鉱物-水界面近傍における水の特性変化が物質移動と溶解に及ぼす影響

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近年、数値計算や赤外分光法などによる分析・解析から,固体の表面近傍の水は表面の影響を受けて通常の水とは性質が大きく変化することが指摘されており,「水の構造化」,「氷の近い水」などと呼ばれ盛んに研究されている.本研究では,岩石内部の間隙に存在する水の状態を調べ,鉱物表面で水の性質がどのように変化し,また水の性質の変化が岩石内部での溶解・沈殿反応や物質移動の速度にどのような影響を及ぼしているかを評価することを目的としている.水が構造化する原因の一つとして,鉱物表面に生じる電荷の存在が考えられる.珪酸塩鉱物と水が接触すると,pHが中性付近では鉱物表面には一般に負電荷が発生する.これを電気的に中和するために,水中の陽イオンは表面近傍に集まり陰イオンは表面から遠ざかる.こうしてできる鉱物-水界面近傍のイオン分布は電気二重層と呼ばれている.多孔質な流紋岩の間隙水中の電気二重層の性質を調べるために,流紋岩を水溶液(Li^+,I^-=50μMを含む)中に浸して間隙を水で飽和させ,遠心分離により遠心力を段階的に上げながら間隙水を取り出して溶存イオン濃度の変化を調べた.その結果,I^-,Siの濃度は遠心力が上がるに連れて減少し,Na^+,Ca^<2+>,Li^+の濃度は逆に増加した.より高い遠心力で取り出される水は,より細い間隙にある水,もしくはより間隙表面に近い位置にある水と考えられる.すなわち,遠心力が上がるに連れてより表面の影響を強く受けた水が取り出されるため,表面電荷と異符号の陽イオン濃度が増加し,逆に陰イオン濃度は減少したと解釈できる.Siの濃度が高い遠心力で減少するのは,Siが陰イオンとして存在している可能性を示唆している.通常の水中では,Siは電気的に中性なSi(OH)_4として存在すると考えられているので,表面近傍でのSiの陰イオンの存在は,鉱物表面での水の性質の変化と関連している可能性が考えられる.この結果は,現在国際誌に投稿準備中である.