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1、矿物质如何与水发生反应 水溶液与矿物表面的互动是自然界最重要的化学反应之一，这些反应在溶 解、沉淀和吸附过程中扮演主要角色，影响自然界水的组成和质量、土壤形成、 大气中二氧化碳的减少、植物营养的摄取与释放、重金属污染物的流动性以及 全球化学元素的循环。它们可能在水的封存和地球早期生命分子起源的形成中 起作用。土壤表面与水溶液的界面反应在金属、金属氧化物的制备和性能，金 属腐蚀与钝化，半导体表面的清洁，化学传感和水处理上同样很重要。 另外在水和大气气体、自然界矿物的表面上经常存在着一层很薄的沉淀物， 比如：铁或锰的氧化物，有机物质和微生物（见图） 。这种复杂程度在原子尺度 的条件下很难进行反应。
2、尽管如此，由于最近在原位表面实验的方法的发展， 像如扫描探针显微镜（STM） （1） ，X 射线光谱仪（1）和散射（6）方法，这些 方法使用从同步辐射源中的极为强烈的光线，因此那些复杂程度正在迅速发生。 此外，计算机研究正在提供关于固体水溶液界面反应与结构的模型，这些模型 与实验结果一致。 相对简单的矿物质表面，像氧化镁或者三氧化二铝适合 X 射线光谱和散射 研究和高层次的理论模拟。同步基于光电子研究已经表明当水汽第一次与干净 的氧化镁或三氧化二铝发生反应时，水分子解离和反应在很低的蒸汽压力下浓 度很低。超过临界值的压力，water reacts with terrace sites，导致广泛
3、的表面氢 基。最近的理论模拟（7-9）与本解释相一致。 这些模拟得到的表面结构与基于同步加速器的晶体截断棒衍射而最近确定 的水合 三氧化二铝表面结构相一致。迄今为止，许多研究表面和胶体的化学 家和地理化学家假设含水的矿物表面主要指绝缘的材料像三氧化二铝，不 能被 STM 研究被适当的描叙为散装晶体结构的终端。Eng et al.表明在含水 的三氧化二铝表面的上部原子层整体上更活跃，相对于大多数结构和干净的表 面以及由氧终止而不是铝的含水表层。 这个观察帮助解释了干净和含水三氧化二铝表层之间相互反应的不同。在 干净表面的铝的表面是很强的 Lewis 酸。经过羟化后，所有表面的遗迹使 Lewis
4、与水的相互反应减弱，但是加强了 Lewis 与金属的反应。这种变化也可 能有助于解释朝着增强的水和氧化铝表面的湿润性金属像铜，这可能会改变支 持铜催化剂的氧化铝的活性。 其他水合金属结构的表面，包括方解石、重晶石、钾长石表面，已经被最 近高分辨率 X 射线同步辐射 X 射线源的反射率测量所确定。比如，Fenter et al 表明在质子化程度以外，方解石表面结构不随广泛的 PH 值范围，这与基于表 面络合模型的方解石表面物种的早期结论相矛盾。 下一个增加实验复杂性的是应对矿物表面含有低浓度的离子电解液像，和，它们是重要的土壤和地下水污染物，可以通过光谱方法研究反应产物。在这里，基于同步 加速器
5、的 X 射线吸收精细结构的光谱特别有用因为它是特定元素，并能确定在 原位固体水界面反应产物的分子尺度的形态，即使在低浓度（百万分之一） ，在 土壤中也有典型的重金属污染物。这些研究对反应产物的结构和化学成分提供 了精确的描述。在现实的实践中，他们还提供了关于氧化还原敏感的污染物物 种的改造的独特的结构和动力学信息，像在矿物表面减少的硒元素。地表降水 对封存在土壤中的重金属污染是一个重要进程的发现对污染物转移模式显得尤为重要。 比金属表面更难以捉摸的是延伸到水溶液表面的地区毗邻。这个界面区域 经常被定性的描述为家庭的双电层理论。EDL 模型描述了固体表面的电荷，远 离表面电荷的衰减，作为一种 P
6、H 值和离子浓度的功能，描述了在紧凑层和分 散层阳离子和阴离子的集中和分散被作为表层电荷的中和作用。各种各样的 EDL 理论被广泛的应用于吸附或者表面络合和胶体行为的预测模型中。 最近，同步辐射 X 射线驻波测量第一次提供了 EDL 在金红石水溶液界面的 直接查看。这个研究表明在金红石水系统中 EDL 理论一般是正确的。另外，同 步辐射 X 射线反射测定在白云母水界面第一次提供了水结构的纳米尺度的查看， 水在界面区域里被控制和已经密度振荡。 自然金属表面经常被包裹着微生物生物膜。在最近的研究中，Templeton et al.声明通过 XSW 同步加速器和反射测定的复杂添加去定位浑身散发着 B
7、erkholderia cepacia 生物膜和多糖的三氧化二铝和三氧化二铁单晶体表面界面 区域的铅离子。生物膜预期可以阻断活性表面位，使表面活性降低和增加细菌 表面或者多糖铅离子的粘接。然而，由于低浓度的铅离子，导致金属表面更容 易被发现粘接了铅离子。只有在铅离子浓度高的情况下，表面活性位达到饱和， 才更容易粘接生物膜。 在亚纳米尺度上去探测复杂的矿产水溶液界面上的能力导致了水怎样与金 属表面反应，重金属离子和有机污染物吸附以及从金属表面脱附，金属表面溶 解和集聚的机制以及还包括被有机物和生物膜包裹在内的 EDL 在矿产水界面的 结构和组成的详细见解。 在这样的接口下，水的结构跟属性还不能完全确定。有实验证据表明，固 体界面附近水的介电常数幅度低于散水在室温的情况下。这样影响到水分子重 新调整的性能，还可能影响到该接口附近的化学反应。 界面水准确的结构和属性知识对于水和岩石的溶质物种、沉积物、土壤、 建筑材料和在微孔纳米尺度自然有机物的相互作用的建模方面是至关重要的， 在界面上，水的结构和属性很有可能被表面强烈的影响。 同样，对矿物表面的缺陷位置与水溶液的接触性质，包括其溶解、吸附反 应和矿物表面微生物有机体反应机制作进一步调查也就水到渠成。
