Растворимость грунтов
Способность минералов растворяться под действием природных вод или иных растворов называется растворимостью. Молекулы растворителя, обладая тепловым движением, электрическими полями (каждая) и общим электрическим полем, определенным составом катионов и анионов, разрушают кристаллическую решетку минералов. Ионы из решетки переходят в воду, образуются новые водные растворы, а минералы изменяют свои свойства.
В. А. Приклонским выделено: прямое и диффузное растворение.
При прямом вода движется непосредственно по поверхности растворяемых минералов.
При диффузном растворитель м.б. неподвижен, но вследствие различия концентрации ионов на поверхности минерала – у прилегающих слоев воды – у отдаленных слабодвигающихся слоев воды – наконец, у слабоминерализованной движущейся воды происходит самопроизвольное движение ионов в том же направлении, приводящим к растворению (изменению состава) твердой части грунта. Изменяется и состав порового раствора.
Скорость растворения грунтов зависит от прямого и диффузного растворения
dm/dt=α(Cн-C) S,
m – масса грунта, перешедшего в раствор; Cн-C – соответственно концентрации вещества в насыщенном и данном растворе; S – площадь поверхности растворения; t – время растворения; α – коэффициент отражающий скорость растворения, который в природных грунтовых водах меняется в пределах 10-9 – 10-4 м/с.
Растворимость грунтов определяется следующими основными факторами:
1) химико-минеральным составом растворяемого вещества;
2) структурно-текстурными особенностями;
3) типом и свойства растворителя;
4) термодинамические параметры;
5) участие биоты.
Перенос веществ в процессе диффузного выщелачивания называется законом Фика:
dm = -D(dc/dl)Sdt, где
m – количество вещества, участвовавшего в диффузном переносе; dc/dl – градиент концентрации; S – площадь поперечного сечения, через которую идет перенос; t – продолжительность диффузии; D – коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии или коэффициент диффузного выщелачивания, характеризующий количество вещества, проходящее через единицу площади поперечного сечения диффузного потока при градиенте концентрации, равном 1 в единицу времени. Размерность см2/сутки, см2/секунду. Определяется экспериментально для каждого типа породы.
Процесс диффузного выщелачивания характерен для глинистых слабоводопроницаемых грунтов. Иногда этот процесс более активен, чем фильтрация. Величина D имеет в них порядок (5-10)х10-7 см2/сек. Для воздушно-сухих грунтов она естественно (Брикинг 1967,68) = 10-11см2/сек.
В песчаных, крупнообломочных, скальных, трещиноватых грунтах происходит прямое растворение.
Нерастворимых абсолютно грунтов нет! Различна V. На процесс растворения влияют
1) свойства растворяемого вещества;
2) свойства растворителя;
3)термодинамические условия;
4) химико-минеральный состав растворяемого вещества.
А) Химико-минеральный состав.
С практической точки зрения для нас представляют наибольший интерес быстрорастворимые минералы и породы:
Карбонатные (в основном с кальцитом) – мрамор, известняк, доломит, мергель, сам кальцит – кальцитовый заполнитель трещин, мел – CaCO3, их растворимость составляет доли грамма на 1л.
Галоидные (галит – NaCl, сильвин – КCl, сильвинит NaClх KCl, карналлит KClxMgCl2x6H2O) – их растворимость составляет больше 100 г на 1л
Засоленные глинистые породы, в том числе лессы.
Во всех случаях примесь в грунтах хорошо растворимых в воде минералов класса простых солей с ионным типом связи и обладающих сравнительно невысокими энергиями кристаллических решеток повышается их растворимость.
Известно нам, что связь в кристаллах простых солей ионная (сила, которая определяется по закону Кулона F=l1l2/r2). Она зависит от типа иона, т.е. его а) радиуса б) заряда, определяемого валентностью
Чем больше валентность и меньше ионный радиус, тем больше энергия связи, хуже растворимость
Структурно-текстурные особенности грунтов влияют на растворимость двояко. Во-первых, растворимость повышается с уменьшением размера слагающих их минералов: крупнозернистые или крупнокристаллические разности пород медленнее растворяются за счет меньшей площади растворения. Зависит от кристаллизационно-цементационных связей, поскольку цемент на контактах частиц (обломков, зерен и др.) обычно более растворимы, чем сами частицы. Это имеет особенно большое значение в засоленных дисперсных грунтах, в лессах. Именно поэтому в грунтах при растворении наблюдаются причудливые формы развивающихся поровых каналов, каверн и др.
Б) Размер кристаллов минералов.
Чем меньше размер, тем больше растворимость.
Возможны даже ситуации, когда мелкие зерна растворяются ( для них раствор еще не насыщен, а крупные растут (для них раствор пересыщен). В грунтах могут образовываться каверны, разделенные крупными кристаллами (часть материала выносится).
В) Наличие примесей
Наличие менее растворимых примесей ведет к уменьшению растворимости солей минералов. Глинистые частицы, битуминозное вещество в виде примесей постепенно покрывает поверхность вмещающего их растворимого вещества и тормозит процесс растворения (Д.С.Соколов, 1962г.)
Наличие более растворимых примесей ускоряет растворение.
Влияние на процесс растворения
2) Свойства растворителя
зависит от
А) его диэлектрической проницаемости. Чем больше, тем больше. Растворимость солей в бензоле, керосине значительно ниже. У молекул воды, обладающих дипольным моментом max.
Б)от состава и концентрации растворенных в воде солей.
Чем меньше ионов, аналогичных растворяемым, тем больше растворимость. Обычно в воде присутствует комплекс ионов. Их совместное влияние сложно и пока мало изучено.
В)наличие кислот , в частности углекислоты H2CO3, которая мало влияет на растворимость галоидов и сульфатов, но существенным образом на растворимость карбонатов, увеличивая ее в 4-5 раз.
Образование Н2СО3 (угольная кислота) происходит из-за повсеместного присутствия в грунтовых (поверхностных) водах углекислого газа СО2. Его растворимость в десятки раз больше, чем растворимость О2, N и NH4 (метана)
Растворение карбонатов происходит в соответствии с реакцией:
СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2 – образуется легко растворимый в воде бикарбонат кальция.
3)Термодинамические условия (t, P) и скорость движения воды
А) Повышение температуры приводит к увеличению колебательных движений ионов в кристаллической решетке и ослаблению ионных связей. Однако такая закономерность наблюдается не у всех солей.
Растворимость NaCl (галит) и СаСО3 (карбонат) в дистиллированной воде без СО2 при увеличении температуры постепенно увеличивается. Растворимость СаSO4(ангидрита) уменьшается. А гипса сначала увеличивается (до 40о), а потом уменьшается.
Б) Влияние Р.
Чем больше давление на минеральный скелет, тем больше растворимость. Особенно значительно влияние Р при его неравномерном распределении на кристалл. решетки минералов, вообще на массив.
В) С увеличением скорости потока увеличивается растворимость, т.к. вместе с раствором уносятся уже растворенные ионы по составу аналогичные с растворяемым веществом.
Дата добавления: 2019-04-03; просмотров: 1172;