Химические взаимодействия компонентов грунта.

ВВЕДЕНИЕ
Инженерная геология как наука геологического цикла; определение, структура, объект исследования.Инженерная геология – дисциплина геологического цикла, изучающая ИГ условия верхних горизонтов земной коры, закономерности их формирования и пространственно-временное модифицирование под влиянием нынешних и прогнозируемых геологических процессов, формирующихся в ходе формирования земной коры под воздействием совокупности всех природных условий и в связи с инженерно-хозяйственным освоением.ИГ содержит в себе грунтоведение, инженерную геодинамику и региональную инженерную геологию. Любое из данных научных направлений презентует собой обусловленную систему научных ИГ понятий и знаний о морфологических особенностях, закономерностях формирования и пространственно-временном изменении поставленного элемента верхних горизонтов земной коры. Соотношение данных научных направлений описывает нынешнюю структуру инженерной геологии как науки геологического цикла.Предметом ИГ представляются верхние горизонты земной коры, изучаемые в специально предусмотренным ИГ отношении.Объект исследования инженерной геологии – сведенья о морфологии, динамике и региональных спецификах верхних горизонтов земной коры (литосферы) и их коммуникации с инженерными сооружениями (элементами техносферы) в связи с реализованной, текущей или планируемой хозяйственной работой человека.В этой работе мы с вами поговорим о грунте и химическом взаимодействии компонентов в целом.ГРУНТ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВПонятие «грунт» все еще является неопределенным, вокруг него ведется множество споров, и до конца вопрос определения данного термина все еще не решен. Одним таковым определением представляется: грунты — это разнообразные горные породы (магматические, осадочные, метаморфические) и твердые отходы производства, залегающие на поверхности земной коры и входящие в сферу влияния на них человека при строительстве зданий, сооружений, дорог и иных объектов. Преимущественного успешным является утверждение академика Е.М. Сергеева о том, что под грунтом надлежит осознавать всевозможные горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, модифицирующихся во времени, с целью познания их как предмета инженерной работы человека. Определение термина «грунт» дает право представить те задачи, которые призвано решать грунтоведение. Но, естественно, любое наименование науки не описывает абсолютно всех ее положений, проблем, нерешенных вопросов.При оценке параметров грунтов, выступающих в значимости оснований, приличное внимание уделяется их деформативным и прочностным показателям. Впрочем надлежит помнить, что данные показатели в большой степени находятся в зависимости от многих иных специфик грунтов: химико-минерального состава, структур и текстур, характера коллективной работы грунтов с водой, степени их выветрелости и ряда иных. Недоучет тех или других специфик параметров «грунтов-оснований» тянет за собой ошибки при конструировании и строительстве зданий и сооружений, что в последствии приводит к утрате крепкости грунтов в период использования.Грунты как многокомпонентные системы заключаются из твердой, жидкой и газовой компонент, соответственно и биотической составляющей. Их объемное содержание в многообразных грунтах может быть различным; в некоторых содержание отдельных компонент может быть пренебрежимо мало. В данных вариантов дозволенно говорить о моно-, либо биокомпонентных грунтах. Впрочем, постоянно наличиствует твердая компонента, составляющая базу каждого грунта. По характеру связей в твердых компонентах акцентируются пять типов, каждый из которых характеризуется обусловленных пространственным распределением электронов. 1. Ковалентные связи образуют атомы, на валентных орбиталяях которых присутствуют не спаренных электроны. Они характерны для всевозможных широко известных силикатных минералов. 2. Ионные связи образуются исключительно кулоновскими силами притяжения противоположно заряженных ионов: катионов и анионов. Такие связи свойственны для многих солей. 3. Металлические связи образуются в соединениях между элементами, владеющими независимыми валентными орбитами и низкой энергией ионизации. Такие связи присущи для всех соединений, относящихся к металлам-веществам, владеющим высокой электро- и теплопроводностью, предопределенными значительной подвижностью электронов в кристаллической решетке. 4. Водородные связи презентуют собой особый тип центровой связи, в которой центральный атом водорода Н, соединенный ковалентной связью с электроотрицательным атомом Х (например O,C,N,S), образует добавочную связь с атомом Y. Такие связи свойственны для льда, кристаллогидратов, определенных глинистых минералов и др. 5. Молекулярные связи обусловлены взаимной полярностью молекул. Это весьма слабые связи, какие могут быть в твердых молекулярных кристаллах, а еще в органических твердых компонентах и глинистых минералах. Класс мерзлых грунтов содержит фунты, главными спецификами которых представляются отрицательная температура и наличие льда. Именно он сформировывает криогенные структурные связи, по своей природе кристаллизационные, крепкость которых зависит от температуры и значительно ниже по сравнению со скальными грунтами. Грунты, в которых лед отсутствует, но которые имеют отрицательную температуру (так называемые «морозные грунты») в этот класс не включаются. Оттаивающие же грунты, в которых еще остался лед, и промерзающие грунты, содержащие его, включаются в класс мерзлых.В класс дисперсных сплачиваются грунты без жестких структурных связей(от илов до глин и галечников). Они обеспечиваются молекулярными, ионно-электростатическими, капиллярными и магнитными взаимодействиями, проявляющимися в многокомпонентной системе между твердыми частицами данные связи, как было представленно ранее, обусловливают низкую надежность дисперсных грунтов по сравнению со скальными и мерзлыми и, главное, весьма сильную зависимость параметров от степени водонасыщения.При дальнейшем подразделении данных классов грунтов на подгруппы, варианты и вариации употребляются частные классификации. Выделение разновидностей грунтов целесообразно проводить в пределах частных классификаций, разнообразных для разных классов грунтов.Таким образом, общая классификация грунтов складывается из двух блоков. В первом блоке акцентируются царства, классы, группы, типы и виды грунтов по генезису, вещественному, литологическому составу и структурно-текстурным особенностям, а во втором блоке акцентируются вариации грунтов по количественным параметрам, квалифицирующие свойства и некоторые элементы состава, значительные для того или другого вида строительства зданий и сооружений.ТИПЫ ХИМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ ГРУНТА.Растворение бывает: Прямое (конвективная диффузия) — происходит при непосредственном контакте движущегося растворителя по полостям и трещинам горных пород. По мере того, как происходит насыщение растворителя, если есть водообмен процесс прогрессирует и растут карстовые пустоты. Если движение замедляется, то вещества перестают быть агрессивными к данной породе. Диффузионное растворение (выщелачивание) не предполагает непосредственного движения растворителя относительно раствор компонента, движение ионов подчинено разнице концентрации, из зоны где концентрация выше в зону, где она ниже, при этом движение растворителя не происходит.Растворимость как свойство грунта зависит от некоторых факторов:Основной фактор – минеральный состав. При прочих равных условиях разные минералы имеют разную растворимость. Термодинамический фактор - температура и давление растворителя.Присутствие растворенных газов (в жидкой фазе).Присутствие органического или глинистого вещества. Следы подобного вещества образуют труднорастворимые пленки на зернах более растворимых минералов и блокируют конвективное растворение минералов .Рисунок 1 «степени растворимости в воде»ГИДРОЛИЗГидролиз - реакция обменного разложения растворимых солей слабых кислот и/ либо не мощных оснований водой с образованием мало диссоциирующих соединений и изменением pH среды.При гидролизе соли случается смещение равновесия электролитической диссоциации воды и модифицируются среда раствора. Гидролизу подвержены ионы, а не молекулы веществ. В нейтральной среде гидролиз практически не происходит. Гидролиз обычно не сопровождается образованием газа или осадка и является частным случаем реакций протолиза, сольволиза, ионообменных реакций между электролитами и кислотно-основного взаимодействия. В большинстве случаев гидролиз солей много кислотных оснований проходит с образованием сложных промежуточных аква- и гидро- комплексов. В привычном нам случае процесс гидролиза проходит в два этапа: диссоциация соли в растворе и собственно гидролиз солей. Гидролиз имеет возможность проходить как обменный процесс, либо как окислительно-восстановительное взаимодействие.Процесс гидролиза содержится в переходе протона от молекулы воды к предоставленному иону, либо от предоставленного иона к молекуле воды [присоединению протона (H+) молекулы воды к аниону кислотного остатка, либо гидроксогруппы (OH-) к катиону металла]. При гидролизе возникает разрыв химической связи с присоединением молекулы воды. В зависимости от природы соли вода выступает как кислота, либо как основание, а соль является сопряженным основанием или сопряженной кислотой.Механизм гидролиза для разных типов соединений разен и в зависимости от среды имеет возможность быть:1.поляризационным2. обменнымЧем сильнее связь ионов соли с их гидратной оболочкой, тем интенсивнее протекает гидролиз. Гидролиз имеет возможность проходить в водных растворах, либо при содействии воды с твердыми, жидкими и газообразными веществами. Гидролизу подвержены соли, в которых катион и анион обладают в водном растворе многообразной химической активностью.Гидролизу подвержены химические соединения различных классов, в том числе вещества с ковалентной связью: галогенан гидриды (например, РI3), перкарбиды (СаС2) и многие другие:кислоты: H2S2O8 + 2H2O = 2H2SO4 + H2O2 (гидролиз пероксокислоты),бинарные соединения: SiH4 + 3H2O = H2SiO3 + 4H2↑В некоторых случаях реакцию гидролиза солей рассматривают как реакцию, обратную реакции нейтрализации между кислотой и основанием.Гидролиз солей - эндотермический процесс, обратимая реакция, но не протекающая до образования кислоты: сначала при растворении солей в воде происходит полная электролитическая диссоциация на катионы и анионы, а затем - гидратация образовавшихся ионов F- +H2O↔HF+OH-По глубине протекания гидролиз солей бывает:частичнымполныма по степени обратимости:необратимым  обратимым ОКИСЛЕНИЕОкисление — результат взаимодействия твердых и газообразных компонентов грунта при участии жидкой фазы.В фундаменте процесса окисления лежит связь газообразной и твердой элементы грунта. Поверхностные воды, инфильтрующиеся через зону выветривания, постоянно богаты растворенным кислородом, он имеет возможность принимать участие в окислительные реакции с некоторыми минералами с образованием кислородных соединений: сульфаты, карбонаты, гидроокислы.Процесс окисления проходит стадийно. Окислительные процессы формируются до назначенной глубины. По мере просачивания поверхностных вод содержание кислорода убавляется и на поставленной глубине независимого кислорода нет. Во всех корах выветривания имеется граница окисления-восстановления.Наиболее часто окислению подвержены сульфиды. Например, псевдоморфоза лимонита по пириту — это продукт процессов окисления. Процесс окисления сульфидов: 1. 2FeS2 + 7O2 + H2O → 2FeSO4 + 2H2SO4 2. 12FeSO4 + 6H2O + 3O2 → 4 Fe2(SO4)3 + 4 Fe(OH)33. 2Fe2(SO4)3 + 9H2O →2Fe2O3 * 3H2O + 6 H2SO4ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУНТАК физико-химическим взаимодействиям, проходящим на границе взаимодействия минерал-вода, относят адсорбцию, осмос, ионный обмен. Их прогресс чуть ли не на прямую зависит от дисперсности твердой фазы и возрастает с увеличением суммарной площади удельной поверхности системы, поэтому физико-химические явления типичны для тонкодисперсных образований (почвы, глины, лессы). В итоге физико-химических явлений появляется связная вода, диффузионный слой ионов, к этому же развитие обменных процессов на поверхности минерала. Все выше указанные явления приводят к изменению свойств.Глинистые минералы при общей работе с водой адсорбируют на своей поверхности полярные молекулы воды, что приводит к гидратации, т.е. появлению на поверхности частиц сплошной гидратной пленки связной воды. В фундаменте гидратации лежат водородные, ион-дипольные и диполь-дипольне взаимодействия между молекулами воды и адсорбционными центрами поверхности дисперсных минералов.У глинистых минералов выделяют 3 основных типа центров адсорбции, которые различаются энергией.1. Катионы-компенсаторы структурного заряда, которые содержатся на поверхности, либо в межслоевом пространстве минерала.2. Атомы кислорода и гидроксильных групп базальных поверхностей минерала.3. Валентно-ненасыщенные атомы боковых сколов минералов.Процесс гидратации начинается с адсорбции молекул воды на наиболее активных центрах – катионы-компенсаторы и валентно-ненасыщенные боковые сколы.Адсорбционная способность катионов возрастает с приростом их валентности и уменьшением ионного радиуса. Более активно процесс гидратации развивается у минералов, содержащих многовалентные катионы (Mg, Al, Fe, Ca и т.д.).У минералов, не имеющих внутрикристаллическим набуханием, адсорбция молекул воды идет на катионах, распределяется только на внешних поверхностях частицы, а у минералов типа монтмориллонита в процессе гидратации принимают участие и межслоевые катионы.Характерны для крупнообломочных пород: пески и более крупные. Присутствует чисто механическое зацепление за счет неровности поверхности зерен. Величина зацепления повышается с крупностью, неоднородностью минерального состава и угловатостью.Прочность любой гп определяется функцией 2 параметров – прочности единичного компонента и количества контактов на единицу площади поверхности разрушения.По своей природе в гп можно выделить несколько основных типов контактов:1. Фазовый2. Цементационный3. Коагуляционный4. Переходный5. Зацепления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По завершению проделанной мною работы,  хочу выделить некоторые моменты о химическом составе, а так же о причинах химической устойчивости почв.1. Любая почва имеет достаточно трудный химический состав как по набору, так и по количественному соотношению химических элементов, соответственно и по формам их соединений.2. Более стремительную химическую роль в почвах принимают участие те вещества, которые находятся в высокодисперсном состоянии; к ним относятся гуминовые вещества, слоистые глинистые минералы, ионные и молекулярные дисперсии.3. Для почв свойственно образование и накопление непривычных гуминовых веществ, главных и более активных составляющих органического вещества почвы.4. В почвах одновременно протекает множество реакций, зачастую противоположно направленных, что обусловливает стабильность системы; многообразие химических соединений и реакций - главное условие устойчивости почв.5. В каждой природной зоне создаются почвы, имеющие особый химический состав и режимы, хорошо согласованные с экологической обстановкой. Либо соответствующие факторам почвообразования.

СПИСОК ИСПОЛЮЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Учебник «Инженерная геология» издание второе, В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. Учебник «Грунтоведение» Е.А. Вознесенский.https://megaobuchalka.ru/7/1658.html