19التجوية والطين

يبهت نقش شاهد قبر قديم، وتستدير الحواف الحادّة للحروف مكوّنةً أخاديد ضحلة، وذلك أسرع على الرخام منه على الأردواز. وانكشاف جرانيتي يبدو صلبًا كأيّ شيء على الأرض يتفتّت في سطحه إلى رمل خشن، يجري بين الأصابع حبيباتٍ مفردة من الكوارتز الزجاجي، ومن الفلسبار الطباشيري، ورقائق من الميكا. وتحت غابات المناطق الاستوائية الرطبة، قد يبقى الصخر الصلب بعيدًا تحت تربة حمراء تحفظ حدود معادن الصخر، لكنها تُقطع بمجرفة. وكل هذه الأشياء الثلاثة من عمل الماء على سطح الأرض. يكتب هذا الفصل ذلك العمل بلغة الكيمياء: أيّ المعادن تتلاشى أولًا، وماذا تصير، ولماذا يغادر بعض العناصر مع الماء ويبقى بعضها، وكيف يحدّد المناخ النتيجة، وكيف يسحب التحلّل البطيء للصخر السيليكاتي ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

ما تعرفه من قبل

تُفتّت التجوية الصخور في أماكنها (الكتاب الأول، الصف الخامس). وتحوّل التجوية الكيميائية المعادن؛ ويعطي التحلّل المائي للفلسبار معدنًا طينيًّا، هو الكاولينيت، ويرسل البوتاسيوم والسيليكا إلى الأنهار؛ واللاتيريت هو الناتج الأحمر الغني بالحديد والألومنيوم للمناخات الحارّة الرطبة (الكتاب الثاني، الصف العاشر). تُصنَّف السيليكات بحسب طريقة اشتراك رباعيات أوجهها $\ce{SiO4}$ في الأركان، فالسيليكات الصفائحية تكوّن صفائح؛ والفلسبارات سيليكات إطارية للصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم، والميكات سيليكات صفائحية فيها بوتاسيوم بين الصفائح (التعريف 7.3، التعريف 7.10). ويتوقّف نصف قطر الأيون على شحنته وعلى تنسيقه (الفصل 7). وتتبلور المعادن من صهارة تبرد وفق سلسلة تفاعلات بوين، فالأوليفين أولًا والكوارتز آخرًا (الكتاب الثاني، الصف الحادي عشر). الحمض يطلق أيونات الهيدروجين؛ وثاني أكسيد الكربون المذاب في الماء يكوّن حمض الكربونيك؛ والأكسدة فقدان للإلكترونات؛ ومعادلة متوازنة تحفظ كل عنصر والشحنة (كتب الكيمياء). والتربة طبقة حيّة منظّمة في آفاق (كتب الأحياء).

19.1 التجوية الفيزيائية والكيميائية

صخرة تكوّنت في العمق، عند حرارة وضغط مرتفعين ودون ماء حرّ أو أكسجين، تكون خارج التوازن على السطح. وهي تتكيّف بطريقتين تعملان معًا.

تعريف 19.1 (التجوية الفيزيائية، والتجوية الكيميائية)

التجوية الفيزيائية هي تفكّك الصخر في مكانه إلى شظايا أصغر دون تغيير في معادنه. التجوية الكيميائية هي تحويل معادن الصخر في مكانه بالتفاعل مع الماء وما يحمله، أي أساسًا أيونات الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون المذاب والأكسجين: فبعض المعادن يذوب، وبعضها يُستبدل بمعادن جديدة مستقرّة على السطح، وجزء من الصخر يغادر في المحلول.

الصقيع. الماء عند $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ كثافته $999.87\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، والجليد $916.72\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$: يتمدّد الماء بمقدار $9.1\,\%$ عند تجمّده. والصورة القديمة لتجوية الصقيع أن الماء يتجمّد في شقّ محكم فيفتحه، مرة أخرى عند كل ذوبان وتجمّد. ونموذج الشقوق في الجرانيت والرخام، المبني على ميكانيك الكسر وعلى ما هو معروف عن التربة المتجمّدة، يضع الثقل في مكان آخر: فالماء يُسحب عبر المسامّ نحو الجليد الموجود أصلًا في شقّ، كما يُسحب نحو عدسات الجليد في تربة متجمّدة، ويكبر الجليد ويسدّ الشقّ ما دام التجمّد مستمرًّا. والتجمّد المستمر أكثر فعالية بين نحو $-4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و$-15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: قرب الصفر لا يستطيع الجليد أن يبني ضغطًا كافيًا، وأبرد من ذلك لا يستطيع الماء أن يتحرّك إليه بعد.

التسخين والتخفيف من الحمل والملح. التسخين والتبريد المتكرّران يُرهقان صخرًا تتمدّد معادنه بمقادير مختلفة؛ وجرانيت يُرفع إلى السطح بالتعرية، ويُخفَّف عنه ثقل ما فوقه، فيتمدّد وينشطر إلى صفائح موازية للسطح؛ والأملاح المتبلورة من ماء يتبخّر، في الصحارى وعلى السواحل، تفصل الحبيبات.

التجوية الفيزيائية تفعل أكثر من تكسير الصخر: فهي تفتحه أمام الماء.

قضية 19.2 (السطح الذي يفتحه التفتّت)

مكعب طول ضلعه $L$ يُقطَّع إلى مكعبات طول ضلعها $L/n$ يصير سطحه $n$ مرات أكبر. وبوجه أعمّ، كتلة $m$ من حبيبات كثافتها $\rho$، كلها مكعبات ضلعها $d$، لها مساحة سطح $S = 6m/(\rho d)$: فالسطح النوعي $S/m = 6/(\rho d)$ يتناسب عكسيًّا مع حجم الحبيبة.

كتلة من الفلسبار كثافتها نحو $2600\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ لها سطح نوعي $0.23\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$ كشظايا بحجم السنتيمتر، و$2.3\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{g}^{-1}$ كحبيبات بحجم الميكرومتر، أي أكبر بعشرة آلاف مرة. والتفاعلات الكيميائية تجري عند الأسطح، فالصخر الذي فتّته الصقيع أو فتحته مفاصله يتجوّى كيميائيًّا أسرع بكثير من الصخر السليم نفسه.

التفاعلات الكيميائية. يذوب الكالسيت كليًّا في الماء الحامل لثاني أكسيد الكربون، ولهذا تفقد شواهد القبور الرخامية نقشها (الكتاب الثاني، الصف العاشر). ويتأكسد الحديد الثنائي في السيليكات الداكنة إلى حديد ثلاثي، يبقى في أكاسيد صفراء بنّية وحمراء. والأهمّ بعيدًا هو التحلّل المائي، لأن السيليكات تكوّن معظم القشرة. وتأتي أيونات الهيدروجين من ثاني أكسيد الكربون، المذاب من الهواء والذي تطلقه الجذور والمحلّلات في التربة، ومن الأحماض العضوية للنباتات المتحلّلة: فمياه السطح والتربة غير الملوّثة لها رقم هيدروجيني (pH) بين 5.5 و$7$، ومياه الطبقة العضوية في بعض تربات الغابات تنخفض إلى 3.5. فالماء ودرجة الحرارة ومساحة السطح والحموضة هي إذن الضوابط الأربعة للتجوية الكيميائية، والمناخ الحار الرطب مع تربة سميكة يوفّرها كلها.

19.2 التحلّل المائي للسيليكات

تعريف 19.3 (التحلّل المائي لسيليكات)

التحلّل المائي للسيليكات هو تفاعلها مع الماء وأيونات الهيدروجين، حيث تحلّ أيونات الهيدروجين محلّ الكاتيونات المعدنية التي تذهب إلى المحلول، ويغادر جزء أو كل السيليكون كحمض السيليسيك المذاب $\ce{H4SiO4}$، ويُعاد بناء بقية المعدن في مادة صلبة جديدة، هي معدن طيني أو هيدروكسيد. والذوبان غير متطابق: فالصلب المتبقّي لا يملك تركيب المعدن المُهاجَم.

الألومنيوم مفتاح كتابة التفاعل: فعند رقم الحموضة في التربة والأنهار يكاد لا يذوب، والناتج الصلب يحتفظ به كله. وكل شيء آخر يتبع ذلك.

طريقة 19.4 (موازنة تفاعل تحلّل مائي)

بالنظر إلى المعدن المُهاجَم والناتج الصلب:

1. خذ وحدة صيغية واحدة من الناتج، ومن المعدن بالقدر الذي يعطي العدد نفسه من ذرّات الألومنيوم.
2. السيليكون من المعدن الذي لا يدخل في الناتج يغادر ك$\ce{H4SiO4}$؛ والكاتيونات المعدنية التي لا يدخل منها شيء في الناتج تغادر كأيونات.
3. وازن شحنة هذه الكاتيونات بأيونات الهيدروجين في الطرف الأيسر.
4. وازن الأكسجين بالماء في الطرف الأيسر.
5. تحقّق من الهيدروجين: يجب أن يتوازن بذاته. فإن لم يتوازن، فصيغة ما خاطئة.
6. إن أردت معادلة بأعداد صحيحة، اضرب في الكلّ.

قضية 19.5 (تحلّل الفلسبارات المائي)

مع السميكتيت بيدلايت $\ce{Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2}$ (مع استبعاد الماء بين الصفائح)، والكاولينيت $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$ والجيبسيت $\ce{Al(OH)3}$ ناتجين،

$$\begin{align*} &\ce{5 NaAlSi3O8 + 4 H+ + 16 H2O -> 2 Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2 + 4 Na+ + 8 H4SiO4},\\ &\ce{2 NaAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 Na+ + 4 H4SiO4},\\ &\ce{NaAlSi3O8 + H+ + 7 H2O -> Al(OH)3 + Na+ + 3 H4SiO4},\\ &\ce{CaAl2Si2O8 + 2 H+ + H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + Ca^2+}. \end{align*}$$

يفقد الألبيت $80\,\%$ من صوديومه و$8/15$ من سيليكونه إلى المحلول في التفاعل الأول، وكل صوديومه و$2/3$ من سيليكونه في الثاني، وكل منهما كليًّا في الثالث. والأنورثيت يفقد كل كالسيومه ولا شيئًا من سيليكونه.

لذلك يمكن للألبيت نفسه أن يعطي ثلاثة صلبات مختلفة، والذي يعطيه يتوقّف على كمية الماء التي تمرّ بالصخر وتحمل النواتج بعيدًا: قليلُ الماء، يبقى كثير من السيليكا وبعض الكاتيونات لبناء سميكتيت؛ وأكثرُ، ولا يبقى إلا قدر من السيليكا يكفي الكاولينيت؛ وكثيرٌ جدًّا، فتغادر السيليكا كليًّا.

تعريف 19.6 (التحلّل ثنائي السيليكا، والتحلّل أحادي السيليكا، والتحلّل الألوميني)

تُسمّى درجة التحلّل المائي للسيليكات باسم ناتجها. التحلّل ثنائي السيليكا يكوّن معادن طينية من النوع 2:1، مثل السميكتيتات، بنحو ذرّتين من السيليكون لكل ألومنيوم؛ ويبقى جزء من الكاتيونات فيها. التحلّل أحادي السيليكا يكوّن معادن طينية من النوع 1:1، هي الكاولينيت، بسيليكون واحد لكل ألومنيوم؛ وتغادر كل كاتيونات الفلزات القلوية والقلوية الترابية. والتحلّل الألوميني يزيل السيليكون كليًّا ويترك هيدروكسيد الألومنيوم، الجيبسيت.

تتوقّف الدرجة المبلغة أولًا على المناخ، عبر المطر والحرارة، ثم على تصريف القطاع. فحيث يتجدّد الماء قليلًا، يفقد الجرانيت كثيرًا من صوديومه وكالسيومه، والبوتاسيوم أبطأ، وجزءًا فقط من سيليكاه: فتتحوّل فلسباراته إلى طين من النوع 2:1، ويبقى كثير من الكوارتز؛ ويتفكّك الصخر إلى رمل من الكوارتز والميكا وفلسبار نصف متحلّل مختلط بالطين. وتحت الأمطار الغزيرة للمناطق الاستوائية الرطبة، أكثر من $2000\,\mathrm{mm}$ في السنة، تُغسل الكاتيونات والسيليكا أكثر بكثير، ويتكوّن الكاولينيت، حيث Si/Al = 1. وحيث يكون الغسل أشدّ ما يكون، تذهب حتى سيليكا الكاولينيت، ويبقى الجيبسيت.

أيّ المعادن تتلاشى أولًا. في 1938 قارن صموئيل غولديتش القطاعات المتجوّية بصخورها الأصلية، واقترح سلسلة من المعادن من الأقلّ إلى الأكثر ثباتًا في التجوية، ووجد أنها تتبع الترتيب الذي تتبلور به من الصهارة: فالأوليفين والبلاجيوكلاز الغني بالكالسيوم أولًا، والكوارتز آخرًا. والمعادن التي تتكوّن عند أعلى الحرارات أبعد ما تكون عن التوازن على السطح. وقائمة حديثة، من الأقلّ إلى الأكثر مقاومة، هي: البيريت، والكالسيت، والدولوميت، والأوليفين، والبلاجيوكلاز الكالسيومي، والبيروكسينات، والبلاجيوكلاز المتوسط، والأمفيبولات، والبيوتيت، والفلسبار البوتاسي، والمسكوفيت، والسميكتيت، والكوارتز، والكاولينيت، والأكسيدان الجيبسيت والهيماتيت. وتؤكّد قياسات المختبر لمعدّلات الذوبان هذا الترتيب؛ ويبقى ترتيبًا، لا قانونًا، لأن معدّل كل معدن يتوقّف أيضًا على الماء المحيط به. والنواتج النهائية للتجوية، الكاولينيت والجيبسيت والهيماتيت، هي الأكثر مقاومة من الكل: فهي مستقرّة بالفعل على السطح.

ميزان قطاع التجوية. التجوية تُزيل المادة، لذلك لا يخبرنا تركيز يُقاس في صخر متجوٍّ بمقدار ما فُقد: فخسارة عناصر أخرى تُركّز تلك التي تبقى. والعنصر الذي لا يتحرّك يعطي المرجع.

قضية 19.7 (ميزان الكتلة مع عنصر غير متحرّك)

ليكن $i$ عنصرًا لا تحرّكه التجوية، بكسوره الكتلية $C_{i,p}$ في الصخر الأصلي و$C_{i,w}$ في الصخر المتجوّي. فإن كتلة $m_p$ من الصخر الأصلي تصير الكتلة $m_w = m_p C_{i,p}/C_{i,w}$ من الصخر المتجوّي، وكسر ما يُفقد من أي عنصر آخر $j$ هو

$$f_j = 1 - \frac{C_{j,w}}{C_{j,p}}\,\frac{C_{i,p}}{C_{i,w}} .$$

التيتانيوم والزركونيوم هما الاختياران المعتادان، لسبب يعطيه القسم التالي.

19.3 أيّ العناصر تغادر: الجهد الأيوني

الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم تغادر مع الماء؛ والألومنيوم والحديد الثلاثي والتيتانيوم تبقى؛ والسيليكون بينهما. والفرق يكمن في سلوك كل أيون في الماء.

تعريف 19.8 (الجهد الأيوني)

الجهد الأيوني للأيون هو النسبة $z/r$ لعدد شحنته $z$ إلى نصف قطره الأيوني $r$، هنا بالأنغستروم (من أجل التنسيق نفسه لكل الأيونات، السداسي فيما يلي).

قضية 19.9 (المجالات الثلاثة للجهد الأيوني)

في ماء التجوية، تبقى الأيونات التي تحقّق $z/r < 3$ في المحلول كأيونات موجبة متميّهة وتُحمل بعيدًا (كاتيونات قابلة للذوبان)؛ والأيونات التي $3 < z/r < 10$ تربط أيونات الهيدروكسيد في الماء، وتترسّب كهيدروكسيدات أو أكاسيد حيث تُطلَق (المتحلّلات المائية)؛ والأيونات التي $z/r > 10$ ترتبط بالأكسجين بقوّة تطرد معها أيونات الهيدروجين، فتنتقل كأكسيأنيونات قابلة للذوبان، مثل الكربونات والكبريتات والفوسفات والنترات. والسيليكون، عند $z/r = 10$، يقع على الحدّ، ويُغسل جزئيًّا، أكثر كلما اشتدّت التجوية.

القاعدة تجريبية، تعود إلى فيكتور موريتز غولدشميت في الثلاثينيات، وحدودها تقريبية؛ والكيمياء وراءها، أي التجاذب بين كاتيون وأكسجين جزيئات الماء المحيطة به، من اختصاص كتب الكيمياء. فكاتيون صغير مشحون بقوة يجذب إلكترونات جزيئات الماء المحيطة به بشدّة تكفي ليفقد أحدها أيون هيدروجين ويصير هيدروكسيدًا: بقدر معتدل يترسّب الهيدروكسيد؛ وبقدر شديد يفقد الهيدروكسيد نفسه هيدروجينه، فيبقى أكسيأنيون.

يقرأ الرسم أدناه تجوية صخر بنظرة واحدة. فالصوديوم ($z/r = 0.98$)، والبوتاسيوم (0.72)، والكالسيوم (2.0) والمغنيسيوم (2.8) تغادر: فهي الكاتيونات في ماء الأنهار والبحار. ويبقى الألومنيوم (5.6)، والحديد الثلاثي (4.7)، والتيتانيوم (6.6)، والزركونيوم (5.6)، وتتراكم في القطاعات الأشدّ تجوية؛ والتيتانيوم والزركونيوم، اللذان يقعان فوق ذلك في معادن تكاد لا تتجوّى، هما المرجعان غير المتحرّكين في القضية 19.7. والسيليكون (10.0) هو العنصر الذي تحدّد خسارته الجزئية درجات التحلّل المائي.

والأكسدة تنقل أيونًا عبر الحدّ. فالحديد الثنائي، عند $z/r = 2.6$، كاتيون قابل للذوبان؛ والحديد الثلاثي، عند 4.7، متحلّل مائي. ففي تربة مشبّعة بالماء بلا أكسجين، يذوب الحديد ك$\ce{Fe^2+}$ ويُحمل بعيدًا، فتبقى التربة رمادية؛ وحيث يلتقي الماء بالهواء، عند نبع أو في تربة جيدة التصريف، يتأكسد الحديد ويترسّب فورًا كأكاسيد حمراء وبنّية. والمنغنيز يسلك السلوك نفسه، $\ce{Mn^2+}$ (2.4) مقابل $\ce{Mn^4+}$ (7.5).

19.4 المعادن الطينية

تعريف 19.10 (المعدن الطيني، والكاولينيت، والإيليت، والسميكتيت، والكلوريت)

المعدن الطيني هو سيليكات صفائحية ألومنيومية مائية، عادةً في حبيبات بعرض بضعة ميكرومترات أو أقلّ، مبنية من طبقات تجمع صفيحة رباعية (T) من رباعيات الأوجه $\ce{SiO4}$ تتشارك ثلاثة أركان، وصفيحة ثمانية (O) من الألومنيوم أو المغنيسيوم محاطة بالأكسجين والهيدروكسيل. ففي الكاولينيت، $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$، كل طبقة صفيحة T وصفيحة O واحدة (طبقة 1:1 أو T–O)، متعادلة، والطبقات تتماسك بروابط هيدروجينية. وفي المعادن الطينية 2:1 أو T–O–T تقع صفيحة O بين صفيحتي T تشيران نحوها: فالإيليت معدن طيني 2:1 غير متمدّد، فيه أيونات بوتاسيوم بين الطبقات، كالميكا بقدر أقلّ من البوتاسيوم؛ والسميكتيت معدن طيني 2:1 فيه كاتيونات متميّهة قابلة للتبادل، وماء بين طبقاته، يستطيع أن يمتصّ مزيدًا من الماء فينتفخ؛ والكلوريت معدن 2:1 تتناوب طبقاته السالبة الشحنة مع صفائح ثمانية موجبة الشحنة من نوع البروسيت، $\ce{(Mg,Fe)(OH)2}$ مع بعض الألومنيوم.

طبقة الشحنة تحدّد كيف تتكدّس الطبقات، والشحنة تأتي من الاستبدالات في الصفائح (التعريف 7.5).

قضية 19.11 (شحنة طبقة 2:1)

طبقة 2:1 صيغتها $\mathrm{(Si_{4-x}Al_x)(Al_{2-y}Mg_y)O_{10}(OH)_2}$، حيث $x$ ألومنيوم محلّ السيليكون في صفائحها الرباعية و$y$ مغنيسيوم محلّ الألومنيوم في صفيحتها الثمانية، تحمل الشحنة $-(x + y)$ لكل وحدة صيغية.

من دون استبدال ($x = y = 0$) تكون الطبقة متعادلة، كما في $\ce{Al2Si4O10(OH)2}$، معدن البيروفيلايت، وتتماسك الطبقات بقوى ضعيفة فقط. وفي المسكوفيت، $x = 1$، فالشحنة $-1$ يوازنها أيون بوتاسيوم واحد يُحكم قفل الطبقات معًا؛ والإيليت قريب منه، بقليل أقلّ. وفي البيدلايت من القضية 19.5، $x = 0.5$: فالشحنة $-0.5$ يوازنها $0.5$ من الصوديوم. والشحنة الأصغر تُمسك الطبقات بإحكام أقلّ، ويمكن أن يدخل بينها ماء وكاتيونات متميّهة: ولهذا تنتفخ السميكتيتات، بشحنات نحو 0.3 إلى 0.5 لكل وحدة صيغية، كما في صيغتي المونتموريلونيت والبيدلايت، ولا ينتفخ الإيليت. والكاتيونات بين طبقات السميكتيت قابلة للتبادل، وسعة التبادل للمعادن الطينية الشائعة تتبع بنيتها: من 3 إلى 15 مللي مكافئ لكل $100\,\mathrm{g}$ للكاولينيت، الذي لا تحمل طبقاته شحنة، ومن 10 إلى 40 للإيليت، ومن 70 إلى 100 للمونتموريلونيت، وهو سميكتيت. والبوتاسيوم، الذي يُحكم قفل طبقات الميكا، يفضّل الإيليت؛ وتتكوّن السميكتيتات حيث يكون البوتاسيوم شحيحًا ويتوفّر الكالسيوم والمغنيسيوم.

المعدن	الطبقة	ما بين الطبقات	مجفّف بالهواء	الغليكول	التسخين	سعة التبادل	الوسط المعتاد
الكاولينيت	T–O	لا شيء	$7\,\text{Å}$	$7\,\text{Å}$	يتلف عند $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	3–15	فلسبارات يغسلها ماء حمضي؛ تجوية استوائية شديدة
الإيليت	T–O–T	$\ce{K+}$	$10\,\text{Å}$	$10\,\text{Å}$	$10\,\text{Å}$	10–40	ماء قلوي غني بالبوتاسيوم؛ من الفلسبارات والميكات؛ الطين الرئيسي للطفل
السميكتيت	T–O–T	$\ce{Na+}$، $\ce{Ca^2+}$ متميّهة	نحو $14\,\text{Å}$	$17\,\text{Å}$	$10\,\text{Å}$ عند $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	70–100	صخور قاعدية متجوّية؛ أرض رديئة التصريف، والبوتاسيوم شحيح
الكلوريت	T–O–T	صفيحة من نوع البروسيت	$14\,\text{Å}$	$14\,\text{Å}$	$14\,\text{Å}$	–	صخور متحوّلة منخفضة الدرجة وصخور نارية متغيّرة؛ طفل

في المختبر — تعريف المعادن الطينية بحيود الأشعة السينية

المعادن الطينية أدقّ من أن تُفرَّق تحت المجهر الضوئي. وفي المختبر يُفصل أدقّ جزء من تربة أو من طفل بترك الحبيبات الأخشن تترسّب من الماء، وتُجفَّف قطرة من المعلّق على شريحة زجاجية حيث تستلقي الرقائق مسطّحة: وهذه عيّنة موجّهة. والأشعة السينية المنعكسة من الطبقات المتراصّة تعطي قممًا قوية عند الزوايا التي يحدّدها البُعد القاعدي، بقانون براغ للحيود (الفيزياء). وتُشغَّل الشريحة ثلاث أو أربع مرات: مجفّفة بالهواء؛ وبعد ليلة في بخار الغليكول الإيثيلي، الذي يدخل ما بين طبقات السميكتيتات ويُنفخها إلى $17\,\text{Å}$ تاركًا المعادن الأخرى دون تغيير؛ وبعد التسخين إلى $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، الذي يُخرج الماء من السميكتيتات ويضغطها إلى $10\,\text{Å}$؛ وبعد التسخين إلى $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، الذي يدمّر الكاولينيت لكنه يترك الإيليت والكلوريت. وTable 19.1 هو مفتاح قراءة التشغيلات الأربعة؛ أما الخلائط والمعادن المتداخلة الطبقات، وهي شائعة جدًّا في التربات، فتحتاج إلى أكثر من ذلك.

اللاتيريتات. حيث يبلغ التحلّل المائي درجاته الأخيرة زمنًا طويلًا، يسمك القطاع وتتركّز في أعلاه كل المادة التي لا تغادر.

تعريف 19.12 (اللاتيريت)

اللاتيريت هو الناتج الغني بالحديد والألومنيوم للتحلّل المائي الشديد والطويل تحت مناخات حارّة رطبة: مادة حمراء إلى بنّية، لينة أو متصلّبة، مؤلّفة من الكاولينيت وأكاسيد الحديد وهيدروكسيداته، مع الجيبسيت حيث يُبلغ التحلّل الألوميني، وقد أُزيلت منها كل الكاتيونات القلوية والقلوية الترابية تقريبًا، وكثير من السيليكا.

واللاتيريت الغني بالجيبسيت أو البوهميت، هيدروكسيدَي الألومنيوم، هو بوكسيت، خام تسعة أعشار الألومنيوم: والتحلّل الألوميني هو الخطوة التي تصنع الخام. وأكثر البوكسيتات متبقّية، أي الصخر الذي أُزيل منه كل شيء عدا الألومينا؛ ومعظم ما هو مؤلّف من الجيبسيت يقع في المناطق الاستوائية، وكثير منها على الأرجح ما زال يتكوّن.

لمحة تاريخية — كلمة من الميدان

في 1807 وصف فرانسيس بوكانان، وهو يسافر في مالابار، جنوب الهند، مادةً مليئةً بالتجاويف وغنيةً بمغرات الحديد الحمراء والصفراء، منتشرةً فوق الجرانيت في كتل كبيرة. وحين أُخرجت من الأرض كانت لينة إلى حدّ أن سكّينًا تقطعها، فكان السكان يشكّلونها كتلًا؛ وفي الهواء تصير سريعًا صلبة كالطوب، وتدوم أفضل من أيّ طوب رآه. وكانت اللغات المحلية تسمّيها حجر الطوب؛ فاقترح اسم اللاتيريت، الذي حفظته الجيولوجيا للنواتج الحمراء للتجوية الاستوائية.

19.5 التجوية السيليكاتية وثاني أكسيد الكربون

أيونات الهيدروجين في التحلّل المائي تأتي في معظمها من ثاني أكسيد الكربون، لذلك فكتابتها كحمض الكربونيك تبيّن ما تفعله التجوية بالهواء. ولسيليكات كالسيوم، تُكتب $\ce{CaSiO3}$ للتبسيط،

وفي المحيط، حيث تبني الكائنات أصدافًا من كربونات الكالسيوم،

قضية 19.13 (التجوية وثاني أكسيد الكربون)

(أ) تجوية سيليكات تستهلك مولين من ثاني أكسيد الكربون، يتحوّل إلى بيكربونات، لكل مول من الكالسيوم أو المغنيسيوم المحرَّر؛ وحين يترسّب الكالسيوم أو المغنيسيوم ككربونات، يعود أحد المولين إلى الهواء، ويُخزَّن مول واحد كصخر كربوناتي. (ب) تجوية صخر كربوناتي وترسيب كربوناته من جديد لا يخزّن شيئًا.

مع الفلسبار، يحلّ حمض الكربونيك محلّ أيونات الهيدروجين في القضية 19.5: فكل $\ce{H+}$ مُستهلَك هو $\ce{CO2}$ واحد تحوّل إلى $\ce{HCO3-}$. فالأنورثيت من البازلت أو الغابرو يستهلك إذن مولين من ثاني أكسيد الكربون لكل مول بينما يتحوّل إلى الكاولينيت،

ويُخزَّن واحد منه على المدى الطويل. ولا يكوّن الصوديوم والبوتاسيوم كربونات في قاع البحر، ويُحسب التخزين طويل المدى من الكالسيوم والمغنيسيوم المحرَّرين.

وتحمل الأنهار البيكربونات إلى البحر، وكيمياؤها تقيس التدفّق. ومن كيمياء أنهار العالم الكبيرة، قُدّر ثاني أكسيد الكربون المستهلك بتجوية السيليكات القارية بين $11.7 \times 10^{12}$ و$13.6 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ في السنة، أي نحو 0.14 إلى 0.16 مليار طن من الكربون، منها تجوية البازلت وحدها تفسّر من 30 إلى $35\,\%$. والتدفّق صغير أمام التبادلات الكربونية بين الهواء والمحيطات والكائنات الحية، لكنه لا ينعكس: فعلى مدى ملايين السنين هو الطريقة الرئيسية التي يغادر بها الهواء ثاني أكسيد الكربون الذي تضخّه البراكين. ولأن التجوية تجري أسرع حين تكون أدفأ وأرطب، فهي تربط ثاني أكسيد الكربون في الهواء بالمناخ، الذي يتوقّف بدوره على ثاني أكسيد الكربون عبر تأثير الاحتباس الحراري: تغذية راجعة سالبة تُثبّت حرارة الأرض عبر الزمن الجيولوجي، ويدرسها مجلد السنة الثانية.

19.6 التمارين

تمرين 19.1 ★

باستعمال نصف الأقطار $\ce{K+}$ $1.38\,\text{Å}$، و$\ce{Fe^2+}$ $0.78\,\text{Å}$، $\ce{Fe^3+}$ $0.645\,\text{Å}$ و$\ce{Ti^4+}$ $0.605\,\text{Å}$، احسب الجهد الأيوني لكل أيون وسمِّ مجاله. لماذا تفقد تربة مشبعة بالماء حديدها، بينما تحتفظ به تربة جيدة التصريف؟

حل

حل التمرين 19.1.

$\ce{K+}$: $1/1.38 = 0.72$؛ $\ce{Fe^2+}$: $2/0.78 = 2.56$؛ كلاهما دون 3، أي كاتيونات قابلة للذوبان. $\ce{Fe^3+}$: $3/0.645 = 4.65$؛ $\ce{Ti^4+}$: $4/0.605 = 6.61$؛ كلاهما بين 3 و$10$، أي متحلّلات مائية. في تربة مشبعة بالماء، بلا أكسجين، يُطلَق الحديد ك$\ce{Fe^2+}$، فيبقى في المحلول ويحمله الماء؛ وفي تربة جيدة التصريف، يحوّله الأكسجين إلى $\ce{Fe^3+}$، فيترسّب فورًا كأكاسيد وهيدروكسيدات ويبقى.

تمرين 19.2 ★

أربعة أجزاء طينية تُعرَّض للأشعة السينية كعيّنات موجّهة. A: قمة عند $14\,\text{Å}$، تنتقل إلى $17\,\text{Å}$ بالغليكول، وإلى $10\,\text{Å}$ بالتسخين إلى $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. B: قمة عند $7\,\text{Å}$، لا يغيّرها الغليكول، وتختفي بعد التسخين إلى $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. C: قمة عند $10\,\text{Å}$ لا تحرّكها أيّ معاملة. D: قمة عند $14\,\text{Å}$ لا تحرّكها أيّ معاملة. عرّف كل معدن.

حل

حل التمرين 19.2.

A يتمدّد بالغليكول ويتقلّص بالتسخين: سميكتيت. B عند $7\,\text{Å}$ ويُتلف عند $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: كاولينيت. C، عند $10\,\text{Å}$ مهما كانت المعاملة: إيليت. D، عند $14\,\text{Å}$ دون تمدّد أو تقلّص: كلوريت.

تمرين 19.3 ★

بموازنة ذلك بالطريقة 19.4، حلّل التحلّل المائي للأورثوكلاز $\ce{KAlSi3O8}$ إلى الكاولينيت. ما كسر بوتاسيومه وسيليكونه الذي يغادر في المحلول؟

حل

حل التمرين 19.3.

يعطي أورثوكلازان الألومنيومين في كاولينيت واحد؛ و$6 - 2 = 4$ سيليكونًا يغادر ك$\ce{H4SiO4}$؛ يغادر 2 $\ce{K+}$، توازنها 2 $\ce{H+}$؛ والأكسجين، $16 + w = 9 + 16$، يعطي $w = 9$:

$$\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}.$$

الهيدروجين: $2 + 18 = 20 = 4 + 16$ يتحقّق. يغادر كل البوتاسيوم، و$4/6 = 2/3$ من السيليكون.

تمرين 19.4 ★

(أ) ما حجم الجليد الذي يعطيه $10\,\mathrm{cm}^{3}$ من الماء عند $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$؟ (ب) ضمن أيّ مدى من الحرارة يفلق الجليد النامي في الشقوق الصخرَ أكثر فاعلية، ولماذا لا يفعل ذلك صقيع أخفّ أو أقسى؟ (ج) مكعب من الجرانيت طول ضلعه $1\,\mathrm{m}$ يفلقه الصقيع إلى مكعبات طول ضلعها $1\,\mathrm{cm}$: بأيّ عامل نما سطحه؟

حل

حل التمرين 19.4.

(أ) الكتلة لا تتغيّر: $10 \times 999.87/916.72 = 10.91\,\mathrm{cm}^{3}$. (ب) بين نحو $-4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و$-15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. فقرب الصفر لا يستطيع الجليد أن يبني ضغطًا كافيًا لسدّ الشقّ؛ وفي صقيع أقسى لا يتحرّك الماء عبر المسامّ نحو الجليد، فيتوقّف الجليد عن النموّ. (ج) بحسب القضية 19.2 مع $n = 1\,\mathrm{m}/1\,\mathrm{cm} = 100$، يُضرب السطح في 100: من $6\,\mathrm{m}^{2}$ إلى $600\,\mathrm{m}^{2}$.

تمرين 19.5 ★★

احسب السطح النوعي لحبيبات الفلسبار كثافتها $2600\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، معاملةً كمكعبات، لأحجام $1\,\mathrm{cm}$، و$1\,\mathrm{mm}$، و$1\,\text{µ}\mathrm{m}$. لماذا يهمّ حجم الحبيبة كثيرًا لمعدّل التجوية الكيميائية، ولماذا تسرّع التجوية الفيزيائية التجوية الكيميائية؟

حل

حل التمرين 19.5.

$S/m = 6/(\rho d)$: ل$1\,\mathrm{cm}$، $6/(2600\times0.01) = 0.231\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$؛ ل$1\,\mathrm{mm}$، $2.31\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$؛ ل$1\,\text{µ}\mathrm{m}$، $2308\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$، أو $2.3\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{g}^{-1}$. وتجري التفاعلات الكيميائية عند سطح الحبيبات، فيكبر معدّلها لكل كيلوغرام من الصخر مع السطح النوعي، عشرة آلاف مرة من السنتيمتر إلى الميكرومتر. التجوية الفيزيائية تقطّع الصخر إلى قطع أصغر فأصغر، وتفتح شقوقًا يدخل منها الماء: فتضاعف السطح الذي تستطيع التجوية الكيميائية أن تعمل فيه.

تمرين 19.6 ★★

طنّ من $\ce{NaAlSi3O8}$ ($262.22\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$) من الألبيت يتحوّل إلى الكاولينيت ($258.16\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$). احسب كتلة الكاولينيت المتكوّن، وكتلة السيليكا المُصدَّرة، محسوبةً ك$\ce{SiO2}$ ($60.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$)، وكتلة الصوديوم المُصدَّر.

حل

حل التمرين 19.6.

يعادل طن الألبيت $10^{6}/262.22 = 3813.6\,\mathrm{mol}$. وبحسب القضية 19.5، يعطي مولان واحدًا من الكاولينيت: $1906.8\,\mathrm{mol} \times 258.16\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1} = 492.3\,\mathrm{kg}$. ويغادر اثنان من السيليكون الثلاثة: $2\times3813.6 = 7627.2\,\mathrm{mol}$ من $\ce{SiO2}$، $458.2\,\mathrm{kg}$. ويغادر كل الصوديوم: $3813.6\times22.99 = 87.7\,\mathrm{kg}$. ويبقى أقلّ من نصف كتلة الفلسبار طينًا.

تمرين 19.7 ★★

يحتوي جرانيت، بالكتلة، على $0.30\,\%$ $\ce{TiO2}$، و$3.5\,\%$ $\ce{Na2O}$، و$72\,\%$ $\ce{SiO2}$، و$14\,\%$ $\ce{Al2O3}$؛ وسابرولايته يحتوي $0.60\,\%$ $\ce{TiO2}$، و$0.35\,\%$ $\ce{Na2O}$، و$60\,\%$ $\ce{SiO2}$، و$27\,\%$ $\ce{Al2O3}$. مع اعتبار التيتانيوم غير متحرّك، احسب كتلة السابرولايت الباقية من كيلوغرام من الجرانيت، وكسر الصوديوم والسيليكون والألومنيوم المفقود. وأيّ درجة من التحلّل المائي جارية؟

حل

حل التمرين 19.7.

بحسب القضية 19.7، يترك كيلوغرام من الجرانيت $0.30/0.60 = 0.5\,\mathrm{kg}$ من السابرولايت. الكسر المفقود: الصوديوم $1 - (0.35/3.5)(0.5) = 0.95$؛ السيليكون $1 - (60/72)(0.5) = 0.583$؛ الألومنيوم $1 - (27/14)(0.5) = 0.036$. الألومنيوم محفوظ عمليًّا، والصوديوم قد زال تقريبًا كليًّا، ونحو $60\,\%$ من السيليكون أيضًا، مع أن كثيرًا مما يبقى محجوز في الكوارتز: فالفلسبارات تتحوّل إلى الكاولينيت، التحلّل أحادي السيليكا.

تمرين 19.8 ★★

باستعمال القضية 19.11، احسب شحنة الطبقة ل$\ce{Al2Si4O10(OH)2}$ (البيروفيلايت)، وللمسكوفيت $\ce{KAl2(Si3Al)O10(OH)2}$ دون بوتاسيومه، ولطبقة البيدلايت $\ce{Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2}$، ولطبقة مونتموريلونيت $\ce{(Al_{1.67}Mg_{0.33})Si4O10(OH)2}$. أيّ منها يستطيع أن ينتفخ، ولماذا؟

حل

حل التمرين 19.8.

البيروفيلايت: $x = y = 0$، شحنة 0. طبقة المسكوفيت: $x = 1$، شحنة $-1$. طبقة البيدلايت: $x = 0.5$، شحنة $-0.5$. طبقة المونتموريلونيت: $y = 0.33$، شحنة $-0.33$. وطبقتا السميكتيت، البيدلايت والمونتموريلونيت، تستطيعان أن تنتفخا: فشحنتهما الصغيرة يوازنها قليل من الكاتيونات بين الطبقات، فتمسك الطبقات بإحكام قليل، وتجذب ماءً حين تتميّه. والبيروفيلايت ليس فيه كاتيونات بين الطبقات لتتميّه، وشحنة المسكوفيت $-1$ يوازنها بوتاسيوم يقفل الطبقات.

تمرين 19.9 ★★

الفورستيريت $\ce{Mg2SiO4}$ يتجوّى بالتفاعل $\ce{Mg2SiO4 + 4 CO2 + 4 H2O -> 2 Mg^2+ + 4 HCO3- + H4SiO4}$. (أ) تحقّق من المعادلة. (ب) لطن من الفورستيريت، احسب ثاني أكسيد الكربون المستهلك وثاني أكسيد الكربون المخزَّن على المدى الطويل بحسب القضية 19.13. (ج) ماذا تعطي الحسبة نفسها لطن من الكالسيت؟

حل

حل التمرين 19.9.

(أ) Mg: 2 و$2$؛ Si: 1 و$1$؛ C: 4 و$4$؛ O: $4 + 8 + 4 = 16$ و$12 + 4 = 16$؛ H: 8 و$4 + 4 = 8$؛ الشحنة: 0 و$4 - 4 = 0$. (ب) الكتلة المولية للفورستيريت هي $2\times24.305 + 28.085 + 4\times15.999 = 140.69\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، فيكون الطن $7108\,\mathrm{mol}$. وهو يستهلك $4\times7108 = 28\,431\,\mathrm{mol}$ من $\ce{CO2}$، $1251\,\mathrm{kg}$؛ ومع اثنين من المغنيسيوم لكل وحدة صيغية، يخزّن القضية 19.13 $2\times7108$ مولًا، $626\,\mathrm{kg}$، أي نصف المقدار المستهلك. (ج) طن من الكالسيت، $9991\,\mathrm{mol}$، يستهلك $9991\,\mathrm{mol}$ من $\ce{CO2}$ ($440\,\mathrm{kg}$) عند ذوبانه، ويعيدها كلها عند ترسيب الكربونات من جديد: فلا يُخزَّن شيء.

تمرين 19.10 ★★★

(أ) بين أيّ نصفي قطر يكون أيون شحنته 3 متحلّلًا مائيًّا؟ (ب) البورون، $\ce{B^3+}$، نصف قطره $0.27\,\text{Å}$: بأيّ شكل ينتقل في الماء؟ (ج) $\ce{Mn^2+}$ نصف قطره $0.83\,\text{Å}$، و$\ce{Mn^4+}$ $0.53\,\text{Å}$. اشرح لماذا تتكوّن قشور سوداء من أكسيد المنغنيز حيث يخرج ماء الينابيع، الفقير بالأكسجين، إلى الهواء. (د) لماذا لا يمكن للسيليكون أن يُغسل كليًّا، ولا أن يُحفظ كليًّا؟

حل

حل التمرين 19.10.

(أ) $3 < 3/r < 10$ يعطي $0.3\,\text{Å} < r < 1.0\,\text{Å}$. (ب) $3/0.27 = 11.1 > 10$: يتنقّل البورون كأكسيأنيون، هو البورات. (ج) $2/0.83 = 2.41$، كاتيون قابل للذوبان؛ و$4/0.53 = 7.55$، متحلّل مائي. وفي ماء فقير بالأكسجين يذوب المنغنيز ك$\ce{Mn^2+}$؛ وحيث يلتقي الينبوع بالهواء، يتأكسد إلى $\ce{Mn^4+}$، فيترسّب فورًا كأكسيد أسود على الصخر. (د) جهده الأيوني، $4/0.40 = 10.0$، يقع على الحدّ بين المتحلّلات المائية والأكسيأنيونات: فالسيليكون لا يُمسَك كالألومنيوم، ولا يُحمل بعيدًا كالكبريت، والكسر المغسول يتوقّف على كمية الماء المارّة، وهذا أساس الدرجات الثلاث للتحلّل المائي.

تمرين 19.11 ★★★

تستهلك تجوية السيليكات القارية $11.7 \times 10^{12}$ إلى $13.6 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ من ثاني أكسيد الكربون في السنة، منها $4.08 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ من البازلت. (أ) حوّل المدى إلى أطنان من الكربون وثاني أكسيد الكربون في السنة. (ب) ما الحصّة التي يأخذها البازلت؟ (ج) لو كان كل هذا آتيًا من سيليكات الكالسيوم والمغنيسيوم، فكم من الكربون يُخزَّن على المدى الطويل كل سنة؟ لماذا يكون الرقم الحقيقي طويل المدى أصغر؟

حل

حل التمرين 19.11.

(أ) بكتلة مولية للكربون $12.011\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، فإن $11.7 \times 10^{12}$ إلى $13.6 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ تساوي من 0.141 إلى 0.163 مليار طن من الكربون في السنة؛ وبكتلة $44.009\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، من 0.515 إلى 0.599 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون. (ب) $4.08/13.6 = 30\,\%$ إلى $4.08/11.7 = 35\,\%$. (ج) يُخزَّن نصف ثاني أكسيد الكربون المستهلك حين يترسّب الكالسيوم والمغنيسيوم ككربونات: من 0.070 إلى 0.082 مليار طن من الكربون في السنة. والرقم الحقيقي أصغر، لأن جزءًا من البيكربونات يذهب مع الصوديوم والبوتاسيوم، اللذين لا يكوّنان كربونات في قاع البحر.

تمرين 19.12 ★★★

ثلاثة أجزاء طينية، مُحرَّرة من الكوارتز وأكاسيد الحديد، تُحلَّل (كتلة في المئة): A، $\ce{SiO2}$ $46.55$ و$\ce{Al2O3}$ $39.50$؛ B، $\ce{SiO2}$ 60 و$\ce{Al2O3}$ 25؛ C، $\ce{SiO2}$ 2 و$\ce{Al2O3}$ 63 ($\ce{SiO2}$ $60.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، $\ce{Al2O3}$ $101.96\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$). احسب النسبة المولية Si/Al لكل منها، وسمِّ درجة التحلّل المائي التي تسجّلها، وضع التربات الثلاث على خطّ من أقلّ الغسل إلى أشدّه.

حل

حل التمرين 19.12.

Si/Al $= (w_{\ce{SiO2}}/60.08)/(2w_{\ce{Al2O3}}/101.96)$. A: $0.7748/0.7748 = 1.00$، نسبة الكاولينيت، التحلّل أحادي السيليكا. B: $0.9987/0.4904 = 2.04$، معدن طيني 2:1، التحلّل ثنائي السيليكا. C: $0.0333/1.2358 = 0.027$، بقي تقريبًا لا سيليكون، جيبسيت، التحلّل الألوميني. ومن أقلّ الغسل إلى أشدّه، أي نحو المناخ الأحرّ والأرطب: B، A، C.

19.7 مسألة: من الجرانيت إلى الطين

مسألة 19.1

مسألة نهاية الأسبوع: فلسبارات جرانيت وغابرو، من المعادلات الموزونة إلى ثاني أكسيد الكربون الذي يحمله نهر

الفلسبارات هي الألبيت $\ce{NaAlSi3O8}$ ($262.22\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، كثافة $2.62\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$) والأنورثيت $\ce{CaAl2Si2O8}$ ($278.20\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، كثافة $2.75\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$). الكاولينيت $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$ كتلته المولية $258.16\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$ وكثافته $2.6\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$؛ والجيبسيت $\ce{Al(OH)3}$، $78.00\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$. خذ $\ce{SiO2}$ $60.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، و$\ce{CO2}$ $44.01\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، و$\ce{HCO3-}$ $61.02\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، والصوديوم $22.99$، والكالسيوم $40.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$.

الجزء الأول — التفاعلات.

1. وازن التحلّل المائي للألبيت إلى الكاولينيت.
2. وازن التحلّل المائي للأنورثيت إلى الكاولينيت. ما الخاصّ فيه؟
3. وازن التحلّل المائي للأنورثيت إلى الجيبسيت.
4. وازن التحلّل المائي للألبيت إلى البيدلايت $\ce{Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2}$، وتحقّق من الهيدروجين.
5. أعِد كتابة التفاعلين الأولين بحمض الكربونيك مصدرًا لأيونات الهيدروجين: $\ce{CO2 + H2O -> H+ + HCO3-}$.
6. أيّ هذه التفاعلات هو التحلّل ثنائي السيليكا، والتحلّل أحادي السيليكا، والتحلّل الألوميني؟

الجزء الثاني — ما يبقى وما يغادر.

7. كم مولًا في طن من الألبيت، وفي طن من الأنورثيت؟
8. احسب كتلة الكاولينيت المتكوّن من طن من كل منهما.
9. احسب كتل السيليكا (ك$\ce{SiO2}$)، والصوديوم، والكالسيوم المُصدَّرة في المحلول.
10. احسب حجم طن من كل فلسبار وحجم الكاولينيت الذي يعطيه. بأيّ كسر ينكمش حجم المادة الصلبة؟
11. يحتفظ السابرولايت بشكل الصخر الذي يحلّ محلّه. ما الذي يملأ الفراغ المتروك في جرانيت متجوٍّ غنيّ بالألبيت؟ ولماذا يبقى غابرو متجوٍّ غنيّ بالأنورثيت أكثر كثافة؟
12. بمخطط الجهد الأيوني، اشرح أيّ عناصر الفلسبارين تغادر وأيّها يبقى.

الجزء الثالث — ثاني أكسيد الكربون.

13. كم مولًا، وكم كيلوغرامًا، من ثاني أكسيد الكربون يُستهلك عند تحوّل طن من الألبيت إلى الكاولينيت؟
14. السؤال نفسه لطن من الأنورثيت.
15. ما كتلة البيكربونات المُصدَّرة من الأنورثيت؟
16. ماذا يحدث لهذه البيكربونات في المحيط؟ وكم من ثاني أكسيد الكربون المستهلك يعود إلى الهواء؟
17. لماذا لا يُحسب تخزين طويل المدى لصوديوم الألبيت؟
18. قارن بذوبان طن من الكالسيت يتبعه ترسيبه.

الجزء الرابع — نهر.

19. يصرّف نهر $50\,000\,\mathrm{km}^{2}$ من الجرانيت والنيس، بتصريف متوسّط قدره $200\,\mathrm{m}^{3}\,\mathrm{s}^{-1}$؛ والبيكربونات التي يحملها من تجوية السيليكات هي $0.3\,\mathrm{mmol}\,\mathrm{L}^{-1}$. احسب التدفّق السنوي لهذه البيكربونات، بالمولات، ولكل كيلومتر مربع.
20. عبّر عنه بعدد مولات الأنورثيت التي تكفي تجويتها إلى الكاولينيت لتزويده بها، ثم بأطنان الأنورثيت في السنة ولكل كيلومتر مربع.
21. إن كانت الصخرة تحتوي ما يعادل $20\,\%$ من الأنورثيت، وكثافتها $2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، فبأيّ معدّل، بالأمتار لكل مليون سنة، تُستهلك الصخرة الطازجة؟
22. كم من ثاني أكسيد الكربون يزيله هذا النهر من الهواء نهائيًّا كل سنة؟
23. لماذا يكون معدّل السؤال 21 حدًّا أدنى لخفض سطح الأرض؟
24. بالكيلوغرامات، بثلاثة أرقام معنوية، كم من ثاني أكسيد الكربون يُسحب نهائيًّا بتجوية طن واحد من الأنورثيت؟

حل

حل المسألة 19.1.

1. $\ce{2 NaAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 Na+ + 4 H4SiO4}$.

2. $\ce{CaAl2Si2O8 + 2 H+ + H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + Ca^2+}$. لا يغادر السيليكون: فالأنورثيت يحتوي بالفعل على السيليكون الواحد لكل ألومنيوم في الكاولينيت.

3. جيبسيت واحد يأخذ ألومنيومًا واحدًا، أي نصف أنورثيت: فبالمضاعفة، $\ce{CaAl2Si2O8 + 2 H+ + 6 H2O -> 2 Al(OH)3 + Ca^2+ + 2 H4SiO4}$. الأكسجين: $8 + 6 = 6 + 8$؛ الهيدروجين: $2 + 12 = 6 + 8$.

4. $\ce{5 NaAlSi3O8 + 4 H+ + 16 H2O -> 2 Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2 + 4 Na+ + 8 H4SiO4}$; الهيدروجين، $4 + 32 = 36$ على الطرف الأيسر و$2\times2 + 8\times4 = 36$ على الأيمن، يتوازن.

5. كل $\ce{H+}$ يأتي مع $\ce{HCO3-}$ واحد من $\ce{CO2}$ واحد و$\ce{H2O}$: $\ce{2 NaAlSi3O8 + 2 CO2 + 11 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 Na+ + 2 HCO3- + 4 H4SiO4}$ و$\ce{CaAl2Si2O8 + 2 CO2 + 3 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + Ca^2+ + 2 HCO3-}$.

6. الألبيت إلى البيدلايت هو التحلّل ثنائي السيليكا؛ والألبيت والأنورثيت إلى الكاولينيت هما التحلّل أحادي السيليكا؛ والأنورثيت إلى الجيبسيت هو التحلّل الألوميني.

7. $10^{6}/262.22 = 3813.6\,\mathrm{mol}$ من الألبيت؛ $10^{6}/278.20 = 3594.5\,\mathrm{mol}$ من الأنورثيت.

8. الألبيت: $3813.6/2 = 1906.8\,\mathrm{mol}$ من الكاولينيت، $492.3\,\mathrm{kg}$. الأنورثيت: $3594.5\,\mathrm{mol}$، $928.0\,\mathrm{kg}$.

9. الألبيت: $2\times3813.6 = 7627.2\,\mathrm{mol}$ من $\ce{SiO2}$، $458.2\,\mathrm{kg}$، و$3813.6\,\mathrm{mol}$ من الصوديوم، $87.7\,\mathrm{kg}$. الأنورثيت: لا سيليكا، و$3594.5\,\mathrm{mol}$ من الكالسيوم، $144.1\,\mathrm{kg}$.

10. الألبيت: $1/2.62 = 0.382\,\mathrm{m}^{3}$؛ وكاولينيته، $0.4923/2.6 = 0.189\,\mathrm{m}^{3}$: فالمادة الصلبة تفقد $50.4\,\%$ من حجمها. الأنورثيت: $1/2.75 = 0.364\,\mathrm{m}^{3}$؛ وكاولينيته، $0.9280/2.6 = 0.357\,\mathrm{m}^{3}$: خسارة لا تتعدّى $1.8\,\%$.

11. الفراغ المتروك يصير مسامّ، مملوءة بالماء والهواء: فالسابرولايت على جرانيت غنيّ بالألبيت خفيف ومسامي وهشّ، وحبيبات كوارتزه مفكّكة في القليل من الطين. أما الأنورثيت فيتحوّل إلى كاولينيت بحجم يقارب حجمه، فيحتفظ الغابرو المتجوّي بمعظم مادته الصلبة.

12. الصوديوم ($z/r = 0.98$) والكالسيوم (2.0) كاتيونات قابلة للذوبان وتغادر؛ والألومنيوم (5.6) متحلّل مائي ويبقى كله في الكاولينيت؛ والسيليكون (10.0)، على الحدّ، يغادر جزئيًّا من الألبيت، ولا يغادر البتّة من الأنورثيت، لأن الكاولينيت يستطيع أن يحفظ سيليكونه.

13. $\ce{CO2}$ واحد لكل ألبيت: $3813.6\,\mathrm{mol}$، $3813.6 \times 44.01 = 167.8\,\mathrm{kg}$.

14. اثنان لكل أنورثيت: $7189.0\,\mathrm{mol}$، $316.4\,\mathrm{kg}$.

15. $7189.0 \times 61.02 = 438.7\,\mathrm{kg}$ من البيكربونات.

16. تُرسّبه الكائنات ككربونات الكالسيوم، $\ce{Ca^2+ + 2 HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}$: لكل كالسيوم، يعود أحد ال$\ce{CO2}$ إلى الهواء، أي $3594.5\,\mathrm{mol}$ أو $158.2\,\mathrm{kg}$، والآخر يُدفن في الكربونات.

17. الصوديوم لا يكوّن كربونات في قاع البحر: فبيكربونات لا يمكن تخزينه ككربونات صخرية، ويُحسب التخزين طويل المدى من الكالسيوم والمغنيسيوم وحدهما.

18. طن من الكالسيت يستهلك $9991\,\mathrm{mol}$ من $\ce{CO2}$ عند ذوبانه، ويعيدها كلها عند ترسيبه: لا يُخزَّن شيء، ولا يسحب ثاني أكسيد الكربون نهائيًّا إلا تجوية سيليكات الكالسيوم والمغنيسيوم.

19. $200\,\mathrm{m}^{3}\,\mathrm{s}^{-1} \times 0.3\,\mathrm{mol}\,\mathrm{m}^{-3} = 60\,\mathrm{mol}\,\mathrm{s}^{-1}$؛ في سنة من $3.156 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$، $1.893 \times 10^{9}\,\mathrm{mol}$، أو $1.893 \times 10^{9}/50\,000 = 37\,870\,\mathrm{mol}$ لكل كيلومتر مربع.

20. بيكربونتان لكل أنورثيت: $9.467 \times 10^{8}\,\mathrm{mol}$ في السنة، $9.467 \times 10^{8}\times278.20\,\mathrm{g} = 263\,400\,\mathrm{t}$ في السنة، أو $5.27\,\mathrm{t}$ لكل كيلومتر مربع.

21. الصخر الطازج المُستهلك هو $5.27/0.20 = 26.3\,\mathrm{t}$، أو $26\,340/2700 = 9.75\,\mathrm{m}^{3}$، لكل كيلومتر مربع وسنة: طبقة سمكها $9.75\,\text{µ}\mathrm{m}$ في السنة، أي $9.8\,\mathrm{m}$ لكل مليون سنة.

22. $\ce{CO2}$ واحد مُخزَّن لكل كالسيوم: $9.467 \times 10^{8} \times 44.01 = 4.17 \times 10^{10}\,\mathrm{g}$، نحو $41\,700\,\mathrm{t}$ في السنة.

23. إنه يحسب فقط المادة المحمولة في المحلول. فالكاولينيت والكوارتز اللذان تتركهما التجوية تُزالان أيضًا بالتعرية، كوحل ورمل في النهر، ولا يُحسبان؛ ولا يُحسب تجوية المعادن الأخرى في الصخر. وإن جاء جزء من البيكربونات من فلسبارات الصوديوم أو البوتاسيوم، التي تعطي بيكربونة واحدة لكل وحدة صيغية بدل اثنتين، لوجب أن يتجوّى صخر أكثر لتوفيرها.

24. بحسب القضية 19.13، يُخزَّن مول واحد من $\ce{CO2}$ لكل مول من الأنورثيت: $3594.5 \times 44.01\,\mathrm{g} = 158.19\,\mathrm{kg}$. تجوية طن واحد من الأنورثيت تسحب نهائيًّا 158 kg من ثاني أكسيد الكربون.