1Предмет и объекты геохимии. Научные направления

Предмет геохимии, связь с другими науками

Предмет геохимии Химия зарождалась как прикладная наука о веществах. В основе ее опыты алхимиков, которые пытались искусственно получить золото, большой вклад в ее развитие внесли медицина и фармакология. Затем она из прикладной превращается в одну из фундаментальных наук, пытающихся вместе с физикой раскрыть тайны мироздания. Но именно с этого момента она и перерастает в геохимию. Последнюю считают наукой двадцатого века, связывая становление с именами таких выдающихся ученых как Вернадский, Ферсман, Гольдшмидт. Но не даром говорят - нет ничего нового в подлунном мире. Химия, оставаясь по существу практической наукой, исследует атомы и молекулы по большей части в лабораторных и искусственных условиях с целью производства все новых веществ, которые необходимы для удовлетворения растущих потребностей человека. Геохимию больше интересуют происхождение атомов и условия их миграции в природных и техногенных объектах, где связи между веществами более множественные - в воздухе, почве, воде, кристаллах, горных породах, живых организмах. Геохимия изучает атомы в историческом срезе, что сближает ее с исторической геологией, Более того, если первоначально ее интересы ограничивались земной корой, и тогда она была близка геологии, то позже сфера ее интересов охватывает весь окружающий нас мир и современную геохимию более точно следовало бы именовать космохимией.  Таким образом, объектом геохимия являются атомы химических элементов, но имеются различные ее ветви, отличающие определенной специализацией, то есть предметом исследований. Есть общая геохимия, которая изучает наиболее общие законы, управляющие поведением атомов в природе и прикладные ее ответвления: экологическая, поисковая, геохимия ландшафтов, геохимия рудных месторождений и др.

Определение по В.И.Вернадскому звучит так: «Геохимия научно изучает химические элементы: т.е. атомы земной коры, и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения» . По А. Е.Ферсману (1932), «геохимия изучает историю химических элементов - атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы». По В. М. Гольдшмидту (1954 г.), «современная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосферную циркуляцию элементов в природе на основе свойств атомов и ионов».  Близкие по существу определения геохимии дают и другие видные ученые А.А.Сауков, В.В.Щеребина, А.И Лерельман, Б.Мейсон. Их определения меж собой отличаются лишь тем или иным акцентом, связанным со специализацией и интересами авторов. В современном понимании геохимия является наукой о процессах и следствиях миграции - концентрации и рассеивания химических элементов в разных геологических объектах - оболочки Земли, породы, осадки, почва, поверхностные и подземные воды. Определение содержания геохимии как науки об истории земных атомов не только предполагает обязательное решение такой важной задачи, как изучение распределения элементов в различных природных объектах, но и подключает геохимию к главной задаче всех наук - выяснению происхождения и истории развития нашей планеты и всей Вселенной, законов этого развития.

Развитие геохимии, связь с химической наукой

Полезные ископаемые, в том числе и железо, ценились не только в начале христианской эры, во времена Плиния. В наш век, немыслимый без научно-технических разработок и развитой промышленности, их значение возросло еще больше. Но для того, чтобы человечество получало необходимые элементы в достаточном количестве, их необходимо постоянно добывать. А для этого нужно знать закономерности распределения химических элементов на планете Земля.

Изучением этих закономерностей занимают различные науки, среди которых ведущее место занимает геохимия — наука о химическом составе Земли, законах распределения элементов и их изотопов и о процессах формирования горных пород, почв и и природных вод. (Если кому интересно, то такими же изысканиями во внеземном пространстве занимается наука космохимия). Поскольку химические элементы содержатся в земной коре в виде руд и минералов, геохимия с одной стороны – родная сестра химии, а с другой – тесно соприкасается с геологией. А одной из главных областей геологии является изучение размещения полезных ископаемых в земной коре. Поэтому геохимию часто рассматривают как некую гибридную научную область, возникшую на границе геологии и химии. Так что отчасти будет справедливым такое «уравнение»: «геохимия = геология + химия» – но только отчасти.

Термин «геохимия» появился в последней четверти XIX века. Предположительно, в научный обиход его ввел один из первых профессиональных геохимиков – американский ученый Франк Кларк (1847-1931), которого называют отцом геохимии.

Одним из основателей современной геохимии по праву считается и выдающийся русский ученый В. И. Вернадский. В 1927 году он так расшифровал содержание этой науки: «Геохимия изучает химические элементы, то есть атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения».

В настоящее время наиболее распространенный взгляд на предмет и содержание геохимии таков: современная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосферную циркуляцию элементов в природе на основе свойств их атомов и ионов.

В основе современной геохимии лежит фундаментальное представление о том, что весь окружающий нас вещественный мир – это мир атомов и их соединений в самых разных формах и фазовых состояниях. Но сам термин «атом», придумали еще задолго до новой эры античные мыслители, подразумевая под атомами мельчайшие элементарные вещества, которое не имеет составных частей – своего рода кирпичики мироздания. И хотя в 19 веке новой эры выяснилось, что атом далеко не элементарная частица, тем не менее, именно атомы считаются химическими элементами, потому что в иерархии частиц микромира именно с них начинаются химические свойства.

Химическую систематику элементов или атомов составил в 1869 году Д, И. Менделеев, открыв периодический закон, согласно которому существует более сотни атомных видов, свойства которых меняются подобно спирали – сначала постепенно, потом скачкообразно, оказываясь на новом уровне. Имеется некий ряд химических элементов, начало которому дают химически наиболее активные металлы, затем их сменяют неметаллы, а заканчивается ряд инертным элементом, далее все повторяется, но уже на новом витке. В двадцатом веке физики выяснили природу этого закона, предварительно установив, что атомы устроены наподобие солнечной системы. В них имеется ядро, состоящее из нуклонов - протонов и нейтронов, которое окружено электронами, наподобие того как солнце окружают планеты. Так вот соседние в ряду атомы между собой отличаются лишь на один протон и один электрон, но каждый раз это усложняет структуру атомов таким образом, что связи частиц в атоме становятся все более прочными и конечные в ряду элементы являются настолько самодостаточными, что ни в каких связях более не нуждаются, поэтому они и получили название инертных.

Однако свойства многих веществ не ограничиваются только различиями свойствами атомов, но зависят от их структурной комбинации. Наиболее простые вещества образуют молекулы из атомов одного вида, но с разным количеством атомов. Например, кислород как вещество с известными нам свойствами, исключительно необходимыми для жизни, это молекула из двух атомов, атомарный кислород имеет иные свойства, которые не благоприятствуют живым существам, также как и трехатомная молекула кислорода – озон. Или возьмите углерод, разные структурные комбинации лишь из одного этого элемента дают вещества с кардинально разными физическими свойствами – мягкий графит, но исключительно твердый алмаз. Сложные молекулы состоят из комбинации разных видов атомов, дающих новые химические вещества, но строго в определенных природных условиях. Человек научился сам воссоздавать подобные условия и теперь наряду с природными веществами существуют и искусственные - тот же алмаз и бесконечное количество углеводородных полимеров. Можно задаться вопросом, а что такое химические и физические свойства? Химики под ними понимают способность исходных веществ взаимодействовать между собой с образованием новых. Еще со школы мы знаем, что в химической лаборатории имеется три главных типа веществ: кислоты, щелочи и соли. Чем они различаются между собой? На уровне ощущений мы знаем - кислоты кислые, а соли соленые, щелочи мылистые? Это так, но это еще и не все. На самом деле различия между ними множественные, что очень важно в том числе и для экологии. Именно кардинальные различия между этими главными типами веществ и определяют разнообразие условий жизни на нашей планете, о чем мы будем говорить уже в рамках иных дисциплин. Деление свойств веществ на химические и физические на самом деле дело достаточно условное, также как и ученых на физиков и химиков. Мир един, потому что его основу составляют элементарные частицы, которые изучают физики, но он сложен, потому что элементарные частицы образуют бесконечное число комбинаций, дающих иерархию структурных уровней: кварков, нуклонов, атомов, молекул, минералов, горных пород, геологических формаций, геосфер, планет и т.д. Каждая наука выбирает себе тот или иной уровень организации вещества.