3. Кислотный гидролиз

Континентальные воды содержат растворимые формы, которые придают им кислотность. Источники кислотности различны -это и диссоциации атмосферного СО₂ в дождевой воде, и частично диссоциация почвенного СО₂ с образованием Н₂СО₃, диссоциация природного и антропогенного диоксида серы с образованием Н₂SО₃ и Н₂SО₄ Реакцию между минералом и кислыми агентами выветривания обычно называют кислотным гидролизом. Выветривание СаСО₃ , например, проходит по реакции:

СаСO₃ + Н₂СO₃ → Са + 2НСО₃^-

Ионная связь Са—СО₃ в кристалле кальцита разрывается и свободные ионы СОз^2- притягивают от Н₂СО₃ достаточно ионов Н⁺, чтобы образовался стабильный ион бикарбоната НСО₃^–-. Бикарбонат — очень слабая кислота, поскольку она слабо диссоциирует на Н⁺ и СОз^2–, и ее диссоциации недостаточно, чтобы реагировать с карбонатом. В общем, в результате реакции нейтрализуется кислота, содержащаяся в воде.

Процесс зависит от количества доступного СО₂: избыток СО₂ вызывает образование большего количества Н₂СО₃ , которая растворяет СаСО₃ (прямая реакция); и наоборот, недостаток СО₂ стимулирует обратную реакцию и осаждение СаСО₃. Образующиеся в пещерах сталактиты и сталагмиты являются примером осаждения СаСО₃, вызванного дегазацией СО₂ из грунтовых вод. Этот отклик на изменение количества СО₂ — наглядный пример принципа Ле-Шателье.

Кислотный гидролиз простого силиката, например богатого магнием оливина, форстерита, можно обобщить следующим образом:

Mg₂SiO₄ + 4H₂CO₃ —> 2Mg²⁺ + 4HCO₃^– + H₄SiO₄

Образующийся при диссоциации Н₂СО₃ ион НСО₃^–, немного более сильная кислота, чем нейтральная молекула Н₄SiO₄, образующаяся при разложении силиката.

Сумма процессов растворения СO₂ в почвенных водах, последующая диссоциация НаСО₃ и образование НСО₃^2– в результате кислотного гидролиза при выветривании, приводит к тому, что поверхностные воды имеют нейтральную реакцию и преобладающим ионом является НСО^3–.

4. Выветривание сложных силикатов

Породы верхнего слоя земной коры в основном состоит из каркасных силикатов, полевых шпатов серии плагиоклазов, калиевых полевых шпатов и кварца (см. табл.), причем плагиоклазы преобладают. Таким образом, упрощенная реакция выветривания для плагиоклаза должна лучше описывать усредненный процесс химического выветривания. Это можно проиллюстрировать на примере богатого кальцием плагиоклаза, анортита:

СаА1₂Si₂O₈ + 2Н₂СO₃ + Н₂O → Са²⁺ + 2НСO₃^– + A1₂Si₂O₅(ОН)₄

Твердым продуктом реакции является каолинит (A1₂Si₂O₅(ОН)₄) — важный представитель серпентин-каолиновой группы глинистых минералов.

Таблица. Процентное содержание минералов в верхней континентальной коре.

	Среднее по верхней континентальной коре	Среднее по подверженной воздействиям поверхности континентальной коры
Плагиоклазовые полевые шпаты	39,9	34,9
Калиевые полевые шпаты	12,9	11,3
Кварц	23,2	20,3
Вулканическое стекло	—	12,5
Амфиболы	2,1	1,8
Слюда биотит	8,7	7,6
Слюда мусковит	5,0	4,4
Хлорит	2,2	1,9
Пироксены	1,4	2,2
Оливин	0,2	0,2
Оксиды	1,6	1,4
Остальное	3,0	2,6

Поверхности природных кристаллов имеют участки с избытком электрического заряда, что вызвано дефектами кристаллической решетки (ряды атомов, немного смещенные со своих позиций) или ее повреждениями (разрыв связей). Области с избыточным зарядом преимущественно атакуются почвенными кислотами, в результате чего возникают выемки на поверхности минерала. Водородные ионы, образующиеся при диссоциации Н₂СО₃, гидратируют поверхность силиката.

Ионные связи между Са²⁺ и тетраэдрами SiO₄ легко разрываются, высвобождая Са²⁺ в раствор. В результате образуются гидратированный силикат с дефицитом металла и раствор бикарбоната кальция (Са²⁺ + 2НСО₃^–). В ходе дальнейшей реакции в пределах тетраэдрической сетки могут разорваться связи, близкие к ковалентным. Тетраэдрическая сетка является особенно непрочной там, где алюминий заместил кремний, поскольку связь кислород—алюминий имеет скорее ионный характер. Продукт реакции, высвобождаемый в раствор — это H₂SiO₄.

Кислотный гидролиз является доминирующим процессом выветривания в верхнем слое земной коры.