|
Примеры действия процесса на поверхности Земли встречаются буквально на каждом шагу. Вспомним «окремненные» (т. е. замещенные оксидами кремния) стволы древних деревьев, разнообразные окаменелости древних животных. Именно так и образовалась сульфидная мумия погибшего рудокопа, которая послужила основанием для возникновения мифа о «рудном человеке».
Специально следует остановиться на роли воды в процессе глубокого преобразования вещества земной коры на поверхности суши. Вода — химическое соединение, замечательное во многих отношениях. Именно она обусловливает движение значительных масс химических элементов на поверхности Земли. Переход атомов из твердого кристаллического вещества в водный раствор и дальнейшее его перемещение является одним из основных видов миграции химических элементов в зоне выветривания.
Все природные воды без исключения являются растворами. Теория растворов глубоко разработана. Известны законы, по которым можно точно определит*, когда химический элемент в виде иона будет находиться в растворе, а когда он образует нерастворимое соединение, выпадающее в осадок. Но эти законы не объясняют действие механизмов извлечения отдельных атомов и ионов из твердого вещества в раствор. Для этого нужно оценить роль воды на молекулярном уровне.
Как известно, вода — соединение водорода и кислорода. Для всех элементов главной подгруппы VI группы таблицы Д. И. Менделеева соединения с водородом отвечают формуле H2R, где вместо R можно подставить кислород, серу, селен, теллур — любой элемент этой подгруппы. Среди этих соединений вода резко отличается своими свойствами. Если нанести температуры плавления всех соединений этой подгруппы на график, то можно увидеть, что точки плавления будут закономерно понижаться с уменьшением порядкового номера от Н2Те к H2S. Согласно этой закономерности температура плавления Н20 должна быть около—100 °С, а мы знаем, что она на 100 °С выше. Причина этого явления заключается в том, что вода имеет определенную структуру. На преодоление структурных связей и затрачивается дополнительная энергия.
Формула воды предельно проста и всем известна, но строение молекулы Н20 совсем не простое. Кислород двухвалентен. Для завершения наружного слоя ему не хватает двух электронов. Два атома водорода вносят в «общее пользование» по одному электрону. Связь, основанная на совместном использовании электронов, — ковалентная связь — широко распространена в природе. Но особенность строения молекулы воды заключается в том, что электронные облака атомов водорода расположены по отношению друг к другу почти под прямым углом (цвет. рис. VIII, слева и в центре).
Атом водорода имеет очень небольшой радиус, значительно меньший, чем все другие химические элементы. Поэтому соседняя молекула воды может подойти к этому атому настолько близко, что начнут проявляться силы взаимодействия. Так как ион водорода (протон) заряжен положительно, а кислород — сильно электроотрицательный элемент, то ион водорода одной молекулы вступает во взаимодействие с необобщенной парой электронов кислорода другой, соседней молекулы. Такая связь получила название водородной. Конечно, водородная связь значительно слабее ковалентной. Чтобы ее разрушить, надо затратить в 10—20 раз меньшую энергию, чем на разрушение ковалентной связи. Кислород и водород, образующие водородную связь, располагаются на расстоянии почти в два раза большем, чем внутри молекулы воды. Расстояние О—Н в молекуле воды равно 0,100 нм, а Н ... О (так обозначают водородную связь) — 0,176 нм (цвет. рис. VIII, справа). Учитывая водородную связь между молекулами воды, можно считать, что жидкая вода представляет собой не хаотичное скопление молекул, а имеет определенную структуру как кристаллическое вещество. Каждая молекула воды связана водородной связью с четырьмя соседними. Эти группировки и образуют общую структуру (цвет, рис. IX). Не все молекулы входят в структурный каркас, некоторые располагаются в его пустотах. В воде все время происходит переход молекул из одного состояния в другое. Этим «жидкие кристаллы» отличаются от твердых. Следует подчеркнуть, что образование водородной связи возможно лишь с сильно электроотрицательным элементом. Поэтому из элементов главной подгруппы VI группы такая связь возможна только для кислорода.
|