Главная | Обратная связь

Осадочные минералы алюминия

Минерал	Содержание, %
А12О3	Al
Аллофан	31,12	16,5
Каолинит	38,52	20,4
Галлуазит	39,20	20,7
Монтмориллонит	19,6	10,51
Вермикулит	10, 68	51,65
Иллит	24,97	16,3
Глауконит	5,78	3,06
Хлорит	25,20	13,3
Гиббсит	65,5	34,6
Бемит	85,0	45,0

Глинистые минералы каолинит, монтмориллонит, иллит и хло­рит представляют собой водные алюмосиликаты со слоистой струк­турой кристаллической решетки.

По данным полевых наблюдений, разложение полевых шпатов как главных минералов алюминия в условиях жаркого тропиче­ского гумидного климата представляет собой двухстадийный про­цесс. В первую стадию образуются глинистые минералы, подобные каолиниту, иллиту и галлуазиту, а во вторую — по мере дальней­шего выноса кремнезема образуются гиббсит А1(ОН)₃, бемит и диаспор — основные минералы бокситов. Гидроксид алюминия яв­ляется амфотерным, он сочетает свойства кислоты и основания.

Из-за своих амфотерных свойств A1(OH)₃ растворяется в вод­ных растворах с крайними значениями концентрации водородных ионов при рН более 10 и менее 4. При рН от 4 до 10 окислы алю­миния в гипергенных условиях растворяются очень незначительно, в то время как кремнезем при рН 8 растворяется в заметных ко­личествах. С этим различием растворимости, по всей вероятности, связано разделение кремнезема и глинозема при химическом выветривании алюмосиликатов. Таким образом, значительное количество алюминия при химическом выветривании изверженных гор­ных пород остается в новообразованных минералах и только не­значительная часть переходит в раствор, поэтому в речных водах наблюдаются незначительные следы алюминия. В присутствии органических веществ растворимость природных соединений алю­миния несколько повышается. Кислые почвенные растворы содер­жат заметные количества алюминия в связи с его выщелачиванием из верхних горизонтов и переносом в нижние. [3, с. 128-131]

Алюминий как правило не растворяется в процессах выветривания, однако становится растворимым при низких и высоких значениях pH. В простейшем случае различаются три формы Al: растворимый Al³⁺, преобладающий в кислых условиях, нерастворимый гидроксид алюминия [Al(OH)₃],преобладающий в нейтральных условиях, и Al(OH)^-₄, преобладающий в щелочных условиях.

Таким образом, растворимость Al зависит от pH, он нерастворим в пределах значений pH 5-9, что включает большинство природных вод. Растворимость алюминия осложняется образованием частично диссоциированных форм Al(OH)₃ и комплексов между Al и органическим веществом. Понимание контроля за растворимостью Al важно, поскольку его токсичность может вызвать гибель рыбы в подкисленных пресных водах.

Подкисление пресных вод происходит в том случае, если скорость замещения почвенных катионов водородом (H⁺) превышает скорость поступления катионов в результате выветривания. Хотя алюминий растворим при высоких pH, щелочные воды не распространены, поскольку они адсорбируют из атмосферы кислые газы, например CO₂ и SO₃.[1, с. 195]

В условиях активного химического выветривания в зоне тропи­ческого гумидного климата кремнезем из силикатов усиленно уда­ляется. На месте выветривания остаются бокситы и латериты как сочетание устойчивых гидроокислов алюминия и железа. По У. Келлеру, минералы алюминия, которые слагают бокситы, могут возникать из любой алюминийсодержащей материнской породы изверженного, метаморфического или осадочного генезиса. Неболь­шая часть гидроокислов алюминия выносится в виде золя почвен­ными и грунтовыми водами в океан. Золь гидроокиси А1(ОН)₃ имеет положительный заряд. В целом алюминий особенно интен­сивно мигрирует в условиях кислых почв. В океан алюминий по­ступает главным образом в составе глинистых минералов и в виде коллоидных взвесей.

Распределение алюминия в составе глинистых осадочных по­род разного возраста имеет определенную направленность. Так, работами А. Б. Ронова и А. А. Мигдисова была установлена четкая тенденция уменьшения содержания алюминия в глинистых осад­ках чехла древних платформ от протерозоя до кайнозоя. Это, ве­роятно, обусловлено весьма широким развитием основного вулка­низма в докембрийских геосинклиналях и резким снижением ин­тенсивности излияний основной магмы после консолидации плат­форм.

Геохимический круговорот алюминия охватывает зоны метамор­физма. При метаморфизме пелитовых гидролизованных пород алюминий входит в состав слюд. При региональном метаморфизме возникает гранит как алюминийсодержащий минерал наряду с ми­нералами, более богатыми алюминием.

В процессе метаморфизма горных пород образуются такие бога­тые алюминием минералы, как кордиерит, андалузит, силлиманит, шпинель и корунд. При всех ступенях метаморфизма глинистых толщ формируются минералы, в составе которых алюминий явля­ется непременным компонентом.[3, с.131-132]

Б) Гидросфера

Алюминия в гидросфере содержится мало.

В морской воде содержится 0,0000011% алюминия. [16, с. 246]

В океанической воде – 10^-4 % алюминия.( по Виноградову)

В) Атмосфера

В атмосфере алюминия практически не встречается.

Г) Биосфера

Почвы

Алюминий – один из главных компонентов земной коры, он присутствует в породах в количестве 0,45 -10%. В соединениях с кислородосодержащими лигандами алюминий образует единственный устойчивый и широко распространённый ион Al³⁺.

При выветривании минералов первичных пород образуется ряд гидроокисных соединений Al различного заряда и состава – от Al(OH) ²⁺ до Al(OH)₆ ^3-, и эти частицы затем становятся структурными компонентами глинистых минералов. В целом растворимость гидрооксидов Al низка, особенно в интервале pH 5-8, причём растворимость понижается при старении твёрдых фаз. Свежеосаждённые гидроокисные формы Al и коллоидные частицы способны к адсорбции анионов, а также флокуляции отрицательно заряженных частиц. Поэтому гидрооксиды Al вносят важный вклад в разнообразные свойства почв.

В результате выветривания полевых шпатов на земной поверхности в ходе тысячелетий откладываются грандиозные скопления глин, состоящих на 15-20 % из алюминия.[18, с. 164]

Общее содержание Al в почвах унаследовано от материнской породы, однако важную роль в плодородии почв играет та фракция Al, которая обладает лёгкой подвижностью и способностью к катионному обмену. В кислых почвах с pH ниже 5,5 подвижность Al резко возрастает, и при ионном обмене он активно конкурирует с другими катионами. В нейтральных почвах растворы содержат Al в количестве примерно 400 мкг/л, тогда как в почвенном растворе с pH 4,4 содержание Al составляет 5700 мкг/л. Подвижный Al в кислых почвах быстро поглощается растениями, что может вызвать у них химический стресс.[6, с. 316]

Растения

Алюминий – обычный компонент всех растений. По имеющимся сведениям его содержание в высших растениях составляет около 200 мг/кг сухой массы. Однако содержание этого элемента в растениях широко варьирует в зависимости от почвенных и растительных факторов. Некоторые виды накапливающих Al растений могут содержать его более 0,1% (на сухую массу).

Физиологические функции Al в растениях неясны, хотя и есть свидетельства того, что низкие уровни его содержания могут оказывать благоприятное действие на рост растений, особенно у толерантных к Al видов. Вредоносность или токсичность Al часто обнаруживается у растений, растущих на кислых почвах. По этому вопросу в последнее время опубликовано несколько обзорных работ, в которых подчёркивается, что высокая биологическая доступность Al в кислых почвах – один из ограничивающих факторов урожайности большинства полевых культур. Действительно, пониженная урожайность сельскохозяйственных культур на кислых почвах чаще вызвана повышенной доступностью Al, нежели высокой концентрацией H⁺.

Виды растений и даже разные сорта одного вида существенно различаются по способности поглощать и переносить Al, что отражается на толерантности растений к его избытку. У большинства растений симптомы отравления алюминием сначала проявляются на корнях. По-видимому, Al концентрируется в корнях некоторых видов растений. Количество его, которое пассивно поглощается корнями и затем переносится в надземные части, отражает устойчивость растений к Al, при этом способность накапливать Al в корнях не обязательно ассоциируется с толерантностью к нему.

Многие констатируют, что физиологические механизмы токсичности Al остаются дискуссионными, однако известно, что они связаны главным образом с замедлением поглощения и переноса питательных веществ и с нарушением соотношений катионов и анионов. Избыток Al в растениях, вероятно, служит также помехой делению клеток и нарушает свойства протоплазмы и клеточных стенок. Известно, что Al образует органические комплексы и поэтому осаждает нуклеиновые кислоты.

Сложный характер токсичности Al для растений отражается на взаимодействиях, проявляемых им в ходе поглощения растением таких компонентов питания, как P, Ca, Mg, K, и N. В целом при избытке Al поглощение катионов растением снижается. Токсичное действие Al часто связано также с повышенным уровнем содержания Fe, Mn и, вероятно, других тяжёлых металлов, которые доступны для растений на кислых почвах. Однако известно и о проявлении в некоторых растениях вызванного Al хлороза, возникающего вследствие нарушения метаболизма Fe. Предполагается, что такой тип токсичности должен был бы сопровождаться низким уровнем содержания Ca и Mg как в почвах, так и в растениях.

Взаимодействие Al с P связано с образованием в почвах плохо растворимых фосфатов Al, с другими сопряжёнными реакциями адсорбции или осаждения Al и P, а также с отрицательным воздействием Al на метаболизм P, главным образом в тканях корней. Поэтому отравление алюминием часто проявляется как дефицит P. В свою очередь фосфор – эффективное средство для снижения токсичного действия избытка алюминия.

Известно, что избыток Al в растениях вызывает дефицит Ca или ослабляет его перенос. Содержание Mg в растениях также сильно снижается, что может оказаться самым важным откликом на Al у чувствительных к этому элементу растений. Внесение и Ca, и Mg в почву сильно снижает токсичное действие Al. Толерантность растений к Al, вероятно, связана с толерантностью к NH₄, поскольку процесс нитрификации в кислых почвах сильно заторможен. Известно, что механизмы толерантности к Al у растений контролируются генетическими признаками, поэтому селекция растений, обладающих генетической способностью к адаптации, может дать решение проблемы стресса, вызываемого алюминием у культур, выращиваемых на кислых почвах.[6, с. 318-325]