ИОННЫЙ ОБМЕН - обмен катионов между почвой и раствором. Поглотительная способность почв, минералов и пород. Ионообменные свойства минералов

ГЕОХИМИЯ ВОДЫ

 

ИОННЫЙ ОБМЕН - обмен катионов между почвой и раствором. Поглотительная способность почв, минералов и пород. Ионообменные свойства минералов

 

 

К. К. Гедройц доказал, что каждая почва, глина, (мелкоземистая порода содержат катионы, которые не входят в состав растворимых солей, но переходят в раствор при взаимодействии почвы (породы) с раствором соли. При этом часть катионов соли поглощается твердой фазой, т. е. происходит обмен катионов между почвой и раствором. Количество анионов раствора в большинстве случаев не меняется. Катионы твердой фазы, способные обмениваться на катионы раствора, назвал обменными катионами, а часть почв и пород, способную к обменным реакциям,— поглощающим Комплексом. Общее количество обменпых катионов (ем- йость поглощения) обычно не превышает 1%. Способностью поглощать катионы из раствора обладает преимущественно коллоидная фракция с диаметром частиц менее $>0002 мм.

 

 Поверхность отдельной коллоидпой частицы ничтожна, однако суммарная поверхность, рассчитанная на 1 г коллоидной фракции, в тысячи и миллионы раз больше, Щы для частиц, видимых простым глазом. Например, .поверхность 1 г различных глин колеблется от 10 до IQ0 м2. В связи с этим значительна и поверхностная Шергия коллоидов, которая проявляется в сорбции ионов. Эти явления имеют электрохимическую природу зависят от электрического заряда коллоидов: если они ряжены отрицательно, то поглощают катионы, если Положительно — анионы.

 

Глинистые минералы, гумус, гидроокислы марганца g некоторые другпе природные коллоиды заряжены отрицательно и поглощают из вод катионы. Помимо щелочных и щелочноземельных металлов, сорбируются и

 

 Само явление поглотительной способности почв, минералов и пород было установлено еще в античную эпоху. В середине fclX з. его описал английский химик п агроном Т. Уэ (Way). Однако сущность явления, его механизм не были поняты до рябот К. К. Гедропца, тяжелые металлы. Например, в почвах и осадочных породах часто встречаются черные примазки, конкреции, порошки гидроокислов марганца, содержащие примесь никеля, кобальта, меди, цинка, ртути, золота, бария и прочих металлов, сорбированных гидроокислами.

 

Коллоиды сорбируют ионы даже при их концентрациях в водах, далеких от насыщения. Поэтому поглощение ионов часто происходит из ненасыщенных растворов. Многие редкие элементы вообще не образуют насыщенных растворов, и для них ионная сорбция — важнейший путь, перехода в твердую фазу.

 

Обмен ионов может обусловливать изменение состава природных вод. Если, например, сульфатно-кальциевые (или магниевые) подземные воды мигрируют среди глинистых пород морского происхождения, обычно содержащих обменный натрий, то протекают реакции:

глина = 2Na+ + Са2+ + SO2- 2Na+ + SO2- +

-f- глина = Са2+,

глина = 2Na+ + Mg2+ -J- SO2" 2Na+ -f SO®- -J-

-f глина = Mg2"1".

 

Символом «глина = Са2+» обозначена глина, содержащая обменный кальций (или другой обменный катион). Так , происходит обмен катионов, количество аниона (SO2-) но меняется.

 

Постепенно весь обменный натрий переходит из глин в раствор, воды из сульфатных кальциевых (магниевых) превращаются в сульфатные натриевые, а поглощающий комплекс из типично морского^—натриевого становится типично континентальным — кальциево-магнневым. Возможны и обратные реакции: сульфатные натриевые воды, мигрируя среди горных пород, поглощающий комплекс которых насыщен кальцием, обменивают натрий на обменный кальций породы.

 

Таким образом, поглощающий комплекс является потенциальным источником катионов (и реже анионов), которые в процессе ионного обмена переводятся в раствор. Поэтому хотя обменные катионы ц анноны входят в состав твердых веществ, они обладают значительно большей миграционной способностью, чем необмерные. Иначе говоря, в глинистой фракции почв и пород содержатся две категории ионов: одни легко переходят в раствор и способны участвовать в реакциях, это обменные катионы и анионы; другие прочно закреплены в узлах кристаллических решеток и могут переходить в раствор лишь в результате разрушепия минералов в ходе длительных процессов выветривания.

 

Ионный обмен возможен и в термальных водах. Еще в XIX в. подобные свойства были обнаружены у анальцима, шабазита, гарматома, гейлапдита, натролита и других цеолитов — типичных гидротермальных минералов. В их кристаллической решетке часть Si4+ замещена на А13+, а недостающий положительный зарйд компенсирован катионами щелочных и щелочноземельных металлов, которые не связаны со строго определенным полоя;ением в решетке и способны к обмену. В гидротермальных условиях к ионному обмену способны даже такие минералы, как полевые шпаты и слюды, т. е. магматические алюмосиликаты. Эксперименты при t = 400—500°С показали, что Na+ и К+ санидина (полевой шпат) и нефелина могут взаимно замещаться. Ионный обмен К+, Li+, Na+, Rb+, Cs+ установлен и в опытах па других алюмосиликатах. .Предполагается, что для осуществления ионообменных реакций необходимы активные центры обмена, обязанные дефектам кристаллической решетки, существованию полостей и каналов, в которых располагаются обменные катиопы.

 

В гидротермальных условиях обмениваются преимущественно крупные маловалентные катионы "с низкими эками (Na+, К+, Са2+ и т. д.). Как и в случае галогене- 8а, эти закономерности, вероятно, связапы с законами геоэнергетики. Апатиты, слюды и глинистые минералы могут обменивать и анионы.

 

На контакте вод с сорбентами возникают сорбционные геохимические барьеры. Концентрация элементов на них происходит не только в результате обмена ионов', но и в результате поглощения целых молекул.

 

От ионного обмепа и состава обменных катионов во многом зависит плодородие почв, судьба вносимых минеральных удобрений (задержатся оня в почве или бу- ЙУт вымыты), фильтрация воды в оросительных каналах. Необходимо учитывать эти процессы и при поисках рудных месторождений.

 

Известно, что под влиянием грунтовых, пластовых п трещинных вод рудные тела частично разрушаются, рудные элементы переходят в подземные воды, образуя простые и комплексные ионы. При фильтрации таких вод через суглинки, глины и другие рыхлые отложения возникают ореолы рассеяния месторождений; концентрация элементов в ореолах часто не сопровождается формированием рудньус минералов. Например, известны безминеральные формы меди, свинца, -цинка, молибдена. На Урале, Алтае и в других рудных провинциях обнаружены поверхностные ореолы металлов в почвах и глинах, перекрывающих руды, залегающие па глубине в десятки метров. Механизм образования подобных ореолов недостаточно ясен, но важная роль сорбции очевидна. Сорбционные процессы, вероятно, были разнообразными — наряду с ионным обменом'' могли иметь место и другие виды сорбции. Не исключено, что на первом этапе шел обмен ионов, а затем обменные катионы прочно закреплялись в почвах и становились необменными. На выявлении таких ореолов основаны особые варианты геохимических методов поисков руд: сорбционно-солевой, почвенно-гидрохимическая съемка и т. д.

 

Ионообменные свойства минералов широко используются в промышленности. Цеолиты и другие минералы являются хорошими молекулярными ситами: они очищают сточные воды, разделяют бензины и другие органические жидкости на фракции, смягчают воду и т. д.

 

Классификация вод по составу ионов. Как мы убедились, ионный состав вод определяет их важные геохимические особенности, использование в народном хозяйстве. и медицине — пригодность для водоснабжения, орошения, лечения болезней и т. д. Поэтому определение в водах шести главных ионов выполняется при любых исследованиях вод. Объем информации по данному вопросу огромен. Это, естественно, вызвало необходимость классифицировать воды по ионному составу, но преобладанию тех или иных ведущих ионов (при этом учитывают не весовые, а эквивалентные количества ионов). Существует много подобных классификаций, но все авторы считают, что таксономическое значение анионов выше, чем катионов. В результате воды разделены на три основных класса: гидрокарбонатные и карбонатные, сульфатные п хлорпдпые. Подобную классификацию на ионной основе разработал в 1970 г. О. А. Алекпн ( 7).

 

Сказанные классы вод он расчленил по преобладающим -|$атионам на три группы: кальциевую, магпиевую и натриевую. В пределах групп по соотношению ионов устанавливаются четыре типа вод:

г, НСО" > Са2+ + Mg2+,

НСО- < са2+ + Mg2+ < НСО- + SO*-, НСО" + SO®- < Caa+Mg2+ или СГ > Na+, " НСО- = 0.

 

На основе соотношений между ионами построены также химические классификации вод О. А. Бозояиа, А. А. Бродского, М. Г. Валяшко, К. Е. Питьевой, 18. А. Прикланского, В. А. Сулнна, Н. И. Толстихипа, "С А. Щукарева и др. Используя математическую теорию соединений (комбинаторику) ц вводя ряд ограничений, О. С. Джикия в 1963 г. выделил 625 классов Природных иод по ионному составу. Эти и аналогичные приемы классификации полезны при систематике дан- .ных массовых химических анализов вод. . Почему классификация по ионному составу не мо- *ет претендовать на универсальную классификацию ЙвД? Ионный состав при ~ всем его большом научном практическом значении не определяет геохимическое свеобразие всех вод. Во многих случаях его роль явно отступает па задний план. Это связано с тем, что в водах химические элементы находятся как в ионной, тан и в неионпой форме.

 

Именно поэтому свойства ионов не могут объяснить все особенности водной миграции. Для объяснения специфики некоторых вод они вообще неприменимы. Использование в подобных случаях данных о шестнкомпонентном составе, понятия о радиусах и других характеристиках ионов в качестве главных характеристик вод методологически несостоятельно.

 

Огромное влияние на геохимические особенности большинства вод оказывают растворенные органические вещества и газы.

 

 



 

К содержанию книги: Геохимия природных вод

 

Последние добавления:

 

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОШЛОЕ ПОДМОСКОВЬЯ   КАЛЕДОНСКАЯ СКЛАДЧАТОСТЬ     Поиск и добыча золота из россыпей    ГЕОЛОГИЯ КАВКАЗА    Камни самоцветы