді немає. Усі солі в природній воді дисоційовані, тому правильніше говорити, що у воді є ті чи інші іони. Оскільки видів іонів у природній воді багато, вони, залежно від умов, можуть по-різному об'єднуватись і давати різні солі. Наприклад, якщо у воді присутні хлориди, сульфати, іони магнію та натрію іони, вони можуть утворити такі солі як NaCl. Na2SO4, MgCl2, MgSO4.
Склад природної води
Основу гідросфери становить вода,якої розчинені різні речовини. Саме це різноманіття розчинених речовин забезпечує різні властивості природної води.
Джерела та стоки речовин, розчинених у воді
Види джерел
Вода у природі перебуває у постійному кругообігу. Вона випаровується з поверхні океанів, її пари переносяться вітрами, конденсуються, проливаються дощами і знову стікають в океан, дорогою омиваючи гірські породи. Частина води поглинається та випаровується рослинами, інша – стікає у підземні резервуари.
Найбільш чиста дощова вода, але і вона взаємодіє з пилом, що знаходиться в атмосфері, тому проливається вже з невеликою кількістю розчинених і зважених речовин. Крім того, у дощовій воді розчинені природні гази - N2, О2, CO2, SO2 і т.д. Потрапивши на поверхню Землі, вода частково стікає по поверхні в низини (так званий поверхневий стік), формуючи поверхневі водоймища (річки та озера).
Інша частина йде в підземні пори і тече ними. Частина її стікає у глибокі підземні шари, формуючи підземні води, частина, пройшовши довгий шлях під землею, зрештою, все одно опиняється у поверхневих водоймах (підземний стік). Дорогою розчинені у воді гази реагують з гірськими породами, а вода розчиняє підземні запаси солей. Причому чим довше вода пробула під землею, тим більше вона може розчинити. Джерелом розчинених речовин також може бути пил, що осідає на поверхню водойм. Наприклад, сушіння Аральського моря призвело до того, що величезні маси солі, що залишилася, були розвіяні вітром і випали на схід від Аральського моря, збільшивши концентрацію солей у водоймах цих місцевостей. Джерела розчинених речовин класифіковані малюнку.
Окрім зовнішніх джерелрозчинених речовин у водоймищі існують і внутрішні джерела. Різні речовини виділяються організмами, що живуть у водоймах. Речовини можуть переходити в товщу води з донних відкладень, а також утворюватися з інших речовин внаслідок хімічних реакцій.
Види стоків
Вимивання проточними водами. Найбільш потужний стік у проточних прісних водоймах – розчинені речовини стікають у моря, підземні води чи безстічні озера.
Винос вітром (еоловий винос). Під час штормів вітер зриває дрібні крапельки води з поверхні водойм. Таким чином, відбувається винесення розчинених речовин із водойми. Хоча вітром уноситься, як правило, незначна частка розчинених речовин, ці речовини, переносячи на сушу, можуть суттєво впливати на хімічний склад прибережних водойм. Найбільш істотну роль грає еоловий винос із поверхні океанів.
Кристалізація.В результаті випаровування води концентрація розчинених речовин підвищується і в результаті розчин може виявитися насиченим. Насичення розчину може й у результаті зниження температури, т.к. від неї залежить розчинність солей (див. рис). Тоді розчинені речовини (насамперед солі) випадають в осад (кристалізуються). Чим менша розчинність солі, тим за більш високої температури вона кристалізується. Однак цей процес має значення лише для іонів, концентрація яких у воді досить велика.
Адсорбція на завислих частинках. Багато розчинені речовини здатні адсорбуватися на поверхні завислих частинок. Коли зважені частки осідають, адсорбована речовина перетворюється на донні відкладення, виводячи цим із водойми.
Хімічні реакції у водоймі. Розчинені у воді речовини можутьвступати між собою у різні реакції. В результаті вони перетворюються на інші розчинні речовини, тобто переходять на інші форми. Наприклад, іон Hg 2+ , потрапивши у водойму, що містить хлориди, перетворюється на нейтральну частинку HgCl2. Органічні речовини можуть руйнуватися і таким чином йти з водойми. В результаті хімічних реакцій можуть утворюватися леткі або нерозчинні речовини. Перші йдуть у атмосферу, другі — у донні відкладення. Наприклад, іони двовалентного заліза, окислюючись киснем повітря в присутності гідрокарбонатів, осідають у вигляді гідроксиду заліза (III):
4Fe 2+ + О2 + 10НСО 3 – + Н2О = 4Fe(OH)3 + 10СО2.
Часто хімічні реакції починаються при концентруванні води шляхом випаровування, як це відбувається в океанах або озерах безстічних. Наприклад, при збільшенні концентрації, іони кальцію починають реагувати з гідрокарбонат-іонами:
Тому в більшості річок основну масу іонів складають гідрокарбонат – іони та іони кальцію та магнію, а в океанах та безстічних озерах їхня частка у загальній масі іонів невелика.
Поглинання живими організмами. Розчинені та зважені речовини можуть поглинатися живими організмами. Далі у таких речовин два шляхи: перебратися разом із організмом на сушу, чи після загибелі організму опинитися у донних відкладеннях. Причому і в тому, і в іншому випадку речовина може пройти через довгий харчовий ланцюг. Наприклад, важкі метали спочатку накопичуються у рачках-фільтрантах. Частина рачків відмирає, та його тіла, разом із накопиченими металами осідають на дно. Іншу частину поїдають риби, одержуючи разом із рачками важкі метали. Ці риби можуть осісти на дно після смерті, а можуть бути з'їдені птахами. У другому випадку важкі метали, що містилися в рибі, залишають водойму. Однакчастка важких металів, що залишили водоймище таким шляхом набагато менше, ніж частка важких металів, що осіли на дно. Живі організми можуть також перевести речовину на леткі форми. Наприклад, денітрифікуючі бактерії переводять нітрат – іони N2.
Схема стоків розчинених у питній воді речовин наведено малюнку.
