Научная конференция ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ, ноябрь 2011 года
СЕКЦИЯ ГЕОЛОГИЯ

Рис. 1. Подпись к рисунку. Зависимость величины R от 1-IAP/L: 1- данные опыта с образцом N1 (поверхность без дислокаций), 2 - данные 3-х опытов с образцом N1 (поверхность с дислокациями), 3 - данные 8-и опытов с обр. N2, 4 - обр. N3

В районах распространения гипса прогнозные оценки скорости процессов карстообразования, засоления и рассоления почв и грунтов проводятся с использованием моделей массообмена загипсованных пород с подземными водами. Составная часть моделей - параметры кинетики гетерогенных химических реакций, протекающих на реакционной поверхности растворения гипса.

В настоящее время отсутствуют достоверные данные кинетики растворения гипса в водных растворах, полученные с учетом природной поверхности растворения. Цель данной работы - определение параметров кинетики растворения гипса в воде в условиях кинетического режима, на образцах с естественной поверхностью, для всей области протекания реакции.

Экспериментальные исследования проводились в термостатированной ячейке цилиндрической формы (V = 80 мл) при статическом режиме работы. Образец гипса в виде диска (S = 9.62 см²) размещался на дне ячейки. Перемешивание раствора осуществлялось погружной мешалкой в условиях кинетического режима растворения. Для регистрации изменения концентрации ионов Ca²⁺ в растворе от времени (t) использовался метод кондуктометрии (четырех электродная радиальная схема).

Обработка опытных данных проводилась на основе кинетического уравнения:
VR/S' = k - k'a_Ca²⁺* a_SO4^2- = k(1 - IAP/L), где R - скорость реакции растворения; k и k' - константы скорости соответственно прямой и обратной реакции; a_Ca²⁺* a_SO4^2- = IAP - произведение активности компонентов раствора; L - произведение растворимости; S' - площадь реакционной поверхности растворения; V - объем раствора.

Скорость растворения R рассчитывалась на основе численного дифференцирования зависимости C_Ca²⁺ = C_Ca²⁺(t). Компонентный состав раствора определялся с учетом комплексообразования на основании теории Дебая - Хюккеля. Величина S' определялась в результате сравнения данных, полученных на атомарно - гладкой поверхности (единичной грани кристалла, обр. N1, рисунок) и шероховатой (обр. N2, N3, рисунок). Предполагалось, что на шероховатой поверхности "идеальное" протекание процесса растворения (т.е. как на единичной грани) "искажается", только, за счет влияния структуры и морфологии такой поверхности, на ее реакционную способность. Подробно методика проведения опытов и обработка данных описывается в работе [1].

Обработка опытных данных выявила линейную зависимость величины R от (1 - IAP/L) для всей области протекания реакции при температурах раствора от 5 до 25°.

В результате обработки опытных данных получены графики зависимости вида R от (1 - IAP/L). На рисунке представлены значения R, полученные в опытах с гладкой (N1) и шероховатой (N2, N3) поверхностями образцов гипса, содержащих не более 1% примесей.

Структура и состав большей части образцов характерны для начального этапа диагенеза (перекристаллизация, доломитизация, органическое вещество). Опыты с этими образцами характеризовались максимальными значениями величины R (обр. N3, рисунок). При растворении гипса с наименьшей степенью его перекристаллизации (что может указывать на позднее его выпадение) получены минимальные значения R (обр. N2, рисунок).

Видимая (визуально) площадь поверхности образца гипса (S) оказалась в ≈ 10 раз меньше площади его реакционной поверхности растворения (S'), т.е. S' ≈ 10S. При начальном этапе диагенеза значения величин R и S' могут увеличиться в ≈1.5 раза.

Полученные результаты предполагается использовать в рамках изучения процесса массообмена загипсованных пород с подземными водами, от уровня единичной трещины до массива.

Литература:
1. Лебедев А. Л., Лехов А. В. Кинетика растворения природного гипса в воде при 5 - 25°С // Геохимия. 1989. N6. с. 865-874.