Procesi površinskog raspadanja. Nastanak, sastav i osobine...

Šesto predavanje

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 1

CILJEVI PREDAVANJA

Raspadanje stena iminerala.

Fizičko raspadanje stena iminerala.

Hemijsko razlaganje stena iminerala.

Mobilnost katjona.

ISHODI PREDAVANJA

Na kraju predavanja studentće biti osposobljen da:

na osnovu agenasa životnesredine predvidi proizvoderazlaganja stena i minerala

definiše mobilnost katjonaoslobođenih razlaganjemstena i minerala

Raspadanje stena iminerala.

Fizičko raspadanje stena iminerala.

Hemijsko razlaganje stena iminerala.

Mobilnost katjona.

Na kraju predavanja studentće biti osposobljen da:

na osnovu agenasa životnesredine predvidi proizvoderazlaganja stena i minerala

definiše mobilnost katjonaoslobođenih razlaganjemstena i minerala

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 2

Degradacija stena i minerala.Alteracija stena i minerala.Preobražavanje stena i minerala.Površinsko raspadanje stena iminerala.

Magmatskestene

Sedimentnestene

Degradacija stena i minerala.Alteracija stena i minerala.Preobražavanje stena i minerala.Površinsko raspadanje stena iminerala.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković)3

Metamorfnestene

Magma

Ciklus transformacije stena

Ovi procesi su važni, jer utiču namobilizaciju i transport štetnihmaterija neorganskog porekla.

P: Zašto se stene i minerali raspadaju?O: Stene i minerali su nastali u drugačijim uslovima u

poređenju sa uslovima koji vladaju na površini Zemljinekore - egzogeni uslovi.

detritacija ili regolitizacija

Stvara se detritus ili regolit, raspadnut stenovit materijal uvidu komadića. Od ovog regolita nastaje zemljište.Ovaj proces je važan sa ekološkog aspekta zbogmobilizacije i prenosa štetnih materija, koje se tokomdegradiranja oslobađaju.

P: Zašto se stene i minerali raspadaju?O: Stene i minerali su nastali u drugačijim uslovima u

poređenju sa uslovima koji vladaju na površini Zemljinekore - egzogeni uslovi.

detritacija ili regolitizacija

Stvara se detritus ili regolit, raspadnut stenovit materijal uvidu komadića. Od ovog regolita nastaje zemljište.Ovaj proces je važan sa ekološkog aspekta zbogmobilizacije i prenosa štetnih materija, koje se tokomdegradiranja oslobađaju.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 4

Fizičko raspadanje preovlađuje u hladnim, polarnim ivisokoplaninskim rejonima, kao i u suvim pustinjskimrejonima. Predstavlja prosto mehaničko drobljenjekompaktne stene na sitnije delove, a stena mineraloški,tj. hemijski ostaje nepromenjena.

Hemijsko raspadanje preovlađuje u tropskim, toplim ivlažnim rejonima. Menja se hemijski sastav minerala istvaraju se sekundarni minerali.

Ove razlike uslovljavaju i različite proizvode ovih procesa:- fizičkim raspadanjem nastaje kamenje, šljunak i pesak- hemijskim raspadanjem nastaje glina (odalumosilikata) i oslobađaju se baze.

Fizičko raspadanje preovlađuje u hladnim, polarnim ivisokoplaninskim rejonima, kao i u suvim pustinjskimrejonima. Predstavlja prosto mehaničko drobljenjekompaktne stene na sitnije delove, a stena mineraloški,tj. hemijski ostaje nepromenjena.

Hemijsko raspadanje preovlađuje u tropskim, toplim ivlažnim rejonima. Menja se hemijski sastav minerala istvaraju se sekundarni minerali.

Ove razlike uslovljavaju i različite proizvode ovih procesa:- fizičkim raspadanjem nastaje kamenje, šljunak i pesak- hemijskim raspadanjem nastaje glina (odalumosilikata) i oslobađaju se baze.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 5

Nema hemijske promene minerala i stena.Dominira u aridnim i polarnim klimama.Usitnjavanje stena – povećanje specifične površine čestica.

Fizičko raspadanje se odvija nanekoliko načina:

Česta temperaturna kolebanja Taloženje soli u pukotinama

stena Česta zamrzavanja i topljenja Termalna ekspanzija i

kontrakcija Biljke

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 6

Fizičko raspadanje se odvija nanekoliko načina:

Česta temperaturna kolebanja Taloženje soli u pukotinama

stena Česta zamrzavanja i topljenja Termalna ekspanzija i

kontrakcija Biljke

Zagrevanjem u toku dana stene se šire, a poštosu sastavljene od različitih minerala, to će izagrevanje i širenje biti nejednako. Mineralitamnije boje i hrapave površine bolje upijajutoplotu, jače se zagrevaju i šire od svetloobojenih minerala.

Hlađenjem u toku noći mineralni sastojci seskupljaju i vraćaju na svoju prvobitnuzapreminu. Tako u steni nastaju prsline.

Ovakav način raspadanja stena jekarakterističan za pustinjske oblasti gde sujako izražena temperaturna kolebanja.Dnevne temperature i do 80 ºC, a noćne oko10ºC, znači temperaturna razlika iznosi oko70ºC u toku 24 časa.

Zagrevanjem u toku dana stene se šire, a poštosu sastavljene od različitih minerala, to će izagrevanje i širenje biti nejednako. Mineralitamnije boje i hrapave površine bolje upijajutoplotu, jače se zagrevaju i šire od svetloobojenih minerala.

Hlađenjem u toku noći mineralni sastojci seskupljaju i vraćaju na svoju prvobitnuzapreminu. Tako u steni nastaju prsline.

Ovakav način raspadanja stena jekarakterističan za pustinjske oblasti gde sujako izražena temperaturna kolebanja.Dnevne temperature i do 80 ºC, a noćne oko10ºC, znači temperaturna razlika iznosi oko70ºC u toku 24 časa.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 7

• U oblastima umerene klime(mnogo manje je izraženo uoblastima dugotrajnog leda)česta smrzavanja i topljenjavode koja je prodrla u pukotine ipore stena, dovodi do ubrzanograspadanja stena.• Voda se smrzne, povećavazapreminu (oko 9%) i vršiogroman pritisak na zidovepora i pukotina usled čega sestena raspada.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 8

• U oblastima umerene klime(mnogo manje je izraženo uoblastima dugotrajnog leda)česta smrzavanja i topljenjavode koja je prodrla u pukotine ipore stena, dovodi do ubrzanograspadanja stena.• Voda se smrzne, povećavazapreminu (oko 9%) i vršiogroman pritisak na zidovepora i pukotina usled čega sestena raspada.

so sa različitim termalnim ekspanzionimkoeficijentom od stene

ostrvo Gozo, Malta

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 9

ostrvo Gozo, Malta

korenje drveća

lišaji, mikroorganizmi

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 10

Ukupni efekat ovih procesa je da se masivne stene raspadaju namaterijal sa manjom čestičnom veličinom, samim tim većomspecifičnom površinom. Poznato je da je veličina čestica veomavažna za hemijske procese koji se na njima odvijaju.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 11

ukupna površinaukupna površina

Neke hemijske reakcije su vezane za aktivnost mikro imakroorganizama zemljišta, a neke su abiotičke.

Tendencija sistema stena / voda / mineral da dostigne stanjeravnoteže.

Voda predstavlja aktivni agens u procesu hemijskograspadanja.

Odvija se veoma sporo u suvim, toplim uslovima, kao i uoblastima niske temperature, gde je voda najčešće u čvrstomstanju, a nekoliko reda veličine brže u tropskim predelima,gde je obilje vlage.

Neke hemijske reakcije su vezane za aktivnost mikro imakroorganizama zemljišta, a neke su abiotičke.

Tendencija sistema stena / voda / mineral da dostigne stanjeravnoteže.

Voda predstavlja aktivni agens u procesu hemijskograspadanja.

Odvija se veoma sporo u suvim, toplim uslovima, kao i uoblastima niske temperature, gde je voda najčešće u čvrstomstanju, a nekoliko reda veličine brže u tropskim predelima,gde je obilje vlage.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 12

Hemijski raspadanje

-promena hemizma minerala i stena-promena zapremine, ispiranje-voda + rastoverni gasovi (O2, CO2, H2S,…) + rastvorene supstance

(organske i neorganske)

a) rastvaranjeb) hidratacija i hidroliza

hidratacija – apsorpcija vodehidroliza – hemijska reakcija s vodom

koja proizvodi H+ ili OH- jonec) oksidacijad) (adsorpcija katjona na površinu

formiranih koloidnih čestica)

a) rastvaranjeb) hidratacija i hidroliza

hidratacija – apsorpcija vodehidroliza – hemijska reakcija s vodom

koja proizvodi H+ ili OH- jonec) oksidacijad) (adsorpcija katjona na površinu

formiranih koloidnih čestica)

To je proces sjedinjavanja molekule vode sa mineralima.Minerali grupe oksida, hidratacijom prelaze u hidratisane okside.Kada se nalaze u hidratisanoj formi, povećana im je zapremina, paizazivaju pritisak u unutrašnjosti stene, i uporedo vrše i mehaničkoraspadanje.

CaSOCaSO44 (s)(s) + 2H+ 2H22OO →→ CaSOCaSO44·2H·2H22OOanhidritanhidrit gipsgips

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 14

FeFe22OO33 + H+ H22OO →→ 22FeOFeOOHOHhematithematit getitgetit

To je proces sjedinjavanja molekule vode sa mineralima.Minerali grupe oksida, hidratacijom prelaze u hidratisane okside.Kada se nalaze u hidratisanoj formi, povećana im je zapremina, paizazivaju pritisak u unutrašnjosti stene, i uporedo vrše i mehaničkoraspadanje.

Voda kao polarni molekul gradielektrostatički asocijat sa jonima i rastvarajonske kristale. Stena/mineral prelazi urastvor.

Nastanak pećina u krečnjačkim oblastima:

CaSO4·2H2O (s) (voda) → Ca2+ + SO42- + 2 H2O

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 15

COCO22 + H+ H22OO ⇌⇌ HH22COCO33

CaCOCaCO33 + H+ H22COCO33 ⇌⇌ CaCa+2+2 + 2HCO+ 2HCO33--

((rastvoreno u vodirastvoreno u vodi))

Nastanak pećina u krečnjačkim oblastima:

Rastvaranje i spiranje gipsa (osim u aridnimuslovima):

kišnicaugljenakiselina

I manje rastvorni minerali se takođemogu rastvarati, pri čemu zaostajedepozit nerastvornog materijala.

Npr., feldspati se delimično rastvarajunakon reakcije sa vazduhom i vodom,ostavljajući čvrsti ostatak, glinu zasobom.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 16

KKAlSiAlSi33OO88 (s) + H(s) + H22O + HO + H22COCO33 ((aqaq)) →→ AlAl22SiSi22OO55(OH)(OH)44 (s) + 4H(s) + 4H44SiOSiO44 ++ KK++ + HCO+ HCO33--

KK--feldspatfeldspat kaolinitkaolinit

silikat

Feldspati su najrasprostranjeniji minerali uFeldspati su najrasprostranjeniji minerali uZemljinoj kori.Zemljinoj kori.

Osnovni sastojci magmatskih stena.Osnovni sastojci magmatskih stena.

Alumosilikati K, Na i Ca.Alumosilikati K, Na i Ca.

KK22O.AlO.Al22OO33.6SiO.6SiO22 = K= K22AlAl22SiSi66OO1616=KAlSi=KAlSi33OO88

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 17

KAlSiKAlSi33OO88 (s)(s) + H+ H33OO++(aq)(aq) + H+ H22OO →→ AA ll22SiSi22OO55(OH)(OH)44 (s)(s) + H+ H44SiOSiO44 ((aqaq)) + K+ K++

((aqaq))

AlAl22SiSi22OO55(OH)(OH)4 (s)4 (s) + H+ H22OO →→ Al(OH)Al(OH)33 + H+ H44SiOSiO44 ((aqaq))

gibsitgibsit

Feldspati su najrasprostranjeniji minerali uFeldspati su najrasprostranjeniji minerali uZemljinoj kori.Zemljinoj kori.

Osnovni sastojci magmatskih stena.Osnovni sastojci magmatskih stena.

Alumosilikati K, Na i Ca.Alumosilikati K, Na i Ca.

KK22O.AlO.Al22OO33.6SiO.6SiO22 = K= K22AlAl22SiSi66OO1616=KAlSi=KAlSi33OO88

kafa u zrnu + voda = kafa (aq) + ostatak

K-feldspat + voda = K+(aq) + kaolinit

kafa uzrnu

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 18

Mg2SiO4 (s) + H2O → Mg(OH)2 (aq) + H4SiO4 (aq)

Mg2+(aq) + OH-

(aq)CaCO3 (s) + H2O → Ca(OH)2 (aq) + H2CO3 (aq)

Ca2+(aq) + OH-

(aq)Fe2(SO4)3 (s) + H2O → Fe(OH)3 (aq) + H2SO4 (aq)

H+(aq) + SO4

2-(aq)

Hidroliza je proces u kome voda i rastvara i reaguje sa mineralima. U prvadva primera, hidrolize fosterita i kalcita nastaju slabe kiseline. Ovo je opštiobrazac hidrolize minerala, kada se stvaraju jaka baza i slaba kiselina.Postoje i izuzeci, u rudničkim vodama. Fe2(SO4)3 nastao oksidacijom pirita(FeS2) hidrolizom stvara veoma kisele vode (pH 1-2).

Mg2SiO4 (s) + H2O → Mg(OH)2 (aq) + H4SiO4 (aq)

Mg2+(aq) + OH-

(aq)CaCO3 (s) + H2O → Ca(OH)2 (aq) + H2CO3 (aq)

Ca2+(aq) + OH-

(aq)Fe2(SO4)3 (s) + H2O → Fe(OH)3 (aq) + H2SO4 (aq)

H+(aq) + SO4

2-(aq)

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 19

CO2 (g) + H2O (l) H2CO3 (aq)SO2 (g) + H2O (l) H2SO3 (aq) H2SO4 (aq)

Mg2SiO4 (s) + H2CO3 (aq) Mg2+(aq) + HCO3

-(aq) + H4SiO4 (aq)

CaCO3 (s) + H2CO3 (aq) → Ca2+(aq) + HCO3

-(aq) + H2O (l) + CO2 (g)

OxCO2 (g) + H2O (l) H2CO3 (aq)SO2 (g) + H2O (l) H2SO3 (aq) H2SO4 (aq)

Mg2SiO4 (s) + H2CO3 (aq) Mg2+(aq) + HCO3

-(aq) + H4SiO4 (aq)

CaCO3 (s) + H2CO3 (aq) → Ca2+(aq) + HCO3

-(aq) + H2O (l) + CO2 (g)

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 20

H2CO3 (aq)

Ovaj princip se primenjuje i u agrokulturi da bi se redukovalakiselost zemljišta (koja je česta pojava zbog primene različitihagrotehničkih sredstava, kao i zbog kisele precipitacije). Po zemljištu razbaca kreč (CaO), gašeni kreč (Ca(OH)2) ili krečnjak(CaCO3).Ovi materijali zamene H+ jone zemljišta i prevode ih u vodu. CaOprvo reaguje sa zemljišnom vodom, gradi se Ca(OH)2 koji daljeneutrališe kiselost zemlje prema prikazanoj reakciji.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 21

CaCO3 (s) + HH-zemljište Ca-zemljište + H2O (l) + CO2 (g)

Ca(OH)2 (s) + HH-zemljište Ca-zemljište + H2O (l)

Ovaj princip se primenjuje i u agrokulturi da bi se redukovalakiselost zemljišta (koja je česta pojava zbog primene različitihagrotehničkih sredstava, kao i zbog kisele precipitacije). Po zemljištu razbaca kreč (CaO), gašeni kreč (Ca(OH)2) ili krečnjak(CaCO3).Ovi materijali zamene H+ jone zemljišta i prevode ih u vodu. CaOprvo reaguje sa zemljišnom vodom, gradi se Ca(OH)2 koji daljeneutrališe kiselost zemlje prema prikazanoj reakciji.

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 22

Fe2SiO4 (s) + CO2 (aq) + H2O → Fe2+ + HCO3- + 4SiO4

fajalit

Fe2+ + HCO3- + O2 (g) → Fe2O3 (s) + CO2 + H2O

FeO gvožđe(II) oksid Fe2O3 gvožđe(III) oksid

mineral

Fe(OH)3 limonitFe3O4 magnetit

Goldričovaserija

stabilnosti

Prvi kristališe Brzo seraspada

Otpornost na raspadanjeOtpornost na raspadanje

Bovenovareakciona

serija

Goldričovaserija

stabilnosti

Zadnji kristališe Sporo seraspada

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 24

Proizvodi raspadanja

Nerastvorni proizvod Rastvorni proizvod

Kvarc Kvarcna zrna (pesak)

Feldspat

Amfibol

Minerali gline

Minerali gline

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 25

Nerastvorni proizvodi: kvarc, glina, limonit & hematit,predstavljaju glavne mineralne konstituente zemljišta

Amfibol

Olivin

(hornblenda)Minerali glineLimonit

Limonit

Hematit

Hematit

+ H2CO3

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 26

+ H2CO3

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 27

+ bilo koji agens

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 28

+ bilo koji agens

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 29

ništa

(Ca2+, Mg2+, Na+) > K+ > Fe2+ > Si4+ > Ti4+> Fe3+> Al3+

Jonski potencijal katjona=naelektrisanje (z) / jonski radijus

< 3 veoma mobilni> 9,5 slabo mobilni

hidratisani joni,kompleksni joni,mobilni katjoni

hidroksidi,npr. Fe(OH)3,nemobilni

Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 30

< 3 veoma mobilni> 9,5 slabo mobilni

Joni sa visokim stepenomnaelektrisanja i malim jonskimradijusom (visok potencijal) ureakciji sa vodom dajunajčešće nerastvornehidrokside, dok joni sa niskimpotencijalom su vrlo rastvorni.

hidroksidi,npr. Fe(OH)3,nemobilni

mobilni oksianjoni,SO4

2-, PO43-, (UO2)2-