Растворение

Конгруэнтное растворение означает такой тип растворения, при котором соотношение компонентов в растворе подчиняется их стехиометрическому соотношению в растворяемом веществе. Такое соответствие наблюдается в растворе при простой диссоциации вещества на ионы: NaCl = Na + Cl.

В реальных условиях такой тип растворения характерен для хорошо растворимых соединений (галита, гипса).

Основной закон кинетики их растворения формулируется следующим образом: удельный поток вещества с единицы площади поверхности растворения пропорционален концентрационному недосыщению раствора.

Он имеет следующее выражение Q=w (Cн-C0), где w – коэффициент скорости растворения, зависящий от кинетического механизма растворения; Сн – концентрация при насыщении раствора; С0 – концентрация реального раствора. Поскольку процесс конгруэнтного растворения многих природных соединений в реальных гидрогеологических и геохимических ситуациях часто протекает по внешнедиффузионным механизмам, он зависит от скорости движения подземных вод. Основная причина этого в том, что увеличение скорости движения подземных вод имеет следствием более активный отвод продуктов растворения. В итоге концентрация растворяющегося вещества в подземных водах уменьшается, что приводит к увеличению разности Cн-C0. Следовательно, величина недосыщения, являющаяся движущей силой процесса растворения, увеличивается.

Однако минерализация воды при этом снижается, т.к. увеличение скорости воды приводит к уменьшению времени контакта вода-порода и активному отводу продуктов растворения.

Инконгруэнтное растворение означает несоответствие состава раствора составу растворяющейся твердой фазы. Возможны два основных варианта:

1) образование твердой или газовой фазы, удаляющейся из раствора:

CaCO3 + 2 HCl = CaCl2 + H2O + CO2 газ

Na2SO4+BaCl2= BaSO4 тв.+2NaCl

2) образование труднорастворимой твердой фазы на поверхности растворяющегося вешества. Одна из наиболее распространенных реакций - это реакция растворения силикатов:

(Na,K)AlSi3O8 + H2O+CO2 = KAl2Si2O5(OH)4 +NaHCO3 + H4SiO4

В результате этой реакции образуются гидрослюда, гель кремниевой кислоты и гидрокарбонат натрия, который только и накапливается в растворе.

Если инконгруэнтное растворение сопровождается образованием газовой фазы, то открытость системы и движение подземных вод гарантируют протекание процесса растворения с постоянной скоростью до полного растворения исходного вещества.

В этом случае скорость воды и её минерализация связаны обратной зависимостью, как и в случае конгруэнтного растворения.

В случае же замедления реакции вследствие осаждения твердой фазы на поверхности уже не приходится говорить о прямой связи скорости воды и растворения. С уменьшением растворимости минералов все большее значение в кинетике их растворения приобретают механизмы поверхностных химических реакций и внутридиффузные механизмы растворения. Это означает, что динамика подземных вод уже не может существенно влиять на скорость растворения твердой фазы. Поэтому, чем менее растворимо соединение, тем меньше влияет динамика подземных вод на кинетику его растворения.

Кристаллизация – это процесс выделения твердой фазы из насыщенных растворов. Твердая фаза выделяется из раствора, если химический потенциал образующихся компонентов меньше химического потенциала этих компонентов в растворе. Это происходит в тех случаях, когда концентрация вещества в растворе становится больше концентрации насыщенного раствора при складывающихся температурных и барических условиях. Такие растворы называют пересыщенными, они не стабильны и их переход в состояние насыщения сопровождается образованием твердой фазы.

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ:

1 испарительное концентрирование

2 вымораживание

3 изменение температуры и давления в очагах разгрузки

4 изменение окислительно-восстановительных состояний

5 смешение вод разного состава

ИСПАРИТЕЛЬНОЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ (ИСПАРЕНИЕ)

Процесс испарительного концентрирования подземных вод имеет важное значение при формировании химического состава подземных вод аридных территорий. Суть его заключается в том, что сухом и теплом климате происходит интенсивное испарение грунтовых вод, которые достигают поверхности земли вследствие капиллярного подъема. При этом, чем меньше глубина залегания грунтовых вод, тем интенсивнее происходит их испарение и, следовательно, концентрирование оставшейся части раствора.

Обычно испарительное концентрирование происходит при залегании грунтовых вод на глубине 2-5 м.

По мере увеличения минерализации грунтовых вод в них накапливаются все более растворимые соли: сульфаты и хлориды. По мере испарительного концентрирования грунтовых вод из них последовательно осаждаются сначала менее растворимые соли, а затем все более растворимые. При этом по мере движения снизу вверх к поверхности происходит сначала отложение СаСО3. В дальнейшем, в зависимости от химического состава грунтовых вод возможно формирование двух различных последовательностей осаждения солей.

Первая последовательность имеет вид СаСО3 – CaSO4 – NaCl. Этот вид формируется, когда после осаждения СаСО3, в воде молярная аналитическая концентрация кальция будет больше аналитической молярной карбонатной щелочности: 2mCa+2>mHCO3+mCO3-2 Этот случай возможен при наличии в породах гипса, а в водах – преобладает возрастание концентрации кальция, он осаждается не только с СаСО3, но и с CaSO4 *2Н2О. В результате в породах происходит накопление легкорастворимого галита, что делает почвы непригодными для растений.

Вторая последовательность имеет вид - СаСО3 – Na2CO3 - NaCl. Такая последовательность формируется, когда после осаждения СаСО3 концентрация кальция становится меньше карбонатной щелочности: 2mCa+2<mHCO3+mCO3-2 В этом случае увеличение концентраций НСО3+СО3 обгоняет рост концентраций кальция и осаждение происходит не только в виде СаСО3, но и в виде Na2CO3. Происходит содовое засоление почв. Такие ситуации возможны в аридных горных регионах, сложенных щелочными алюмосиликатными породами, углекислотное выветривание которых дает ионы Na+ и НСО3-.

Названными соединениями далеко не ограничены соли, осаждающиеся из грунтовых вод аридной зоны. В зависимости от геологических ситуаций возможно отложение солей борной кислоты (боратов), солей, содержащих стронций, фтор и проч.

Но какая бы не была последовательность осаждения солей, в грунтовых водах при испарительном концентрировании накапливаются легко растворимые сульфаты, карбонаты и хлориды натрия, что увеличивает их минерализацию до рассолов 35-100 г/л.