<<
>>

ЗНАЧЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ СОЕДИНЕНИЙ

  Миграционная способность растворимых продуктов выветривания и почвообразования тем выше, чем больше их растворимость в воде. Такие малорастворимые соединения, как силикаты, углекислый кальций и доломит, при испарении почвенных и грунтовых вод быстро образуют насыщенные растворы, выпадают в осадок и аккумулируются в осадочных породах и почвах. Малорастворимые соединения (силикаты, углекислый кальций, углекислое железо и марганец, фосфаты кальция) не могут мигрировать на далекие расстояния от места образования.
Миграционная способность гипса значительно выше, особенно в смесях с другими солями (с NaCl, MgCl2), когда растворимость гипса увеличивается с 1,9 до 10— 15 г/л. Растворимость гипса и углекислого кальция сильно различается, поэтому в природе часто встречаются раздельно зоны аккумуляции углекислого кальция и зоны аккумуляции гипса, но во многих случаях они концентрируются в одних и тех же почвах и наносах.

Значительно выше растворимость углекислых и сернокислых солей натрия и калия. Соответственно и их миграционная способность также намного выше. Поэтому циркуляция подземных и наземных вод способствует выщелачиванию и перемещению сульфатов и карбонатов щелочей на сравнительно дальние расстояния и обусловливает их пространственное разделение от карбонатов и сульфатов кальция. Особенно велика растворимость хлоридов кальция и магния, а также нитратов натрия и кальция. Миграционная способность этих компонентов поэтому необычайно велика, и они аккумулируются обычно на значительных расстояниях от места образования, формируя растворы очень высоких концентраций и почвы сильной засоленности.

О растворимости солей как показателе их миграционной способности можно судить по данным, представленным на рис. 54—56. Известно, что растворимость некоторых солей меняется в зависимости от условий среды: температуры раствора, присутствия или отсутствия спутников, повышающих или понижающих их растворимость. Растворимость некоторых соединений, например хлористого натрия, мало меняется в зависимости от температуры. Поэтому хлористый натрий отличается высокой устойчивой миграционной способностью независимо от сезона как в жарких, так и в холодных странах земного шара. Растворимость же углекислых и сернокислых солей натрия и калия, будучи высокой при температуре +20, +30°, резко снижается при +10° и особенно при нулевых и отрицательных температурах. Это ведет к быстрому пересыщению грунтовых вод и почвенных растворов сернокислыми и углекислыми солями натрия, выпадению их в осадок и отделению от хлоридов.

Рис. 34. Относительная растворимость солей в воде при 20° С

Обычно легкорастворимые соли мигрируют в почвенных растворах и грунтовых водах в виде смесей. Присутствие одних компонентов способствует повышению или понижению растворимости других. Так, хлористый натрий весьма заметно повышает растворимость углекислого кальция. При высоких концентрациях сульфата натрия снижается растворимость сернокислых солей кальция. В этом проявляется влияние известного правила о понижении растворимости солей в присутствии одноименных ионов.

Растворимость углекислого и сернокислого кальция резко меняется в зависимости от реакции среды, температуры и количества угольной кислоты, присутствующей в атмосфере и растворе (рис.

56). Повышение парциального давления угольной кислоты, так же как и понижение температуры, резко увеличивает растворимость углекислого кальция. Присутствие в растворах даже небольших концентраций нормальной и двууглекислой соды вызывает резкое понижение растворимости углекислого кальция и усиливает его переход в осадок, почти до полного исчезновения в растворе.

Отмеченные изменения в растворимости различных солей в зависимости от температуры и присутствия других солей обусловливают возникновение пространственной дифференциации химического состава солей на территории материков в почвах, наносах, в грунтовых водах и озерах. В частности, резкое снижение растворимости двууглекислого кальция при возрастании температуры грунтовых вод ведет к скоплению углекислого кальция в виде обширных поясов на склонах гор и на контакте предгорных равнин и гор. В аридных районах сходным путем, но главным образом вследствие испарения формируется пояс гипсоносных наносов и почв ниже пояса аккумуляции карбонатов кальция. В холодных континентальных сухих областях обнаруживается преимущественно аккумуляция карбонатов и сульфатов натрия. Это в существенной мере объясняется уменьшением их растворимости в осенне-зимне-весенний сезон. Присутствие в холодных солончаках и хлоридных водах заметного коли-


чества гипса связано, как мы видели, с повышением его растворимости в присутствии хлоридов Nan Mg.

Влияние органических веществ на геохимическую подвижность элементов и их соединений столь же велико, как и влияние минеральных солей. Это вполне объяснимо хорошо известным стабилизирующим ’’защитным действием” растворов (золей) гумуса, как и ряда других органических веществ, например желатины, на коллоидные растворы и суспензии. Их устойчивость против коагуляции значительно возрастает в присутствии органических соединений. Допускается, что коллоидные растворы гидроокиси кремния обладают сходным действием.

Еще большее влияние на геохимическую подвижность и судьбы железа, марганца, алюминия, никеля, кобальта и меди оказьюают гумусовые кислоты, особенно фульвокислоты. Фульваты этих металлов, как правило, растворимы (Тюрин, 1949; Пономарева, 1949). В анаэробной кислой среде фульваты металлов настолько мобильны, что в больших количествах поступают в почвенные и грунтовые воды, в родники и реки. Водные растворы этих органо-минеральных соединений приобретают бурый и темно-бурый цвет (черные воды тропических лесов, а также лесов и болот бореального пояса).

Чем выше уровень цветности воды различных речек, тем выше и концентрация марганца, никеля, кобальта, меди, алюминия. То же было установлено и для соединений железа (табл. 30).

От общего количества присутствующего органического вещества в водах Днепра, Невы и других рек северною питания на долю комплексных соединений таких металлов, как Fe, Mn, Ni, Си, с гумусовыми кислотами приходится 50—70%. Растворы гуминовой кислоты, как правило, в кислом и нейтральном интервале реакции осаждают алюминий, железо, марганец, медь, никель, кобальт, цинк. Эти практически нерастворимые осадки гуматов являются как чисто химическими солеобразными соединениями, так и продуктами взаимной коагуляции и адсорбции (Александрова,

Таблица 30. Влияние растворенных органических веществ на подвижность металлов в водах Полесья, мг/л (Каган, Гельфер, 1956)

Цветность,

градусы

Ni

Со

Мп

Си

А1

30

0-3

0-1,9

27-44

2-16

57-97

60-70

0-1

0-0

5-24

6-19

0-46

100-150

2,8-6

0-1, 5-4

9-10

5-64

45-100

200-250

3-11

2,7-4

0,63

5-44

12-100

gt; 300

4-7-9

0-6-9

29-100

5-16

0-100

1954; Орлов, Ерошичева, 1967).

В щелочной среде образуются подвижные (некоагулирующие) коллоидные растворы гуматов щелочей. Однако двух- и трехвалентные металлы в щелочной среде образуют нерастворимые или малорастворимые осадки.

Подвижные органо-минеральные соединения, поступив в почвенные и поверхностные воды, в дальнейшем уносятся геохимическим потоком в транзитные и аккумулятивные ландшафты. Они передвигаются также и с капиллярной влагой.

Соединения фульвокислот и оксикислот мигрируют в геохимическом потоке в депрессии и накапливаются в почвах подводного и капиллярно- гидроморфного типа совместно с алюминием, железом, марганцем, фосфором. Почвы низинных болот, пойм, дельт обычно обогащены этими компонентами. Темные луговые почвы долин получают значительные количества растворенного гумуса вместе с аллювием, а также из капиллярной каймы грунтовых вод, содержащих гумус. Хорошо известны иллювиально-гумусовые горизонты в песчаных подзолистых почвах севера. Они иногда содержат до 5—8% гумуса в ожелезненном уплотненном горизонте. Гумусовые (с железом, алюминием, марганцем) уплотненные горизонты гидрогенного происхождения (хардиен) часто наблюдаются в субтропических и тропических подзолах.

Накопление органического углерода в континентальных и дельтовых отложениях, как и почвообразование, началось в девонскую и развивалось в меловую и третичную эпохи. Геологические скопления органического углерода (угли, сланцы, торфа) сосредоточены в геосинклиналь- ных и примыкающих платформенных областях, т.е. в погружающихся аккумулятивных ландшафтах, где располагаются обводненные заторфо- ванные низменности, депрессии, дельты, лагуны (Страхов, Родионова, 1954). В среднем ежегодно выключается из биогенного цикла и надолго захоро- няется в донных осадках около 0,8% массы органических веществ, ежегодно синтезируемых на планете. Средние коэффициенты фоссилизации органики, по В.А. Успенскому (1956), таковы: болота - 8,60; озера и реки - 42,2; шельф океана — 1,04; континентальный склон - 0,37; глубокие области океана — 0,06.

Условия реакции среды играют существенную роль в миграции и осаждении многих продуктов выветривания и почвообразования. В кислой среде, т.е. при pH 5—6 и меньше, возрастает миграционная подвижность большинства химических элементов и образуются их более растворимые соединения, например соединения железа, марганца, алюминия, доломит, кальцит, гипс, которые в кислой среде интенсивно растворяются и разрушаются. Фульвокислоты также образуются преимущественно в гумусовых горизонтах кислых почв. Однако растворимость некоторых соединений возрастает в щелочной среде. Это, в частности, характерно для соединений кремнезема. Алюминий имеет два максимума растворимости: один в кислой среде, при pH 3—3,5 и второй — в щелочной среде, при pH 9—10, В первом случае алюминий ведет себя как катион, а во втором — как анион (рис. 57).

Гидроокиси металлов обладают высокой подвижностью лишь в определенных условиях реакции среды. При достижении этих границ реакции среды гидроокиси металлов выпадают в осадок; так, гидроокись трехвалентного железа выпадает в осадок при pH 3—5, двухвалентного при pH 5,5—7,5; алюминия — при pH 4—6; бериллия — при pH 6, цинка — при pH 6—7, марганца — при pH 8,5—10, магния - при pH 10,5-11 (Ферсман, 1954). Гидроокиси многих металлов выпадают в осадок лишь при высокой щелочности/К их числу относятся Со+а, Ni+2, Zn+2, Mn+2, Cd+2, которые даже при pH 8 могут находиться в растворе.

Микроэлементы Sr, Be, Си, Zn, Cr, Mn, Со подвижны в кислой среде, а As, Cr, Mo, V мобильны в щелочной среде (Перельман, 1979). Что касается Li, Rb, Cs, Br, I, то они подвижны в широком диапазоне pH.

При очень малой концентрации микроэлементы остаются в растворе и не выпадают в осадок даже при существенных изменениях pH или после прибавления осадителей. Вообще растворимость соединений большинства микроэлементов в природе выше, чем в лабораторных условиях. Они способны передвигаться с водными растворами в обстановке, при которой должны бы быть в осадке. Поэтому те значения pH, при которых в лаборатории микроэлементы выпадают в виде окислов, не следует механически переносить в природную обстановку.

Растворимость соединений, которые образуются элементами переменной валентности, весьма зависит от условий окислительно-восстановительной обстановки (Eh) и от соотношения последней с реакцией среды. В числе таких элементов переменной валентности в геохимии почв необходимо назвать Мп4+ и Mn2+, Fe3+ и Fe2+, S6~ и S2~, Cu2+ и Cu+, V5+ и V3+. Так, соединения окисленных высоковалентных форм железа (Fe+3) и марганца (Мп+4) при Eh 300—400 мВ обладают низкой миграционной способностью в нейтральной и слабою!слой среде. Но соединения восстановленных форм железа и марганца (Fe2+, Мп2+) при Eh от +100 до —100 мВ отличаются высокой растворимостью и мобильностью.

Диаметрально противоположно поведение соединений серы. При высоком окислительно-восстановительном потенциале (+500, +600 мВ) образуются высокоподвижные соли серной кислоты (сульфаты). При Eh от +50 до —100 мВ сульфаты восстанавливаются, образуются сероводород и нерастворимые осадки сернистых металлов (Fe, Mn, Со, Ni, Zn, Си, V, Са, Mg, Na, К и др.). Соединения хрома и ванадия при высоких Eh образуют растворимые и геохимические подвижные соединения — ванадаты, хроматы. Эти явления наблюдаются в условиях пустынь, где накапливаются продукты господства окислительного режима: нитраты,

сульфаты, хроматы, ванадаты. В условиях выветривания и почвообразования на окислительно-восстановительную обстановку весьма сильно влияют: доступ кислорода, степень переувлажненности, наличие и характер распада органических веществ, жизнедеятельность микроорганизмов, проникновение таких газов, как сероводород, метан, водород.

В разных почвенных ландшафтах и в разное время года складывается различная окислительно-восстановительная обстановка. Различают три основные группы условий: 1) окислительная обстановка, когда имеется постоянный доступ кислорода (с воздухом или в результате фотосинтеза) или в породе имеются сильные окислители (серная кислота, хлор); Eh может достигать уровня +700, +800 мВ; 2) восстановительная обстановка без H2S, когда имеется дефицит кислорода, образуются СН4, Н2, Мп2+, Fe2+; Eh +400 мВ и ниже. При отсутствии сульфатов (как это характерно

Рис. 57. Растворимость кремнезема (1) и глинозема (2) в зависимости от величины pH (Correns, 1949)

для областей влажного климата: тропики, леса умеренного пояса) сероводород не образуется; 3) восстановительная обстановка с H2S, когда совместное присутствие органических веществ и сульфатов при дефиците кислорода и при достаточном тепле ведет к резкому снижению Eh до отрицательных величин (—50, —150 мВ) и образованию H2S, осаждению сернистых металлов, десульфированию и подщелачиванию среды.

Восстановительная обстановка даже периодического характера в теплое время года сопровождается весьма интенсивной миграцией соединений Fe, Мп, СО, Ni, Си. Яркую картину миграции и аккумуляции соединений железа можно наблюдать в болотах Финляндии, Швеции, Карелии, республик Прибалтики, Белоруссии. При усилении анаэробной обстановки железо присутствует в болотных водах в подвижной двухвалентной форме. Подвижность соединений двухвалентного железа тем выше, чем меньше доступ кислорода, ниже pH и меньше содержание нейтральных электролитов. В периоды аэрации, просыхания и окисления происходят интенсивное выпадение в осадок и накопление соединений окисного железа. В осадок выпадают коллоидные и гелеобразные формы соединений железа и органических веществ, карбонаты закиси железа — сидерит (особенно в слабощелочной среде), нерастворимые соединения двухвалентного и трехвалентного железа и, наконец, фосфаты железа, в частности вивианит.

Признаком начала осаждения соединений железа является образование ’’маслянистой пленки” на поверхности луж. По мнению финских почво

ведов (Kivinen, 1936; Punstjarvi, 1952), накопление соединений железа в болотах следует рассматривать как положительный признак, свидетельствующий об относительно высоком потенциальном плодородии этих почв после осушения. Доступ кислорода в такие почвы (например, после осушения) ведет к образованию свободной серной кислоты и квасцов, что часто наблюдается в приморских низменностях.

Микроэлементы переменной валентности, мигрирующие в форме катионов, более подвижны в восстановительной обстановке, а мигрирующие в анионной форме — в окислительных условиях.

Процессы окисления в природе протекают легче в щелочной среде и значительно труднее в кислой. В геохимии это положение проявляется в возможности существования ряда микроэлементов в восстановленной форме даже в окислительной обстановке. Так, железо и марганец могут находиться в почвах таежной зоны в более подвижной восстановленной форме при сравнительно высоком значении Eh, но низком pH. В.М. Латимер (1954) приводит следующие величины Eh в зависимости от реакции среды:

Сильно кислая среда: Fe2+—Fe2+0,77В; Мп2+-Мп*+1,24В.

Сильно щелочная среда: Fe2+~Fe^ 0,56В; Мп2+—Мп^ 0,05В.

В практической работе почвоведа-геохимика такие индикаторы, как синевато-черный цвет и запах сероводорода (особенно после пробы на вскипание), являются признаком восстановительной обстановки с отрицательными величинами Eh. Сизые, голубые, зеленые, ржаво-охристые тона в окраске — надежный показатель восстановительных процессов, затронувших соединение железа и марганца. Оранжевые, красные, фиолетовые, палевые, бурые цвета — признак окисленности почв и коры выветривания.

Миграционная способность продуктов выветривания зависит от способности вновь возникших химических соединений к взаимодействию. Компоненты, которые химически сравнительно пассивны и не реагируют друг с другом, обладают наиболее высокой миграционной способностью, оставаясь в растворе и перемещаясь почвенными, грунтовыми или речными водами; они мало участвуют в последующем формировании других мало растворимых соединений. К таким соединениям относятся хлористый натрий, сернокислый магний, сернокислый и углекислый кальций и др. Наоборот, соединения фосфора, калия, кремния, алюминия и железа дают огромное количество продуктов взаимодействия с низкой растворимостью. Так, подвижный кремнезем и полуторные окислы образуют много ничтожно растворимых глинистых минералов. Соединения фосфора,' реагируя с кальцием, железом, алюминием, образуют разнообразные малорастворимые вторичные фосфаты. Калий и магний связываются в глинных минералах в необменной форме.

<< | >>
Источник: В.А.КОВДА. БИОГЕОХИМИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА. 1985

Еще по теме ЗНАЧЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ СОЕДИНЕНИЙ:

  1. ФОСФОРНЫЕ УДОБРЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИЕ ФОСФОРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, НЕРАСТВОРИМЫЕ В ВОДЕ, НО РАСТВОРИМЫЕ В СЛАБЫХ КИСЛОТАХ
  2. Определение растворимых углеводов фотометрически с пикриновой кислотой
  3. Фторсодержащие соединения
  4. Мобилизация неорганических соединений фосфора
  5. ПРЕВРАЩЕНИЯ БЕЗАЗОТИСТЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
  6. АЛКИЛИРУЮЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ
  7. Соединения меди
  8. МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
  9. ПРЕВРАЩЕНИЯ ОДНОУГЛЕРОДНЫХ СОЕДИНЕНИИ
  10. МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ
  11. Минерализация фосфорорганических соединений