ХИМИЯ ЛИТОСФЕ РЫ

ХИМИЯ ЛИТОСФЕ РЫ

СОДЕРЖАНИЕ I. Планета Земля 1) Строение литосферы 2) Химический состав литосферы 3) Минералы 4) Кристаллы 5) Виды полезных ископаемых 6) Загрязнение литосферы 7) Рациональное использование природных ресурсов II. Круговорот химических элементов

ЗЕМЛЯ СТРОЕНИЕ ЛИТОСФЕРЫ Толщина литосферы колеблется в пределах 10– 100 км; 10– 20 км над океанами, 35– 50 км над материками, 70– 80 км над горными массивами; масса литосферы составляет 0, 3– 0, 4 % от массы Земли. Верхние слои осадочного подслоя литосферы (до 2– 3 км) называют литобиосферой. Толщина осадочного слоя может достигать 20 км, ниже расположены гранитный (до 40 км) и базальтовый (ниже 40 км) подслой.

Относительно тонкая оболочка, которую мы можем непосредственно изучить, называется земной корой. На основании сейсмических исследований толщину земной коры считают равной приблизительно 32 км. Остальную часть мы называем внутренней литосферой, которая включает также и центральную часть, называемую ядром.

Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию. Этот термин охватывает также и центральное ядро, хотя окончательно не выяснено, какое оно – твёрдое или жидкое. Литосфера представляет собой «шар» из твёрдого вещества радиусом около 6400 км. Мы имеем прямой доступ только к небольшой части этого огромного шара. Самые глубокие шахты имеют глубину 3 -5 км; глубина нефтяных скважин достигает 5 -8 км. Схематическое строение Земли.

ВНУТРЕННИЕ СЛОИ ЛИТОСФЕРЫ Внутренние слои литосферы можно изучать только с помощью сейсмических исследований. Ударные волны, вызванные землетрясением, распространяются в толще Земли со скоростью, зависящей от упругих свойств и плотности пород, которые встречаются на пути. Зная это сейсмологи могут определить наличие в литосфере зон с различными свойствами. Внешний слой, или мантия Земли, простирается на глубину больше 3000 км и, как принято обычно считать, находится в твердом состоянии. Плотность этого твердого вещества составляет около 3 г/см вблизи поверхности и увеличивается примерно до 5 г/см в нижних слоях мантии.

Мантия Земли состоит, по-видимому, из различных силикатов. Ядро Земли состоит преимущественно из железа, что подтверждалось составом метеоритов. Метеориты – это твердые тела, падающие на Землю через атмосферу из космоса. Вполне возможно, что они являются обломками планет, напоминающих Землю. Поэтому по составу метеоритов можно будет определить природу внутренних слоев литосферы. Предполагается, что температура вблизи центра Земли порядка нескольких тысяч градусов. При этой температуре на земной поверхности все горные породы расплавились бы, но, поскольку давление во внутренних слоях Земли очень велико, весьма вероятно, что ядро Земли находится в твердом состоянии.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛИТОСФЕРЫ В земной коре преобладают восемь элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний. На долю кислорода приходится почти половина массы земной коры. Распространенность химического элемента с ростом его порядкового номера заметно убывает. Наиболее распространенными являются элементы с порядковыми номерами до 28.

Элемент Масса, в Объем, в % О 46, 60 91, 97 Si 27, 72 0, 89 А 1 8, 13 0, 77 Fе 5, 00 0, 68 Мg 2, 09 0, 56 Са 3, 63 1, 48 Na 2, 83 1, 60 К 2, 59 2, 14

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ 1. Литофильные элементы входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы. 2. Халькофильные элементы образуют многочисленную группу сульфидных и теллуридных минералов. Они могут встречаться в самородном состоянии. 3. Сидерофильные элементы составляют большую часть полиметаллических руд, образуемых многими d- и f-элементами. Они тесно перемежаются с элементами, обнаруживая повышенное сродство к сере, мышьяку, а также фосфору, углероду и азоту. 4. Атмофильные элементы составляют основу земной атмосферы. За исключением водорода и углерода в атмосфере они находятся в виде простых соединений. 5. Биофильные элементы – это так называемые элементы жизни. Они делятся на макробиогенные (H, C, N, O, Cl, Br, S, P, Na, K, Mg, Ca) и микробиогенные (V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Si, Mo, F).

Литофильные Халькофильные Сидерофильные Атмофильные Биофильные Li, Be, B, O, F, S, Fe, Co, Ni, C, P, Fe, Co, H, C, N, O, He, H, C, N, O, P, S, Na, Mg, Al, Si, Cu, Zn, Ga, As, Ni, Ge, Mo, Ru, Ne, Ar, Kr, Xe, Na, Mg, K, Ca, Cl, K, Ca, Sc, Se, Mo, Rh, Pd, Rh, Pb, Sn, Ta, Rn. V, Mn, Fe, Co, Mn, V, Ge, Br, Ag, Cd, In, Sb, Re, Os, Ir, Pt, Cu, Zn, Mo, Cl, Rb, Sr, Y, Mo, Te, Hg, Tl, Pb, Au. Br, I, F, Si. I, Cs, Ba, La, Bi. Ln, Ac, Th, U.

МИНЕРАЛЫ В геологические эпохи в результате процессов плавления, кристаллизации, растворения и осаждения различные элементы были сконцентрированы в отдельных месторождениях, где из них образовались устойчивые соединении. Эти соединения называются минералами. Многие минералы по составу соответствуют соединениям, полученным в лабораториях, но большинство из них не отличается особой чистотой. Так, большие залежи поваренной соли (хлористого натрия) образовались в тех случаях на месте бывших морей, когда отложения солей были защищены от размывающего действия воды. Мировой океан является неисчерпаемым источником хлористого натрия. Залежи калиевых солей образовалась совсем другим путём. Многие металлы встречаются в природе в виде сульфидов ( Pb. S , Mo. S 2, Zn. S ), другие металлы- в виде окислов ( Fe 2 O 3, Mn. O 2). Известны крупные месторождения карбонатов ( Zn. CO 3 , Ca. CO 3 ) и сульфатов ( Ba. SO 4) некоторых металлов. Минералы, которые присутствуют в таких высоких концентрациях, что можно вести их промышленную разработку, называют рудами.

КРИСТАЛЛ Ы Кристаллы – кристаллические вещества, связанные между собой ионной или ковалентной связью и находятся в твердом состоянии при комнатной температуре.

ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры или вытесняемая в виде лавы на ее поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.

Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде возможность медленно испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла хлорида натрия, который выделяется из раствора. При дальнейшем испарении другие ионы пристраиваются к образовавшемуся ранее зародышу, и постепенно растет кристалл с характерной внутренней упорядоченностью и гладкими наружными гранями.

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ Природные кристаллы всегда првлекало любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях» , соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

Полупроводниковые приборы, значительно изменившие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

ВИДЫ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 1. Металлические полезные ископаемые - полезные ископаемые, содержащие большее количество металла по массовой доле, чем примесей. Пример, золото, медь, ртуть и другие металлы добывают в свободном виде. 2. Неметаллические полезные ископаемые - обширная группа минералов и горных пород, из которых не извлекают в качестве главного компонента большинство металлов, которые не представляют углеводороды и углеводородные виды энергетического сырья, гидроминеральные и газообразные ресурсы.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ Назначение: v Используются в электротехнике. v Используются при изготовлении ювелирных изделий. v Используются в изготовлении легированных сталей. v Используются при изготовлении точных приборов.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ПО ХАРАКТЕРУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 1. Химическое и агрономическое сырье: галолиты (соли), апатиты, фосфориты, сера самородная, мышьяковые руды, пирит, барит, флюорит, бораты, датолит, глауконит и др. 2. Металлургическое и теплоизоляционное сырье (флюсы, огнеупоры и теплоизоляторы): доломиты, известняки, тальковый камень, магнезит, кварциты, плавиковый шпат, кианит, огнеупорные глины, графит, бокситы, хромиты, хризотил-асбест, вермикулит и др. 3. Техническое сырье (диэлектрики, абразивы и др. ): мусковит, флогопит, алмаз, корунд, топаз, гранаты, тальк, барит и др. 4. Пьезооптическое сырье: пьезокварц, турмалин, оптический флюорит, исландский шпат, оптический кварц, барит.

5. Цветные драгоценные и поделочные камни: алмаз, изумруд, александрит, рубин, сапфир, топаз, аметист, агат, опал, обсидиан, яшма, родонит, лазурит, нефрит, жадеит, ангидрит и др. 6. Строительные материалы (строительные и облицовочные камни, наполнители, гидравлические добавки, минеральные краски и др. ): гравий, песок, изверженные породы, мраморы, известняки, песчаники, пемза, мел, охры и др. ; а также искусственные легкие наполнители бетонов: керамзит, шунгизит, вспученный перлит и другие, полученные путем термической обработки соответствующих горных пород и минералов. 7. Стекольно-керамическое сырье: стекольные пески, полевые шпаты, пегматиты, каолиниты, кварц, глины, фарфоровые камни и др. 8. Цементное сырье (вяжущие материалы): известняки, мергели, глины, трассы, туфы, пуццоланы, гипс, ангидрит, опоки и др. 9. Сырье для новых отраслей промышленности (получение искусственных волокна и слюды, минеральной ваты, каменного литья и др. ): диабазы, базальты, бокситы, глины, кварцевые пески и др.

Загрязнение почвы Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Именно поэтому чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности. Одним из видов антропогенного воздействия является загрязнение пестицидами.

Одна из острейших глобальных проблем современности и обозримого будущего - это проблема возрастающей кислотности атмосферных осадков и почвенного покрова. Районы кислых почв не знают засух, но их естественное плодородие понижено и неустойчиво; они быстро истощаются и урожаи на них низкие. Кислотные дожди вызывают не только подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв. Кислотность с нисходящими потоками воды распространяется на весь почвенный профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых вод. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу оксидов серы, азота, сероводорода и оксида углерода. Естественно, что это сказалось на повышении кислотности атмосферных осадков, наземных и грунтовых вод. Для решения этой проблемы необходимо увеличить объём систематических представительных измерений соединений загрязняющих атмосферу веществ на больших территориях.

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ Планета наша не так велика и все природные процессы протекающие на ней, тесно взаимосвязаны. Так, пестициды, использовавшиеся в сельском хозяйстве Европы и Северной Америки, оказались в печени пингвинов, обитающих в Антарктиде. Уничтожение лесов в одной стране приводит к сокращению природных богатств всей планеты, выбросы химических веществ на одном континенте могут вызвать рак кожи у людей, живущих в других частях света, поступление в атмосферу углекислого газа в одном месте ускоряет изменение климата Земли в целом. Океанический и атмосферный перенос загрязняющих веществ не знает границ. "Все связано со всем".

Перед большинством стран третьего мира стоят серьезные экологические проблемы как международного, так и внутреннего характера, которые заставляют их нещадно эксплуатировать свои запасы природных ресурсов. Вследствие процесса задолженности природные ресурсы используются не в целях развития, а для выполнения обязательств перед иностранными кредиторами. В результате роста нищеты и безработицы усиливается эксплуатация природных ресурсов, экспорт которых является важным фактором экономики. Правительства многих развивающихся стран ограничили свои меры по охране окружающей среды и учету экологических соображений при планировании развития.

Основу первой промышленной революции составили уголь и железо, второй - нефть, нефтехимия и электричество, третьей - электроника, а отличительной чертой четвертой промышленной революции является интеграция экологии и экономики. Проблемы охраны природы приобрели первостепенное значение. Однако крупные экологические проблемы долгое время не тревожили человечество. Это связано с тем, что еще до сих пор не осознается во всей полноте опасность создавшегося положения. Оценка состояния окружающей среды должна являться основой для управления экологической ситуацией. Вопросы управления качеством окружающей среды включают в себя разработку структур управления, стратегии управления природными ресурсами и состоянием окружающей среды, соответствующие законы и подзаконные акты. Поддерживающие мероприятия должны обеспечивать усиление человеческих ресурсов в этой области через образование, подготовку кадров, расширение взаимосвязей с экономикой.

II. КРУГОВОРОТ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КРУГОВОРОТ ЭЛЕМЕНТОВ, ПРЕОБЛАДАЮЩИХ В АТМОСФЕРЕ И ЛИТОСФЕРЕ Круговорот углерода. Круговорот кислорода. Круговорот азота. Круговорот серы. Круговорот фосфора.

Круговорот углерода

Круговорот кислорода

Оксиды азота Соединения азота выбрасываемые с в атмосфере промышленных Круговорот предприятий азота Вулканические газы Оксиды азота Нитраты выбрасываемые с удобрений Соединения промышленных азота в предприятий океанических водах

Круговорот азот

Круговорот фосфора в природе ФОСФАТЫ В ОТХОДАХ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ Летучие ПРОМЫШЛЕННОСТИ Соединения фосфора Эрозия почв Глубоководные осадочные породы ФОСФАТНЫЕ Промышленные стоки, УДОБРЕНИЯ Мелководные СОДЕРЖАЩИЕ ФОСФАТЫ осадочные породы