Механизм реакций

Известно много примеров реакций, которые, хотя и возможны с термодинамической точки зрения, протекают так медленно. Что практически их можно считать совсем не происходящими (метастабильное состояние). Этот вопрос имеет большое значение для петрографии, так как, например, а) стекловатые породы образуются при быстром охлаждении; б) реакции, которые из-за недостатка времени не прошли до конца, могут обусловить магматическую дифференциацию; в) изучение многих метаморфических процессов было бы невозможно, если бы все реакции происходили мгновенно.

В качестве примера рассмотрим калиевый полевой шпат KAlSi₃O_8, встречающийся в двух полиморфных модификациях, относительно которых предполагается, что они отличаются степенью упорядоченности ионов Al и Si в их кристаллических решетках. Упорядоченная форма – микроклин - устойчива при температурах ниже нескольких сотен градусов; неупорядоченная форма – санидин – устойчива при высоких температурах. Тем не менее, полевой шпат из низкотемпературных гидротермальных жил (адуляр) имеет структуру санидина и должен быть метастабильным с момента его образования. Его появление при низких температурах свидетельствует о большей скорости реакции, приводящей к образованию неупорядоченной структуры, чем реакции, приводящей к упорядоченному расположению ионов Al и Si. В вулканических породах санидин кристаллизуется при высоких температурах как подлинно устойчивая форма. Его последующее существование при низких температурах обусловлено быстрой закалкой до температур, настолько низких, что скорость упорядочения структуры становится равной нулю.

Следовательно, для петрологии весьма существенное значение имеет изучение скоростей реакции. Эта проблема очень трудна, поскольку даже в простых случаях очень трудно предсказать скорость реакции, а геологические реакции нельзя назвать простыми. В большинстве случаев это гетерогенные процессы, то есть процессы, в которых участвует несколько фаз, как твердых, так и жидких (кристаллизация, растворение), или нескольких различных твердых фаз, твердых, газов и т.д. Процессы, протекающие в таких гетерогенных системах, не могут быть простыми. Они, вероятно, протекают стадийно, причем каждая стадия идет с особой скоростью. Например, любой процесс на поверхности раздела двух сред должен зависеть от: 1) скорости, с которой идет реакция и 2) скорости привноса реагентов и скорости выноса продуктов реакции на этой поверхности раздела. Кристалл не может раствориться до тех пор, пока его частицы, освобожденные из решетки, не вынесутся в раствор. Кроме того, всегда возникает вопрос о теплопроводности, так как твердое тело не может плавиться быстрее, чем оно получает необходимое для этого количества тепла. Аналогично газ не может конденсироваться с заметной скоростью, если нет быстрого отвода теплоты его конденсации. Ясно, что общая скорость процесса, проходящего в несколько стадий, будет определяться скоростью наиболее медленных стадий. Несомненно, что фактором, определяющим скорость многих процессов, имеющих большое значение в геологии, служит скорость диффузии реагентов и продуктов реакции в различных участвующих в этих процессах фазах.