文石和方解石在土壤和沉積物中廣泛分布，是自然界中常見(jiàn)的兩種無(wú)水碳酸鈣礦物。它們化學(xué)成分雖然相同，但晶體結(jié)構(gòu)卻有較大差異，因而造成表面結(jié)構(gòu)與表面活性位點(diǎn)的不同，進(jìn)而影響其表/界面反應(yīng)性。探明文石和方解石的表面構(gòu)-效關(guān)系及其差異性是厘清碳酸鹽礦物所參與生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制的重要前提。
以往針對(duì)文石與方解石表/界面反應(yīng)性的對(duì)比研究多以礦物粉末為研究對(duì)象。礦物粉末表面是由在機(jī)械外力作用下產(chǎn)生的多種斷面組成，而每種斷面上的表面活性位必定不同。粉末實(shí)驗(yàn)結(jié)果中呈現(xiàn)出的宏觀反應(yīng)現(xiàn)象可能是不同表面活性位的統(tǒng)計(jì)平均，難以深入理解碳酸鈣礦物表面結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)性的控制本質(zhì)。以具特定表面結(jié)構(gòu)的礦物晶面為研究對(duì)象，有助于厘清不同表面位點(diǎn)在具體表/界面反應(yīng)中的活性。
近期，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所礦物表界面物理化學(xué)學(xué)科組唐紅梅博士（廣州地化所畢業(yè)博士生，現(xiàn)為江西省科學(xué)院能源研究所助理研究員）、研究員朱建喜和助理研究員鮮海洋等采用原位原子力顯微鏡（AFM）方法，從文石(110)和方解石(10.4)晶面的生長(zhǎng)—溶解對(duì)比出發(fā)，探討了兩組晶面分別在Mg2+和丁二酸溶液中的表/界面反應(yīng)性差異。
形成于文石(110)和方解石(10.4)晶面的碳酸鈣的結(jié)晶路徑差異
文石(110)晶面和方解石(10.4)晶面在不同濃度丁二酸溶液中溶蝕坑的形貌演化
在Mg2+體系中，方解石與文石晶面的生長(zhǎng)特征對(duì)比結(jié)果表明：文石(110)表面上的納米顆粒通過(guò)沿[001]方向定向聚集形成棒狀文石，而方解石(10.4)表面生成光滑的層狀方解石。Mg2+分別通過(guò)阻礙顆粒前驅(qū)體脫水和臺(tái)階擴(kuò)展來(lái)抑制文石(110)面上的文石和方解石(10.4)面上的方解石生長(zhǎng)，但Mg2+并不改變碳酸鈣在這兩種基底上的結(jié)晶路徑。
在丁二酸體系中，方解石與文石晶面的溶解特征對(duì)比結(jié)果表明：隨溶質(zhì)濃度增加，文石(110)晶面溶蝕坑的形貌轉(zhuǎn)變過(guò)程為4邊→6邊→5邊，而方解石(10.4)晶面溶蝕坑的形貌轉(zhuǎn)變過(guò)程為4邊→4邊→6邊，表明在相同條件下，文石(110)比方解石(10.4)晶面對(duì)丁二酸更敏感。
在同一丁二酸溶液中，文石(110)晶面溶蝕坑的臺(tái)階擴(kuò)展速率比方解石(10.4)晶面溶蝕坑的擴(kuò)展速率低1—2個(gè)數(shù)量級(jí)，這可能與文石晶體中的有機(jī)質(zhì)和雜質(zhì)離子相關(guān)，故而推測(cè)以往研究可能高估了與文石溶解相關(guān)的地球化學(xué)循環(huán)速率。盡管丁二酸可通過(guò)與Ca的強(qiáng)烈絡(luò)合作用促進(jìn)文石(110)和方解石(10.4)晶面溶蝕坑的擴(kuò)展速率，但兩者體系中的作用機(jī)理不同，海水中的丁二酸主要通過(guò)改變?nèi)芤旱娘柡蜖顟B(tài)促進(jìn)方解石溶解，而文石溶解速率的提升卻主要受表面反應(yīng)控制，表明文石在類似海水環(huán)境中的溶解過(guò)程可能受含羧基的酸性生物分子的普遍影響。
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