Химия и экология Земли

Химия Земли

Начало широких исследований космического пространства ускорило развитие всех

наук, в том числе и химии. Перед химиками стоят очень большие задачи –

получение новых видов топлив, новых металлов и новых пластиков, которые

удовлетворяли бы новым требованиям; предвидение химических свойств окружающей

атмосферы, в которую попадут первые космонавты; обеспечение безопасности

космонавтов в таких условиях, которые не могут существовать на нашей планете;

изучение вопросов, касающихся происхождение Земли, солнечной системы и жизни.

В наши дни химики занимаются множеством земных проблем. Тайны нашей планеты

отступают перед фантастическими успехами в покорении природы и подчинении её

интересам человека. Так, неожиданно возникла проблема загрязнения воздуха над

городами, которая лет тридцать назад полностью отсутствовала. Потребление

энергии растёт так быстро, что некоторые учёные говорят о возможной нехватке

природного топлива и настаивают на быстрейшем использовании ядерной энергии и

более полном использовании солнечной энергии.

В настоящее время мы располагаем большими возможностями значительно полнее

изучить нашу планету Земля. И недалеко то время, когда мы сможем начать

исследование ближайших к нам планет, а затем и звёзд.

Земля–источник всех веществ, которые мы повседневно используем в своей

деятельности. Энергия доходит до нас извне - от Солнца и в меньшей степени от

других звёзд. Земля, в свою очередь, излучает энергию в космическое

пространство. Если количество излучаемой энергии будет больше приобретаемой

энергии, то Земля начнёт охлаждаться, если же меньше, то Земля будет

нагреваться. Часть солнечной энергии накапливается в виде химической энергии

при образовании новых веществ, особенно органических соединений. В течение

относительно коротких периодов времени (измеряемых геологическими эпохами)

мы можем использовать энергию, накопленную в природных топливах, например

каменном угле и нефти, или ядерную энергию. Существование Земли целиком

зависит от Солнца – нашего основного источника энергии.

Все вещества, которые мы используем, происходят главным образом из Земли. На

Землю, которая вращается в космическом пространстве вокруг Солнца, попадают

вещества метеоритов и космическая пыль, но их количества незначительны по

сравнению с количествами веществ, которые содержатся в Земле. Мы рассмотрим

вещества Земли и то, как использует их человек.

Обсуждение химии Земли удобно разделить на три части, каждая из которых

соответствует одной из фаз – твёрдой, жидкой или газообразной.

Литосфера - это твёрдая часть Земли. Этот термин охватывает также и

центральное ядро, хотя окончательно не выяснено, какое оно – твёрдое или

жидкое. Литосфера представляет собой «шар» из твёрдого вещества радиусом около

6400км. Мы имеем прямой доступ только к небольшой части этого огромного

шара. Самые глубокие шахты имеют глубину 3-5 км; глубина нефтяных скважин

достигает 5-8 км. Относительно тонкая оболочка, которую мы можем

непосредственно изучить, называется земной корой. На основании

сейсмических исследований толщину земной коры считают равной приблизительно

32 км. Остальную часть мы называем внутренней литосферой, которая

включает также и центральную часть, называемую ядром.

Около 80% земной поверхности водным раствором. Этот жидкий слой – океаны

– называется гидросферой. Средняя глубина гидросферы равна

примерно 5 км, но « глубины» или «бездны» океанов превышают эту среднюю

величину более чем в 2 раза.

Землю окружает третья фаза, газообразная. Смесь газов, находящаяся вокруг

Земли, называется атмосферой. Более 98% этого газа (воздуха)

находится на расстоянии меньше 64 км от поверхности Земли.

Состав земной атмосферы неодинаков в разные дни и, кроме того, изменяется в

зависимости от высоты и места на земном шаре. Больше всего в атмосфере

изменяется содержание паров воды. Вода постоянно испаряется с поверхности

гидросферы, из почвы, листьев, при сушке белья и т. д. Через какие- то

промежутки времени отдельные зоны атмосферы охлаждаются до точки росы или

точки замерзания, и тогда избыток паров воды осаждается в виде дождя или

снега.

Поскольку концентрация паров воды в атмосфере весьма различна, геохимики

обычно сообщают состав «сухого воздуха», т. е. воздуха, из которого пары воды

полностью удалены. Состав образца сухого воздуха приведен в таблице 1.

Обратите внимание на низкую концентрацию водорода и гелия в воздухе. Земля -

относительно небольшая планета во вселенной и, следовательно, довольно слабо

притягивает окружающие её газы. Поэтому большая часть водорода и гелия,

первоначально связанных с веществом Земли, довольно легко удаляется от неё.

Следует отметить также, что содержание азота в воздухе выше, чем содержание

кислорода, хотя в гидросфере и литосфере кислорода гораздо больше.

Большинство составных частей атмосферы (за исключением воды и двуокиси

углерода) представляют собой элементы.

Используя газовые законы, можно вычислить относительные концентрации

компонентов сухого воздуха. Предположим, что в какой-то день атмосферное

давление равно 750 мм рт. ст. и что после высушивания образца такого воздуха

давление становится равным 738 мм рт. ст. В этом случае парциальное давление

паров воды равно 750 мм рт. ст. - 738 мм рт. ст.= 12 мм рт. ст. Парциальное

давление изменяется прямо пропорционально числу молекул, поэтому мы находим,

что доля молекул воды в этом образце воздуха равна 12 мм рт. ст./750 мм рт.

ст.= 0.016. В этом довольно влажном воздухе 1.6% всех молекул составляют

молекулы воды.

На более тяжелые молекулы действует большая сила притяжения, чем на легкие

молекулы. Следовательно, наблюдается тенденция к седиментации, т. е.

осаждению, молекул с высоким молекулярным весом по отношению к молекулам газа

с низким молекулярным весом. Такая тенденция противоположна склонности к

максимальной неупорядоченности, вследствие которой атмосферные газы хорошо

перемешиваются. В результате наблюдается незначительное изменение состава

воздуха с высотой. Сухой воздух на уровне моря содержит около 78% молекул

азота 21% молекул кислорода, но на высоте 20 км образец сухого воздуха

содержит 80% молекул азота и только 19% молекул кислорода.

Помимо влияния сил притяжения, состав воздуха изменяется из-за химических

реакций, инициируемых светом. Эти реакции вызываются поглощением

ультрафиолетового излучения в верхних слоях атмосферы. Например, кислород,

поглощая ультрафиолетовое излучение, приобретает энергию, превышающую энергию

связи. При этом происходит разрыв связи и образуются два атома кислорода:

O2(r) + hv = 2O(r) (1)

Образующиеся атомы кислорода очень реакционноспосбны. Эти атомы могут

присоединяться к другой молекуле кислорода О2, образуя молекулу озона О3:

O(r) + O2 (r) = O3(r) (2)

Озон - очень реакционноспособная форма кислорода, хотя и не в такой степени,

как атомы кислорода. В атмосфере он образуется только на больших высотах, так

как ультрафиолетовое излучение той частоты, которая необходима для реакции

(1), настолько полно в верхних слоях, что до нижних слоёв. Исследования

показали, что концентрация озона на уровне моря незначительна и что она

достигает максимума на высоте 24 км.

Эти небольшие количества озона, находящегося на высоте 24 км над поверхностью

Земли, поглощает ультрафиолетовое излучение почти всех частот, которое не

поглощается кислородом О2. Таким образом, О2 и О3 делают атмосферу

непрозрачной для большей части ультрафиолетовой области спектра. Вполне

вероятно, что химия жизни на нашей планете развивалась совершенно иначе, если

бы это ультрафиолетовое излучение достигало поверхности Земли. Если бы

атмосфера была «прозрачной», для фотосинтеза были бы более доступны фотоны

гораздо более высокой энергии.

Для волн, соответствующих противоположному, инфракрасному концу спектра,

атмосфера также по существу непрозрачна. Это объясняется главным образом

поглощением инфракрасного излучения парами воды и газообразной двуокисью

углерода. Таким образом, мы видим, что воздух, который обычно считают

прозрачным, фильтрует солнечные лучи, попадающие на Землю. Фотоны очень

высокой энергии (в ультрафиолетовой области) и очень низкой энергии (в

инфракрасной области) задерживаются, а фотоны средней энергии (промежуточная

область спектра) пропускаются.

Вода, которая соприкасается с воздухом, растворяет часть воздуха. Кислород

растворяется в воде гораздо лучше, чем азот, но, поскольку азота в воздухе в

4 раза больше, чем кислорода, количество растворённого азота в воде превышает

количество растворённого кислорода. Элементарный кислород, растворённый в

воде, используется живущими в воде организмами для процессов окисления.

Концентрация растворённой двуокиси углерода низкая, так как содержание её в

воздухе невелико. Но то количество двуокиси углерода, которое растворено в

воде, необходимо для фотосинтеза, происходящего в морских растениях.

Растворённая двуокись углерода придаёт воде приятный вкус. Кипячённая вода

теряет почти всё количество растворённого в ней газа, поэтому она безвкусна.

Океанская вода также содержит растворённые молекулы газов из воздуха. Эти

газы можно удалить кипячением, но другие растворённые вещества при этом

остаются. Если перегнать 1кг океанской воды, то при этом будет собрано в

среднем 967г воды, а в перегонной колбе останется 33г твердого вещества (в

основном солей). Таким образом, мы можем сказать, что 3,3 вес % океанской

воды составляют растворенные соли. В океанской воде обнаружено более 40

элементов, но половина из них присутствует в очень малой концентрации –

меньше 1г на 1 млн. кг воды.

В таблице 2 приведены примеры концентрации (число молей на 1кг океанской

воды) воды и ионов, присутствующих в наибольших количествах.

Таблица 2: Средний состав океанской воды.

Из таблицы становится ясным, что в океанской воде ионов натрия меньше, чем

ионов хлора; в ней присутствуют и другие положительные ионы – ионы магния,

кальция и калия. В океанской воде имеются также и отрицательно заряженные

ионы – сульфат-ионы и бром-ионы. Следовательно, океанская вода – это не

просто раствор хлористого натрия. Кроме того, ионов калия в океанской воде

гораздо меньше, чем ионов натрия (Na/K=46),хотя в земной коре ионов калия

содержится довольно много (Na/K=2).

Внешние слои литосферы доступны для непосредственного исследования, поэтому

наши знания об этой части земной коры достаточно обширны. О внутренних слоях

литосферы нам почти ничего не известно, хотя на их долю приходится почти

99,5% всей массы Земли.

Внутренние слои литосферы. Внутренние слои литосферы можно изучать только

с помощью сейсмических исследований. Ударные волны, вызванные землетрясением,

распространяются в толще Земли со скоростью, зависящей от упругих свойств и

плотности пород, которые встречаются на пути. Зная это сейсмологи могут

определить наличие в литосфере зон с различными свойствами. Внешний слой, или

мантия Земли, простирается на глубину больше 3000км и, как принято обычно

считать, находится в твердом состоянии. Плотность этого твердого вещества

составляет около 3 г/см вблизи поверхности и увеличивается примерно до 5 г/см

в нижних слоях мантии. Это увеличение плотности обусловлено ростом давления в

глубине Земли. Давление на глубине больше 3000км составляет около 1 млн. атм,

т.е. в 2-3 раза превышает максимальные давления, достигаемые в статических

лабораторных опытах.

Внутренняя часть литосферы называется ядром. Давления в ней должны быть еще

более высокими, а плотность вещества вблизи центра Земли может достигать 18

г/см. Возможно, земное ядро частично находится в жидком состоянии, но это еще

не доказано.

Мантия Земли состоит, по-видимому, из различных силикатов. Плотность,

сжимаемость и твердость образующего мантию вещества, полученные в результате

сейсмических исследований, совпадают с соответствующими значениями силикатов.

Долгое время считалось, что ядро Земли состоит преимущественно из железа, что

подтверждалось составом метеоритов. Метеориты – это твердые тела, падающие на

Землю через атмосферу из космоса. Вполне возможно, что они являются обломками

планет, напоминающих Землю. Поэтому по составу метеоритов можно будет

определить природу внутренних слоев литосферы. Согласно современным

гипотезам, ядро Земли состоит не из железа, а из горных пород большой

плотности, однако это еще не доказано окончательно.

Предполагается, что температура вблизи центра Земли порядка нескольких тысяч

градусов. При этой температуре на земной поверхности все горные породы

расплавились бы, но, поскольку давление во внутренних слоях Земли очень

велико, весьма вероятно, что ядро Земли находится в твердом состоянии.

Земная кора. Наиболее распространенные в земной коре элементы – кислород

и кремний. Таблица 3 показывает, что на долю кислорода приходится почти 60%, а

на долю кремния – 20% всех атомов, входящих в состав земной коры.

Таблица 3: Распространенность элементов в земной коре.

В океанской воде третье место по распространенности (перед алюминием) занимает

водород. По содержанию элементов в ядре Земли на втором месте находится

железо, на третьем – кремний, а на четвертом –магний. В различных частях Земли

существует свой порядок расположения элементов по распространенности. Однако

наиболее распространенными оказываются элементы с низкими порядковыми номерами 26 и ниже. На долю всех остальных элементов (после железа) приходится

меньше 0,2 вес. % земной коры.

В повседневной жизни нас чаще интересует доступность элементов, а не их

распространенность в земной коре. Воздух постоянно окружает нас повсюду и

одинаково доступен для всех. Снабжение водой имеет большие ограничения. В

одних районах Земли вода имеется в избытке, другие районы страдают от ее

недостатка. Даже в районах с обильными осадками расход воды может возрасти

настолько, что её запасы будут постепенно истощаться. По мере роста населения

земного шара потребление воды все больше увеличивается, и природные ресурсы

воды нужно расходовать умело.

Запасы многих металлов, известных еще с древних времен, - меди, серебра,

золота, олова и свинца – довольно ограниченны. Раньше люди добывали медь,

серебро и золото в самородном состоянии. А эти три металла можно путем

несложных химических операций извлекать также из их руд. С другой стороны,

алюминий и титан, хотя они являются распространенными элементами, значительно

труднее получить из их руд. Фтор распространен в природе больше, чем хлор, но

хлор и его соединения гораздо более обычны – их легче получать и

использовать. Однако по мере истощения наиболее богатых источников элементов,

широко используемых в настоящее время все большее внимание будут привлекать

те элементы, которые пока не находят широкого применения. .

В геологические эпохи в результате процессов плавления, кристаллизации,

растворения и осаждения различные элементы были сконцентрированы в отдельных

месторождениях, где из них образовались устойчивые соединении. Эти соединения

называются минералами. Многие минералы по составу соответствуют соединениям,

полученным в лабораториях, но большинство из них не отличается особой чистотой.

Так, большие залежи поваренной соли (хлористого натрия) образовались в тех

случаях на месте бывших морей, когда отложения солей были защищены от

размывающего действия воды. Мировой океан является неисчерпаемым источником

хлористого натрия. Залежи калиевых солей образовалась совсем другим путём.

Многие металлы встречаются в природе в виде сульфидов (PbS, MoS2 ZnS), другие

металлы- в виде окислов (Fe2 O3 , MnO2 ). Известны крупные месторождения

карбонатов (ZnCO3, CaCO3) и сульфатов (BaSO4) некоторых металлов. Минералы,

которые присутствуют в таких высоких концентрациях, что можно вести их

промышленную разработку, называют рудами.

Воздух для нас только доступен, что мы не считаем кислород одним из важнейших

химикалий. Например, мы используем природный газ (главным образом метан) в

качестве топлива, сжигая его на воздухе. Если бы метан в воздухе в большом

количестве, а кислород встречался бы так редко, что приходилось бы специально

добывать, то кислород, считался бы «топливом». В обоих случаях количество

выделяющегося тепла определяется уравнением

CH4 (r) + 202 (r) – CO2 (r) + 2H2O (r) + 213 ккал (3)

Несмотря на общедоступность неограниченных количеств кислорода воздуха,

огромные количества чистого кислорода получают для промышленных и медицинских

целей. Ежегодно получают миллиарды кубометров кислорода, отделяя его

фракционной перегонкой от азота.

Руды, в состав которых входит азот, встречаются сравнительно редко. Наиболее

распространённый минерал - нитрат натрия NaNO3 , крупные залежи которого

находятся в Чили. В настоящее время азотосодержащие соединения мы получаем,

используя для этого азот воздуха. Таким образом, воздух - самый богатый

источник кислорода и азота - двух элементов, имеющих исключительно большое

значение.