Лекція № 5 Основні форми знаходження хімічних елементів План

1. Характеристика форм знаходження хімічних елементів.

Основну частину маси земної кори складає літосфера і набагато меншу - гідросфера і атмосфера. Крім цих складових частин земної кори, окремо виділяють живу речовину, під яким мається на увазі вся маса найрізноманітніших живих організмів, від вірусів до слонів, включаючи і людини. Порівнюючи їх між собою, видатний норвезький учений В.М. Гольдшмідт наводив такий приклад: якщо масу літосфери представити у вигляді кам'яної чаші в 13 фунтів (1 фунт - 0,45 кг), то поміщається в ній вода масою 1 фунт буде відповідати гідросфері, масі мідної монети відповідатиме атмосфера, а масі поштової марки - живу речовину. Між літосферою, гідросферою і атмосферою йде постійний обмін речовиною, тобто процес міграції хімічних елементів. Багато в чому він пов'язаний з життєдіяльністю організмів. Найбільша напруга всіх геохімічних процесів міграції на поверхні Землі відбувається "на стику" різних сфер - в ґрунтах. У зоні найбільшої напруги геохімічних процесів відбувається і вся життєдіяльність переважної більшості людей. Так було, починаючи з появи людей. Отже, можна вважати , що знаходження людей в зоні максимальної напруги геохімічних процесів є оптимальним умовою їх нормальної життєдіяльності. Розглядаючи виділені оболонки з позиції геологічної історії Землі, можна говорити про постійної міграції складових їх хімічних елементів як всередині кожної з оболонок, так і між ними. У той же час в кожен проміжок часу певні, досить великі групи атомів хімічних елементів перебувають у конкретних відносно стійких поєднаннях між собою. Такі поєднання і розглядаються як форми знаходження хімічних елементів. Іншими словами, під формою знаходження хімічних елементів розуміються системи різних щодо стійких хімічних рівноваг цих елементів. Відносно стійкими вони вважаються тому, що практично всі елементи, складові земну кору, залучаються до великий і малий цикли міграції. При цьому раніше існуючі поєднання елементів руйнуються і виникають нові. Однак багато елементів можуть перебувати у відносному хімічному рівновазі досить довго навіть з геологічної точки зору. Окремі форми знаходження більш-менш незалежні один від одного. Поєднання в кожній з них елементів підпорядковується різним фізико-хімічним закономірностям і можливо тільки за певних зовнішніх умов (зовнішніх чинниках міграції). Взагалі в природі існує багато різних форм знаходження хімічних елементів. Залежно від цілей досліджень або узагальнень, а також від рівня розвитку науки різні вчені розглядали тільки окремі з них. Існували (і існують) і різні класифікації основних форм знаходження хімічних елементів у природі. Так, В.І. Вернадським спочатку були виділені чотири найголовніші форми: • гірські породи та мінерали (до них були віднесені природні води і гази); • жива речовина, або біогенна форма знаходження; • магматичні (істотно силікатні) розплави; • стан розсіювання. Б.А. Гаврусевич (1968) запропонував додатково виділяти ізоморфні домішки, водні розчини і газові суміші. У міру розвитку геохімії, а особливо під впливом проблем, дозволяються в тій її частині, яка вважається прикладної, знадобилося розглядати самостійно ще більше форм знаходження елементів в земній корі. Крім запропонованих, стали виділяти колоїдну форму з рідким дисперсійним середовищем і техногенні сполуки, що не мають природних аналогів (В.А. Алексєєнко, 1989). Виділення останньої форми знаходження обумовлено все збільшується впливом на верхні оболонки Землі антропогенної діяльності і появою нових техногенних сполук, які впливають на міграцію і концентрацію хімічних елементів у біосфері. Подальше збільшення значимість техногенезу в переміщенні елементів на поверхні Землі і велика кількість вступників при цьому в атмосферу і гідросферу найдрібніших частинок пояснюють і необхідність виділяти в особливу форму знаходження елементів колоїди, а також і сорбовані ними речовини. Ми розглянемо тільки найважливіші форми знаходження: стан розсіювання, самостійні мінеральні види, водні розчини, газові суміші, колоїдну і сорбовані форми, техногенні сполуки, що не мають природних аналогів, биогенную форму. Стан розсіювання - найбільш часто зустрічається в земній корі форма знаходження хімічних елементів. Ще в 1909 р. В.І. Вернадський, виступаючи на XII з'їзді російських натуралістів і лікарів, говорив: "У кожній краплі і порошинці речовини на земній поверхні , у міру збільшення тонкощі наших досліджень, ми відкриваємо все нові й нові елементи. Виходить враження мікрокосмічну характеру їх розсіювання. В піщинці або краплі , як в мікрокосмосі, відбивається загальний склад космосу. в ній можуть бути знайдені всі ті елементи, які спостерігаються на земній кулі". Десятиліття, що пройшли після цього виступу, підтвердили геніальне передбачення В.І. Вернадського. Перші зведення про кількісний поширенні хімічних елементів в земній корі були зроблені Ф.У. Кларком. На згадку про ці роботи двох великих учених Н.І. Сафронов, один з основоположників вчення про пошуки родовища корисних копалин геохімічними методами, запропонував закон про загальне розсіянні хімічних елементів іменувати законом Вернадського - Кларка. Стосовно до вчення про біосферу його можна сформулювати так : у будь-якому природному об'єкті Землі містяться всі хімічні елементи, що знаходяться в її корі. Мова може йти тільки про недостатню чутливість методів аналізів, що використовуються для виявлення елементів, що знаходяться в дуже малих концентраціях. Ряд дослідників вважає, що межею розсіювання можна вважати концентрацію, відповідну одному атому в 1 см3 речовини. Виходячи із закону Вернадського - Кларка, можна зробити кілька висновків. По-перше, для нормальної життєдіяльності організмів (у тому числі і для людини) в середовищі проживання необхідна наявність всіх хімічних елементів. Це слід пам'ятати при створенні штучних умов життєдіяльності. Другим важливим для вивчення даного курсу висновком можна вважати те , що для живих організмів немає шкідливих і корисних хімічних елементів; питання лише в шкідливих концентраціях (як надлишкових, так і недостатніх) цих елементів. Практична необхідність враховувати закон Вернадського - Кларка з'явилася останнім часом у зв'язку з розробкою показників, що нормують вміст різних хімічних елементів в середовищі, що оточує людину). Самостійні мінеральні види - найбільш поширена (по масі) форма знаходження хімічних елементів в земній корі. Практично з мінералів складається відстала (нежива) частину літосфери. Різні комбінації хімічних елементів утворюють близько 2000 самостійних, що відрізняються один від одного мінеральних видів. Саме вони представляють собою середовище, в якій і за рахунок якої розвивається основна маса живих організмів материків, в тому числі і людей. При цьому складові мінерали хімічні елементи стають доступними організмам або в процесі їх руйнування, або в його результаті. У зв'язку з цим велике значення має не тільки склад мінералів, але і їх міцність, і особливо - розчинність. До числа найважливіших з точки зору екології слід відносити і такі властивості, як радіоактивність, тепло- і електропровідність, а також колір. Всі вони впливають і на безпеку життєдіяльності людей. Слід зазначити, що мінерали являють собою основне джерело хімічних елементів для створення різних техногенних сполук. Крім того, великі скупчення певних мінералів (зазвичай це родовища) створюють аномальну екологічну обстановку. Така обстановка при відпрацюванні родовищ стає все більш відмінною від природної, а площі її розповсюдження і вплив на людину, як правило, збільшуються. В даний час немає жодної галузі промисловості, в якій не застосовувалися б природні мінерали або безпосередньо в природному вигляді, або після відповідної переробки. Розвиток сучасного сільського господарства тісно пов'язаний з використанням мінеральних добрив. Без мінеральної сировини неможливо розвиток паливно - енергетичної бази країни. Ряд мінералів є не тільки складовою, а й необхідною частиною їжі людей ( в першу чергу кухонна сіль). Застосовуються мінерали в медицині (солі йоду, мірабіліт та ін.) Не можна не згадати про естетичному значенні мінералів, що використовуються для виготовлення прикрас, виробів, для облицювання при будівництві. Багато корисні властивості мінералів ще не відкриті, а багато забуті, хоча могли б дати мінералах друге життя. Різні мінерали поширені у верхніх частинах літосфери досить нерівномірно. Великі скупчення певних мінералів у багатьох випадках обумовлюють місце проживання людей і розвиток конкретних видів життєдіяльності. Цим пояснюється утворення населених пунктів близько рудників, районів видобутку нафти, газу, підземних вод і т. д., а також вид основної професійної діяльності більшості дорослого населення. Однак великі скупчення певних мінералів створюють і певну геохімічну обстановку, захоплюючу іноді досить великі території. Вони можуть характеризуватися (саме через великих скупчень певних мінералів) недоліком або надлишком ряду хімічних елементів, зміною кислотно- лужних умов підземних і навіть поверхневих вод. Це необхідно враховувати при організації безпечної життєдіяльності мешканців в районах розробок родовищ різних корисних копалин. Наведемо кілька прикладів, які показують, що без проведення певних заходів у багатьох з описуваних районів неможлива безпечна життєдіяльність населення. Так, в Каратау (Казахстан), в районі широкого розвитку свинцово-цинкових руд в карбонатних відкладеннях спостерігається різка нестача фтору. Це призводить до порушення структури кісток, зубів, провокує розвиток ряду захворювань. Без фторування питної води безпечна життєдіяльність людей в цьому рудному районі неможлива. Інший приклад - Саякский рудний район (теж в Казахстані), де розвинені сульфіди міді, заліза, миш'яку, молібдену, кобальту. Ці метали, потрапляючи в підземні води (поверхневих там немає), роблять їх практично непридатними для пиття. У результаті доводиться шукати воду за межами родовищ. На Південному Уралі вивітрювання скупчення сульфідів ряду металів призвело до того, що підземні і навіть поверхневі води (озера) стали являти собою розчин кислоти, придатний для вживання, І таких прикладів досить багато. Все перераховане дозволяє вважати, що в досяжному майбутньому розробка родовищ, витяг з надр Землі мінералів і їх найрізноманітніше використання буде не зменшуватися, а збільшуватися. При цьому відбувається підсилюється (як по дальності переміщення, так і за загальним обсягом) міграція і самих мінералів, і складових їх хімічних елементів, що утворюють підвищені концентрації на певних ділянках біосфери. Все зростаюча потреба в мінеральній сировині призводить до розробки родовищ з більш низьким вмістом певних мінералів, але з великими їх сумарними запасами. Це в свою чергу викликає необхідність переміщати все великі маси так званої порожньої породи, також складається з мінералів. У кінцевому ж рахунку на все більших площах змінюються мінералого - геохімічні умови, до яких за багато років" звикли" всі живі організми цих районів. При цьому через катастрофічно швидких змін багато тварин і рослинні організми гинуть, не встигаючи пристосуватися до нових умов. Розглядаючи мінерали з точки зору безпеки життєдіяльності, слід відзначити ще дві їхні особливості. По-перше, поєднання найбільш поширених мінералів створюють в кожному регіоні певний мінералого-геохімічний фон, який не тільки визначає багато умови життя організмів, але часто контролює і їх видове різноманіття. По-друге, доступність для живих організмів хімічних елементів, складових мінерали, залежить від властивостей цих мінералів, від їх стійкості в умовах верхніх оболонок земної кори. Оцінюючи в цілому результати антропогенного впливу на мінерали, необхідно відзначити, що воно сприяє переходу хімічних елементів з мінеральної форми в колоїдну, у водні розчини і в біогенну форми знаходження. Особливо слід відзначити безпосередній вплив мінералів на людину, що приводить до зменшення безпеки життєдіяльності. Ще в недавньому минулому людей практично постійно оточували природні мінерали. Сучасні будівельні технології помістили людство у світ штучних сполук , істотно відмінний від того, в якому йшли розвиток і еволюція людей. Усі наслідки цієї зміни ще не з'ясовані, але можна розглянути деякі форми впливу мінералів на людину і безпеку його життєдіяльності. Частина мінералів, особливо містять радіоактивні елементи), зменшує безпеку життєдіяльності навіть на відстані. Крім них, природні скупчення ряду мінералів (наприклад, магнетиту) викликають сильні магнітні та електричні поля та утворення геопатогенних зон негативно впливають на людину. Велика частина природних мінералів зменшує безпеку життєдіяльності при безпосередньому зіткненні з людьми. Так, пил галогенідів (галита, сильвіну, карналіту), потрапляючи на шкіру, викликає її роздратування. Пил кварцу, азбесту, вугілля, проникаючи при диханні в легені, викликає важкі захворювання - пневмоконіози (силікоз, азбестоз і т.д.), туберкульоз, рак легенів. (Ось чому необхідно прийняття спеціальних застережних заходів при роботі гірників , особливо в підземних виробках)/ Найбільш небезпечне потрапляння в легені пилу мінералів радіоактивних елементів, свинцю, цинку, міді, ртуті, кадмію, кобальту, бору, нікелю, молібдену, селену, ванадію і талію. При роботі з ними для забезпечення безпеки життєдіяльності потрібно особливо строго дотримуватися всіх заходів , обумовлені технікою безпеки, що перешкоджає попаданню пилу в легені. Водні розчини - найважливіша для живих організмів форма знаходження хімічних елементів. Без них практично неможлива життєдіяльність людей, а склад цих розчинів в чому контролює її безпеку. Як вже вказувалося, основна маса природних водних розчинів часто відокремлюється в окрему оболонку Землі - гідросферу. Її більша частина припадає на частку Світового океану, менша - на підземні і поверхневі води континентів. У сумі на частку морів і океанів припадає близько 71 % земної поверхні. За даними В.М. Гольдшмідт, на 1 см2 поверхні Землі припадає 273 л природних водних розчинів, що розподіляються таким чином:  Об'єм, л Маса, кг Морська вода 268,45 278,11 Прісна вода 0,10 0,10 Континентальний лід 4,50 4,50 Водяні пари 0,003 0,003 У більшості випадків саме наявність води контролює розвиток живих організмів. Вода є і основним природним розчинником мінералів, газів і техногенних сполук, що не мають аналогів у природі. Вважається, що у воді взаємодія між іонами в 80 разів слабкіше, ніж в кристалах. Тому для рослин і тварин полегшено вибіркове надходження необхідних їм іонів з водних розчинів. Без води неможливе життя організмів, що існують зараз на Землі. При цьому для більшості з них, в тому числі і для людей , потрібна не просто вода, а прісна, тобто така, в 1 л якій вміст сухого залишку менше 1 м. А такої води міститься на Землі всього близько 2% її загальних запасів. Велика частина вод відрізняється досить високим ступенем мінералізації. Так, середня солоність морів і океанів (а це понад 70% всієї гідросфери) складає 3,5 г/л, а солоність мінералізованих підземних вод континентів часто доходить до 200 г/л. Прісну воду люди використовують не тільки для пиття, але і в самих різноманітних техногенних процесах. Вважається, що загальне річне споживання становить близько 3500 км3, тобто на одну людину припадає близько 800 м3 води. Наявністю прісних вод в ще більшій мірі, ніж великими скупченнями певних мінералів, обумовлені виникнення і розвиток населених пунктів. Практично всі великі міста розташовані на річках. Однак досить часто русла річок приурочені до ослабленим зонам літосфери. У разі землетрусів по цих зонах відбуваються найбільші зміщення земної кори, що викликають руйнування будівель і загибель жителів. Це необхідно враховувати при організації безпеки життєдіяльності мешканців таких населених пунктів. Газові суміші. Хімічні елементи, складові цю форму знаходження, утворюють верхню оболонку Землі - атмосферу.

Крім того, значна кількість газів заповнює порожнечі і порожнини в ґрунтах і в гірських породах, знаходиться в сорбованому стані. Для всіх живих організмів, у тому числі і для людей, найбільш важливі атмосферні та ґрунтові гази. Оскільки раніше умови життєдіяльності людей визначалися приземної атмосферою, то техногенні процеси впливали на атмосферу в основному на перших кілометрах від земної поверхні; тепер же цей показник змінився і становить вже десятки кілометрів. У першу чергу слід зазначити, що процеси життєдіяльності впливають на так званий озоновий шар, викликаючи його руйнування. Сам озоновий шар являє собою особливу оболонку у складі атмосфери з максимальною концентрацією озону на висоті близько 20 км. Цей шар різко знижує інтенсивність ультрафіолетової радіації Сонця. У результаті вона мінімальна у поверхні Землі. Таким чином, озоновий шар забезпечує збереження живих організмів і життя на поверхні Землі в цілому. Колоїдна і сорбована форми знаходження отримали максимальний розвиток у ґрунтах , хоча вони досить широко поширені в гідросфері та атмосфері. У цих формах переносяться і відкладаються дуже багато забруднюючі речовини. Отже, без урахування колоїдів неможливо повно і комплексно охарактеризувати умови безпечної життєдіяльності. Колоїдні системи зазвичай неоднорідні, гетерогенні, складаються не менше ніж з двох фаз. При цьому одна з них складається з частинок розміром 0,1 ... 1,0 ммк і називається дисперсної фазою. Частинки цієї фази розподілені в іншій - дисперсійному середовищі. Речовини, що становлять різні фази, відрізняються рядом властивостей і мають реальну фізичну поверхню розділу. Сорбція являє собою концентрування на поверхні частинок лише певних речовин з дисперсійного середовища. Концентрація цих речовин може бути дуже істотною, а зв'язок їх з сорбентом - сильною і зберігається тривалий час. В результаті антропогенної діяльності маса колоїдів зростає, особливо в атмосфері. За даними В.В. Добровольського, в 1 м3 повітря вміст важких металів над континентами становить n • 10 - 5г. Будучи тонкодисперсними, вони, потрапивши в легені людини, можуть швидко і в значних кількостях переходити в кров, що особливо шкідливо. У дуже великих кількостях аерозолі містяться в атмосфері великих міст. У роботах В.А. Алексєєнко (1993, 1994, 2000) показано, що основна їх частина досить швидко осідає в межах населених пунктів. Це суттєво погіршує умови життєдіяльності людей в місцях їх найбільшої щільності проживання. Техногенні сполуки, що не мають природних аналогів, вперше були виділені автором в 1989 р. як самостійна форма знаходження хімічних елементів в земній корі. Кількість з'єднань, створених людиною і не мають природних аналогів, в останні десятиліття безперервно і дуже швидко росте як за їх загальній масі, так і за видовою різноманітністю. Посилюється і їх вплив на організми. Не враховувати геохімічної (біологічної) ролі техногенних сполук стає неможливим. Коротко розглянемо основні групи таких сполук. До них у першу чергу слід відносити різні пластмаси, синтетичні миючі засоби; багато галогеносодержащих органічні сполуки, пестициди, полі циклічні ароматичні вуглеводні. Їх безконтрольне виробництво вже зараз починає загрожувати безпеці життєдіяльності. Можна впевнено припускати, що в майбутньому ця проблема може увійти до числа основних, що стоять перед людством. Причин, що дозволяють висловити таке припущення, досить багато. Коротко розглянемо три з них, які ми відносимо до основних: 1. Дуже велике число техногенних сполук, що не мають природних аналогів, відноситься до токсичних або стає таким, вступаючи в реакції з іншими речовинами. При цьому багато хто з цих сполук створюються не спеціально, а є побічними продуктами різних виробничих процесів. 2. Особливе значення має проблема утилізації речовин, дуже повільно розкладаються в умовах біосфери. Це відноситься до різних пластмасам, діоксинам, синтетичним волокнам, фреонам і т. д. Враховуючи досвід інших країн, варто задуматися, чи слід створювати багато пестициди, красиві і важко розкладаються упаковки для різних товарів і багато інших 3. З'єднання на шкоду розвитку живих організмів, включаючи, в кінцевому рахунку, людини. Безпосередній вплив (а особливо його пізно позначаються наслідки) розглянутих сполук на людину та інші живі організми вивчено явно недостатньо. Ймовірно пройдуть ще багато років, перш ніж буде вирішена ця проблема. До біогенної формі належать хімічні елементи та їх поєднання в земній корі, що утворюють все різноманіття тварин і рослинних організмів. Вперше ця форма була розглянута В. І. Вернадським. Незважаючи на порівняно невеликий вміст живих організмів, що мешкають в земній корі, без урахування їх діяльності неможливо правильно уявити геохімічні процеси, що протікають на поверхні Землі. Особливо відзначаючи це, В.І. Вернадський писав: "... жива речовина в біосфері відіграє активну основну роль і за своєю потужністю ні з чим, ні з якою геологічною силою не може навіть бути порівнянне за своєю інтенсивністю і спрямованості в часі". До живому речовини біосфери, за визначенням В.І. Вернадського, відноситься сукупність всіх її живих організмів. Не зупиняючись на різноманітті процесів, що протікають під впливом живої речовини, відзначимо тільки, що в результаті життєдіяльності та автотрофних бактерій (синтезують з неорганічних сполук органічні, використовуючи енергію Сонця), і гетеротрофних (використовують органічні речовини, створені іншими організмами) утворюється вода. У результаті процесів фотосинтезу виділяється вільний кисень. Таким чином, ряд живих організмів створює умови, що забезпечують життя і безпеку життєдіяльності людей. Рекомендована література:

1. Справочник по геохимии, Г.В. Войткевич, А.В. Кокин, А.Е. Мирошников, В.Г. Прохоров, М., Недра, 1990

2. Основы геохимии, Я. Мияки, Л., Недра, 1969

3. Геохимия окружающей среды, А.А. Беус, Л.И. Грабовская, Н.В. Тихонова, М., Недра, 1976

4. Основы геохимии, Г.В. Войткевич, В.В. Закруткин, М., В.Школа,1976