Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 31 )

Однако если растворению подвергаются быстрорастворимые вещества, например, кристаллы поваренной соли или сахара, то никаких признаков ускоренного развития растворения вдоль микротрещин не наблюдается. В этих случаях можно видеть, как вначале округляются острые углы кристаллов и затем растворение идет ровным плавно изогнутым фронтом, конфигурация которого не изменяется, если он встречается с микротрещинами, вдоль которых фронт растворения почти не ускоряется.

Объяснение такого различия в растворении заключается в том, что МДК-эффект создает вполне определенную скорость движения молекул из микропор, не зависящую от скорости растворения. Поэтому при быстром растворении обычная диффузия опережает микропородиффузию, а при замедленном, наоборот, микропородиффузия имеет большую скорость, чем диффузия. Соответственно, в относительно слаборастворимом в соляной кислоте магнетите растворение идет преимущественно вдоль микропор и микротрещин, а в быстрорастворимых в воде кристаллах соли и сахара не зависит от микротрещин.

Важнейшим вопросом является скорость диффузии. Как известно, многие геологи считают диффузию процессом очень медленным, не способным перенести на значительное расстояние большое количество химических компонентов за достаточно короткое время. Однако этому противоречат результаты описанного выше эксперимента по коррозии металла, являющейся типичным диффузионным процессом.

Уже через 5 мин после смачивания металла водой становятся заметными ореолы размером до 2 мм из окислов железа вокруг вмятин и питтингов. Значит, скорость диффузионного перемещения молекул и коллоидных частиц окислов составляла более 2 мм за 5 мин. Причем скорость значительно больше этой величины, так как окислы становятся видимыми только после отложения слоя определенной толщины, а первые молекулы приходят сюда гораздо раньше. Условно примем эту минимальную скорость 2 мм за 5 мин, т. е. 210 мм за год. Следовательно, например, обычное расстояние гидротермальной переработки вмещающих пород около рудных месторождений до 1 км диффузия преодолеет за 4,8 года, что является оптимальной величиной для образования месторождений, которое может длиться миллионы лет.

Если каждая каверна площадью 0,1 мм2 и глубиной не менее 0,05 мм при образовании извергает 0,0035 мг железа за 1 ч (с учетом удельного веса железа 7 г/см3), значит, 1000 м ´ 10 м (в случае диффузионного притока растворов снизу) при такой величине потока может пройти за 1 час 3,5 т железа, а за год – 30660 т железа, чтобы образовывать месторождения средних размеров (100 млн т железа), потребуется 3260 лет, что, по геологическим масштабам, величина совершенно незначительная.

4.3.1. Роль осмотической составляющей СРПС в форме МДК-эффекта в явлениях природы

4.3.1.1. Поддержание постоянной проницаемости горных пород в земной коре при метасоматических процессах

На основании вышесказанного можно констатировать, что микропоры являются как бы мини-фабриками по ускоренной переработке одних молекул в другие и ускоренному обмену их с остальным объемом жидкого раствора. Деруан и др. (Derouan et al., 1987) назвали микропоры ловушками, в которых каталитически ускоряется преобразование одних молекул в другие. Они объясняли это действием так называемого эффекта поверхностной кривизны, обусловленного усилением физической адсорбции молекул на стенках микропор за счет изменения ван-дер-вааальсовых сил притяжения молекул. Однако выдвинутая ими гипотеза не позволяет объяснить причину ускорения движения молекул из микропор, без которой эффект не может состояться. Ускорение же физической адсорбции молекул тождественно увеличению частоты соударения каждой молекулы со стенками микропоры, т. е. повышению длительности ее контакта с ними в соответствии с высказанными представлениями о микропородиффузионном каталитическом эффекте.

Остается объяснить действие механизма по поддержанию проницаемости пород при метасоматозе на основании МДК-эффекта, что чрезвычайно просто. По мере уменьшения диаметра проницаемых каналов до размеров микропор, т. е. до диаметра, меньшего среднего расстояния между молекулами растворенного вещества, эффект вступает в действие, способствуя ускорению выноса растворенных в воде химических компонентов и уменьшению привноса компонентов из-за пределов этих пор. Чем более сужаются микропоры, тем интенсивнее действие этих процессов, тем большее противодействие они создают закупорке пор, так что наступает момент, когда скорость растворения начинает выравниваться со скоростью отложения компонентов на стенках пор, а затем и превышать ее. В последнем случае микропоры опять начнут расширяться до прежнего стабильного уровня проницаемости.

В микропорах, как отмечалось выше, общее количество одновременно прореагировавших привнесенных молекул почти не меняется при уменьшении диаметра пор, так как чем тоньше микропора, тем меньшее количество компонентов туда заходит, но тем чаще каждая молекула соударяется со стенками, ускоряя таким образом реакцию. Следовательно, прямая реакция идет так же быстро и при меньшей концентрации компонентов. Но при сужении микропор ускоряется удаление отходов реакции из стенок микропор, т. е. количество одновременно образующихся молекул не изменяется, а количество отходов реакции внутри пор уменьшается за счет ускорения их выноса. Значит, эти отходы уже в меньшем количестве будут участвовать в обратной реакции, т. е. возвращаться в стенки микропор, и поэтому стенки будут интенсивнее расширяться. Поэтому в целом химическая реакция здесь будет идти быстрее за счет увеличения скорости удаления отходов из микропор.

МДК-эффект возникает в земной коре в тех случаях, когда там появляются смежные участки сжатия и растяжения горных пород с трещинными пустотами. Такие участки всегда существуют в зонах тектонических разломов, которые, по сути, представляют собой систему трещин сжатия и растяжения, отвечающих эллипсоиду деформации. Поэтому тектонические разломы инициируют действия МДК-эффекта при наличии в них насыщения пор химически агрессивным раствором, т. е. раствором, способным растворять и образовывать новые минералы при соответствующих Р-Т условиях земных глубин.

4.3.1.1. Роль МДК-эффекта в осмотических процессах

Как уже отмечалось, -Гофф был одним из первых исследователей, обнаруживших связь между давлением газов и осмотическим давлением растворенных в жидкости веществ, выразив его в виде закона (Вант-Гофф, 1984). В частности, в своей нобелевской речи он отмечал: “Если представить себе, что давление газа является результатом движения молекул и их столкновений со стенками, то подобным же образом можно представить, что осмотическое давление является результатом столкновения растворенных молекул с полупроницаемой мембраной” (с. 409). Это давление проявляется в виде перемещения подвижной полупроницаемой мембраны в сторону раствора с более низкой концентрацией, так же как газ расширяется в сторону меньшей концентрации его молекул. Вместе с тем -Гофф отмечал “водопритягивающее действие растворов”, проявляющееся при осмосе, т. е. как бы притягивание более высококонцентрированным раствором воды сквозь неподвижную полупроницаемую мембрану со стороны раствора с меньшей концентрацией. Это выражается в повышении гидростатического уровня раствора, т. е. повышении его давления.

Однако с точки зрения идеи о возникновении давления при ударах молекул о полупроницаемую мембрану -Гофф не дал объяснения причины водопритягивающего действия растворенных молекул. Поэтому молекулярно-кинетический механизм этого действия остался невыясненным и, по существу, совершенно необъясним, если основываться на его молекулярно-кинетических представлениях.

Кроме того, с позиции представлений -Гоффа о природе осмотического давления невозможно объяснить приведенные Л. Мейером данные о зависимости осмоса от вида полупроницаемой перегородки, что видно из следующего эксперимента. Если водный раствор спирта отделяется животной водопроницаемой мембраной от чистой воды, то вода проникает через эту мембрану и производит повышенное осмотическое давление. Если же спиртовый раствор отделить каучуковой мембраной, то повышение давления произойдет от проникновения спирта в сторону чистой воды, т. е. в сторону, противоположную, чем в первом случае. Эти факты экспериментально были подтверждены в 1895 г. опытами Ф. Рауля, который показал, что осмос между двумя жидкостями может не только различаться силой, но и в зависимости от типа мембраны может изменять направление, а также что осмотическое давление через мембрану не зависит от молекулярного веса вещества и от того, является и вещество растворенным веществом или растворителем (Добротин и др., 1977).

ейер (см. Вант-Гофф, 1984; Добротин и др., 1977) считал, что осмотическое давление представляет собой давление не растворенного вещества, а давление растворителя (т. е. того вещества, которое пропускается мембраной). Однако и этот вариант объяснения им не раскрыт на основе молекулярно-кинетической теории.

Подобная трактовка осмоса с попыткой молекулярно-кинетического объяснения дается в ряде современных учебников химии (Герасимов и др., 1973; Некрасов, 1981): сам растворитель активно переходит через мембрану из части сосуда с меньшей концентрацией растворенного вещества туда, где его концентрация выше. Это обосновывается тем, что, поскольку молекул растворителя больше в первой части сосуда, за единицу времени больше молекул растворителя будет переходить сквозь полупроницаемую мембрану из этой части, чем обратно, где его концентрация меньше. Однако это мнение ошибочно, поскольку переход каждой молекулы сразу же повышает общее гидростатическое давление раствора, которое будет стремиться выдавить молекулу воды обратно. Сколько молекул перейдет через мембрану диффузионным путем, столько же будет выдавлено обратно гидравлическим способом, и никакого общего давления на мембрану в этом случае оказано не будет. Если в сосуде, разделенном решетом, с одной стороны направить на решето в растворе струю воды, то вода, проходя сквозь него, не создает на него с обратной стороны никакого давления, так как вода проникает назад через отверстия решета.

Кроме того, при этом варианте остается неясным, почему осмос идет при наличии только ультратонких пор в полупроницаемой перегородке и никак не проявляется через перегородки с широкими порами. Не дает убедительного объяснения и предположение, что сквозь ультратонкие поры возможна диффузия молекул, а гидравлическое инфильтрационное течение назад невозможно. Этому предположению противоречат вся теория и практика исследования так называемого обратного осмоса и ультрафильтрации, когда производят отделение растворенных компонентов от растворителя путем гидравлического продавливания раствора сквозь ультратонкие поры мембран (Дытнерский, 1978).