2.1: Вступ

Ґрунти не просто існують на ландшафті; скоріше вони ростуть, розвиваються, розмиваються і повільно перетворюються на інші ґрунти через час - група процесів, які спільно відомі як педогенез. Педогенез починається з батьківського матеріалу, матеріалу, з якого утворюються грунти. Хоча невелика меншість ґрунтів розвиваються в органічних родовищах, більшість отриманих з неорганічних вихідних матеріалів діяли шляхом додавання, втрат, транслокацій та перетворень

Основним видом трансформації є вивітрювання геологічних вихідних матеріалів. Всі мінеральні грунти розвиваються з гірських порід і мінералів земної кори. Через вивітрювання мінерали та гірські породи фізично розпадаються на менші розміри частинок і хімічно розкладаються на змінені хімічні та мінералогічні продукти. Однак оригінальний гірський матеріал зазвичай транспортується або переробляється деяким механізмом перед утворенням ґрунту. Варіації в історії вихідного матеріалу призводять до ряду типів грунтових вихідних матеріалів (табл. 1). Додатково у, ці процеси вивітрювання вивільняють елементи, включаючи рослинні та тваринні поживні речовини, і перетворюють первинні мінерали в глини.

Таблиця 1. «Резюме перевезених батьківських матеріалів» Колбі Дж. Мурберга та Девіда Круза ліцензується відповідно до CC 4.0

Вид транспортування	Режим осадження	Найменування батьківського матеріалу
Гравітація	Гравітація	Колювій
Вода	Потік	Намивання
	Озеро	Лакустрин
	Океан	Морський
Лід	Лід	Тілл, морена
	Тала вода	Вимивання (алювій, лакустрин)
Вітер	Вітер	Лес, дюни

Ці материнські матеріали продовжують вивітрювати з часом на основі функції ґрунтоутворюючих факторів та процесів. Ще одним важливим фактором для вивітрювання основних матеріалів ґрунту є положення схилу пагорба. Позиція схилу пагорба вказує на місце розташування ґрунту на ландшафті (рис. 1). Положення схилу пагорба істотні y делегують ступінь нахилу і взаємодії зі рівнем грунтових вод для ґрунтів конкретного положення розташування. Ці взаємозв'язки між грунтом і схилом, або рівнем грунтових вод, сильно впливають на процеси вивітрювання з плином часу, збільшуючи як фізичне, так і хімічне вивітрювання, залежно від положення схилу пагорба.

Малюнок 1. «Положення схилу пагорба через ландшафт» Позиції вище вгору і з більш високим нахилом матимуть кращий дренаж і меншу взаємодію з грунтовим шаром, тоді як ті позиції, які нижчі лежать на ландшафті, мають менший нахил і зменшений дренаж. Висоцький та співавт., 2000 та Шенебергер та співавт., 2012.

МІНЕРАЛИ

У геології та ґрунтознавстві мінерал - це природне, неорганічне кристалічне тверде тіло, що має певний хімічний склад і передбачувані фізичні властивості. З шести критеріїв, включених до цього визначення, три (природні, неорганічні та тверді) потребують невеликої опрацювання; решта трьох пояснюються в наступних параграфах.

Кристалічність мінералів

Кристалічний означає, що атоми мінералу розташовані впорядковано та повторювано; вони не є випадковими. Атомне розташування, яке змінюється між мінеральними групами, сприяє деяким фізичним властивостям мінералу, включаючи твердість та розщеплення, які пояснюються під «Фізичними властивостями мінералів». На відміну від цього, речовина, що має випадково розташовані атоми, є аморфним, або некристалічним, і як таке не вважається мінералом. Хорошим прикладом аморфного матеріалу є гірський обсидіан, форма вулканічного скла.

Хімічний склад мінералів

Мінерали складаються з одного або декількох елементів, які породжують певні хімічні склади (рис. 2). Хоча хімічні формули точно закріплені для деяких мінералів (наприклад, кварц - SiO2, а ортоклаз - KalSi3O8), вони можуть варіюватися у вузькому діапазоні для інших мінералів (наприклад, плагіоклаз коливається від NaAlSi3O8 до CaAl2Si2O8, оскільки Na+і Ca2+, які замінюють один одного, відбуваються разом у різних пропорції в тому ж мінералці). Крім того, якою б точною не була формула, в природі відбуваються нерівності, дозволяючи домішкам прокрастися всередину. Зверніть увагу на елементи і мінерали на малюнку 2. Що спільного у чотирьох мінералів?

Малюнок 2. Елементний склад чотирьох поширених мінералів, важливих для ґрунтоутворення.

За масовою ознакою майже три чверті земної кори складаються лише з двох елементів: кисню та кремнію; і на об'ємній основі ці два елементи складають понад 90%! Наступні шість найпоширеніших елементів доводять підсумкові показники приблизно до 98,5 відсотка за масою та майже 100 відсотків за обсягом (таблиця 2). Очевидно, що дуже мало місця залишається для решти 100 або близько того елементів, включаючи більшість рослинних поживних речовин, що знаходяться в корі. Як же тоді ґрунти, майже всі з яких в кінцевому підсумку походять від вивітрювання земної кори, можуть забезпечити достатню кількість поживних елементів майже для всього земного життя, включаючи три чверті продовольства людства? Ваша робота в цьому лабораторному вправі повинна допомогти вам почати розуміти і оцінити відповідь на це питання.

Таблиця 2. Вісім найбільш поширених елементів в земній корі.

Елемент	Іонна формула	Масовий відсоток	Відсоток обсягу
Кисень	О ^2-	46.60	91.97
Кремній	Сі ^4+	27.72	0,80
Алюміній	Аль ^3+	8.13	0,77
Залізо	Fe ^2+ & Fe ^3+	5.00	0,68
Кальцій	Ка ^2+	3.63	1.48
Натрій	На ^+	2.83	1.60
Калій	К ^+	2.59	2.14
Магній	^Мг 2+	2.09	0,56

Класифікація мінералів на основі хімічного складу

Більшість мінералів згруповані в сім класів на основі їх основної аніонної одиниці (табл. 3). (Існує кілька інших класів, але їх можна проігнорувати для цієї лабораторії). З них силікати на сьогоднішній день є найбільш поширеними; проте продукти вивітрювання інших можуть бути рівні y життєво важливі.

Таблиця 3. Класифікація та склад обраних мінералів важливі в ґрунтознавстві.

Мінеральний клас	Приклад	Хімічний склад (зразок №)	Коментарі
Сульфіди	1) пірит 2) сфалерит	ФеС (219) ЗнС (17)	легко окислюється у вологих грунтах
Оксиди	гематит	Фе 2 О 3 (15)	легко окислюється, виробляючи червоні кольори
галогеніди	1) галіт 2) Сильвіт	NaCl (18) KCl	кам'яна сіль; іноді зустрічається в пустельних грунтах
Карбонати	1) кальцит 2) доломіт	СаКо (13) КамГГ (СО 32)	1) вапняна; реагує на кислота; легко вивітрюється в вологі ґрунти 2) вапняна; менш реактивна ніж кальцит
Сульфати	гіпс	КаСО 4 • 2 Ч 2 О (20)	загальне сільськогосподарське поправка; іноді зустрічається в пустельних ґрунтах
Фосфати	апатит	Са 5 (РО 4) 3 (Ф, Сл, ОН) (8)	єдине значуще джерело фосфору
Силікати	олівін	(Мг, Фе) 2SiO 4	найбільш легко вивітрюється з силікатів
	піроксен: аугіт	(Са, Na) (Мг, Фе, Ал) (Сі, Ал) 2О 6 (12)	сприйнятливий до окислення і гідратації
	амфібола: рогова обленда	(Са, Na) 2-3 (Мг, Фе, Ал) 5Si 6 (Сі, Ал) 2О 22 (ОН) 2 (11)	сприйнятливий до окислення і гідратації, але більш стійкий, ніж аугіт
	слюда: 1) москвич 2) біотит	1) Ккал 2 (АлСі 3 О 10) (ОН) (26) 2) К (Мг, Фе) 3 (АлСі 3 О 10) (ОН) (27)	1) м'який, але сильно протистоїть хімічному вивітрювання 2) м'який; вивітрюється легше, ніж москвич
	польові шпати: 1) ортоклаз 2) плагіоклаз	1) КАЛСІ 3 О 8 (9) 2) Na (АлСі 3 О 8) → Са (Аль 2 Сі 2 О 8) (10)	Найпоширеніші мінерали 1) жорсткий, стійкий 2) жорсткий, погода
	кварц	ІСО (24)	твердий і найбільш стійкий до атмосферних впливів

Фізичні властивості мінералів

Колір: Мінерали існують майже в кожному кольорі, і хоча колір легко визначити, він може бути ненадійним для ідентифікації мінералу. Наприклад, пірит майже завжди латунно-жовтий, але кварц може варіюватися в декількох відтінках, значеннях та кольорах від безбарвного до білого, рожевого, фіолетового та сірого. У деяких мінералах на колір можуть сильно впливати домішки.

Блиск: не залежить від кольору мінералу і визначається природою світла, відбитого від поверхні мінералу. Більшість люстерів діляться на дві основні групи: металеві і неметалічні. Металеві блиски характерні для мінералів, які сильно поглинають світло, і в результаті виявляються непрозорими навіть дуже тонкими шматочками. Ці мінерали, як правило, виглядають як метали, хоча їх поверхні можуть варіюватися від блискучих до тьмяних. Неметалеві блиски спостерігаються в мінералах, які дозволяють світлу проходити через тонко нарізані скибочки. Поверхні неметалічних мінералів можуть бути блискучими, як алмаз, склоподібними, як кварц, воскоподібними, як серпантин, або земляними, як глина.

Розщеплення та перелом: Розщеплення - це тенденція мінералу розриватися за певними передбачуваними напрямками, коли мінерал вражений молотком. Отримані в результаті розщеплення поверхні можуть бути гладкими і чіткими, або вони можуть бути шорсткими і нечіткими, залежно від типу мінералу. Різні мінерали також розколюються по різних напрямках і під різними кутами, в залежності від типу і орієнтації атомного зв'язку. Хоча кількість можливих напрямків розщеплення становить 1, 2, 3, 4 або 6, ми зупинимося лише на мінералах, які мають 1 (наприклад, біотит), 2 (наприклад, ортоклаз) та 3 (наприклад, кальцит) напрямки (рис. 3). Деякі мінерали при попаданні молотком не ламаються по передбачуваних площинам: вони просто розбиваються в будь-яку сторону. Кажуть, що ці мінерали руйнуються, а не розщеплюються. Кварц є хорошим прикладом мінералу, який проявляє руйнування.

Малюнок 3. Приклади мінерального розщеплення.

Твердість: Твердість визначається стійкістю поверхні мінералу до подряпин різними інструментами відомої твердості. Судять за шкалою твердості Мооса, в якій використовуються певні еталонні мінерали, ранжировані від 1 (м'які) до 10 (тверді): (див. наступну сторінку

* Шкала твердості Мооса *

1. Тальк (легко «дряпається» розтиранням між пальцями, даючи мильне відчуття)
2. Гіпс (легко дряпається нігтем)
3. Кальцит (така ж твердість, як копійки)
4. Флюорит
5. Апатит (трохи м'якше, ніж лезо кишенькового ножа)
6. Ортоклаз (твердіше леза ножа, але трохи м'якше скла)
7. Кварц (твердіше як леза ножа, так і скла)
8. Топаз
9. Корунд
10. Діамант

(Мінерали ґрунту дуже рідко твердіше 7)

Необхідні елементи для рослин і тварин

Істотні елементи - це ті, які необхідні організмам для зростання і завершення своїх життєвих циклів. Для рослин шістнадцять елементів універсальні y визнані важливими; проте дослідження, проведені в кінці 20 століття, показують, що їх кількість вісімнадцять або, можливо, навіть більше. Будемо вважати, що рослинам потрібно вісімнадцять елементів (табл. 4), хоча слід розуміти, що багато рослин, в залежності від їх виду, займають більше, ніж їм здається потрібно.

Мнемонічна фраза може допомогти вам запам'ятати 18 елементів:

C ХОПКІНС Кафе Mg B Mn CuZn Cl Комо Ni

У перекладі це говорить «C Hopkns кафе, кероване «моїми» двоюрідними братами Клайдом, Комо і Нікі».

Зауважте, що з восьми найпоширеніших елементів земної кори лише п'ять - кисень, залізо, кальцій, калій та магній, входять до числа 18 основних елементів (табл. 4); і перший з них, кисень, постачається O2 в атмосферу, а не вивітрювання мінералів і гірських порід. З тринадцяти залишилися незамінних елементів водень надходить з води, вуглець надходить з вуглекислого газу (CO2) в атмосферу, а азот підтримується циклічним циклом органічної речовини. (Азот спочатку надається рослинам шляхом фіксації з атмосфери.) Решта десять елементів, фосфор, сірка, бор, марганець, мідь, цинк, хлор, молібден, нікель та кобальт, походять від вивітрювання мінералів і гірських порід

Таблиця 4. Необхідні елементи для рослин.

Макроелементи			Мікроелементи
Елемент	Атомний символ	Завод Доступна форма	Елемент	Атомний символ	Завод Доступна форма
вуглець	C	СО 2	залізо	Fe	Лт ^2+, Лт ^3+
водню	Ч	Н ^+	марганцю	Мн	Мн ^2+
кисень	O	О 2, Н 2 О	бор	Б	Н 3 БО 3
азоту	М	NH 4 ^+, НІ 3 ^-	цинку	Zn	Зн ^2+
фосфор	Р	Н 2 РО 4 ^-, ГПО 4 ^2-	мідь	Cu	Куб ^2+
калій	К	К ^+	хлору	Cl	Кл ^-
кальцій	Ca	Ка ^2+	кобальт	Co	Co ^2+
магній	Мг	^Мг 2+	молібден	Пн	МоО 4 ^2
сірки	S	ТАК 4 ^2-	нікель	Ni	Ні ^2+

Окрім 18 елементів, необхідних рослинам, тваринам також потрібен миш'як (As), хром (Cr), фтор (F), йод (I), літій (Li), натрій (Na), селен (Se), кремній (Si) та олово (Sn). Травоїдні тварини отримують ці елементи, поїдаючи рослини, які забирають елементи, навіть якщо рослина може не знадобитися в них. М'ясоїдні тварини, в свою чергу, добувають стихію шляхом полювання на інших тварин.

Незалежно від того, чи потрібні елементи рослинам чи тваринам, все, крім вуглецю, водню, кисню та азоту, стають доступними спочатку шляхом вивітрювання мінералів. Елементи поступово концентруються в біосфері через біогеохімічні цикли, включаючи цикли вуглецю та азоту, які будуть висвітлені в більш пізній лабораторії.

СКЕЛІ

Найбільш поширеними породами є консолідовані збірки мінералів, але деякі (наприклад, обсидіан, пемза та вугілля) містять некристалічні (отже, немінеральні) матеріали. Незважаючи на велику кількість можливих композицій і композицій, породи можна розділити на три категорії залежно від способу їх формування: магматичні, осадові та метаморфічні.

Магматні скелі

Нав'язливі та екструзійні: Магматичні породи утворюються, коли розплавлений матеріал, який називається магмою, охолоджується і твердне.

Хоча магма бере свій початок на десятки кілометрів нижче поверхні Землі, вона може затвердіти на будь-якій глибині від глибини її походження до поверхні. Магма, яка залишається на глибині при охолодженні і затвердінні, утворює магматичні нав'язливі породи. Через надзвичайно повільне охолодження мінерали можуть вирости до макроскопічних розмірів, і їх можна легко ідентифікувати в ручному зразку.

Замість того, щоб залишатися глибокими протягом усього процесу охолодження, деякі магми вивергаються на поверхню, де вони швидко охолоджуються і тверднуть. Утворені магматичні екструзійні породи можуть бути склоподібними (тобто аморфними) або мікрокристалічними, хоча багато хто містить розмазування макрокристалів, що утворилися до виверження. При виверженні магма може сочитися до поверхні як лава, або вона може бурхливо вибухнути в атмосферу, утворюючи пемзу та вулканічний попіл.

Felsic і Mafic: Окрім того, що вони мають чітко різні розміри кристалів, магматичні породи також змінюються за мінералогічним складом через хімічні відмінності між магмами. Деякі породи переважають кварц і ортоклаз (багатий калієм польовий шпат), оскільки вони походять з магми, яка була багата кремнеземом і калієм. Ці породи, які, як правило, мають світлий колір, називаються фельсиками. Інші магматичні породи мають мало або взагалі не мають кварцу або ортоклазу, але натомість характеризуються кальцієвим плагіоклазом (багатим кальцієм польовим шпатом) та феромагнезіанними мінералами (наприклад, аугітом та роговою блендою). Вони називаються магічними і мають темний колір. Інші породи проміжних складів можна знайти між цими крайнощами.

Класифікація магматичних порід

Текстурна тенденція, викликана різною швидкістю охолодження, в поєднанні з мінералогічною тенденцією, що виникає внаслідок хімічних відмінностей магми, є основою для класифікації магматичних порід (табл. 5). Вибрані елементи також об'єднуються, утворюючи мінерали, які потім об'єднуються, утворюючи загальну магматичну нав'язливу породу (табл. 6).

Додаткові мінерали, які можуть бути значними, також варіюються від фельсика до магічного. Зі слюд москвич - фелістичний, а біотит - більш магічним. В результаті москвич зустрічається у фельсових породах, включаючи справжній граніт, тоді як біотит може зустрічатися в гірських породах, починаючи від фельсичних до помірно магічних. Важливою породою проміжного складу є гранодіорит, який має характерний солоно-перцевий вигляд, отриманий зі світлого кольорового кварцу і польового шпату, особливо плагіоклазу натрію, поєднаного з біотитом темного кольору. Олівін, сильно мафічний мінерал, і аугіт, який трохи менш магічний, є загальними складовими габбро і базальту.

Таблиця 5. Класифікація магматичних порід

Таблиця 6. Приклад елементів, що поєднуються, утворюючи мінерали та мінерали, що об'єднуються, утворюючи магматичну породу.

Осадові породи

Осадові породи, що складають основну частину континентальної кори Землі, можуть бути як уламковими (тобто фрагментарними), так і неуламковими (тобто нефрагментарними). Див. Таблицю 7 для прикладів.

Кластичні породи: складаються з фрагментів раніше існуючих порід (магматичних, осадових або метаморфічних), які були перевезені на нове місце (часто дно океану), де вони були відкладені і поховані шар за шаром і цементовані разом. Поклади можуть бути товщиною в кілька тисяч метрів!

Фрагменти, або класти, можуть відрізнятися за розміром, включаючи глину, мул, пісок, гравій та бруківку.

Неуламкові породи: утворюються хімічним осадженням розчинених солей і біохімічним осадженням органічно отриманих сполук у воді, найчастіше на підлогах мілководних морів. Організми, які генерують некластичні породи, включають бактерії, водорості, діатомові водорості, корали та молюски. Найбільш поширеними некластичними осадовими породами є вапняк і доломіт (також званий доломітовим вапняком). Інші включають гірський гіпс, черт, і вугілля.

Незважаючи на те, що дві основні категорії визнані, більшість осадових порід є поєднанням уламкових і некластичних, тим не менш, вони, як правило, переважають та чи інша. Наприклад, піщинки в пісковику є уламковими, але цемент, який їх утримує, може бути некластичним.

Таблиця 7. Класифікація осадових порід.

Кластик		Некластичні
домінуюча складова	Осадові породи	домінуюча складова	Осадові породи
глиняний	керамзит	кальцит (СаСО3)	вапняку
мул	алетобетон	доломіт (CaMg) (CO3) 2	доломіту
бруд (мул + глина)	аргіліт	гіпс (Касо4 • 2Н2О)	гіпс
тонко шаруваті бруд	сланцевий	мікрокристалічний кварц (SiO2)	черт
пісок (≥ 50%): переважно кварц, польові шпати, слюда пісок: 50-85% піску з залишком бруду і, можливо, деякі гальки пісок: > 85% піску з залишком бруду і, можливо, галька	пісковики wacke (брудний пісковик) ареніт (чистий піщаник)
гравій (галька) з піском і брудом; кварц, ортоклаз, кварцит	конгломерат

Метаморфічні породи

Метаморфічні породи утворюються насамперед шляхом застосування надзвичайно високої температури і тиску до деяких раніше існуючих гірських порід. Оригінальна порода може бути магматичної, осадової або навіть метаморфічної, але осадові породи найбільш схильні до метаморфоз. Метаморфічні породи можуть бути як листковими, так і нелистковими. Листяні гірські породи складаються з мінералів, які вирівняні або орієнтовані на отримання дещо стратифікованого або шаруватого вигляду, тоді як мінерали в нелисткових породах приблизно однаково розташовані у всіх напрямках, надаючи їм більш рівномірно масивний вигляд (табл. 8).

Таблиця 8. Класифікація метаморфічних порід.

Шаруваті
Метаморфічна скеля	Звичайний оригінальний рок	Зовнішній вигляд/Коментарі
шифер	сланцевий	сильно розшаровується (шаруватий), плоский; часто з дуже дрібним кварцом і слюдою; розколюється на листи, але щільніше, ніж сланець
сланця	сланець або інший шифер	хвилясте шарування; часто зі слюдою, кварцом, польовими шпатами
gneiss (вимовляється «nice»)	гранітні породи	мінерали, орієнтовані на більш слабке розшарування, ніж сланці; часто містить ті ж мінерали, що і його гранітний аналог
Нелистяні
мармур	вапняку	розщеплення кальциту зазвичай видно; шипи для виділення CO2 при тестуванні з HCl
кварцит	кварцовий ареніт	жорсткий; дуже стійкий до атмосферних впливів
серпентиніт	перидотит (ультрамафічна магматична порода)	зеленуватий скупчення зміїних мінералів; високий вміст магнію; відбувається з перервами уздовж західного узбережжя Північної Америки та менших районів Східного узбережжя

ВИВІТРЮВАННЯ

Вивітрювання розбиває гірські породи і мінерали вниз, в результаті чого утворюються грунти. Вивітрювання відбувається за допомогою двох процесів: фізичного розпаду (розбивання на більш дрібні шматочки) і хімічного розкладання (зміна природи самих мінералів).

Фізичний розпад призводить до того, що гірські маси розщеплюються або стираються та зношуються від більшої поверхні гірських порід. Замерзання та відтавання, стирання частинками, зваженими на вітрі або воді, а також подрібнення, спричинене льодовиками, призводять до розпаду. Повторні дії цих процесів викликають напруги, які з часом руйнуються і розмивають поверхні гірських порід. Фізичне вивітрювання зазвичай передує або відбувається спільно з процесом хімічного розкладання. Зі зменшенням розмірів окремих частинок значно збільшується загальна кількість кутів і ребер і загальна площа поверхні гірської маси.

Хімічне розкладання

Хімічне розкладання прогресує найшвидше, коли для хімічних реакцій доступна більша площа поверхні. Тепле і вологе середовище посилюють хімічний розкладання. Чим менше частинки, тим більше площа поверхні заданого обсягу гірської породи (чим більше загальна кількість оголених кутів і країв) і тим більше швидкість хімічного розкладання. Загальна кількість кутів, що піддаються процесам вивітрювання, є основним фактором при визначенні швидкості вивітрювання. Це пов'язано з тим, що кут має три поверхні і три краю для хімічної атаки. Хімічне вивітрювання являє собою поєднання п'яти основних процесів: карбонізації, гідратації, гідролізу, окислювально-відновного (окислювально-відновного) та розчину.

Гідроліз і розмір частинок: Гідроліз - це процес хімічного розкладання, що включає розщеплення молекул води під час реакції. Реакцію гідролізу можна легко визначити, шукаючи воду з лівого боку хімічного рівняння та відсутності води (але утворення Н ⁺ і/або ОН ^-) на правій стороні рівняння. Всі мінерали погоджують шляхом гідролізу. Реакція гідролізу особливо очевидна з силікатними мінералами (наприклад, польовими шпатами та слюдою). Гідроліз - це первинна реакція, що призводить до вивільнення більшості рослинних поживних елементів з мінералів. Мінеральний ортоклаз буде вивітрювати шляхом гідролізу.

\[ \mathrm{KAlSi_3O_8 + H_2O \rightarrow HAlSi_3O8 + K^+ + OH^-} \nonumber \]

Ортоклаз+Вода\(\rightarrow\) Al-силікатна мінерал+іон калію+гідроксид іон

Катіон калію (K ⁺), що виділяється цією реакцією гідролізу, розчинний у воді і може адсорбуватися глинистими мінералами ґрунту та органічними колоїдами, що використовуються рослинами, або бути видалені (вилуговані) дренажною водою. Силікатна сполука алюмінію може кристалізуватися в глинистий мінерал (наприклад, каолініт). Цей природний хімічний процес вивітрювання відбувається з дуже повільною, але постійною швидкістю у всіх гірських породах, вихідних матеріалах та ґрунтах. Чим менше вихідний мінерал, тим швидше буде відбуватися реакція гідролізу. Гідроксид-іон (ОН ^-) підвищить рН. Коли льодовик шліфує породи льодовиковим льодом (водою), подрібнення - це фізичний процес розпаду. Однак результуюча реакція гідролізу дрібних частинок, що гідролізуються з водою, призводить до того, що льодовик має високий рН (рН стирання). Спочатку рН льодовикового до 9 або 10, але оскільки льодовиковий до поглинає вуглекислий газ з повітря, рН впаде.

Карбонізація та розчин: Метаболічна активність коренів рослин та мікроорганізмів виробляє велику кількість CO ₂ у порах ґрунту. Цей СО ₂ реагує з ґрунтовою водою, утворюючи більшу частину вуглекислоти, що міститься в грунтах.

\[ CO_2 + H_2O \leftrightarrow H_2CO_3 \nonumber \]

Вуглекислий газ + Вода\( \leftrightarrow \) Вугільна кислота

Вугільна кислота у ґрунтовій воді постійно реагує з мінералами, коли вода просочується через ґрунти та гірські породи. Вугільна кислота, слабка кислота, є найпоширенішою кислотою, що зустрічається в грунтах. Вугільна кислота може іонізуватися в кислі іони водню (H ⁺) і бікарбонат (HCO ₃ ^-):

\[H_2CO_3 \leftrightarrow H^+ + HCO_3 \nonumber \]

Вугільна кислота\( \leftrightarrow \) Кислий іон водню+Бікарбонат іон

При рН <6 ця реакція має тенденцію йти більше вліво, ніж вправо, вказуючи на те, що вугільна кислота є слабкою кислотою і не виробляє дуже багато кислих іонів водню. Вугільна кислота ефективна для прискорення процесів хімічного розкладання мінералів, оскільки природа постійно забезпечує дощову воду та вуглекислий газ. Таким чином, дощова вода рухає цю реакцію вправо. Коли дощова вода рухається через ґрунт, вона переносить розчинні бікарбонатні іони глибше в профіль ґрунту і відкладає кислі іони водню на поверхнях ґрунту. Закон масової дії дозволяє ґрунту в кінцевому підсумку стати кислим з часом вивітрювання, оскільки опади рухають вищевказану реакцію вправо.

В результаті подрібнення гірських порід льодовика реакція гідролізу призводить до утворення льодовикового таля, що містить розчинні іони Ca2+ та OH- іони (що викликає високий рН, більше 8,3). Оскільки льодовикова оболонка піддається дії вугільної кислоти, льодовикова оболонка зазнає двох реакцій карбонізації. Перший процес реакції протікає досить швидко, тоді як друга реакція повільна і вимагає часу для завершення. Перша реакція карбонізації

\[ Ca^{2+} + 2OH^- + H_2CO^3 \rightarrow CaCO_3 + 2H_2O \nonumber \]

Розчинний кальцій+Розчинна гідроксид+Вугільна кислота\( \rightarrow \) Низькорозчинний кальцит + Вода

Друга реакція:

\[ CaCO_3 + H_2CO_3 \rightarrow Ca(HCO_3)_2 \nonumber \]

Кальцит+вугільна кислота\( \rightarrow \) Розчинна бікарбонат кальцію

Бікарбонат кальцію розчиняється повільно і вивільняє розчинні іони кальцію (Ca ²⁺) для поглинання рослин або можливого вимивання вниз через грунт при надмірних опадах або зрошенні. Втрата мінералів кальциту (головного мінералу у вапняку) в кінцевому підсумку призводить до розвитку кислих ґрунтів, карбонатних твердих горбів і утворення величезних підземних печер (наприклад, печери мамонтів і карлсбадських печери). Печера, через яку проходить, - це отвір, що залишився після того, як розчинний бікарбонат кальцію покинув порожнину, де вугільна кислота розчиняла вапнякову породу.

Розчинні кальцій і бікарбонат рухаються вниз і потрапляють в грунтові води, які в кінцевому підсумку з'являються у вигляді води в потоках, що стікають до океану. Наявність бікарбонату кальцію в грунтових водах є основною причиною вапнякових грунтових вод називають «жорсткою водою».

Зрештою, друга реакція має два основні ефекти в середовищі з великою кількістю опадів. По-перше, поверхневий грунт стане кислим, а рН зменшиться через збільшення кількості опадів та виробництва CO ₂ (H ₂ CO ₃). По-друге, розчинний кальцій стає доступним рослинам. Однак подальші опади вилуговують розчинний бікарбонат кальцію вниз.

З часом грунт буде виснажуватися кальцієм (Са ²⁺). Таке ж явище буде справедливо і для магнію (Mg ²⁺), калію (K ⁺) і катіонів натрію (Na ⁺), що виділяються в грунт при гідролізі різних мінералів. Цей процес призводить до втрати загального живлення рослин і родючості грунту.

Редукційно-окислювальні (окислювально-відновні) реакції: передбачають перенесення електронів від одного реагенту до іншого. У кожній окислювально-відновній реакції якась речовина окислюється, а деяка інша речовина зменшується за рахунок перенесення електрона. Речовина, що втрачає електрон, окислюється, і компонент, що приймає електрони, стає відновленим. Зазвичай, але не завжди кисень служить окислювачем.

Кисень поєднується з елементом мінералу, таким як залізо (Fe ²⁺), змушуючи залізо віддавати частину своїх електронів, які приймаються киснем. Залізо окислюється, в той час як кисень стає відновленим. Ці перенесення електронів являють собою форму хімічного вивітрювання, яке порушує атомну структуру мінералу, виділяючи кілька елементів і призводить до розробки нових сполук, включаючи глинисті мінерали.

Хоча окислювально-відновні реакції протікають безперервно в грунтах, їх швидкість реакції може бути дуже повільною і непомітною. Якщо грунт вологий і добре аерований, залізо має тенденцію окислюватися (Fe ³⁺, втрачає електрони кисню), але якщо повітря (газ кисню) відсутній, як це відбувається з насиченим водою грунтом, залізо стає відновленим (Fe ²⁺, набирає електрони). Ступінь або окислення, або відновлення грунтів проявляється в кольорі грунту. Окислене залізо (Fe ³⁺) відбувається там, де кисень присутній в добре дренованих грунтах і утворює червоний, жовтий або коричневий кольори в грунтах. Зниження заліза (Fe ²⁺) існує в затоплених або дуже погано дренованих ґрунтах і дає чорний, сірий, оливковий та синій кольори. Чергування періодів окислення та відновлення, спричинених коливанням рівня води в ґрунті, призводить до виникнення плямистості (плям червоного та жовтого, змішаних із сірим кольорами). Безперервні сильно скорочуються умови, спричинені тривалим заболочуванням, утворює заклеєні умови. Глійовані ґрунти мають темно-сірий до синього до чорноземного кольору.

\[ Fe^{2+} \xleftrightarrow{O_2} Fe^{3+} \nonumber \]

Зниження (сірі кольори ґрунту) ↔ Окислений (червоний та жовтий кольори ґрунту)

Прочитайте та завершіть наступні дії та запитання. На всі питання слід відповісти, а завершені лабораторії повинні бути завершені в кінці лабораторного періоду. Ніякі пізні роботи не будуть прийняті.