Элементный состав живого вещества и ОВ горючих ископаемых
Горючие ископаемые содержат в своем составе те же элементы, что и вещество живых организмов, поэтому элементы - углерод, водород, кислород, азот, серу и фосфор называют или биогенными, или биофильными, или органогенными .
На долю водорода, углерода, кислорода и азота приходится более 99% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Кроме них в значительных количествах в живых организмах могут концентрироваться еще око
ло 20-22 химических элементов. 12 элементов составляют 99,29 %, остальные 0,71%
Распространенность в космосе: Н, Не, С, N.
До 50% - C, до 20% - O, до 8% - H, 10-15% - N, 2-6% - P, 1% - S, 1% - K, ½% - Mg и Ca, 0,2% - Fe, в следовых количествах – Na, Mn, Cu, Zn.
Строение атома, изотопы, распространение в земной коре водорода, кислорода, серы и азота
ВОДОРОД - главный эл-т космоса, самый распространенный элемент Вселенной. Хим эл-т 1 группы, атомный номер 1, атомная масса 1,0079 . В современных изданиях таблицы Менделеева H располагают также в VII группе над F, так как некоторые св-ва H похожи на свойства галогенов. Известны три изотопа H. Два стабильные - это протий 1 Н – Р (99,985%), дейтерий 2 Н - D (0,015%), и один радиоактивный - тритий 3 Н - Т, Т 1/2 =12,262 лет. Искусственно получен еще один - четвертый крайне неустойчивый изотоп - 4 Н. В разделении Р и D в природных условиях основную роль играет испарение, однако, масса вод мирового океана так велика, что содержание дейтерия в нем изменяется слабо. В тропических странах содержание дейтерия в атмосферных осадках выше, чем в полярной зоне. В свободном состоянии H - бесцветный газ, без вкуса и запаха, самый легкий из всех газов, в 14,4 раза легче воздуха. H становится жидким при -252,6°С, твердым при -259,1°С. H - прекрасный восстановитель. Горит в O несветящимся пламенем, образуя воду. В земной коре H намного меньше, чем в звездах и на Солнце. Его весовой кларк в земной коре 1%. В природных химических соединениях Н образует ионные, ковалентные и водородные связи . Водородные связи играют важную роль в биополимерах (углеводах, спиртах, белках, нуклеиновых кислотах), определяют свойства и строение геополимеров керогена и молекул ГИ. При определенных условиях атом Н способен соединиться одновременно с двумя другими атомами. Как правило, с одним из них он образует прочную ковалентную связь, а с другим - слабую, она и получила название водородной связи .
КИСЛОРОД - Самый распространенный элемент земной коры, составляет в ней по массе 49,13%. O имеет порядковый номер 8, находится во 2 периоде, VI группе, атомная масса 15,9994. Известны три стабильных изотопа O - 16 О (99,759%), 17 О (0,0371%), 18 О (0,2039%). Долгоживущие радиоактивные изотопы O отсутствуют. Искусственный радиоактивный изотоп 15 О (Т 1/2 = 122 секунды). Применяется для геологических реконструкций соотношение изотопов 18 О/ 16 О, которое в природных объектах изменяется на 10% от 1/475 до 1/525. Наиболее низкий изотопный коэффициент имеют полюсные льды, наиболее высокий - СО 2 атмосферы. При сравнении изотопного состава пользуются величиной d 18 О , которое вычисляется по формуле: d 18 О ‰= . За стандарт принято среднее соотношение этих изотопов в океанической воде. Вариации изотопного состава O в гп, воде определяются температурой, при которой протекает процесс образования конкретных минералов. Чем ниже T, тем интенсивнее будет фракционирование изотопов. Полагают, что изотопный состав O океана за последние 500 млн. лет не менялся. Главным фактором, определяющим изотопный сдвиг (вариации изотопного состава в природе), является кинетический эффект, определяемый температурой прохождения реакций. O при обычных условиях газ, невидим, безвкусен, лишен запаха. В реакциях с подавляющим большинством атомов O выступает в роли окислителя . Лишь в реакции с F окислителем является F. O существует в двухаллотропных модификациях . Первая - молекулярный кислород - О 2 Вторая модификация – озон – О 3 , обр под действием электрических разрядов в воздухе и чистом O, в радиоактивных процессах, действием на обычный O ультрафиолетовых лучей. В природе О 3 образуется постоянно под действием УФ лучей в верхних слоях атмосферы. На высоте около 30-50 км существует «озоновый экран», задерживающий основную массу УФ лучей, защищая организмы биосферы от губительного действия этих лучей. При малых концентрациях у О 3 приятный, освежающий запах, но если в воздухе более 1% О 3 , он весьма токсичен.
АЗОТ - концентрируется в биосфере: он преобладает в атмосфере (75,31% по весу, 78,7% по объему), а в земной коре его весовой кларк - 0,045 %. Химический элемент V группы, 2 периода атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Известны три изотопа N - два стабильных 14 N (99,635%) и 15 N (0,365 %) и радиоактивный 13 N , Т 1/2 = 10,08 мин. Общий разброс значений отношений 15 N/ 14 N невелик. Нефти обогащены изотопом 15 N, а сопутствующие природные газы обеднены им. Горючие сланцы также обогащены тяжелым изотопом.N 2 бесцветный газ, без вкуса и запаха.N в отличие от О не поддерживает дыхания, смесь N с О наиболее приемлема для дыхания большинства обитателей нашей планеты. N химически неактивен. Он входит в состав ЖВ всех организмов. Малая химическая активность азота определяется строением его молекулы. Как и у большинства газов, кроме инертных, молекула N состоит из двух атомов. В образовании связи между ними участвуют по 3 валентных электрона внешней оболочки каждого атома, образуется тройная ковалентная химическая связь , которая дает самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. «Формальная» валентность от -3 до +5, «истинная» валентность 3. Образуя прочные ковалентные связи с O,H и C, он входит в состав комплексных ионов: - , - , + , которые дают легко растворимые соли.
СЕРА – эл-т ЗК, в мантии (ультраосновные породы) ее в 5 раз меньше, чем в литосфере. Кларк в ЗК - 0,1%. Хим эл-т VI группы,3 периода, атомный номер 16, атомная масса 32,06. Высоко электроотрицательный эл-т, проявляет неметаллические свойства. В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов. Обр кислоты и соли. Многие серосодерж соли малорастворимы в воде. S может обладать валентностями: (-2), (0), (+4), (+6), из них наиболее характерны первая и последняя. Характерны как ионные, так и ковалентнные связи. Основное значение для природных процессов имеет комплексный ион - 2 S - неметалл, хим активный элемент. Лишь с Au и Pt S не взаимодействует. Из неорг соединений кроме сульфатов, сульфидов и H2SO4 на Земле распространены оксиды SO 2 - газ, сильно загрязняющий атмосферу, и SO 3 (твердое вещество), а также сероводород. Для элементарной S характерно три аллотроп-ные разновидности : S ромбическая (наиболее устойчивая), S моноклинная (циклическая молекула - восьмичленное кольцо S 8) и пластическая S 6 - это линейные цепочки из шести атомов. В природе известны 4 стабильных изотопа S: 32 S (95,02%), 34 S (4,21%), 33 S (0,75%), 36 S (0,02%). Искусственный радиоактивный изотоп 35 S c Т 1/2 = 8,72 дня. За стандарт принята S троилита (FeS) из метеорита Каньона Диабло (32 S/ 34 S= 22,22) Реакции окисления и восстановления могут вызывать изотопный обмен, выражающийся в изотопном сдвиге. В природе - бактериальным путем, но возможен и термический. В природе к настоящему времени произошло четкое разделение S земной коры на 2 группы - биогенных сульфидов и газов, обогащенных легким изотопом 32 S, и сульфатов , входящих в соли океанической воды древних эвапоритов, гипсов, содержащих 34 S. Газы, сопутствующие нефтяным залежам, варьируют по изотопному составу и заметно отличаются от нефтей.
В центре планеты Земля находиться ядро, оно отделено от поверхности слоями коры, магмы, и довольно тонким слоем наполовину газообразного вещества, наполовину жидкого. Этот слой играет роль смазки и позволяет ядру планеты вращаться практически независимо от основной её массы.
Верхний слой ядра состоит из очень плотной оболочки. Возможно, это вещество близко по своим свойствам к металлам, очень прочное и пластичное, возможно обладает магнитными свойствами.
Поверхность ядра планеты - его твёрдая оболочка - очень сильно разогрета до значительных температур, при соприкосновении с ней магма переходит почти в газообразное состояние.
Под твёрдой оболочкой внутреннее вещество ядра находится в состоянии сжатой плазмы, которая в основном состоит из элементарных атомов (водород) и продуктов деления ядер - протоны, электроны, нейтроны и другие элементарные частицы, которые образуются в результате реакций ядерного синтеза и ядерного распада.
Зоны ядерных реакций синтеза и распада.
В ядре планеты Земля идут реакции ядерного синтеза и распада, что вызывает постоянное выделение большого количества тепла и других видов энергий (электромагнитных импульсов, различных излучений), а так же поддерживает внутреннее вещество ядра постоянно в состоянии плазмы.
Зона ядра Земли - реакции ядерного распада.
В самом центре ядра планеты происходят реакции ядерного распада.
Она происходит следующим образом - тяжёлые и сверх тяжёлые элементы (которые образуются в зоне ядерного синтеза), так как обладают большей массой, чем все стальные элементы, как бы тонут в жидкой плазме, и постепенно погружаются в самый центр ядра планеты, где они набирают критическую массу и вступают в реакцию ядерного распада с выделением большого количества энергии и продуктов распада ядер. В этой зоне тяжёлые элементы деяться до состояния элементарных атомов - атома водорода, нейтронов, протонов, электронов и других элементарных частиц.
Эти элементарные атомы и частицы, вследствие выделения большой энергии с большими скоростями, разлетаются от центра ядра к его периферии, где и вступают в реакцию ядерного синтеза.
Зона ядра Земли - реакции ядерного синтеза.
Элементарные атомы водорода и элементарные частицы, которые образуются вследствие реакции ядерного распада в центре ядра Земли, достигают внешней твёрдой оболочки ядра, где в непосредственной близости от неё, в слое, расположенном под твёрдой оболочкой, происходят реакции ядерного синтеза.
Протоны, электроны и элементарные атомы, разогнанные до больших скоростей реакцией ядерного распада в центре ядра планеты, встречаются с различными атомами, которые находятся на периферии. Стоит отметить, что многие элементарные частицы вступают в реакции ядерного синтеза ещё по пути к поверхности ядра.
Постепенно, в зоне ядерного синтеза образуются всё более и более тяжёлые элементы, практически вся таблица Менделеева, некоторые из них имеют наиболее тяжёлую массу.
В этой зоне идёт своеобразное разделение атомов веществ по их весу вследствие свойства самой водородной плазмы, сжатой огромным давлением, которая имеет огромную плотность, вследствие центробежной силы вращения ядра, и вследствие центростремительной силы земного притяжения.
В результате сложения всех этих сил наиболее тяжёлые металлы тонут в плазме ядра и попадают в его центр для дальнейшего поддержания непрерывного процесса ядерного деления в центре ядра, а более лёгкие элементы стремиться или покинуть ядро, или осесть на его внутренней части - твёрдой оболочке ядра.
В результате в магму постепенно попадают атомы всей таблицы Менделеева, которые затем вступают в химические реакции над поверхностью ядра, образуя сложные химические элементы.
Магнитное поле ядра планеты.
Магнитное поле ядра образуется за счёт реакции ядерного распада в центре ядра вследствие того, что элементарные продукты ядерного распада, вылетая из центральной зоны ядра, увлекают за собой потоки плазмы в ядре, образуя мощные вихревые потоки, которые закручиваются вокруг основных силовых линий магнитного поля. Так как эти потоки плазмы содержат элементы с определённым зарядом, то и возникают сильнейший электрический ток, который создаёт своё электромагнитное поле.
Основной вихревой ток (поток плазмы) находиться в зоне термоядерного синтеза ядра, всё внутреннее вещество в этой зоне движется в сторону вращения планеты по кругу (по экватору ядра планеты), создавая мощное электромагнитное поле.
Вращение ядра планеты.
Вращение ядра планеты не совпадает с плоскостью вращения самой планеты, ось вращения ядра находиться между осью вращения планеты и осью, соединяющей магнитные плюса.
Угловая скорость вращения ядра планеты больше угловой скорости ращения самой планеты, и опережает её.
Баланс процессов ядерного распада и синтеза в ядре планеты.
Процессы ядерного синтеза и ядерного распада в планете в принципе уравновешены. Но по нашим наблюдениям это равновесие может нарушаться в ту или иную сторону.
В зоне ядерного синтеза ядра планеты может постепенно накапливаться избыток тяжёлых металлов, которые затем, попадая в центр планеты в большем количестве, чем обычно, могут вызвать усиление реакции ядерного распада, вследствие чего выделиться значительно больше энергии, чем обычно, что отразиться на сейсмической активности в сейсмоопасных районах, а так же вулканической активности на поверхности Земли.
По нашим наблюдениям, время от времени происходит микро разрыв твёрдой белочки ядра Земли, что приводит к попаданию плазмы ядра в магму планеты, и это приводит к резкому увеличению её температуры в этом месте. Над этими местами возможно резкое усиление сейсмической активности и вулканической активности на поверхности планеты.
Возможно, периоды глобального потепления и глобального похолодания связаны с балансом процессов ядерного синтеза и ядерного распада внутри планеты. Смены геологических эпох так же связаны с этими процессами.
В наш исторический период.
По нашим наблюдениям сейчас происходит рост активности ядра планеты, увеличение его температуры, и как следствие - разогрев магмы, которая окружает ядро планеты, а так же увеличение глобальной температуры её атмосферы.
Косвенно это подтверждает ускорение дрейфа магнитных полюсов, которое указывает на то, что процессы внутри ядра изменились и перешли в иную фазу.
Уменьшение напряжённости магнитного поля Земли связано с накоплением в магме планеты веществ, которые экранируют магнитное поле Земли, что, естественно, так же повлияет на изменения режимов ядерных реакций в ядре планеты.
Рассматривая нашу планету и все процессы на ней, мы обычно в своих исследованиях и прогнозах оперируем или понятиями физическими, или энергетическими, но в некоторых случаях проведение связи между той и другой стороной даст лучшее понимание описываемых тем.
В частности в контексте описанных грядущих эволюционных процессов на Земле, а так же периода серьёзных катаклизмов по всей планете было рассмотрено её ядро, процессы в нём и в слое магмы, а так же взаимосвязи с поверхностью, биосферой и атмосферой. Процессы эти были рассмотрены и на уровне физики, и на уровне энергетических взаимосвязей.
Устройств ядра Земли оказалось довольно простым и логичным с точки зрения физики, это в целом замкнутая система с двумя преобладающими термоядерными процессами в разных его частях, которые гармонично взаимодополняют друг друга.
В первую очередь надо сказать, что ядро находится в непрерывном и очень быстром движении, это ращение так же поддерживает процессы в нём.
Самый центр ядра нашей планеты представляет собой предельно тяжёлую и сжатую сложную структуру частиц, которые за счёт центробежной силы, сталкивания этих частиц и постоянного сжатия в определённый момент разделяются на более лёгкие и элементарные отдельные элементы. Это процесс термоядерного распада - в самой середине ядра планеты.
Освобождённые частицы относит на периферию, где продолжается общее быстрое движение в пределах ядра. В этой части частицы больше отстают друг от друга в пространстве, сталкиваясь на больших скоростях они заново образуют более тяжёлые и сложные частицы, которые центробежной силой затягивает обратно в середину ядра. Это процесс термоядерного синтеза - на периферии ядра Земли.
Огромные скорости движения частиц и протекания описанных процессов дают постоянные и колоссальные температуры.
Здесь стоит уточнить некоторые моменты - во-первых движение частиц происходит вокруг оси ращения Земли и по её движению - в том же направлении, это взаимодополняющее вращение - самой планеты всей массой и частиц в её ядре. Во-вторых нужно отметить, что скорость движения частиц в ядре просто огромна, она многократно превышает скорость вращения самой планеты вокруг своей оси.
Для поддержания этой системы на постоянной основе сколь угодно долго - многого не надо, достаточно, что бы на Землю время от времени попадали любые космические тела, постоянно увеличивая собой массу нашей планеты целом и ядра в частности, в то время как часть её массы уходит с тепловой энергией и газами через истончённые участки атмосферы в открытый космос.
В общем же система довольно стабильна, встаёт вопрос - какие же процессы могут привести к серьёзным геологическим, тектоническим, сейсмологическим, климатическим и другим катастрофам на поверхности?
Рассматривая физическую составляющую этих процессов получается следующая картина - время от времени из периферической части ядра в магму с огромной скоростью «выстреливают» некоторые потоки разогнанных частиц, участвующих в термоядерном синтезе, огромный слой магмы, в который они попадают, как бы гасит эти «выстрелы» собой, своей плотностью, вязкость, меньшей температурой - до поверхности планеты они не поднимаются, но зато те участки магмы, на которые приходятся подобные выбросы - резко разогреваются, приходят в движение расширяются, сильнее давят на земную кору, что и приводит к резким движениям геологических плит, разломам земной коры, скачкам температур, не говоря уже о землетрясениях и извержениях вулканов. Так же это может приводить к опусканию материковых плит в океаны и поднятию на поверхность новых континентов и островов.
Причинами таких незначительных выбросов из ядра в магму могут быть чрезмерные температуры и давление в общей системе ядра планеты, но когда речь заходит об эволюционно обусловленных катастрофических событиях повсеместно на планете, о чистке живой осознанной Земли от людской агрессии и мусора, то мы говорим сознательном намеренном акте живого осознанного существа.
С точки зрения энергетики и эзотерики планета даёт намеренные импульсы из центра-осознания-ядра в тело-магму-нижний слой Хранителей, то есть условно Титанам, на проведение к поверхности действий по зачистке территорий. Здесь стоит упомянуть о некоей прослойке между ядром и мантией, просто на уровне физики это слой остывающего вещества, с одной стороны соответствующего характеристикам ядра, с другой - магмы, что позволяет проводить энергоинформационные потоки в обе стороны. С точки зрения энергетики это что-то типа первичного «нервного проводящего поля», выглядит как корона у Солнца во время полного затмения, является связью сознания планеты с первым и самым глубинным и масштабным слоем Хранителей Земли, которые передают импульс дальше - к более мелким и мобильным зональным Хранителям, реализующим эти процессы на поверхности. Правда в период сильнейших катаклизмов, поднятия новых континентов и перекройки нынешних материков, предполагается частичное участие самих Титанов.
Здесь так же стоит отметить ещё одно важное физическое явление, связанное с устройством ядра нашей планеты и процессами, в нём протекающими. Это формирование магнитного поля Земли.
Магнитное поле образуется в результате высокой скорости движения частиц по орбите внутри ядра Земли, и можно сказать, что внешнее магнитное поле Земли является своеобразной голограммой, которая наглядно показывает термоядерные процессы, происходящие внутри ядра планеты.
Чем дальше от центра планеты распространяется магнитное поле, тем оно более разряжено, внутри планеты рядом с ядром оно на порядки сильнее, внутри же самого ядра представляет собой монолитное магнитное поле.
Ответы на вопросы,
выносимых на экзамен по дисциплине «Физико-химические процессы в окружающей среде» для студентов III курса специальности «Экологический менеджмент и аудит в промышленности»
Распространенность атомов в окружающей среде. Кларки элементов.
Кларк элемента – числовая оценка среднего содержания элемента в земной коре, гидросфере, атмосфере, Земле в целом, различных типах горных пород, космических объектах и др. Кларк элемента может быть выражен в единицах массы (%, г/т), либо в атомных %. Введен Ферсманом, назван в честь Франка Унглизорта, американского геохимика.
Количественную распространенность химических элементов в земной коре впервые установил Кларк. В земную кору он включил также гидросферу и атмосферу. Однако масса гидросферы составляет несколько %, а атмосфера – сотые доли % от массы твердой земной коры, поэтому числа Кларка отражают в основном состав твердой земной коры. Так, в 1889 году были рассчитаны кларки для 10 элементов, в 1924 – для 50 элементов.
Современные радиометрические, нейтронно-активационные атомно-адсорбционные и другие методы анализа позволяют с большой точностью и чувствительностью определить содержание химических элементов в горных породах и минералах. Представления о кларках изменились. Н-р: Ge в 1898 году Фокс считал кларк равный п *10 -10 %. Ge был плохо изучен не имел практического значения. В 1924 году для него кларк был рассчитан как п*10 -9 % (Кларк и Г. Вашингтон). Позже Ge был обнаружен в углях, и его кларк возрос до 0,п%. Ge применяют в радиотехнике, поиск германиевого сырья, детальное изучение геохимии Ge показали, что Ge не так уж редок в земной коре, его кларк в литосфере составляет 1,4*10 -4 %, почти такой же как у Sn, As, его намного больше в земной коре чем Au, Pt, Ag.
Распространенность атомов в ос
Вернадский ввел положение о рассеянном состоянии химических элементов, и оно подтвердилось. Все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточности чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или другого элемента в изучаемой среде. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов именуется законом Кларка-Вернадского.
Исходя из кларков элементов в твердой земной коре (про Виноградову) почти ½ твердая земная кора состоит из О, т.е Земная кора - это «кислородная сфера», кислородное вещество.
Кларки большинства элементов не превышают 0,01-0,0001% - это редкие элементы. Если эти элементы обладают слабой способностью к концентрированию, они называются резкими рассеянными (Br, In, Ra, I, Hf).
Н-р: Для U и Br значения кларков составляют ≈ 2,5*10 -4 , 2,1* 10-4 соответственно, но U просто редкий элемент, т.к. известны его месторождения, а Br – редкий рассеянный, т.к. он не концентрируется в земной коре. Микроэлементы – элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (≈ 0,01% и менее). Так, Al – микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.
Классификация элементов по Вернадскому.
В земной коре родственные по периодической системе элементы ведут себя неодинаково – мигрируют в земную кору по-разному. Вернадский учитывал самые важные моменты истории элементов в земной коре. Главное значение предовалось таким явлениям и процессам как радиоактивность, обратимость и необратимость миграции. Способность давать минералы. Вернадский выделил 6 групп элементов:
благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe) – 5 элементов;
благородные металлы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) – 7 элементов;
циклические элементы (участвующие в сложных круговоротах) – 44 элемента;
рассеянные элементы – 11 элементов;
сильно радиоактивные элементы (Po, Ra, Rn, Ac, Th, Pa, U) – 7 элементов;
элементы редких земель – 15 элементов.
Элементы 3 группы по массе преобладают в земной коре из них в основном состоят горные породы, воды, организмы.
Представления из повседневного опыта не совпадают с реальными данными. Так, Zn, Cu широко распространены в быту и технике, а Zr (цирконий) и Ti для нас редкие элементы. Хотя Zr в земной коре в 4 раза больше чем Cu, а Ti – в 95 раз. «Редкость» этих элементов объясняется трудностью их извлечения из руд.
Химические элементы вступают во взаимодействия друг с другом не пропорционально их массам, а в соответствии с количеством атомов. Поэтому кларки могут быть рассчитаны не только в массовых %, но и в % от числа атомов, т.е. с учетом атомных масс (Чирвинский, Ферсман). При этом кларки тяжелых элементов уменьшаются, а легких – увеличиваются.
Так, например:Расчет на число атомов дает более контрастную картину распространенности химических элементов – еще большее преобладание кислорода и редкость тяжелых элементов.
Когда был установлен средний состав земной коры, возник вопрос о причине неравномерности распространения элементов. Это стаи связывать с особенностями строения атомов.
Рассмотрим связь значения кларков с химическими свойствами элементов.
Так щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr химическом отношении близки друг к другу – один валентный электрон, но значения кларков отличаются – Na и K - ≈ 2,5; Rb - 1,5*10 -2 ; Li - 3,2*10 -3 ;Cs – 3,7*10 -4 ;Fr – искусственный элемент. Резко различаются значения кларков для F и Cl, Br и I, Si (29,5) и Ge (1,4*10 -4), Ba (6,5*10 -2) и Ra (2*10 -10).
С другой стороны, различные в химическом отношении элементы имеют близкие кларки – Mn (0,1) и P (0,093), Rb (1,5*10 -2) и Cl (1,7*10 -2).
Ферсман построил график зависимости значений атомных кларков для четных и нечетных элементов Периодической системы от порядкового номера элемента. Выяснилось, что с усложнением строения атомного ядра (утяжеления) кларки элементов уменьшаются. Однако эти зависимости (кривые) получились ломаными.
Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию, которая плавно понижалась по мере возрастания порядкового номера элемента. Элементы расположенные выше средней линии, образующие пики, ученый назвал избыточными (O, Si, Fe и др.), а расположенные ниже линии – дефицитными (инертные газы и др.). Из полученной зависимости следует, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки Периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. Действительно, после Fe (№26) нет ни одного распространенного элемента.
Далее Оддо (итальянский ученый) и Гаркинсом (американский ученый) в 1925-28 гг. была установлена другая особенности распространенности элементов. В Земной коре преобладают элементы с четным порядковым номером и атомными массами. Среди соседних элементов у четных элементов кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для 9 наиболее распространенных элементов (8 O, 14 Si, 13 Al, 26 Fe, 20 Ca, 11 Na, 19 K, 12 Mg, 22 Ti) массовые кларки четных составляют в сумме 86,43% , а нечетных – 13,05%.Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4, это – O, Mg, Si, Ca.
По данным исследований Ферсмана, ядра типа 4q (q –целое число) составляют 86,3% земной коры. Менее распространены ядра типа 4q +3 (12,7%) и совсем мало ядра типа 4q+1 и 4q+2 (1%).
Среди четных элементов, начиная с He, наибольшими кларками обладают каждый шестой: O (№8), Si(№14), Ca (№20), Fe (№26). Для нечетных элементов – аналогичное правило (начиная с Н) – N (№7), Al (№13), K (№19), Mg (№25).
Итак, в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов.
С течением времени кларки изменились. Так в результате радиоактивного распада стало меньше U и Th, но больше Pb. В изменении значений кларков элементов сыграли роль и такие процессы как диссипация газов, выпадение метеоритов.
Основные тенденции химических изменений в земной коре. Большой круговорот вещества в земной коре.
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ. Вещество земной коры находится в непрерывном движении, вызванном разнообразными причинами, связанными с физ.-хим. свойствами вещества, планетными, геологическими, географическими и биол. условиями земли. Это движение неизменно и непрерывно происходит в течение геологического времени-не менее полутора и по-видимому не более трех млрд. лет. В последние годы выросла новая наука геологического цикла - геохимия, имеющая задачей изучение хим. элементов, строящих нашу планету. Основным предметом ее изучения являются движения хим. элементов вещества земли, какими бы причинами эти движения ни были вызваны. Эти движения элементов называются миграциями хим. элементов. Среди миграций есть такие, во время которых хим. элемент через больший или меньший промежуток времени неизбежно возвращается в начальное исходное состояние; история таких хим. элементов в земной коре может быть сведена т. о. к обратимому процессу и представлена в форме кругового процесса, круговорота. Этого рода миграции характерны не для всех элементов, но для значительного их числа, в том числе для огромного большинства хим. элементов, строящих растительные или животные организмы и окружающую нас среду-океаны и воды, горные породы и воздух. Для таких элементов в круговороте веществ находится вся или подавляющая масса их атомов, у других лишь ничтожная их часть охвачена круговоротами. Несомненно, что большая часть вещества земной коры до глубины в 20-25 км охвачена круговоротами. Для следующих хим. элементов круговые процессы являются характерными и господствующими среди их миграций (цифра указывает на порядковое число). Н, Ве4, В5, С«, N7, 08, Р9, Nan,Mg12,Aha, Sii4,Pi5, Sie, Cli7, K19, Ca2o, Ti22, V23, Cr24, Mn25, Fe2e, Co27, Ni28, Cu29, Zn30, Ge32, As33,Se34, Sr38,Mo42, Ag47,Cd48, Sn50, Sb51, Te62, Ba56) W74, Au79,Hg80,T]81,Pb82,Bi83. Эти элементы могут быть на этом основании отделены от других элементов как элементы циклические или органогенные. Т.о. круговороты характеризуют 42 элемента из 92 входящих в Менделеевскую систему элементов, причем в это число входят самые обычные господствующие земные элементы.
Остановимся на К. первого рода, заключающих биогенные миграции. Эти К. захватывают биосферу (т. е. атмосферу, гидросферу, кору выветривания). Под гидросферой они захватывают подходящую к океаническому дну базальтовую оболочку. Под сушей они в последовательности углубления обнимают толщу осадочных пород (стратосферу), метаморфическую и гранитную оболочки и входят в базальтовую оболочку. Из земных глубин, лежащих за базальтовой оболочкой, вещество земли не попадает в наблюдаемые К. Оно не попадает в них также сверху из-за пределов верхних частей стратосферы. Т. о. круговороты хим. элементов являются поверхностными явлениями, идущими в атмосфере до высот в 15-20 км (не выше), а в литосфере-не глубже 15-20 км. Всякий К., для того чтобы он мог постоянно возобновляться, требует притока внешней энергии. Известны два главных и несомнен. источника такой энергии: 1) космическая энергия-излучения солнца (от нее почти всецело зависит биогенная миграция) и 2) атомная энергия, связанная с радиоактивным распадом элементов "78 ряда урана, тория, калия, рубидия. С меньшей степенью точности можно выделить энергию механическую, связанную с движением (благодаря тяготению) земных масс, и вероятно космическую энергию, проникающую сверху (лучи Гесса).
Круговороты, захватывающие несколько земных оболочек, идут медленно, с остановками и могут быть замечены только в геологическом времени. Часто они охватывают несколько геолог, периодов. Они вызываются геолог, смещениями суши и океана. Части К. могут идти быстро (напр. биогенная миграция).
| " |
Химический состав земной коры был определен по результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.
В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15-20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.
Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элементов, из них 8 составляют 97,2-98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) -75 % массы Земли.
Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее часто встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в недрах Земли, приводит к образованию самых разнообразных соединений. Химические элементы, которых больше всего в литосфере, входят в состав многих минералов (из них в основном состоят разные породы).
Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кислород, водород, кремний и алюминий являются основными компонентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).
Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами. Это однородные химические вещества земной коры, которые образовались вследствие сложных физико-химических или биохимических процессов, например каменная соль (NaCl), гипс (CaS04*2H20), ортоклаз (K2Al2Si6016).
В природе химические элементы принимают неодинаковое участие в образовании разных минералов. Например, кремний (Si) входит в состав более 600 минералов, а также очень распространен в форме окисей. Сера образует до 600 соединений, кальций-300, магний -200, марганец-150, бор - 80, калий - до 75, соединений лития известно только 10, а йода - еще меньше.
Среди наиболее известных минералов в земной коре преобладает большая группа полевых шпатов с тремя основными элементами - К, Na и Са. В почвообразующих породах и продуктах их выветривания полевые шпаты занимают основное положение. Полевые шпаты постепенно выветриваются (распадаются) и обогащают почву на К, Na, Са, Mg, Fe и другие зольные вещества, а также микроэлементы.
Кла́рковое число́ - числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле, космических телах, геохимических или космохимических системах и др., по отношению к общей массе этой системы. Выражается в % или г/кг.
Виды кларков
Различают весовые (в %, в г/т или в г/г) и атомные (в % от числа атомов) кларки. Обобщение данных по химическому составу различных горных пород, слагающих земную кору, с учётом их распространения до глубин 16 км впервые было сделано американским учёным Ф. У. Кларком (1889). Полученные им числа процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впоследствии несколько уточнённые А. Е. Ферсманом, по предложению последнего были названы числами Кларка или кларками.
Строение молекулы . Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.
Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых с спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.
Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей. Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.
Ионы. В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном.
Кристаллическая решётка моделирует расположение положительных ионов внутри кристалла однородного металлического вещества.
Известно, что в твёрдом состоянии все металлы являются кристаллами. Ионы всех металлов расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. В расплавленных и испарённых (газообразных) металлах упорядоченное расположение ионов отсутствует, но электронный газ по-прежнему остаётся между ионами.
Изото́пы - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число. Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа. Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).
Водород (Н) очень легкий химический элемент, с содержанием в Земной коре 0,9% по массе, а в воде 11,19%.
Характеристика водорода
По легкости он первый среди газов. При нормальных условиях безвкусен, бесцветен, и абсолютно без запаха. При попадании в термосферу улетает в космос из-за малого веса.
Во всей вселенной это самый многочисленный химический элемент (75% от всей массы веществ). Настолько, что многие звезды в космическом пространстве состоят полностью из него. Например, Солнце. Его основной компонент - водород. А тепло и свет это итог выделения энергии при слиянии ядер материала. Так же в космосе есть целые облака из его молекул различной величины, плотности и температуры.
Физические свойства
Высокая температура и давление значительно меняют его качества, но при обычных условиях он:
Обладает высокой теплопроводностью, если сравнивать с другими газами,
Нетоксичен и плохо растворим в воде,
С плотностью 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм.,
Превращается в жидкость при температуре -252,8°С
Становится твердым при -259,1°С.,
Удельная теплота сгорания 120,9.106 Дж/кг.
Для превращения в жидкость или твердое состояние требуются высокое давление и очень низкие температуры. В сжиженном состоянии он текуч и легок.
Химические свойства
Под давлением и при охлаждении (-252,87 гр. С) водород обретает жидкое состояние, которое по весу легче любого аналога. В нем он занимает меньше места, чем в газообразном виде.
Он типичный неметалл. В лабораториях его получают путем взаимодействия металлов (например, цинка или железа) с разбавленными кислотами. При обычных условиях малоактивен и вступает в реакцию только с активными неметаллами. Водород может отделять кислород из оксидов, и восстанавливать металлы из соединений. Он и его смеси образуют водородную связь с некоторыми элементами.
Газ хорошо растворяется в этаноле и во многих металлах, особенно в палладии. Серебро его не растворяет. Водород может окисляться во время сжигания в кислороде или на воздухе, и при взаимодействии с галогенами.
Во время соединения с кислородом, образуется вода. Если температура при этом обычная, то реакция идет медленно, если выше 550°С - со взрывом (превращается в гремучий газ).
Нахождение водорода в природе
Хотя водорода очень много на нашей планете, но в чистом виде его найти нелегко. Немного можно обнаружить при извержении вулканов, во время добычи нефти и в месте разложения органических веществ.
Больше половины всего количества находится в составе с водой. Так же он входит в структуру нефти, различной глины, горючих газов, животных и растений (присутствие в каждой живой клетке 50% по числу атомов).
Круговорот водорода в природе
Каждый год в водоемах и почве разлагается колоссальное количество (миллиарды тонн) остатков растений и это разложение выплескивает в атмосферу огромную массу водорода. Так же он выделяется при любом брожении, вызываемом бактериями, сжигании и наравне с кислородом участвует в круговороте воды.
Области применения водорода
Элемент активно используется человечеством в своей деятельности, поэтому мы научились получать его в промышленных масштабах для:
Метеорологии, химпроизводства;
Производства маргарина;
Как горючее для ракет (жидкий водород);
Электроэнергетики для охлаждения электрических генераторов;
Сварки и резки металлов.
Масса водорода используется при производстве синтетического бензина (для улучшения качества топлива низкого качества), аммиака, хлороводорода, спиртов, и других материалов. Атомная энергетика активно использует его изотопы.
Препарат «перекись водорода» широко применяют в металлургии, электронной промышленности, целлюлозно-бумажном производстве, при отбеливании льняных и хлопковых тканей, для изготовления красок для волос и косметики, полимеров и в медицине для обработки ран.
«Взрывной» характер этого газа может стать гибельным оружием - водородной бомбой. Ее взрыв сопровождается выбросом огромного количества радиоактивных веществ и губительно для всего живого.
Соприкосновение жидкого водорода и кожных покровов грозит сильным и болезненным обморожением.
