矿物稳定性及自然过程进行方向和限度的判断
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发布时间：2023-09-28 03:41
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时间：2024-11-23 20:57
1.矿物稳定性
一种矿物对所处物理化学环境是否处于平衡态决定它是否为稳定,如还原条件下形成的黄铁矿暴露到地表与大气接触不稳定,氧化为褐铁矿;若处于富有机质的土壤中,还原环境使其仍保持稳定。矿物的稳定性都和环境相关,脱离环境的稳定性没有意义。
体系中任何一种矿物的稳定条件都包括一定的范围,称为稳定场。如锡石在表生环境的稳定场大于磁铁矿。地球化学中把稳定范围窄的矿物称为标型矿物或指向矿物。严格地说,矿物稳定性指一组矿物集合体。即使单个矿物在一定条件下稳定,但两种矿物共存就可能变为不稳定,如橄榄石和石英组合在任何条件下都不能稳定共生。形成固溶体的两种矿物混在一起也属于不稳定态,尽管单独存在是稳定的,高温时ZnS-CdS便是一例。热力学上讲的稳定性应指体系的稳定性,即指包括所有组分和强度变量条件在内的体系的平衡性。
体系平衡态是该体系最稳定的状态。体系一旦达到这种最稳定状态就不存在改变状态的趋势了。相对于平衡态的任何非平衡态都是不稳定的,这种不平衡性导致体系自动调整其结构和状态,如自发进行化学反应而趋向新的平衡。在自然界和实验中都观察到一种体系并未达到平衡,但几乎测量不出反应进行的情况,主要原因是反应速率非常缓慢,这种状态称为准稳定态,实质上是一种非平衡态。
按照热力学定义,地质作用形成的产物除形成当时可能达到平衡的稳定态以外,其他条件下都是不稳定的,即破坏了平衡的。随着外界条件变迁,体系将进行各种反应以趋向新的平衡,尤其是当发生突变性地质作用,如火山喷发、岩浆上侵、构造断裂及伴随热液活动以及抬升剥蚀作用等。由于物理化学条件截然变化,引起的化学反应往往是强烈的。
2.自然过程方向和限度的判定
在自然过程中,同样用吉布斯自由能 (G)、焓 (H)和熵 (S)等状态函数来描述体系状态 (赵伦山等,1988)。根据反应中这些状态函数的变化,判断反应进行的方向和产物组合。当反应自发进行时:
地球化学
在给定T、P条件下计算出反应进行的方向便可预测稳定的矿物组合。相反,根据观察到的矿物组合也可以反推体系的平衡条件。下面通过计算说明为什么常压下橄榄石-石英组合不稳定。
例4 常压下橄榄石-石英的化学反应如下:
地球化学
查表求三种矿物的热力学数据如表3-1 所示。
表3-1 矿物热力学数据 (298K,0.1MPa)
计算得
=2×(-1547.75)-(-2170.37)-(-910.7)=-14.43kJ·mol-1
=2×67.9-95.2-41.46=-0.86J·K-1·mol-1]]
=2×81.379-118.49-44.34=-0.072J·K-1·mol-1]]
为常数,不随温度变化,则任意温度下标准自由能改变为
地球化学
代入已知值,经计算整理后得到下式
地球化学
在橄榄石和石英可能以固相形式存在的温度范围(T<1900K)内,均有
<0,在有地质意义的任何温度下反应 (3-40)恒为正向进行,所以橄榄石-石英组合不稳定。如果在所有温度下
=0,式(3-41)进一步简化为
地球化学
可以看出只有当T>1678K时,才有
>0,低于此温度均为
<0。所以在有地质意义的温度范围内,始终有
<0。
