WIETRZENIE CHEMICZNE

Wietrzeniem chemicznym nazywamy procesy chemicznego rozkładu, w trakcie których
dochodzi do rozpuszczania i uwalniania składników oraz syntezy nowych minerałów bądź pozostawiania trwałych produktów końcowych rozpadu. Zachodzące przemiany są skutkiem ekspozycji skał i minerałów na warunki atmosferyczne, często skrajnie różne od warunków ich powstawania. Działanie agresywnych czynników środowiskowych, takich jak woda, tlen i CO2, wyzwala spontaniczne reakcje chemiczne w obrębie wietrzejącego materiału.
Wietrzenie chemiczne jest naturalnym następstwem wietrzenia fizycznego. Skały, które
uległy mechanicznemu rozkruszeniu są łatwo penetrowane przez wodę. W jej obecności składniki najłatwiej rozpuszczalne ulegają rozpuszczeniu i wymyciu. W miarę intensyfikacji tego procesu środowisko wietrzenia ulega wzbogaceniu w składniki słabiej rozpuszczalne, tlen i grupy hydroksylowe.
Powstające produkty wietrzenia (minerały wtórne, substancje bezpostaciowe) są
znacznie bardziej stabilne od materiałów macierzystych i pozostają w stanie względnej równowagi z czynnikami atmosferycznymi.
Reakcje rozpadu minerałów charakteryzują się dużą dynamiką wymiany składników ze
środowiskiem wietrzenia, tzn. składniki te są ciągle usuwane bądź dostarczane. Powstawanie określonych minerałów możliwe jest jedynie wtedy, gdy wszystkie niezbędne w tym celu atomy i jony są obecne i względnie nieruchliwe. Na podstawie przemian skalenia potasowego prześledzić można powstawanie różnych produktów wietrzenia, w zależności od obecności potasu:
  1. w wypadku, gdy cały potas został wymyty do roztworu, powstającym minerałem wtórnym jest kaolinit:

    2. 4K[AlSi3O8] + 6H2O ® Al4[(OH)8Si4O10] + 8SiO2 + 4KOH
    skaleń potasowy     + woda ® kaolinit + krzemionka + potas
  2. jeżeli pewna część potasu nie ulegnie wymyciu i pozostanie w obrębie sieci krystalicznej, powstającym minerałem wtórnym jest illit.

5K[AlSi3O8] + 4H2O ® KAl4[(OH)4AlSi7O20] + 8SiO2 + 4KOH
skaleń potasowy + woda ® illit + krzemionka + potas

Wietrzenie minerałów jest procesem bardzo złożonym, odbywającym poprzez szereg
reakcji chemicznych, wzajemnie się uzupełniających, bądź indukujących. Najważniejszymi z nich są:
  1. Hydroliza. Reakcje minerałów z wodą odgrywają zasadniczą rolę w procesach chemicznego rozkładu substancji. Rozkład i przebudowa z udziałem wody to główne procesy wietrzenia chemicznego. Powstające w ich wyniku formy wodorotlenkowe są zwykle łatwiej rozpuszczalne od minerału macierzystego. Przykładem hydrolitycznego rozkładu glinokrzemianów jest zamieszona powyżej reakcja rozpadu skalenia potasowego.
  2. Hydratacja. Polega ona na wiązaniu powstałych w wyniku dysocjacji wody jonów H+ i OH- przez strukturę kryształu. Hydratacja łyszczyków prowadzi do wnikania części jonów H+ i OH- w przestrzenie miedzypakietowe. Skutkiem tego jest rozszerzenie sieci kryształu i zwiększenie jego porowatości, co z kolei przyspiesza inne procesy rozkładu. Reakcje hydratacji powodują przemianę minerału bezwodnego w uwodniony i słabo uwodnionego w silnie uwodniony. Dobrym przykładem tego procesu jest przekształcanie hematytu w limonit:

    3. 2Fe2O3 + 3H2O ® 2Fe2O3 . 3H2O
    hematyt     + woda ® limonit

  3. Karbonatyzacja. Kwas węglowy jest słabym kwasem powstającym w wyniku reakcji CO2 z wodą. Dwutlenek węgla w środowisku wietrzeniowym pochodzi częściowo z atmosfery, a częściowo z reakcji biologicznego oddychania i rozkładu materii organicznej. Roztwór kwasu węglowego działa na minerały silniej niż czysta woda. Powstające w wyniku karbonatyzacji produkty są znacznie łatwiej rozpuszczalne niż minerał macierzyste. Proces karbonatyzacji szczególnie silnie zaznacza się w przemianach kalcytu, w wyniku których dochodzi do powstawania rozpuszczalnego wodorowęglanu:

    4. CaCO3 + H2CO3 ® Ca(HCO3)2

    kalcyt + kwas węglowy ® rozpuszczalny wodorowęglan

  4. Utlenianie. Utlenianie w procesach wietrzenia rozumieć należy zarówno jako reakcje minerałów z tlenem jak i zmiany wartościowości występujących w ich sieci krystalicznej metali (tzn. zmiany związane z przyjmowaniem lub oddawaniem przez nie elektronów). Za doskonały przykład posłużyć tu mogą przemiany minerałów zawierających żelazo. Jeżeli w sieci krystalicznej występują jony żelaza dwuwartościowego i ulegną one utlenieniu do form trójwartościowych, to pozostałe składniki sieci muszą dostosować się do zaistniałej sytuacji. Prowadzi to do osłabienia struktury kryształu, który ulega rozkruszeniu i rozkładowi.
  5. Rozpuszczanie. Zdolność minerałów do rozpuszczania się w wodzie i roztworach wodnych zależy od ich składu chemicznego. Sam proces rozpuszczania polega na rozpadzie danej substancji na poszczególne jony, np. NaCl rozpada się, a dokładniej dysocjuje na kation Na+ i anion Cl-. Rozpad substancji inicjuje szereg dalszych reakcji chemicznych, które wobec ułatwionego dostępu do substratu, charakteryzują się dużą dynamiką.

Jak już wcześniej wspomniano, przebiegające w trakcie procesu wietrzenia reakcje
chemiczne są ze sobą powiązane, dlatego też nie można ich rozpatrywać rozłącznie. Śledząc rozpad najważniejszych minerałów skałotwórczych, tzn. glinokrzemianów, zaobserwować można, iż kolejność następujących po sobie przemian jest nieprzypadkowa. Rozpad glinokrzemianów jest niezwykle skomplikowany, jednak ze względu na jego ogromne znaczenie w przekształcaniu skał macierzystych i powstawaniu gleb, należy podać chociaż uproszczony schemat tego procesu:

  1. Uwodnienie powierzchni minerału (hydratacja). Aby zrozumieć istotę tego procesu, należy przypomnieć sobie, iż co prawda suma wszystkich ładunków dodatnich w sieci krystalicznej jest równa sumie wszystkich ładunków ujemnych (zgodnie z regułą Paulinga), jednak atomy znajdujące się na jej powierzchni posiadają niewysycone wiązania na powłokach walencyjnych. Naładowana powierzchnia kryształu przyciąga do siebie obecne w środowisku dipole wody. Siły przyciągające mogą powodować tak znaczną polaryzację dipoli wody, iż ulęgają one dysocjacji na proton H+ i anion OH-. Powstałe protony wodorowe łączą się z anionami tlenu sieci krystalicznej, zaś aniony hydroksylowe z jonami naładowanymi dodatnio. Jednocześnie kationy alkaliczne, bądź ziem alkalicznych mogą być podstawiane protonami wodorowymi. W wyniku zaistniałej hydrolizy wiązań Si-O-Al lub Si-O-Si struktura powierzchni kryształu zostaje zniszczona. Przebieg tego procesu przedstawia poniższy rysunek:
  • Wymywanie kationów, uwalnianie krzemionki. Uwolnione z sieci krystalicznej kationy zasadowe przechodzą do roztworu i ulegają wymyciu. Jednocześnie następuje uwalnianie krzemionki, która może ulec redukcji do form monomerycznych, tj. do poszczególnych tetraedrów, lub częściowo zachować swoją budowę łańcuchową.
  • Synteza minerałów wtórnych. W obrębie zwietrzałego materiału dochodzi do dalszych reakcji z czynnikami takimi jak woda, tlen i dwutlenek węgla, tzn. do reakcji hydrolizy, hydratacji, utleniania i karbonatyzacji. Zależnie od dominujących w danym środowisku czynników wietrzenia powstają zróżnicowane produkty procesu wietrzenia - minerały wtórne i substancje amorficzne.

    • Powrót do strony głównej