دانلود تحقیق تقابل سنگ و آب: تجزیه فیزیکی و شیمیایی سطح بستر خاک و جدا شدن رسوبات

تقابل سنگ و آب:
تجزیه فیزیکی و شیمیایی سطح بستر خاک و جدا شدن رسوبات:
1-2- مقدمه:

سنگهای رسوبی جدا شده معمولاً به این خاطر که شامل سنگهای اولیه می باشند از نظر کانی شناسی با سنگهای آذرین و دگرگون متفاوت هستند.

ما ممکن است برای این مطلب هیچ توضیحی نداشته باشیم اگر چه که فلدسپار معمولاً رایج ترین کانی در سطح پوسته زمین است (در حدود 60%) با این وجود کوارتز معمولاً در سنگهای رسوبی جدا شده نفوذ داشته است.

اما تجربه به ما می گوید که هه این عناصر در سطح پوسته موجود بوده و از طریق هوازدگی آزاد می شوند و باید دقیقاً همان سطح فراوانی در رسوبات نیز وجود داشته باشد.

(یک آب اقیانوس مرکب را فرض کنید) بنابراین متوسط ترکیب شیمیایی همه رسوبات از گراندودیوریت است که تقریباً تمام متوسط پوسته زمین را تشکیل می دهد.

به طور معمول سنگها در اثر هوازدگی به اجزا فیزیکی و شیمیایی تبدیل می شوند اما در واقع این اجزا به هم پیوسته حل نشدنی هستند.

هوازدگی شیمیایی و زیست شیمی معمولاً در اثر تبادل آب در سطوح کانی در مناطق اشباع نشده که نزدیک سطح زمین می باشند یعنی معمولاً در 100 متری رخ می دهد.

گیاهان زنده و مرده نقش مهمی در تنظیم این فرسایش بازی می کنند که اغلب فراگیر است.

یک مقطع خاکی نتیجه ویژگیهایی است که بستگی به آب و هوا و نوع سنگ دارد.

آب یکی از مهمترین واکنش دهندهاست و نقش مضاعفی بازی می کند.

زیرا هم باعث جابجایی مواد حل نشده و تولیدات هوازدگی خاک می شود.

شکل 1-2 نشان دهنده یک چرخه هیدروژنی خاک در نزدیک پوسته است.

واکنشهای آبی دارای اجزاء قوی زیست شیمی هستند آنها توسط جو حل نشده، گازهای تولید شده توسط خاک، اسیدهای رقیق شده واعضای مولکولی حمایت می شوند.

این واکنش بسیار پیچیده است چرا که کانیهای سیلیکاتی با سازه های زیاد آنیونی و کاتیونی خود، همچنین میزان آب و یونهای مختلف حل نشده در مکان و زمان در آن نقش دارند.

چهار مکانیسم مهم در فرسایش شیمیایی عبارتنداز: حلال، اکسیداسیون، آبکافت (هیدرولیز) و اسید های هیدرولیز.

فرسایش فیزیکی با وارد آوردن فشارهای به صخره ها در محل قدیمی و اصلی و انفصال کافی در مناطق اشباع نشده باعث خرد شدن آنها می شود.

این فشارها شامل آزاد سازی، جاذبه، جریانهای بادی برعکس، بلورهای نمکی از آبهای زیرزمینی ذوب یخ و انبساط گرمائی متفاوت می باشد.

فرسایش خاکی به نوبه خود باعث ایجاد لایه خاکی نمی شود بلکه همکاری اعضای قبلی محل برای اینکار لازم است.

آب متشکل از تأثیرات هوازدگی فیزیکی و شیمیایی باعث تولید یک مقطع هوازده می شود که شامل:
 سطح خاک با اعضای متشکل مؤثر آن.

 ساپرولیت مخدوش شیمیایی که باعث تغییرات مهم شیمیایی می شود.

 عناصر شیمیایی بدون تغییر اما اغلب باعث جدا شدن فیزیکی سنگ بستر می شوند.

سطح مشترک بین لایه هایی که حرکت آرام و روبه پایین دارند به عنوان کاهش دهنده عمل می کنند.

در حقیقت، منظره خط‌چین توسط ایزوتوپهای گیتی شناسی و دیگر وسایل آشکار کننده طراحی شده و یک حالت ثابت از توده موازی که توسط هوازدگی جابجا می شوند و با میزان مساوی از مواد ساخته شده جایگزین می گردند را نشان می دهد.

هوازدگی شامل:
 شکسته شدن اتصالاتی که در حالت فیزیکی ترک برداشته اند و در حالت شیمیایی حل می شوند.

 شکسته شدن اتصالات از طریق جدا شدن یونها.

 جابجایی الکترونها به سادگی از فلزاتی همچون Fe و Mn.

عمل هوازدگی روی :
 مجموعه های کانی (سنگها!)که به سادگی آزمایشگاههای شیمیایی از یک بطری نیست.

 بلورهای ناقص با سطوح و شبکه معیوب.

هوازدگی بستگی دارد به:
 عملکرد آب
 تفکیک آب به یونها H+ و OH-.

 تلغیظ CO2 از طریق فرآیندهای خاک و هوا.

 دما از طریق نتایج اصولی آرهینوس (Arrhenius)

2-2- آبهای طبیعی بعنوان ارتباطات پروتونها: PH، اسید هیدرولیز (آبکافت) و فرسایش سنگ آهک (کلسیت).

مولکولهای آب در گرما به H+ (پروتون در این متن؛ در واقع پروتونهای هیدرات، H3O+، یونهای اکسیژن) و یونهای OH- (هیدروکسال) تبدیل می شوند.

پروتونها مسئول اسید سیتریک محلول آبی هستند و ما را قادر می سازند تا بلافاصله متوجه دوره فرسایش دهنده های پروتون و حمایت کننده های آن شویم.

غلظت یونی H+ در محلول رقیق شده آنقدر کم و متفاوت است که اسیدیته آن در مقیاس لگاریتم محاسبه می شود.

همان طور که لگاریتم غلظت یونی H+ آزاد منفی است.

این همان PH، با واحد mol/kg (نشان می دهد که PH بالاتر به منزله غلظت یونی پایینتر است!).

در دمای اتاق تنها 7-10 mol/kg پرتون در آب خالص وجود دارد.

(که با مقدار OH-) مساوی است.

و این به منزله منبع ارزشیابی PH خنثی قرار دارد.

(7=PH).

مقادیر بالای این PH، قلیایی و مقادیر پایین تر آن اسیدی خوانده می شود.

این شرایط (قلیایی و اسیدی) امکان پذیر است.

زیرا که یونهای H+ و OH- ممکن است با دیگر محلولهای آبی نیز واکنش دهند.

هیچ آبی طبیعی خالص نیست.

در تمام محلولهای مقادیر کم و بیشی از یونها بعلاوه یونهای H+ وجود دارد.

ما معمولاً می خواهیم بدانیم که چه غلظتی از واکنش دهنده ها توسط واکنشهای خاص تولید می شوند.

اما پی تکلیف حالت اشباع محلول چیست؟

چگونه می توانیم بگوییم که یک محلول آبی مثل باران یا آب رودخانه می تواند کانیهای صخره ای را در خود حل کند؟

(مثل: وجود حالت زیر اشباع).

بطور مثال، یک سطح هوازده را مورد بررسی قرار می دهیم 1 کیلوگرم از آب رودخانه طبیعی در موقع تجزیه شامل gr3-10 2 از CaCo3 می باشد که یک کمیتی از قبیل همان چیزی که شناخته شده مثل تولید یون هالیت (IAP) یا غلظت آن.

از آنجا که رابطه توده جرمی CaCo3، 100=(16×3)+12+40 می باشد، ما همان چیزی را داریم که فعالیت (a) نامیده می شود و از راه حل 5-10×2=100/002/0 بدست می آید.

این قبیل راه حلها نشان می دهد که بر اساس تجربیات آزمایشگاهی این ماده می تواند مقدار CaCo3 بیشتری را در خود حل کند.

در حقیقت، در آب 25 می تواند، 2-10×91/2 CaCo3 را در خود حل کند.

(نگه دارد).

به همین ترتیب می بیند که حجم آن بیشتر از مثال ساده ما بود.

بنابراین همانطور که گفته و فهمیده شد آب می تواند مقدار بیشتری CaCo3 را در خود حل کند.

از آنجا که خیلی از محلولهای آبی در ارتباط متقابل با هوا قرار دارند.

ما همچنین مجبور می شویم که غلظت اجزاء گازی در محلول را هم توضیح دهیم (برای مثال CO2).

البته این کار بخصوص نیست که فشار هر گازی از یک سو در تقابل با مایع است و از سوی دیگر این فشار رابطه مستقیمی با کسر اجزاء در گاز دارد.

بنابراین ما در مورد بخشی از فشار یعنی جزء I صحبت می کنیم.

PI= xIP خیلی از هوازدگیهای طبیعی و واکنشهای تشکیل رسوب برگشت پذیرند به این ترتیب که می توانند بسته به شرایط محلی و قابل دسترس بودن یونها از طریق حل شدن H+ و غیره به عقب یا جلو باز گردانند.

بنابراین در آب خالص (یونهای OH- و یا H+ وجود ندارد).

یونهای کلسیت نیز توسط عملیات برگشت پذیر زیر جدا می شوند.

CaCo3 Co2+ + حالت موازنه برای این قبیل واکنشها که مقدار آن از چپ به راست با مقدار آن از راست به چپ یکی است وجود دارد.

در این موازنه فعالیت تولید واکنشها در هر دو طرف توازن یکی است.

بنابراین، ممکن است یکی پارامتر ثابت یعنی k را برای دما تعریف کنیم: k پارامتر ثابت موازنه برای هر واکنش در یک دمای معین می باشد.

در این موقعیت CaCo3 یک جامد خالص است و برای تمام فعالیتهای جامدات 1=a بنابراین .

اگر ما این واکنش را با افزودن کلسیم بهم بریزیم معادله در محیط خنثی عمل می کند – با فرض ثابت بودن k – در این حالت با جابجایی به سمت عکس کربنات کلسیم جامد تولید می شود.

معمولاً برای همه نمکهای که در آب در اثر این واکنش گرماگیر (یعنی به انرژی احتیاج دارد) حل می شوند، افزایش دما باعث افزایش ارزش k و در نتیجه افزایش قابلیت انحلال می شود.

البته این مسئله در مرود گازها صادق نیست زیرا که دما و یا فشار در آنها باعث کاهش قابلیت انحلال می گردد.

این مسئله باعث ایجاد سیستم هوازدگی کربنات کلسیم در آب طبیعی در طی یک واکنش پیچیده می شود، به این خاطر که حلالیت توسط اجزاء ساده واکنش بالا کنترل نمی شود.

در این حالت واکنشها درگیر حلالیت Co2 می باشند (معادله 5-2) که منبع آن هوا و یا تنفس می باشد در این قبیل موارد نقش مهمی در کنترل PH و مقدار واکنش دارد.

احتمالاً مهمترین منبع یون H+ از حل شدن CO2 موجود در جو، آب باران، باکتریها و مواد آلی است.

همچنین Co2 موجود در مواد آلی که از طریق تنفس میکروارگانیسم ها در آب جامد تولید می شود.

بنابراین ما باید این روابط به هم پیوسته را برای ترکیب آب و دی اکسید کربن و و یونیزه شدن دو مرحله ای اسید کربنیک دنبال کنیم.

این عمل تجزیه اسید کربنیک شدیداً به PH وابسته است.

تعادل (مقدار) PH در آب خالص در سیستم Co2 – H2o در دمای 25، 7/5 است.

تعادل برای واکنشهای بالا و برای تمام سیستم کربنات در دماهای مختلف ثابت است که در جدول 1-2 ارائه شده است و از آنجا می توان فهمید که: احتمالاً Co2 به طور شگفت انگیزی قابلیت انحلال کمتری در دمای بالاتر دارد.

اولین تجزیه اسید کربنیک (K1) برای واکنش اسیدی هیدروژن بیشتری تولید کرد.

این نتیجه گیری خیلی در مورد رسوبات کاربرد دارد.

حالا ما به موضوع اصلی بازخواهیم گشت.

در محیطهای آمایشگاهی و اندازه گیری مشخص شد که می تواند به ارزشهای بالائی در محیطهای آب زیرزمینی برسد.

چرا که مقدار اندکی از Co2 نسبت به سطح وجود دارد این عامل تنفس co2 در خاک باعث کاهش ph حتی کمتر از مقدار طبیعی آن در آب باران می شود افزایش این چنین ph به co2 موجود در حتی در سفره های آب زیرزمینی خیلی عمیق همانند سفره آب زیرزمینی فلوریدن (Floridan) جائیکه شرایط شیمیایی برای کنترل تغییرات واکنش وجود دارد دیده می شود.

اطلاعات بیشتر در مورد ویژگیها و نقش آب در هوازدگی سنگ: زمین نمونه بی همتایی در مقدار فراوانی آب و بخار می باشد این بسیار ساده است که ماده ای را به طور مثال در نظر بگیریم در حالی که همین مولکول به ظاهر ساده آب دارای خاصیتهای توجهی ات که نقش مهمی در هوازدگی کانیها و سنگها باز می کند.

هنگامی که آب بین ورقهای شارژ شده قرار می گیرد مولکول هیدروژن مثبت خود را به سمت قطب منفی و اکسیژن منفی خود را به سمت قطب مثبت هدایت می کند.

که تأثیر آن مشابه زمانی است که آهن ربا در محط مغناطیسی قرار می گیرد.

مولکولهای آب جایگاههای قطبین را دقیقاً مانند آهن اشغال کرده و مشابه دو قطب الکتریکی عمل می کنند.

قدرت لحظه ای قطبین توسط بار تولید شده و فاصله بین آنها محاسبه می شود.

مولکولهای قطبی آب نتیجه ارتباط کووالانسی نامتقارن در مکانی است که الکترونگاتیویته قوی اتم اکسیژن اکثریت سهم الکترونهای قابل دسترس را به خود اختصاص داده است.

این مسئله باعث می شود که اکسیژن مقداری بار منفی بگیرد در حالیکه بار مثبت آن دارای مقدار کمی اتم هیدروژن الکترونگاتیویته است.

پیوند شیمیایی بین اکسیژن و دو اتم هیدروژن باعث جلوگیری از اصطکاک ابرهای الکترونی اتم اکسیژن با ابرهای الکترونی اتم هیدروژن می شود این پیوند باید در حالت تئوری در زاویه 90 صورت بگیرد و از یکی مولکول اربیتال که از الکترونها اشغال شده تشکیل شود.

اما در عمل بخاطر گریز موجود بین اتمهای هیدروژن زاویه پیوند فقط 105 است و طول پیوند mm8-10×8/9 می گردد.

هنگامی که مولکولهای آب یکدفعه به یکدیگر می رسند، تقابلی ضعیف بین پیوندهای هیدروژنی بخاطر پیوند کووالانسی H2O- صورت می گیرد.

آنها به دلیل این فرآیند به شکل گروههای چهاروجهی در می آیند.

(شکل 1-2B).

بسیاری از این ویژگیهای مشخص و تقابلات دو طرفه آب در ساختار مولکولی آن توضیح داده شده است.

1- آب یک حلال مؤثر بالا برای پیوندهای مرکب یونی (یک نمونه آشنا: NaCl) بخاطر قطبهای طبیعی است.

در این فرآیند انتهای مثبت و منفی مولکولهای آب به یکدیگر برخورد کرده تا یونهای سطحی مثبت و منفی به طور مؤثرتری با یکدیگر ترکیب می شوند.

وجود بارهای خنثی وتلاطم مکانیکی باعث جداسازی یونهای اصلی می شود.

یکبار در محلول، یونها توسط مولکولهای آب احاطه می شوند.

این مولکولها که با پیوندهای الکترواستاتیک بهم متصل شده اند ممکن است باعث توازن انرژی موجود در یونها شوند، بنابراین آنها را توسط آن به هم متصل می کنند در اینجا تقابلی بین قطبها و یونها وجود دارد.

درجه اتصال توسط آب مشخص کننده استعداد یونی است به طور مثال، نسبت بین بار