1 ХИМИЯ И ГЕОЛОГИЯ Природа глазами химика Химия геологических процессов Доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Севастьянова Татьяна Николаевна. - презентация

1 1 ХИМИЯ И ГЕОЛОГИЯ Природа глазами химика Химия геологических процессов Доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Севастьянова Татьяна Николаевна

2 2

3 3

4 4 Держись, геолог, Крепись, геолог, Ты – ветру и солнцу – брат! …и по халатам рваным и прожженным мы друга-химика повсюду узнаем

5 5

6 6 Классификация горных пород по происхождению Магматические Осадочные Метамор- фические горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных и магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий породы, образовавшиеся непосредственно из магмы (преимущественно силикатного состава, образованной в глубинных зонах Земли), в результате её поступления в верхние слои Земли породы, возникшие путём осаждения вещества в водной среде, реже из воздуха и результате деятельности ледников на поверхности суши, в морских и океанических бассейнах

7 7 Химический взгляд ПРИРОДНОЕ ВЕЩЕСТВО CO2 H2O T,PO2 Растворимость Химическое взаимодействие Классы соединений Смещение равновесия, Принцип Ле Шателье

8 8 Распространенность элементов в земной коре (в %) O 46,1 Si 28,2 SiO 2, силикаты Al 8,23 бокситы: бемит AlOOH, гиббсит Al(OH) 3 Fe 5,63 гематит Fe 2 O 3, магнезит Fe 3 O 4, сидерит FeCO 3 Ca 4,15 известняк CaCO 3, доломит CaCO 3 *MgCO 3, гипс CaSO 4 *2H 2 O Na 2,36 галит-каменная соль NaCl, трона Na 3 (CO 3 )(HCO 3 )*2H 2 O Mg 2,33 доломит CaCO 3 *MgCO 3, магнезит MgCO 3, кизерит MgSO 4 *H 2 O, карналлит KCl*MgCl 2 *6H 2 O K 2,09 сильвит KCl, сильвинитNaCl*KCl, карналлит KCl*MgCl 2 *6H 2 O

9 9 Минералы Минералы -однородные по составу и строению кристаллические вещества, образовавшиеся в результате природных физико-химических процессов являющиеся составными частями горных пород и руд. Некоторые скрытокристаллические и аморфные природные вещества - продукты природных процессов, составные части горных пород. (Например, Халцедон, Опал). Природные химически и структурно однородные образования, являющиеся составными частями других космических тел - Луны, планет, метеоритов. Самый распространённый в природе класс минералов - силикаты (не менее 75%).

10 10 КВАРЦ

11 11 Кристаллическая структура

12 12 Si : 1S 2 2S 2 P 6 3S 2 P 2 SP 3

13 13

14 14 Соотношения в кристаллических структурах β-кварца (A)(гексагональная) и α-кварца (Б)(ромбоэдрическая)

15 15 Определение кристаллической структуры – Рентгеноструктурный анализ (РСА)

16 16 Физические свойства SiO 2 Кварц C тридимит С кристобалит С (t пл) T α-β перехода α-кварц->β-кварц 573 α-тридимит->β-тридимит 115 α-кристобалит->β-кристобалит 270 Коэсит >300; >1,5ГПа Стишовит >1200; 17 ГПа

17 17 Термодинамические свойства SiO 2 Δ f H o (кДж/моль) Δ f G o (кДж/моль) S o (кДж/моль*К) α-кварц -910,7 -856,3 41,5 α-тридимит -905,2 α – кристобалит -908,0 42,6 β-кристобалит -905,4 43,5 (монокл)коэсит -905,9 40,4 тетр.(стишовит) -901,4 27,8 стекл. -901,4 47,9

18 18 Химические свойства SiO 2 1.Si + O 2 = SiO 2 2.SiO 2 (аморфн)+ H 2 O (t o )SiO 2 *nH 2 O (H 4 SiO 4 ) 3.SiO 2 + 2NaOH (t o ) Na 2 SiO 3 + 2H 2 O 4.SiO 2 + 4HF SiF 4 +2H 2 O H 2 [SiF 6 ] 5.SiO 2 + CaO CaSiO 3 6.SiO 2 + Na 2 CO 3 Na 2 SiO 3 (Na 4 SiO 4 )+ CO 2 Формы силикатов, осаждаемых из растворов, зависят от условий осаждения

19 19 Силикаты

20 20 Примеры силикатов С цепочечной структурой - жадеит NaAl[Si 2 O 6 ] Ленточные кремнекислородные радикалы:нефрит – Ca 2 (Mg, Fe) [Si 4 O 11 ] (OH) 2 Амфиболы – гидросиликаты Ca, Mg, Fe, содержащие группы [Si 4 O 11 ] 6 Слоистые силикаты: слюды и глины, содержащие в своей структуре группировки [Z 4 O 10 ], где Z=Si и Al в четверной координации относительно кислорода. В слюдах слои состоят из шестичленных колец, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. Силикаты с каркасным строением: кремнезем и полевые шпаты. Полевые шпаты делятся на плагиоклазы (непрерывный ряд твердых растворов в системе альбит-анортит (NaAlSi 3 O 8 CaAl 2 Si 2 O 8 )) и калиевый полевой шпат K[AlSi 3 O 8 ]

21 21 Бирюза - CuAl 6 (OH) 8 (PO 4 ) 4 ·4H 2 O

22 22 Искусственные минералы

23 23 Карбонаты ИЗВЕСТНЯК, наиболее распространенная осадочная карбонатная горная порода, состоящая гл. обр. из кальцита СаСО 3. Составляет 12% от всей массы осадочных пород. Мел Мрамор

24 24

25 25 Замшелый мрамор царственных могил Исчезнет раньше этих веских слов, В которых я твой образ сохранил. К ним не пристанет пыль и грязь веков... …Как живется вам с товаром Рыночным? Оброк - крутой? После мраморов Каррары Как живется вам с трухой…

26 26 55 сонет Замшелый мрамор царственных могил Исчезнет раньше этих веских слов, В которых я твой образ сохранил. К ним не пристанет пыль и грязь веков. Пусть опрокинет статуи война, Мятеж развеет каменщиков труд, Но врезанные в память письмена Бегущие столетья не сотрут. Ни смерть не увлечет тебя на дно, Ни темного забвения вражда. Тебе с потомством дальним суждено, Мир износив, увидеть день суда. Итак, до пробуждения живи В стихах, в сердцах, исполненных любви! Not marble, nor the gilded monuments Of princes, shall outlive this powerful rhyme; But you shall shine more bright in these contents Than unswept stone besmear'd with sluttish time. When wasteful war shall statues overturn, And broils root out the work of masonry, Nor Mars his sword nor war's quick fire shall burn The living record of your memory. 'Gainst death and all-oblivious enmity Shall you pace forth; your praise shall still find room Even in the eyes of all posterity That wear this world out to the ending doom. So, till the judgment that yourself arise, You live in this, and dwell in lover's eyes.

27 27 Кальцит Цвет белый, желтый, розовый, зеленоватый. Блеск - стеклянный, матовый. Прозрачность - прозрачный, просвечивающий, непрозрачный. Поделочный камень, строительный материал, сырье для цемента.

28 28 Арагонит АРАГОНИТ

29 29 Арагонит Арагонит нестабильная фаза карбоната кальция, и за срок порядка млн лет видоизменяется до кальцита. Трансформации арагонита в кальцит сопутствует увеличение объёма породы. Арагонит часто входит в состав перламутрового слоя раковин моллюсков, в том числе и жемчуга; в состав кораллов. Поскольку арагонит в раковине моллюска подвергается биологическому воздействию, форма кристаллов может весьма отличаться от арагонита неорганического происхождения. У некоторых моллюсков вся раковина состоит из арагонита, у других из арагонита состоят только отдельные части, а вся остальная раковина из кальцита.перламутровогомоллюсковжемчугакальцита

30 30 Равновесия с участием СО 2 СО 2 + Н 2 О CO 2 раств. (H 2 CO 3 ) H + + HCO 3 - H + + CO 3 2- K 1 = 4, K 2 = 4, [H + ] CO 2 P CO 2 (3) Ca 2+ + CO 3 2- CaCO 3 K 3 = 2,110 8 H + + CO 3 2- HCO 3 - (4) CaCO 3 + H + Ca 2+ + HCO 3- K 4 = 1/(K 3 ·K 2 ) = 10 2 Сталактиты-сталагмиты

31 31

32 32 Взаимодействие иона CO 3 2- с ионами Ba 2+,Cu 2+, Al 3+ в водных растворах Ba 2+ + CO H 2 O белый кристаллич.осадок BaCO 3 Cu 2+ + CO H 2 O голубой осадок + газ (CuOH) 2 CO 3 + CO 2 Al 3+ + CO H 2 O белый студнеобразный осадок + газ Al(OH) 3 + CO 2

33 33 Из олимпиадных задач Названия минералов I и II отличаются на одну букву («л»), а I и III – на две (другие) буквы: I II III

34 34 I Минерал I (в отличии от II и III ) хорошо растворим в воде. При действии на раствор, содержащий 1,000 г I, избытка раствора нитрата серебра выпадает 2,453 г белого осадка, не растворимого в разбавленной азотной кислоте

35 35 II Навеску 1,000 г минерала II растворили при кипячении в концентрированной азотной кислоте. На полученный раствор подействовали избытком раствора гидроксида натрия, выпавший осадок синего цвета был отделен фильтрованием и прокален. Масса полученного при прокаливании остатка черного цвета составила 0,403 г. Через фильтрат был пропущен углекислый газ. При этом из раствора выпал осадок белого цвета; после фильтрования и прокаливания масса белого продукта – 0,475 г. Фильтрат, полученный после пропускания углекислого газа, был подкислен азотной кислотой (до прекращения выделения пузырьков углекислого газа) и обработан избытком раствора хлорида бария, при этом образовалось 2,364 г белого осадка, не растворимого в разбавленной азотной кислоте.

36 36 III При попытке растворить минерал III в концентрированной азотной кислоте образовался белый осадок. При длительном прокаливании на воздухе минерала III изменилась его окраска, а масса уменьшилась на 6,7%.

37 37 Вопросы: 1. Определите химический состав минералов I-III 2. Приведите названия минералов I-III. С чем связаны названия этих минералов? 3. Приведите уравнения химических реакций, осуществленных при установлении состава минералов I-III.

38 38 БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!