2.1.1.3. Состав и свойства простых солей

К данной группе минералов относятся галоиды (галит, сильвин, карналлит, бишофит), сульфаты (гипс, ангидрит, барит и др.), карбонаты (кальцит, доломит, магнезит, сидерит и др.), фосфаты, нитраты и др. Они широко распространены среди осадочных и несколько меньше среди метаморфических и магматических пород. В простых солях преобладают связи ионного типа, и более сложных – ионно-ковалентного типа, причем прослеживается увеличение ковалентности солей с переходом от легких к тяжелым анионам или с заменой щелочных металлов на другие металлы. Их объединяет слабая устойчивость в воде, обусловленная особенностями строения и преобладанием ионного типа связи в структуре, поэтому присутствие простых солей в грунтах сильно влияет на их физико-химические свойства (особенно при выщелачивании солей), на водопроницаемость, солевой состав порового раствора и его агрессивность и др.

Галоиды. Состоят из крупных ионов щелочных металлов с анионами хлора или фтора. Наиболее простое строение среди галоидов имеют галит («гальс» – соль) или каменная соль NaС1 и сильвин КС1. Структура галита представлена ионами натрия и хлора, попеременно располагающихся в узлах решетки и образующих плотную кубическую структуру. Большинство галоидов также имеет плотно упакованную кристаллическую структуру, в которой объем пустот не превышает 26 %, их плотность определяется химическим составом и ионным радиусом элементов. Повышенная текучесть каменной соли обусловлена ее совершенной спайностью.

Галоидные минералы образуются при осаждении в соляных бассейнах вдоль морских побережий и при высыхании соляных озер в сухом жарком климате. Древние залежи каменной соли, приуроченные к пачкам осадочных пород, часто выжимались в процессе складкообразования, образуя соляные столбы или диапиры. Подавляющая часть всех залежей каменной соли сформировалась в пермскую эпоху.

Сульфаты. Представляют собой ионные минералы – соли серной кислоты: в тетраэдрическом анионе [SО₄]^2– – сера находится в высшей степени окисле­ния, поэтому все сульфаты имеют одинаковый структурный тип. Среди сульфатных минералов в грунтах наиболее распространены гипс Са[SО₄]^–2Н₂О и ангидрит Са[SО₄], встречаются целестин Sr[SО₄], барит Ва[SО₄], тенардит Na[SО₄] и др. Сульфаты щелочных металлов и водные сульфаты легко растворимы в воде и имеют специфический солоноватый, горько-соленый или вяжущий вкус. Формирование залежей сульфатов связано с осадконакоплением в замкнутых морских бассейнах.

В горных породах довольно часто наблюдаются взаимные переходы гипса в ангидрит и обратно. При нагревании гипса до температуры 100–200 °С происходит его постепенная дегидратация и переход в ангидрит, который сопровождается уменьшением объема гипса и образованием в нем пустот. При обратном процессе образуется вторичный гипс. Гидратация ангидрита и образование вторичного гипса сопровождаются резким увеличением его объема, вследствие чего в породах создаются дополнительные напряжения, достигаю­щие иногда огромной величины.

Карбонаты. Представляют собой соли угольной кислоты, в которых катионами служат ионы Са²⁺, Ме²⁺, Ва²⁺, Fе²⁺, Рb²⁺ и др. В их состав также входят дополнительные ионы, чаще всего (ОН)^–. Для карбонатов характерна смешанная ионно-ковалентная связь: между катионами и анионами существует ионная связь, а в радикалах [СО₃]^2– ковалентная связь. Наиболее распространенными минералами среди карбонатов являются кальцит СаСО₃, и доломит Са, Мg(СО₃)₂, магнезит МgСО₃, церуссит РbСО₃, сидерит FеСО₃, и др. По своему строению кальцит сходен с галоидами. Он имеет кристаллическую структуру ионного типа, образованную кальцием Са²⁺ и радикалом СО₃^2–. Плотность карбонатов и сульфатов зависит от их химического состава и от строения кристаллической структуры: наибольшие значения плотности имеют карбонаты, в состав которых входят атомы железа или свинца.

Фосфаты, арсенаты, бораты, а также прочие ионные и ионно-ковалентные соли менее распространены в грунтах, но в ряде случаев их значение бывает существенным. С осадочным процессом связано образование фосфоритов – скоплений фосфатов. Многие фосфаты, накапливающиеся в речных, прибрежных и морских россыпях, содержат радиоактивные элементы и к ним приурочены урановые месторождения. Среди фосфатов и их аналогов наиболее распространены апатит, монацит, эритрин, вивианит и др.

Таким образом, важнейшим свойством простых солей является их растворимость, обусловленная преобладанием ионного типа связи в решетке минералов. Устойчивость простой соли определяется энергией ее кристаллической решетки, т. е. работой, требуемой для разрушения связи и удаления ионов на расстояния, при которых можно пренебречь взаимодействиями между ними. Энергия кристаллической решетки зависит от радиуса и заряда ионов и повышается с уменьшением ионных радиусов и ростом валентности (заряда) ионов. Соотношение энергии кристаллической решетки ионного кристалла и энергии гидратации ионов, определяет растворимость соли. Растворение происходит в том случае, если энергия гидратации выше энергии кристаллической решетки, поэтому с ростом энергии решетки растворимость ионных кристаллов в целом снижается [50].