Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Апреля 2014 в 23:45, реферат
В основе процессов, обусловливающих современное состояние биосферы, лежат химические превращения веществ. Химические аспекты проблемы охраны окружающей среды формируют новый раздел современной химии, названный химией окружающей среды. Это направление рассматривает химические процессы, протекающие в биосфере, процессы миграции и трансформации химических соединений природного и антропогенного происхождения в атмосфере, литосфере и гидросфере, дает характеристику основных химических загрязнителей и способов определения уровня загрязнения, разрабатывает физико-химические методы борьбы с загрязнением окружающей среды и др.
Согласно приведенным данным, на долю восьми химических элементов приходится 98,53% (по А. П. Виноградову) всего состава земной коры, на долю остальных химических элементов— менее 1,5%. Причем только три из них— углерод, титан и марганец — составляют десятые доли процента, а восемь — фтор, фосфор, сера, хлор, барий, рубидий, стронций и цирконий — встречаются в количествах, составляющих сотые доли процента. Остальные химические элементы имеют еще меньшие кларки, измеряемые тысячными, миллионными и более мелкими долями процента.
Установлено, что в природе преобладают элементы легкие, а с возрастанием порядкового номера в периодической системе Д.И. Менделеева распространенность их убывает. Изучение космических тел галактики, в том числе и метеоритов, показало, что главные закономерности распространения химических элементов являются общими как для Земли, так и для всех космических тел. Преобладают также элементы четных порядковых номеров по сравнению с нечетными.
В распределении химических элементов в земной коре отмечаются определенные закономерности: в поверхностных частях преобладают кислород, кремний и легкие металлы, с глубиной значительно возрастает роль железа и магния и уменьшается роль алюминия, кальция и натрия. При углублении в недра земной коры увеличивается содержание тяжелых элементов, в частности тяжелых металлов.
Кларковые величины химических элементов в земной коре определяются строением атомных ядер. Но высокие кларки еще не определяют возможности скопления их в виде промышленных месторождений. Например, галлий, бериллий, цезий и другие элементы имеют довольно высокие кларки, однако они не образуют значительных скоплений в земной коре. А такие элементы, как золото, серебро, висмут, ртуть, хотя и имеют небольшие кларки, но образуют крупные промышленные месторождения. Способность давать значительные скопления зависит от химических свойств атомов, от прочности связей электронов на внешних орбитах, от способности элементов вступать в соединения, окисляться и т.д.
В земной коре химические элементы обычно встречаются в виде химических соединений и реже в виде индивидуальных химических элементов, образующих минералы и входящих в состав горных пород.
Минералом называют простое вещество или химическое соединение, возникающее в результате природных процессов или искусственно получаемое в лаборатории.
В настоящее время известно около 3 тыс. минералов. Среди них лишь несколько десятков широко распространены, остальные встречаются редко.
Минералы могут состоять из одного химического элемента (золото, кислород, азот, алмаз, графит и др.) или из нескольких (кварц, кальцит, полевой шпат, роговая обманка и др.). Большинство минералов — твердые тела. Однако имеются жидкие (вода, ртуть) и газообразные (метан, оксид серы, диоксид углерода) минералы. Твердые минералы по своему строению бывают двух видов — кристаллические и аморфные. Кристаллические минералы в природе преобладают — их 98%. Кроме того, встречаются скрытокристаллические минералы, кристаллическая структура которых устанавливается, например, при микроскопическом исследовании.
Минералы, слагающие основную массу горной породы, получили название породообразующих. Их менее 40, но они слагают толщу земной коры на 99%. Наиболее распространенными из них являются алюмосиликаты, силикаты, карбонаты и глинистые минералы.
Общий минеральный состав земной коры (%) выражается примерно следующими цифрами:
Полевые шпаты 57,9
Железо-магнезиальные силикаты 16,8
Кварц 12,6
Слюды 3,6
Кальцит 1,5
Минералы глин 1,1
Прочие минералы 6,5
В горной породе — в зависимости от ее происхождения — преобладают те или иные минералы. В магматических — основная масса сложена силикатами и алюмосиликатами; в осадочных — преобладают глинистые минералы, карбонаты, минералы группы кварца, сульфаты и хлориды; в метаморфических — широко распространены слюды, тальк, полевые шпаты, кварц.
В горных породах, помимо породообразующих минералов, в небольших количествах присутствуют и минералы-примеси. Например, в граните, мы встречаем апатит, гранат и другие минералы в виде редких рассеянных зерен.
Все горные породы в зависимости от происхождения подразделяются на три большие группы.
Основную массу слагают магматические горные породы (95%). Осадочные породы составляют всего 5%. Однако поверхностные части литосферы сложены на 75% осадочными породами, и лишь 25% приходится на долю магматических. Метаморфические горные породы причисляются к тем породам, за счет которых они образовались.
Наземная среда, кора и круговорот веществ
Наземные среды включают твердые (породы отложения и почвы), жидкие (реки, озера и грунтовые воды) и биологические (растения и животные) компоненты. В химии наземной среды преобладают реакции между земной корой и флюидами в гидросфере и атмосфере.
Наземная среда обитания расположена на континентальной коре, громадном резервуаре магматических и метаморфических пород (масса континентальной коры =23,6* 1024г.) Этими породами, часто называемыми кристаллическим фундаментом, образована большая часть континентальной коры. Около 80% фундамента перекрыто осадочными породами, имеющими среднюю толщину 5 км. Около 60% осадочных пород представлено тонкозернистыми глинисто-алевритовыми породами (глины и кварц SiO2), а остальная часть — в основном карбонатами (известняками — карбонатом кальция - СаСО3) и доломититами — MgCa(СОз)2 и песчаниками (в основном кварцем).
Ил, пыль и песчаные отложения образуются главным образом за счет выветривания — разрушения и изменения твердой породы. Эти отложения обычно переносятся реками в океаны. В морской воде они погружаются на морское дно, где в результате физических процессов и химических реакций превращаются в осадочные породы, которые со временем вновь становятся сушей, обычно в процессе горообразования.
Геологическая летопись показывает, что такой механизм транспорта веществ действует уже, по меньшей мере, 3,8 миллиарда лет. Новые отложения возникают как из более старых пород, так и из заново образованных или древних магматических и метаморфических пород.
Выветриванием называется сумма процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов на поверхности суши под влиянием факторов и условий географической среды. Этот процесс нельзя отождествлять с деятельностью ветра. Он гораздо сложнее и многограннее.
Выветривание — сложный процесс, проявляющийся под влиянием многих физических, химических и биологических факторов. Поэтому правильнее говорить о выветривании как о едином процессе, выделяя частные процессы — физические, химические и биологические, проявляющиеся в тесной связи и взаимодействии.
Горные породы и минералы, как и всякие природные образования, обладают определенным химическим составом и существуют при определенных физических условиях, под которыми понимают температуру, давление и некоторые менее существенные для них условия: напряжение магнитного и электрического полей и т. п.
Таким образом, горная порода представляет собой состояние равновесия между ее химическим составом и физическими условиями ее существования. Как известно, физические и химические свойства вещества не существуют в нем изолированно. Они связаны между собой соотношениями: с изменением химического состава вещества меняются его физические свойства. Изменение физических условий существования вещества может повлиять на изменение его химического состава.
В физической химии одно или несколько совместно существующих веществ в совокупности с физическими условиями, в которых они находятся, носят название физико-химической системы. Сами вещества при этом принято называть фазами. Последние представляют физически вполне однородные, но между собой различные, механически разделенные тела. Если эти фазы при известных температуре, давлении и концентрации компонентов (т. е. составных частей) в данной системе остаются неизменными, такая физико-химическая система находится в состоянии равновесия. Температура, давление и концентрация компонентов данной системы рассматриваются как факторы равновесия.
Каждая физико-химическая система может существовать лишь при определенных физико-химических условиях равновесия в строгой зависимости от соответствующих факторов. Каждая фаза находится в определенных, то широких, то узких, пределах температуры, давления и концентрации компонентов. Как только эти факторы равновесия выходят за указанные пределы, данная фаза становится неустойчивой, ее вещества переходят в другие фазы системы.
Например, изверженные и метаморфические горные породы, образовавшиеся при иных физико-химических условиях, чем те, которые существуют на Земле, выйдя на поверхность, под влиянием новых условий, возникающих вследствие соприкосновения пород с воздухом и атмосферными осадками, а также при участии биосферы, подвергаются периодическим изменениям и становятся неустойчивыми. Путем ряда физико-химических и биохимических изменений своего состояния они стремятся к новому состоянию — равновесию, т. е. выветриваются.
В результате выветривания изверженных и метаморфических горных пород образуется материал, из которого и формируются осадочные горные породы. Последние в свою очередь также подвергаются процессам выветривания. При разложении изверженных и метаморфических горных пород остается больше неразложенных минералов, чем в тех случаях, когда разлагаются осадочные горные породы, так как последние уже прошли по крайней мере один цикл разложения. При выветривании, прежде всего происходит преобразование минералов, входящих в состав пород, неустойчивых в новых поверхностных условиях. Эти преобразования начинаются в зоне, где идут процессы окисления и где видную роль в присутствии воды играет гидратация ряда минералов кристаллических пород.
В различных климатических зонах земного шара выветривание происходит с преобладанием физических, химических или биохимических процессов. В пустынях, высоких скалистых горах, а также в полярных странах — везде, где горные породы не прикрыты почвой и растительностью и в виде камней и скал обнажаются на поверхности, — происходит интенсивный процесс разрушения, главным образом за счет суточных и сезонных колебаний температуры. Здесь преобладают механические процессы дезинтеграции пород, протекающие без изменения минерального состава. Другими важными факторами в механическом разрушении горных пород являются замерзающая вода, сила тяжести, кристаллизация из растворов солей, разряды электричества (молнии), пожары и др. Температура наружных слоев земной коры подвержена постоянным колебаниям: суточные колебания, например для Европы, сказываются до глубины 2—3 м, а годовые — до 25—30 м.
Одно и то же количество теплоты, получаемое земной корой от Солнца, неодинаково нагревает горные породы различного состава. И это отражается на температуре воздуха данной местности, растительном покрове и продолжительности снегового покрова, что, в свою очередь, сказывается на скорости процессов выветривания. Механическое разрушение пород данной местности при определенной разности температур происходит тем сильнее, чем быстрее наступает изменение температуры, потому что интенсивность термических напряжений зависит исключительно от скорости изменения температуры, а не от ее конечных значений.
Механическому разрушению горных пород способствуют также корни растений. Живые корни обладают значительной силой. Проникая в узкие трещины, они расширяют их в процессе своего роста и отрывают от скал большие глыбы и обломки горных пород. Не меньшей механической силой обладают и мертвые корни.
Горные породы разрушаются также под действием электрических разрядов — молний, которые часто ударяют в .наиболее высокие вершины гор. Породы раскалываются по многочисленным трещинам, часто расходящимся в виде звездчатых форм. Нередко молния расплавляет поверхность горных пород, покрывая ее стекловидным натеком в форме капель. При ударе молнии в песок она вызывает стеклование, идущее иногда на глубину в несколько метров.
Своеобразное механическое разрушение горных пород 'происходит в пищеварительных каналах некоторых современных иглокожих и червей. Известно, что у мезозойских динозавров в пищеварительных органах находили размалывающие куски горных пород. В мускулистом желудке современных червей твердые обломки горных пород в виде зернышек действуют как жернова, измельчающие породы, пропускаемые I червями через свои желудки.
В условиях климата с незначительными и нерезкими колебаниями температур физические процессы разрушения горных пород проявляются замедленно. Здесь более активны химические и биохимические процессы. Процесс выветривания особенно активно протекает при наличии воды, свободного кислорода, двуокиси углерода и органических кислот.
Интенсивность выветривания резко увеличивается во влажном и теплом климате. При одинаковых климатических данных химическое преобразование горных пород тем интенсивнее, чем значительнее разница между физическими условиями, существующими на земной поверхности, где разрушаются горные породы, и теми, в которых они формировались.
Механизмы химического выветривания
Известны различные механизмы химического выветривания, разнообразные сочетания которых действуют одновременно в ходе процессов разрушения большинства пород и минералов.