6 Определение ионного состава водных растворов

Рассмотрим определение процентного содержания ионов в растворе на примере алюминия. 5 мг Al₂O₃ в литре раствора представ­лены суммой всех его частиц в растворе. По данным химиков, алюминий в водном растворе представлен катионами Al³⁺, Аl(ОН)²⁺, Al(OH)⁺₂, нейтральным комплексом Аl(ОН)°₃ и анионом Аl(ОН)^-₄.

Примем общее количе­ство алюминия в растворе за 100% или за 1. Тогда будем иметь:

100% = 1 = [Al³⁺] + [Al(OH)²⁺] + [Al(OH)⁺₂] + [Аl(ОН)°₃] + [Аl(ОН)^-₄] (1)

В квадратных скобках принято выражать активность комплекса в водном растворе. Активность обозначают буквой α, тогда то же выражение (1) можно записать так:

100% = 1 = α_Al3+ + α_Al(OH)2+ + α_Al(OH)+2 + α_Al(OH)o3 + α_Al(OH)-4 (1а)

В разбавленных растворах активность иона равна его концентрации, т.e. α = C. В растворах с высоким содержанием растворенных веществ концентра­ция выражается через активность, умноженную на коэффициент активности γ, т.е. С = α × γ.

Грунтовые воды в большинстве случаев представляют из себя разбавленные растворы, в которых активность иона можно принять равной его концентрации.

Комплексы алюминия в растворе находятся в равновесии между собой при конкретных параметрах температуры, давления, рН и Eh раствора. Эти равновесия можно представить следующим образом:

Al³⁺ + H₂O = Al(OH)²⁺ + H⁺ А1³⁺ + 2Н₂O = Al(OH)⁺₂ + 2H⁺

А1³⁺ + ЗН₂O = Аl(ОН)°₃ + 3Н⁺ А1³⁺ + 4Н₂O=Аl(ОН)^-₄ + 4Н⁺

С помощью уравнений (2) — (5) можно выразить активность одних ионов через активность других.

Из химии известно, что константа равновесия реакции

аА + вВ = сС + дД(6)

равна К₆=[С]^с × [Д]^д / [А]^а × [В]^в ,

поэтому К₂ = [Al(OH)²⁺] × [H⁺] / [Al³⁺] × [Н₂О] (2')

Активность воды (растворителя) принимается равной единице, поскольку от количества воды константа равновесия не изменяется, реакция будет идти одинаково и в баке с водой, и в стакане, и в цистерне, значит

К₂ = [Al(OH)⁺₂] × [Н⁺] / [Al³⁺] (2а)

Отсюда [Al(OH)⁺₂] = К₂ × [А1³¹] / [Н⁺] (2б)

Аналогичным образом для реакций (3) – (5)

Если теперь в уравнение (1) подставить значения активностей комплексов алюминия в растворе, выраженные через [Al³⁺] уравнения , то получим следующее выражение:

100% = 1 = [Al³⁺] + К₂ × [Аl³⁺] / [Н⁺] + К₃ × [Al³⁺] / [Н⁺]² + К₄ × [А1³⁺] / [Н⁺]³ + К₅ × [А1³⁺] / [Н⁺]⁴

Вынесем [Al³⁺] за скобку и приравняем всё равным единице.

1= [Аl³⁺] {1 + К₂ / [Н⁺] + К₃ / [Н⁺]² + К₄ / [Н⁺]³ + К₅ / [Н⁺]⁴} (8)

Значения К₂, К₃, К₄ и К₅ мы рассчитаем, воспользовавшись данными таб­лицы , где приведены сведения о ∆G, для комплексов алюминия в водном растворе в зависимости от температуры.

По формуле:

Теперь подставим значения констант равновесия реакций (2) — (5) при 25°С в уравнение (8):

Подставляя далее в то выражение различные значения рН, можно вы­числить содержание каждого иона алюминия в процентах.

Значение выражения рН:

pH=-lg[H⁺]. Например pH=5, т.е. [H⁺]=10^-5

7 Корунд Al₂O₃ ТРИГОНАЛЬНАЯ СИНГОНИЯ

Разновидности: рубин, сапфир, лейкосапфир, наждак.

Свойства: Ц — бесцветный (лейкосапфир), жел­тый, розовый, красный (рубин), синий (сапфир), лиловый, зеленый, серый; Ч — белая; Б — стек­лянный до алмазного; П — прозрачный до непро­зрачного; У В — 4,0—4,1; Т — 9; СП — отсутствует;

ИЗ — раковистый до неровного; М — длинно-призматические до бочонкообразных кристаллы, окатанные зерна; Л — редко темно-красная. Происхождение и распространение: Магматичес­кий в андезитах, пегматитах и базальтах; метамор­фический и в россыпях в ассоциации с андалузи­том, топазом, шпинелью и другими минералами Граниты, гнейсы, слюдистые и хлоритовые сланцы: турмалин, шпинель, аметист, топаз, берилл, магнетит, кианит, андалузит. Структ. можно представить на основе ПГУ атомов О с заполнением 2/3 октаэдрических пустот. Заселенные октаэдры укладываются послойно в виде колец из шести реберно связанных октаэдров. Смежные этажи заселенных октаэдров стыкуются со сдвигом на один октаэдр и попарным об­общением граней у половины октаэдров. Таким образом, катионы попарно сближаются, образуя островные кластеры, и структура в целом является координационной, кластерной.

Билет №12

1. Основные породы. К ним относятся породы, содержащие 40—52% кремнезема. Глубин­ными представителями основ­ных пород являются габбро; эффузивные аналоги габбро представлены базальтами (кайнотипные) и диабазами (палеотипные). Наиболее распро­странены базальты.

Габбро. Представляют со­бой глубинные полнокристаллические, средне- или крупнозернистые, большей частью массив­ные породы, окрашенные в различные оттенки серого, зеленого до черного цветов. Главными составными частями габбро явля­ются основной плагиоклаз (чаще Лабрадор) и цветной минерал, представленный в основном пироксеном (авгит, диопсид гипер-стен или энстатит). В состав цветных минералов могут входить также роговая обманка и биотит. Иногда в составе габбро встречается оливин. Из второстепенных минералов в габбро могут содержаться магнетит, титаномагнетит, ильменит, хро­мит, корунд, шпинель, гранат, реже — ортоклаз или микроклин, кварц. Мономинеральные плагиоклазовые породы группы габбро в зависимости от состава плагиоклаза носят название лабрадоритов и анортозитов.

Базальты. Представляют собой кайнотипные излившиеся ана­логи габбро. Макроскопически — это различных зеленоватых от­тенков темно-серые, иногда совершенно черные, мелкозернистые или реже средне- и крупнозернистые массивные породы, состоя­щие из плагиоклаза (от Лабрадора до битовнита) и пироксена (авгит). Часто содержат оливин. Второстепенные минералы представлены в них магнетитом, апатитом, титаномагнетитом, ильменитом, иногда — кварцем, калиевым полевым шпатом. Ха­рактерно для базальтов также наличие незакристаллизованного стекла. Структура базальтов большей частью интерсертальная, реже — офитовая или стекловатая.

Диабазы. В диабазах — палеотипных излившихся аналогах габбро — все основные входящие в состав последних минералы в той или иной степени изменены. В них широко развиты вто­ричные образования: хлорит, соссюрит, серпентин, возникшие в результате изменения пироксена, плагиоклаза и оливина. Структура их весьма характерна, она называется диабазовой или офитовой.

На континентах основные породы встречаются и в складчатых областях, и на платформах. Интенсивные вулканические излияния основных лав характерны для начальных стадий развития геосинкли­нального пояса. В это время формируются многие формационные типы основных пород — спилитовая, порфиритовая, габбро-диаба­зовая и др.

К собственно орогенической стадии при­урочено образование интрузий габбро, которые формируют фако­литы, линзообразные тела и тела неправильной формы. Нередко габбро ассоциируют в них с более основными породами (габрро-перидотитовая формация Урала), при этом встречаются массивы концентрически-зонального строения с перидотитами в центральных частях и габбро на периферии.

Более широко основные породы развиты на платформах в трапповой формации, где они представлены эффузивной и интрузивной фациями

С породами основного состава генетически связаны месторо­ждения титаномагнетита, никеля, меди, колчеданные месторожде­ния. Место­рождения исландского шпата, агата, халцедона могут быть связаны с диабазовыми мандельштейнами, в которых эти минералы выпол­няют миндалины.

Генезис

Основные породы широко распространены, при этом наибольшее развитие имеет эффузивная их фация — базальты. Эти особенности, а также родственные отношения, связывающие базальты с другими породами, заставляют рассматривать основную магму как одну из первоначальных, возникающих ниже уровня земной коры.

Глубокофокусные землетрясения обусловливают подъемом еще не расплавленного вещества мантии (пиролита), которое плавится на более высоких горизонтах и со­здает магму. Решающим моментом является глубина, на которой происходят отделение расплава и его последующая дифференциация.

1. Если глубина отделения магматического расплава составляет 35—60 км (давление 12—18 кбар), то в равновесии с расплавом будут существовать глиноземистые энстатит и клинопироксен. Эти мине­ралы содержат много А1₂О₃ и SiO₂, и, следовательно, остаточный расплав будет относительно обогащен щелочами и соответствовать щелочному оливиновому базальту. 2) При глубине отделения магматического расплава от 15 до35 км (давление ~9 кбар) в равновесии с расплавом находятся оливин и умеренно глиноземистый пироксен, а сам расплав соответ­ственно обогащен глиноземом. Эти расплавы могут подниматься к поверхности и формировать высокоглиноземистые разновидности. При дифференциации в условиях небольших глубин из них могут образоваться псевдостратифицированные интрузии. 3)Глубина отделения магмы 0—-15 км. В этом случае кристалли­ческим остатком, образующимся в процессе кристаллизационной дифференциации (гравитации), является оливинит, а остаточный расплав отвечает толеиту или кварцевому толеиту. Возникновение очагов базальтовых магм предполагает их даль­нейшую дифференциацию

2. Группа граната

Гранаты имеют общую формулу А3В₂ [SiO₄]₃, где А— Mg, Fe^{2 +} , Mn^{2 +} , Са и В —Al, Fe³+, Cr³+, Mn³+,Ti. Среди них выделяются минеральные виды двух изоморфных рядов: альмандинового (Mg, Fe, Mn)₃ Al₂ [SiO₄]₃ (пироп, альмандин, спессартин) и андрадитового Ca₃(Al, Fe, Cr)₃ [SiO₄]3 (гроссуляр, андрадит, уваровит, шорломит).

В се гранаты кристаллизуются в кубической сингонии и образуют кристаллы характерной формы — ромбического додекаэдра, иногда в комбинации с тетрагон-триоктаэдром. Встречаются гранаты также в виде скелетных кристаллов, переполненных включениями других минералов, а также в виде неправильных изометричных зерен с ситовидным строением . Спайность отсутствует. Гранаты аль­мандинового ряда всегда изотропны. Гранаты андрадитового ряда, образовавшиеся при температуре ниже 750° С, явля- ются аномально анизотропными. Эти гранаты обнаруживают серую интерференционную окраску и несколько систем по­лисинтетических двойников, пересекающихся под разными углами.

Гранаты разного состава отличаются по показателю преломления, плотности и окраске (табл. ).

Гранаты — характерные минералы контактово-метаморфических пород и кристаллических сланцев. Реже находятся они в магматических породах. Так, в щелочных породах встречается шорломит, в гранитах и особенно в пегматитах— спессартин и альмандин, в кимберлитах — пироп. Так как гранаты стойкие минералы, они нередко находятся в со­ставе тяжелой фракции осадочных пород. Под воздействием гидротермальных растворов гранаты превращаются в хлорит, серпентин, биотит, амфиболы и другие силикаты. Под ми­кроскопом гранаты имеют сходство со шпинелью, которая отличается от них тем, что образует октаэдрические кри­сталлы, дающие в разрезах треугольные и четырехугольные формы.

3. Зональность ореол рассеяния первичный

ореол рассеяния - представляет собой зону рудовмещающих пород, окружающих месторождение, обогащенную в процессе рудообразования рядом химических элементов. Зональность ореолов — понятие векторное, и ее параметры по разным направлениям не совпадают. По отношению к рудному телу могут быть выделены три основных типа зональности. Осевая зональность проявляется в направлении движения рудоносных растворов и в случае крутопадающих рудоносных зон совпадает с вертикальной, а для большинства субгоризонтальных — с горизонтальной. Продольная зональность отражает зональное строение ореолов по простиранию, а поперечная — вкрест простирания ореолов и согласных с ними рудных тел.

Для решения наиболее важной задачи геохимических поисков по первичным ореолам — обнаружения слепого оруденения — главное значение имеет осевая зональность, поскольку для большинства рудных месторождений она совпадает или близка к вертикальной. . Ci произведение продуктивностей (средних содержаний) ореолов по надрудным влементам, a Cj — то же, для подрудных элементов. Как уже отмечалось, поперечная зональность первичных ореолов отражает различия ореолов элементов вкрест простирания рудных тел. В. отличие от вертикальной (осевой) зональности, единообразной для различных по составу месторождений, поперечная зональность находится в более тесной зависимости от состава руд и специфична для каждой рудной формации. Такая зависимость позволяет использовать поперечную зональность в качестве критерия определения вероятного состава слепого оруденения.

В зависимости от особенностей залегания рудных тел поперечная зональность их ореолов может быть симметричной и асимметричной. Симметричной поперечной зональностью характеризуются ореолы рудных тел вертикального падения. У наклонных рудных тел наблюдается более интенсивное развитие ореолов в висячем боку, что и обусловливает асимметрию поперечной зональности.

Продольная зональность первичных ореолов выражается в закономерном изменении параметров ореолов в направлении простирания рудоносных зон, отражая в их плоскости направление движения рудоносных растворов, и поэтому согласуется с осевой зональностью. Продольная зональность первичных ореолов также (аналогично поперечной) может быть симметричной и асимметричной, отражая склонение рудных скоплений («столбов») в плоскости рудной зоны, что имеет важное значение при интерпретации геохимических аномалий.