1.2. Распространенность химических элементов в атмосфере, гид-росфере и биосфере

Масса и размеры Земли определяют условия существования жизни на нашей планете. От массы и силы тяготения планеты зависит величина её газовой атмосферы. Маленькие небесные тела (например, Луна и Меркурий) лишены газовой атмосферы в силу того, что молекулы газов улетают в космическое пространство. Марс, имеющий массу в 10 раз меньше массы Земли, окружён тонкой атмосферой, имеющей давление примерно в 100 раз меньше, чем давление земной атмосферы. Гигантские планеты (Юпитер, Уран, Сатурн, Нептун) – наоборот, окружены мощными атмосферами.

Толщина земной атмосферы составляет около 2000 км, объём − 4∙10¹² км³; это примерно в 3000 раз больше объёма гидросферы. При этом масса атмосферы примерно в 250 раз меньше массы гидросферы и составляет 5,3 млрд т; масса гидросферы оценивается в 1,3 трлн т. До 80 % массы атмосферы сосредоточено в нижнем её слое, называемом тропосферой и простирающемся от поверхности планеты примерно до 15 км. В следующем атмосферном слое, называемом стратосферой и простирающемся от 15 до 50 км, находится знаменитый озоновый слой, спасающий все живое на Земле от жёсткого ультрафиолета. На высотах свыше 600 км в атмосфере преобладает гелий, а выше 1600 км – водород (границы космоса).

Сухой воздух вблизи поверхности Земли имеет следующий состав в объёмных %:

Компонент	Объёмный %	Компонент	Объёмный %
N2	78	CH4	0,00018
O2	21	Kr	0.00011
Ar	0,93	H2	0,00005
CO2	0,035	N2O	0,00003
Ne	0,0018	Xe, O3, CO	по 0,00001
He	0,00052	NO2	0,000002

Масса атмосферного азота составляет 3,9∙10¹⁵ т, кислорода – 1,2∙10¹⁵ т, аргона – 6,7∙10¹³ т, углекислого газа – около 600 млн т.

Из 510 млн км² общей площади земной поверхности примерно 361 млн км² приходится на моря и океаны, и только 149 млн км² – на сушу, что составляет 70,8 % и 29,2 % соответственно. Если представить, что земная кора не имеет выступов, то вод океанов хватило бы для того, чтобы покрыть весь земной шар слоем толщиной более 2 км.

Мировой океан содержит около 97 % всей воды нашей планеты, на долю воды суши приходится лишь 1 %, ледников – 2 %. Основную часть земной воды нельзя непосредственно использовать для хозяйственных нужд человечества из-за высокого содержания в ней солей, достигающего 35 г/л. Питьевая вода имеет минерализацию 0,5–2 г/л.

Вода морей и океанов содержит практически все элементы таблицы Д. И. Менделеева, однако при современном уровне технологического раз-вития человечества представляет смысл извлекать из морской воды лишь вещества, содержание которых превышает 5–10 мг/л. В достаточном количестве для технологического получения в морской воде содержатся: Cl, Na, Mg, Ca, S, Br, C, Sr. Однако в промышленном масштабе из морской воды извлекают лишь NaCl, Mg и Br₂. Из морской воды получают около трети мирового производства NaCl и четверть мирового производства Mg, извлекают до 100 тыс. т в год Br₂. При этом интересно отметить, что 99 % всего брома на Земле находится в морской воде, а вот содержание NaCl в водах морей и океанов около 2,5 %, а MgCl₂ – 0,4 %.

Со временем человечество будет вынуждено более активно извлекать вещества из морской воды. При этом большой интерес представляют некоторые морские растения и животные, концентрирующие в своих организмах химические элементы. Примером является морское растение ламинария, содержащее йода в 100000 раз больше, чем в воде. Из золы этого растения или отвара с успехом выделяют I₂. В Японии реализовано промышленное получение ванадия из асцидий; дело в том, что концентрация этого металла в крови этих животных в 200–300 тыс. раз превышает его содержание в морской воде! Сказанное относится и ко многим другим элементам. Мировой океан является огромной кладовой, богатства которой человечество только начинает использовать.

Свою лепту (во многих случаях скверную) в океан как в раствор различных соединений вносит человечество. Ежегодно реки приносят в мировой океан около 2,5 млн т Pb, 1,5 млн т Mn, до 7 млн т фосфора и т.д. Количество железа, поступающее в океанскую воду в виде стоков и отходов промышленного производства, составляет около 40 % мирового производства стали.

Живые организмы образуют биосферу Земли, имеют массу порядка 1∙10¹⁴ т и организованы в первую очередь из 18 элементов, в основном из тех, которые способны образовывать хорошо растворимые и летучие соединения.

Из 118 известных в настоящее время химических элементов в живой клетке обнаружено около 60. Они обычно подразделяются на три группы:

• основные элементы, содержание которых исчисляется десятками и единицами процентов и которые в сумме составляют 98 % состава клетки – О, С, Н, N, Ca, P;

• элементы, содержание которых составляет десятые и сотые доли процента – K, S, Cl, Na, Mg, Si (в сумме около 2 %);

• все остальные элементы, присутствующие в следовых количествах, они так и называются – микроэлементы (около 0,1 %).

Среднее содержание химических элементов в человеческом организме в мас.%:

Элемент	Мас.%	Элемент	Мас.%
O	62	S	0,16
C	21	Cl	0,10
H	10	Na	0,08
N	3	Mg	0,03
Ca	2,1	Si	0,01
P	1,0	Fe	0,006
K	0,23

Некоторые элементы, такие как Cu, Zn, Fe, Co, Ni, Cr, Mo, V, Si, Se, Mn, As, I, F, Li являются жизненно необходимыми. Их недостаток (впрочем, как и избыток) ведёт к серьезным осложнениям и заболеваниям.

В среднем вода составляет 80 % массы клетки, эта цифра колеблется от 60 % для старых клеток до 95 % для молодых энергично развивающихся клеток. К наиболее важным катионам относятся К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺; из анионов первостепенную важность представляют H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, Cl⁻, HCO₃⁻. Именно на основе этих анионов организованы буферные системы, служащие для поддержания постоянным рН клеточной среды.