Химия окружающей среды

Некоторые исследователи считают, что около 400 миллионов лет назад, до развития сосудистых наземных растений, скорости выветривания могли быть намного ниже, что вызывало повышение парциального давления СО2 в атмосфере и усиливало парниковый эффект. Однако другие ученые полагают, что маломощные почвы, стабилизированные примитивными лишайниками и водорослями, покрывали поверхность суши за миллиарды лет до развития сосудистых растений. Такие примитивные почвы могли очень эффективно увеличивать скорости выветривания, действуя путем «Геи» — потребляя атмосферный СО2 и понижая глобальную температуру. Этот эффект охлаждения мог способствовать улучшению пригодности ранней Земли для заселения другими организмами.

Твердые продукты выветривания

В результате выветривания верхней коры образуется два типа твердых продуктов. Кварц достаточно устойчив к выветриванию и накапливается в элювии. Хотя это и не вполне верно, допустим, что кварц химически инертен и не принимает в дальнейшем участия в химических реакциях. Полевые шпаты, однако, выветриваются и разрушаются с образованием глинистых минералов.

Глинистые минералы

Глинистые минералы специфичны по характеру состава, являясь водосодержащими слоистыми силикатами, состоящими в основном из атомов кислорода, кремния и алюминия. Глинистые минералы представлены небольшими чешуйками размером < 4 мкм (иногда считается, что < 2 мкм) и находятся за пределами разрешения стандартных петрологических микроскопов. Для расшифровки структуры и состава глинистых минералов требуются сложные методы, например химические, термические, рентгеновская дифракция и сканирующая электронная микроскопия.

Состав глинистых минералов

Глинистые минералы — это слоистые силикаты, построенные из слоев атомов в тетраэдрической и октаэдрической координации, известных как тетраэдрические и октаэдрические сетки.

Тетраэдрические сетки представляют собой слои тетраэдров SiО4, которые имеют три общих кислорода с соседними тетраэдрами. Эти базальные кислороды образуют гексагональный рисунок. Четвертый (апикальный) кислород каждого тетраэдра располагается на перпендикуляре, проходящем через центр базального кислородного треугольника. Сетка несет отрицательный заряд.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Октаэдрическая сетка построена из катионов, обычно алюминия, железа или магния, расположенных на равных расстояниях шести анионов кислорода (или ОН)(3.9б). Алюминий является распространенным катионом, и идеальный октаэдрический слой имеет состав гидроксида алюминия — минерала гиббсита (А1(ОН)з). Если октаэдрические позиции заполняются трехвалентным алюминием, для достижения электронейтральности занимаются только две из каждых трех позиций и сетка классифицируется как диоктаэдрическая. Если двухвалентные катионы заполняют октаэдрические позиции, все доступные позиции заняты и сетка классифицируется как триоктаэдрическая.

В результате сочетания этих трех сеток образуется основная структура глинистых минералов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура глинистых минералов 1:1

Простейшим расположением тетраэдрически. 3.10 х и октаэдрических сеток являются слои 1:1, показанные на рисунке. В состав таких 1:1 минералов входит серпентин-каолинитовая группа глинистых минералов, из которых каолинит является, вероятно, наиболее известным. В каолините пакеты 1:1 удерживаются вместе водородными связями, образующимися между ОН-группами верхнего слоя октаэдрической сетки и базальными кислородными атомами вышележащей тетраэдрической сетки. Иодородные связи достаточно сильны, чтобы удерживать пакеты 1:1 вместе, не позволяя катионам проникать между слоями в межпакетное пространство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура глинистых минералов 2:1

 

Другим важным структурным расположением является структура 2:1, сложенная октаэдрической сеткой, заключенной между двумя тетраэдрическими, апикальные кислородные атомы которых, направлены внутрь с каждой стороны октаэдрической сетки. Обобщение двух слоев апикальных кислородов с октаэдрической сеткой приводит к более высокому отношению кислород: ОН в структуре 2:1, чем в октаэдрической сетке 1:1. Такую структуру имеют все остальные группы глинистых минералов, из которых важнейшими являются группа слюд, включающая обычные слюдистые минералы и иллит, группа смектитов и группа хлоритов.

Иллит — это термин, используемый для описания слюдоподобных тонкодисперсных минералов, и он не является специфичным названием минерала; однако в общем состав иллитов близок к слюде мусковиту (см. рис). В структуре мусковита один из каждых четырех атомов кремния в тетраэдрах замещен на алюминий. Постоянное замещение четырехвалентного кремния на трехвалентный алюминий приводит к тому, что тетраэдрический слой в мусковите несет сильный чистый отрицательный заряд. В идеале иллиты имеют диоктаэдрическую структуру, но некоторые атомы алюминия в октаэдрах замещены на Fe2+ и Mg2+, в результате чего октаэдрический слой приобретает чистый отрицательный заряд.

В общем, пакеты 2:1 в иллите несут сильный чистый отрицательный заряд, известный как заряд слоя. Он нейтрализуется крупными катионами, обычно К+, который располагается между пакетами 2:1 и связан ионной связью в шестерной координации с базальными кислородами противолежащих тетраэдрических сеток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Важно отметить, что связывание между пакетами 2:1 не может быть осуществлено водородными связями с помощью ОН-групп (как в каолините), поскольку на внешних поверхностях каждого пакета 2:1 находятся только базальные тетраэдрические атомы кислорода. Более того, ионная связь между К+ межпакетного пространства и тетраэдрическими кислородами достаточно сильна, что придает иллитовым глинам устойчивость. Это является причиной их распространенности в продуктах выветривания, особенно в умеренном и холодном климате.

Смектитовая группа глинистых минералов по структуре близка к иллитам. В октаэдрических позициях распространено замещение А13+ на Mg2+ и Fe2+, а также происходит замещение некоторого количества Si4+ на А13+ в тетраэдрах, что приводит к чистому отрицательному заряду слоя. Однако по силе этот заряд составляет одну треть заряда слоя в иллите. Следовательно, смектиты неспособны эффективно связывать межпакетные катионы, и пакеты 2:1 не прочно связаны между собой. Это позволяет воде и другим полярным растворителям проникать в межпакетное пространство, вызывая набухание минерала. С водой в межпакетное пространство входят также и катионы, особенно Н+, Na+, Ca2+ и Mg2+, которые нейтрализуют отрицательный заряд. Связь между пакетами 2:1 осуществляется с помощью прослойки гидратированных катионов — сочетанием водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса. Эти слабые связи свободно удерживают катионы в межпакетном пространстве, позволяя им замещаться на другие катионы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате сходной структуры иллитов и смектитов пакеты 2:1 могут смешиваться или переслаиваться, образуя смешан-послойные глины. Большинство иллитов и смектитов в небольшой степени переслаиваются, но они не классифицируются как таковые до определения с помощью дифракции рентгеновских лучей. Как и следует ожидать, смешаннослойные иллит-смектитовые глины имеют среднюю емкость катионного обмена между членами конечного ряда.

Итак, в результате выветривания, происходящего под влиянием механических, химических и биохимических факторов, во внешней части литосферы возникают две группы продуктов выветривания: подвижные, уносимые с места их образования на различные расстояния, и остаточные (несмещенные), возникшие на месте выветривания горной породы. Остаточные продукты выветривания принято называть элювием.

Верхняя оболочка земной коры, сложенная продуктами выветривания, называется корой выветривания. Здесь горные породы, воздух и жизнь приходят в тесное соприкосновение. Глубина выветривания, т. е. мощность коры выветривания, в разных районах земного шара различна. Выветривание распространяется по трещинам горных пород до глубины в несколько десятков, а иногда и сотен метров. Однако, как правило, оно происходит главным образом в зоне, лежащей выше    уровня    грунтовых    вод. Особенно    мощная    кора выветривания формируется в условиях жаркого и влажного климата тропических и субтропических областей, где она достигает 100—200 м.

Поверхностный слой коры выветривания, разрыхленный и обогащенный органическим веществом, обладающий плодородием, образует почву. Почвы состоят из измельченных частиц различных минералов, возникших за счет выветривания горных пород, а также из перегноя — органического вещества, образовавшегося за счет жизнедеятельности растений и животных, окрашивающего почву в темный цвет. Изучением почв занимается наука почвоведение. Горные породы, на которых и за счет которых происходит процесс почвообразования и возникают почвы, называются почвообразующими породами.

 

Гидросфера

 

Гидросфера — совокупность всех природных вод Земли. С химической точки зрения она представляет собой раствор или взвесь различных веществ в воде, причем их концентрация может быть небольшой. Движение вещества в гидросфере преимущественно однонаправлено: сверху (где вода образуется из водяного пара) вниз (куда вода стекает под действием сил тяжести). Для того чтобы попасть снизу вверх вещество должно выйти из гидросферы.

Поскольку гидросфера, в отличие от атмосферы, — плотная среда, перемешивание вещества в ней происходит достаточно медленно (среднее время перемешивания — 1600 лет). Поэтому вещество в гидросфере перемешивается в основном локально, и состав гидросферы, в отличие от состава атмосферы, весьма неоднороден. Соответственно, и химические процессы в разных частях гидросферы могут быть неодинаковыми. Например, химия океанских и болотных вод очень сильно различается.

Реакции многих веществ в малых концентрациях отличаются от реакций тех же веществ в больших концентрациях. В первую очередь сильно заторможено образование осадков, поскольку для образования зародыша кристалла нужно определенное количество вещества.

Многие вещества в гидросфере присутствуют в виде разнообразных химических форм, между которыми существует динамическое равновесие. Распределение вещества по формам зависит от наличия в растворе других веществ.

Хотя принято говорить «в природной воде растворены соли» никаких солей в природной воде на самом деле нет. Все соли в природной воде диссоциированы, поэтому правильнее говорить, что в воде присутствуют те или иные ионы. Поскольку видов ионов в природной воде много, они, в зависимости от условий, могут по –разному объединяться и давать разные соли. Например, если в воде присутствуют хлориды, сульфаты, ионы магния и ионы натрия, они могут образовать такие соли как NaCl. Na2SO4, MgCl2, MgSO4.

 

Состав природной воды

 

Основу гидросферы составляет вода, в которой растворены самые разные вещества. Именно это многообразие растворенных веществ и обеспечивает различные свойства природной воды.

 

Источники и стоки веществ, растворенных в воде

 

 Виды источников

 

Вода в природе находится в постоянном круговороте. Она испаряется с поверхности океанов, ее пары переносятся ветрами, конденсируются, проливаются дождями и вновь стекают в океан, по дороге омывая горные породы. Часть воды поглощается и испаряется растениями, другая — стекает в подземные резервуары.

Наиболее чиста дождевая вода, но и она взаимодействует с находящейся в атмосфере пылью, поэтому проливается уже с небольшим количеством растворенных и взвешенных веществ. Кроме того, в дождевой воде растворены природные газы — N2, О2, CO2, SO2 и т.д. Попав на поверхность Земли, вода частично стекает по поверхности в низины (так называемый поверхностный сток), формируя поверхностные водоемы (реки и озера).

Другая часть уходит в подземные поры и течет по ним. Часть ее стекает в глубокие подземные слои, формируя подземные воды, часть, проделав долгий путь под землей, в конце концов, все равно оказывается в поверхностных водоемах (подземный сток). По дороге растворенные в воде газы реагируют с горными породами, а вода растворяет подземные запасы солей. Причем чем дольше вода пробыла под землей, тем больше она может в себе растворить. Источником растворенных веществ также может быть пыль, оседающая на поверхность водоемов. Например, иссушение Аральского моря привело к тому, что огромные массы оставшейся соли были развеяны ветром и выпали к востоку от Аральского моря, увеличив концентрацию солей в водоемах этих местностей. Источники растворенных веществ классифицированы на рисунке.

 

 

 

Кроме внешних источников растворенных веществ в водоеме существуют и внутренние источники. Различные вещества выделяются живущими в водоемах организмами. Вещества могут переходить в толщу воды из донных отложений, а также образовываться из других веществ в результате химических реакций.

 

Виды стоков

 

Вымывание проточными водами. Наиболее мощный сток в проточных пресных водоемах – растворенные вещества стекают в моря, подземные воды или бессточные озера.

Вынос ветром (эоловый вынос). Во время штормов ветер срывает мельчайшие капельки воды с поверхности водоемов. Таким образом, происходит вынос растворенных веществ из водоема. Хотя ветром уносится, как правило, незначительная доля растворенных веществ, эти вещества, переносясь на сушу, могут существенно влиять на химический состав прибрежных водоемов. Наиболее существенную роль играет эоловый вынос с поверхности океанов.

Кристаллизация. В результате испарения воды концентрация растворенных веществ повышается и в итоге раствор может оказаться насыщенным. Насыщение раствора может произойти и в результате понижения температуры, т.к. от нее зависит растворимость солей (см. рис). Тогда растворенные вещества (в первую очередь, соли) выпадают в осадок (кристаллизуются). Чем меньше растворимость соли, тем при более высокой температуре она кристаллизуется. Однако этот процесс имеет значение только для ионов, концентрация которых в воде достаточно велика.

 

Адсорбция на взвешенных частицах. Многие растворенные вещества способны адсорбироваться на поверхности взвешенных частиц. Когда взвешенные частицы оседают, адсорбированное вещество переходит в донные отложения, выводясь тем самым из водоема.

Химические реакции в водоеме. Растворенные в воде вещества могут вступать между собой в различные реакции. В результате они превращаются в другие растворимые вещества, то есть переходят в другие формы. Например, ион Hg2+, попав в водоем, содержащий хлориды, превращается в нейтральную частицу HgCl2. Органические вещества могут разрушаться и таким образом уходить из водоема. В результате химических реакций могут также образовываться летучие или нерастворимые вещества. Первые уходят в атмосферу, вторые — в донные отложения. Например, ионы двухвалентного железа, окисляясь кислородом воздуха в присутствии гидрокарбонатов, оседают в виде гидроксида железа (III):