Минералы водорода

11.01.2017

Водород стоит на втором месте (вслед за кислородом) по числу содержащих его в качестве минералообразующего элемента минералов верхней части Земли — на 1990 г. их было более 1800, в том числе 550 силикатов, 288 гидрофосфатов, 211 гидросульфатов, 213 гидроарсенатов, 189 гидроксидов, 87 гидрокарбонатов, 81 гидроборат и борат, 48 гидрохлоридов, 28 органических минералов, 26 оксидов, 14 теллуритов, 11 гидрофторидов, 10 арсенатов, 8 молибдатов, по 7 селенатов и нитратов, 5 сульфатов, 4 хромата, по 3 фосфата и йодата, по 2 оксихлорида, фторида и сульфида, 1 сульфат, хлорид, и нитрид. Огромная и многообразная роль водорода в минералогии подчеркивается тем, что примерно половина известных природных неорганических соединений и все органические содержат его в качестве необходимого элемента. Самым же главным минералом водорода, по В.И. Вернадскому, является Н2О. Огромна также роль природных органических соединений. Некоторые исследователи считают, что в верхней мантии широко распространены гидриды различных металлов, которые, по мнению В.Н. Ларина, не устойчивы в условиях низких давлений и температур, а в определенных условиях глубоководных океанических бассейнов и материковых зон образуются твердые газогидратные скопления.
В минералах водород (Н2О) находится в свободном и связанном состоянии, входя в состав многих гидратированных минералов (гидросиликаты, кремнезем гидратированный и т. д.) в виде (ОН)-, реже H+. Кристаллохимические функции Н2О и ОН подробно изучены, тогда как роль H+ — протона начала познаваться недавно. Ю.А. Пятенко рассматривает H+ как один из катионов, который обладает уникально малым размером и координационными числами (1, 2). Показано, что H+ определяет возможность существования ультраагпаитовых соединений (уссингит, литосит и др.), замещая K+ и Na+. Протон проявляет подвижность в кристаллических постройках. Осцилляция его известна для льда и предполагается Ю.А. Пятенко для других минералов, в которых он выступает в роли компенсатора валентности и стабилизатора структуры при изоморфизме.
Кроме «формульного» в минералах установлен газообразный водород. По данным М.М. Элинсон и В.Д. Сазонова, среди газов, обнаруженных в минералах, высокие его относительные концентрации (в % от суммы компонентов газа) выявлены в кварце (~43), гранате (23), меньшие — в сфалерите (~5—12), галените (~12), барите (7), кальците (4).
Вода является самым распространенным и весьма подвижным минералом, ее свойства и состав взаимосвязаны и сильно изменчивы в зависимости от конкретных геологических и физико-химических условий. Природная вода представляет собой наиболее сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят различные минеральные вещества, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные взвешенные частицы, в том числе микроорганизмы. Вода, как отмечалось, обладает аномальными физическими свойствами: плавление льда (при атмосферном давлении) сопровождается уменьшением объема на 9%, при этом почти вдвое возрастает теплоемкость Cр, которая затем в интервале 0—100 °C почти не зависит от температуры, вязкость воды с ростом давления падает. Благодаря высоким значениям Cp, ΔНпл, ΔНисп вода является регулятором климата и стабилизирует температуру на поверхности Земли.
По изотопному составу выделяется девять разновидностей Н2О (на 1Hв16O приходится 99,73%); по величине минерализации (солености S, г/л) различаются четыре типа: пресные 0,5 _1, солоноватые 1—10, соленые 10—50, рассолы 50→150. Соленость воды (г/л, %) коррелируется с показателем хлорности — по формуле М. Кнудсена S=0,03+1,8050С1. Анионный состав вод океана в среднем таков (мг/л): Cl- 19 353, SO4в2- 2700, HCO3- 143, CO3в2- 70, Br- 66, F- 1, Н3Вr3 26; для других водоемов — морей (Черное, Каспийское), озер (Байкал, Онежское, Женевское, Мичиган) и рек (СНГ и другие страны, 15 объектов) он следующий:
Минералы водорода

Соотношение главных анионов и катионов положено в основу гидрохимических классификаций вод. Наиболее полная геохимическая систематика природных вод разработана Л.С. Балашовым (табл. 10). Различаются воды чистого (А) и смешанного (Б) профиля. По анионному составу выделены типы, по катионному — подтипы, по соотношению катионов — классы вод. Общее представление о генеральном среднем содержании химических элементов в составе поверхностных природных вод дает табл. 11, по С. Тейлор и А.П. Виноградову, а подземных — табл. 12, по А.И. Перельману и табл. 13, по П. Брюеру, Д. Спенсеру.
Минералы водорода
Минералы водорода
Минералы водорода

Наиболее стабилен состав океанической (морской) воды, а изменчив— подземных материковых вод. Минимальной минерализацией характеризуются атмосферные осадки, не загрязненные техногенными веществами. В целом по главным компонентам океанические (1) и материковые (2) воды отличаются наиболее значительно: 1) Na+ ≥ Mg2 + ≥ Ca2+; Cl- ≥ SO4в2- ≥ НСО3-; 2) Mg2+ ≤ Na+ ≤ Са2+; Cl- ≤ SO4в2- ≤ НСО3.
Минералы водорода

Содержания компонентов в конкретных случаях зависят от генетического и химического типа вод, их класса, t, pH, Eh и других факторов. Наиболее четкая прямая корреляция установлена для содержания главных компонентов и солености вод, что видно, по данным Дж. Рейли, Г. Скирроу, из табл. 14. Во многих подземных природных водах содержатся высокие концентрации токсичных металлов. Например, по С.В. Крайнову, В.М. Швец, в углекислых подземных водах содержания некоторых элементов достигают (мг/л): Li 320; Rb 100; Cs 20; В 1200; As 120; Sb 20; Ge 0,2; Hg 0,2; F 1000; в рассолах глубоких структур: Fe24 1475; Fe3+ 25; Al 0,05; Mn 800; Cu 8,3; Zn 20; Pb 9; Cd 1; Tl 0,9; Co 0,2; F 15; в кислых водах сульфидных месторождений: Fe2+ 12923; Fe3+ 3984; Al 1092; Mn 24; Cu 1920; Zn 0,3; Pb 0,1; Co 0,08; F 1,4; в щелочных водах глубоких горизонтов Ловозерского массива редкометальных нефелиновых сиенитов: Al 1000; Cu 0,93; Zn 0,55; Ti 1,5; Nb 0,40; Y 0,03; Yb 0,003; La 0,45; Ce 0,42; Cl 75; F 12 500; SiO2 13 000; Na + К 24 260.
Минералы водорода
Минералы водорода

Важнейшей особенностью воды является высокая способность к химическому взаимодействию с некоторыми газами (CO2, H2S), что определяет их высокую растворимость, которая пропорциональна парциальному давлению этих газов в газовой фазе. Газы, относимые к не взаимодействующим с H2O (O2, N2, Ne, CH4 и др.), имеют меньшую растворимость. Во всех случаях растворимость газов в воде снижается по мере повышения температуры:
Минералы водорода