...
Форми знаходження хімічних елементів на Землі. PDF Печать E-mail


- Поняття “форм знаходження “ хімічних елементів.
- Гірські породи та мінерали (до них були віднесені також природні води і гази).
- Жива речовина, або біогенна форма знаходження.
- Магматичні (в основному силікатні) розплави.
- Стан розсіювання.

В останній час багато уваги приділяється вивченню форм знаходження хімічних елементів у земній корі, під якими розуміють різні відносно стійкі системи хімічних елементів.
Форми знаходження хімічних елементів у земній корі відносно стійкі, оскільки більшість елементів включаються у великий і малий цикли міграції. При цьому ті поєднання елементів, що були раніше, руйнуються і виникають нові. Але багато хімічних елементів можуть знаходитись у відносній хімічній рівновазі достатньо довгий час.
У природі існує багато різних форм знаходження хімічних елементів. Існують різні класифікації форм знаходження. В.І. Вернадський запропонував об’єднати всі форми знаходження елементів у чотири основні групи:

1) гірські породи та мінерали (до них були віднесені також природні води і гази);

2) жива речовина, або біогенна форма знаходження;

3) магматичні (в основному силікатні) розплави;

4) стан розсіювання.В результаті розвитку біогеохімії виділяють все більше форм знаходження хімічних елементів, серед яких в останній час велике значення набуває техногенна форма, яка не має природних аналогів. Обособлення останньої форми обумовлене зростанням впливу на оболонки Землі антропогенної діяльності та зростанням впливу на міграцію і концентрацію хімічних елементів у біосфері нових техногенних сполук.

1. Гірські породи та мінерали.
У літосфері Землі самостійні мінеральні види є найбільш розповсюдженою косною (неживою) природною формою знаходження хімічних елементів. Мінералами називають природні тіла, які мають певний хімічний склад та фізичні властивості і утворюються у результаті геологічних процесів, що протікають у земній корі. За останній час у земній корі нараховується близько 2200 мінералів. Більшість із них зустрічаються рідко (рідкісні мінерали), лише біля 100 мінералів розповсюджені достатньо широко і у великій кількості (породоутворюючі мінерали).
Багато мінералів зустрічаються у вигляді самостійних скопичень і утворюють родовища корисних копалин (наприклад, родовища слюди), але частіше мінерали входять до складу гірських порід.
Розрізняють три основних процеси мінералоутворення:

1) ендогенний, зв’язаний із глибинними шарами земної кори та магмою;
2) екзогенний, зв’язаний із поверхнею та самою частиною земної кори. У ньому приймають участь кисень, вуглекислий газ атмосфери, різні розчини, живі організми, їх залишки та продукти життєдіяльності, коливання температури, сонячна енергія;
3) метаморфічний процес, в результаті якого мінерали екзогенного та ендогенного походження у земній корі під дією підвищених тиску, температури, гарячих вод і газів руйнуються, перекристалізовуються і утворюють нові мінерали (наприклад: кварц, тальк, ін.).
Найбільша кількість мінералів (більше 1500) утворюються за участю кисню. Більше 1000 мінералів містять водень і більше 500 – кремній. Ще 16 елементів (кальцій, сірка, залізо, алюміній, натрій, магній, мідь, свинець тощо) входять до складу більше ніж 100 мінералів (кожний). У той же час деякі елементи утворюють свої власні мінерали (так свинець утворює 199 власних мінералів, а галій – тільки 2).
Більшість мінералів – тверді тіла, але є серед них також рідкі та газоподібні.
Природні мінерали являють собою окремі хімічні елементи, або хімічні сполуки. Кожний мінерал має свій власний хімічний склад, внутрішню будову, свої характерні ознаки. Всі мінерали можуть існувати лише у певних природних умовах. При змінні цих умов мінерали або руйнуються, або із них утворюються інші мінерали. Існують різні класифікації мінералів.
Мінерали являють собою середовище, в якому і за рахунок якого розвивається основна маса живих організмів. Живі організми споживають хімічні елементи, що входять до складу мінералів у процесі або після їх руйнування. Тому у доступності хімічних елементів для живих організмів велике значення має не тільки склад мінералів, але й їх міцність і особливо розчинність.
В останній час постійно зростає потреба людства у мінералах. Утворена велика група штучних мінералів, які можуть мати природні аналоги або відрізнятися від природних сполук.
Гірські породи являють собою мінеральні агрегати. Відомо біля 1000 видів гірських порід. Кожній гірській породі притаманні свої властивості, хімічний та мінеральний склад, структура, особливості залягання у земній корі. По своєму походженню гірські породи поділяються на три типи: магматичні, осадові, метаморфічні.

2. Жива речовина (біогенна форма).
Біогенна форма знаходження хімічних елементів – це елементи, які містяться у рослинних та тваринних організмах. Вернадський відніс до живої речовини біосфери сукупність всіх її живих організмів та довів, що живі організми відіграють дуже важливу роль у геологічних процесах, що формують обличчя Землі. За останніми оцінками, жива речовина складає 18?1011 тонн.
Розвиток та існування живих організмів на Землі обмежуються, по А.В. Лапо (1987) п’ятьма параметрами:
1) кількістю кисню та вуглекислого газу;
2) наявністю води у рідкій фазі;
3) термічним режимом;
5) наявністю елементів мінерального харчування;
6) солоністю води.
В атмосфері життя вмявлено не тільки у межах тропосфери, але й у стратосфері (деякі мікроорганізми були виявлені на висоті близько 85 км над поверхнею Землі). Але активне життя більшості організмів проходить в атмосфері на висоті до 13 км, де існують птахи і комахи. Нижня границя життя сягає глибин літосфери (були виявлені бактерії, що живуть на глибині близько 3км).
Основними формами існування живої речовини є:
1. Віруси. Жива речовина може існувати у клітиній та безклітиній формах. До безклітинної форми живої речовини відносяться віруси. Вони є паразитами рослин, тварин і навіть бактерій, є збудниками багатьох хвороб. Складаються із білка та нуклеїнової ктслоти (ДНК чи РНК). Дуже стійкі до змін зовнішніх умов.
Незважаючи на те, що віруси викликають дуже важкі захворювання, вони також мають позитивне значення у природі, оскільки сприяють вимиранню більш хворих слабких особин, і таким чином за їх допомогою відбувається природний добір.
2. Бактерії. Серед бактерій виділяють доядерні бактерії – прокаріоти та ядерні бактерії – еукаріоти. Більшість бактерій є прокаріотами. До них відносяться і цианобактерії, або синьо-зелені водорості. Цианобактерії – дуже неприхотливі організми. Вони поселяються на вулканічних туфах вже через три роки після виверження вулканів; першими появляються після ядерних вибухів; можуть існувати при температурі до +1400С та при мінусових температурах – на снігу Антарктиди.
У природних умовах бактерії часто сприяють переходу ряду хімічних елементів із мінеральної форми у водні розчини, неорганічної речовини в органічну речовину, а також розкладу органічної (мертвої) речовини і її переходу у неорганічну речовину.
Серед бактерій виділяють також такі, які пристосовуються до високих концентрацій хімічних елементів. Тому часто такі бактерії використовують у пошуках залежей корисних копалин.
3. Рослини. Відіграють особливу роль у біосфері. Їх кількість перевищує кількість зоомаси приблизьно у 1000 разів. Тому рослини визначають біологічний кругообіг хімічних елементів.
Особливе значення має здатність рослин до фотосинтезу. Щорічно у процесі фотосинтезу засвоюється рослинами біля 200 млрд т вуглекислого газу та виділяється 145-320 млрд т кисню. Тільки за 9 млрд років “через рослини” перекачується маса води, яка дорівнює масі всієї гідросфери, а за 6-7 років – весь вуглекислий газ атмосфери. За 4500 років за рахунок фотостнтезу може поновитися весь кисень атмосфери.
Як зазначалося раніше,у рослинах крім вуглецю, кисню та водню містяться всі хімічні елементи земної кори. Виділяють три основних фактори, що визначають концентрацію хімічних елементів у рослинах:
1) вид рослини;
2) геохімічні умови існування (наприклад нестача або надлишок хімічних елементів у грунті);
3) особливості зв’язку між елементами (так надлишок або нестача у рослині одного елементу може призвести до зміни концентрацій у рослині інших елементів, тоді як їх вміст у грунті залишається незмінним).
Хімічні елементи, що потрапляють до рослини, переходять у біогенну форму знаходження. Вона є дуже складною і складається так би мовити із багатьох інших форм, які об’єднуються одним живим організмом в єдине ціле.
Основу біогенної форми складають атоми, які утворюють різні органічні сполуки. Частина атомів знаходиться у рослинах у вигляді розчинів, а частина – у мінеральній формі.
Надходження у рослини підвищених концентрацій хімічних елементів, як вже зазначалося раніше, часто призводить до фізіологічних та морфологічних змін. Ці зміни можуть бути настільки характерними, що можуть служити індикаторами забруднення навколишнього середовища.
Після відмирання рослин хімічні елементи, що входять до їх складу повертаються до грунту.
4. Гриби. Не можуть самостійно синтезувати органічну речовину, тому їх біосферною функцією можна вважати розклад відмерлої органічної речовини. Серед грибів також є концентратори (наприклад, у маслятах, піберезовиках, лисичках завжди міститься підвищена кількість цинку).
У зонах техногенного забруднення у грибах спостерігається підвищена концентрація ряду важких металів. З цим явищем пов’язують отруєння людей їстивними грибами.
Гриби відрізняються стійкістю до несприятливих умов середовища. Так, вони були виявлені в Антарктиді, їх спори були знайдені на глибинах більше 300 м та у верхніх шарах атмосфери.
5. Тварини. Хоча тварин міститься набагато менше, ніж рослин, вони також відіграють велику роль у міграції хімічних елементів.
Особливе значення у процесах вибірної концентрації хімчних елементів мають найпростіші організми, які концентрують їх у наружному скелеті. Так, скелет форамініфер складається із карбонату кальція, більшості радіолярій – із оксиду кремнія тощо. За рахунок скелета найпростіших організмів формувалися товщі вапняків та інших сполук.
Завдяки тому, що тваринні організми володіють рухливістю, вони переносять хімічні елементи на великі відстані. Крім того, тварини твкож транспортують редуктивну речовину рослин. 87% квіткових рослин запилюється тваринами. Багатоклітині організми у процесі життєдіяльності формують середовище свого існування. Відбувається це завдяки поглинанню певних елементів, виділенню їх із продуктами метаболізму та наступному відложенню їх на певних ділянках біосфери. Так, осадові утворення Ca Co3, SiO2, P2O5 пов’язані із скелетами та оболонками морських тварин.
Всі хімічні елементи, які містять тварини, відносяться до біогенної форми. В основному вони утворюють різні органічні сполуки, розчини та мінерали.
6. Людина. Найбільш сильно впливає на навколишнє середовище. Людина знищує одні живі організми та штучно виводить інші, змінює середовище існування організмів. У наш час антропогенне навантаження на навколишнє середовище постійно зростає.

3. Магматичні розплави.
Безпосередньо із магматичними розплавами людині не приходилося зустрічатися. Про їх склад і властивості судять по лаві, магматичним газам, складу магматичних порід.
У надрах Землі постійно відбувається за рахунок високої температури плавлення порід із утворенням рідкого розплаву – магми, яка складається в основному із оксидів. При виході лави виділяються різні гази і пари.
Магматичні розплави відіграють важливу роль у розподілі і перерозподілі хімічних елементів у земній корі. В останній час людина починає використовувати енергію геотермальних джерел (Ісландія, Нова Зеландія, США), а також хімічні сполуки із газів і парів у районах вулканічної діяльності.
4. Стан розсіювання.
Поняття про стан розсіювання було запропоновано Вернадським, під яким він розумів “всюдність” хімічних елементів.
Як зазначалось раніше, хімічні елементи, які містяться у земній корі у відносно великій кількості, називають головними; а елементи, які містяться у малих кількостях, називають розсіяними. Умовною границею між групами головних та розсіяних елементів у земній корі служить 0,1%, хоча концентрація у земній корі розсіяних елементів значно менша та вимірюється тисячними і навіть меншими долями процента.
Але існуючі сьогодні аналізи не достатньо чуттєві для того, щоб виявити елементи, які знаходяться у дуже малих концентраціях.
Закон Вернадського – Кларка: У любому природному об’єкті Землі містяться всі хімічні елементи, які знаходяться в її корі.
Із закона Вернадського – Кларка слідує висновок: всі живі організми у процесі свого розвитку та еволюції існували в умовах, які визначалися наявністю всіх хімічних елементів, що містяться у земній корі.
Концентрація різних елементів у середовищі існування цих організмів могла коливатися у широких межах. В цих умовах організми “звикли” до певних концентрацій, а також форм знаходження хімічних елемкентів у навколишньому середовищі. Однак не буває елементів “корисних” і “некорисних”. Для нормального розвитку організмів потрібні всі елементи, але у певних концентраціях.

5.Техногенна форма.
Термін “техногенез” почали вживати у 1922 році. Однак значення його безперервно зростає. Так, у період античності люди використовували тільки 19 елементів, у 18 сторіччі – 28, у 19 сторіччі – 50, на початку 20 сторіччя – 60. В останній час люди почали використовувати не тільки всі 89 відомих хімічних елемента, що містяться у земній корі, але й штучно отримані хімічні елементи. Техногенні хімічні елементи потрапляють у біосферу і починають негативно впливати на живі організми. Кількість їх безперервно зростає, а значить зростає і вплив на живі організми. Тому виділили техногенну форму знаходження хімічних елементів.

 

Яндекс.Метрика >