1. Химия и геохимия



Скачать 398.35 Kb.
страница1/3
Дата02.05.2016
Размер398.35 Kb.
ТипЛекция
  1   2   3
Лекция 1
1. Химия и геохимия
С этого семестра вы начинаете изучать целый цикл дисциплин в которых, где так или иначе упоминается слово геохимия: экологическая геохимия, геохимия окружающей среды, экологическая гидрогеохимия. Что же представляет собой геохимия как наука. Дословно это можно перевести как химия Земли. Это отчасти так, но не совсем. В школе и на первом курсе вы изучали общую химию. Поэтому некоторое представление о химии у вас имеется. В чем же разница между химией и геохимией. Она, прежде всего в истории этих наук.

Химия зарождалась как прикладная наука о веществах. В основе ее опыты алхимиков, которые пытались искусственно получить золото, большой вклад в ее развитие внесли медицина и фармакология. Затем она из прикладной превращается в одну из фундаментальных наук, пытающихся вместе с физикой раскрыть тайны мироздания. Но именно с этого момента она и перерастает в геохимию. Последнюю считают наукой двадцатого века, связывая становление с именами таких выдающихся ученых как Вернадский, Ферсман, Гольдшмидт. Но не даром говорят - нет ничего нового в подлунном мире.

Химия, оставаясь по существу практической наукой, исследует атомы и молекулы по большей части в лабораторных и искусственных условиях с целью производства все новых веществ, которые необходимы для удовлетворения растущих потребностей человека. Геохимию больше интересуют происхождение атомов и условия их миграции в природных и техногенных объектах, где связи между веществами более множественные - в воздухе, почве, воде, кристаллах, горных породах, живых организмах. Геохимия изучает атомы в историческом срезе, что сближает ее с исторической геологией, Более того, если первоначально ее интересы ограничивались земной корой, и тогда она была близка геологии, то позже сфера ее интересов охватывает весь окружающий нас мир и современную геохимию более точно следовало бы именовать космохимией.

Таким образом, объектом геохимия являются атомы химических элементов, но имеются различные ее ветви, отличающие определенной специализацией, то есть предметом исследований. Есть общая геохимия, которая изучает наиболее общие законы, управляющие поведением атомов в природе и прикладные ее ответвления: экологическая, поисковая, геохимия ландшафтов, геохимия рудных месторождений и др.

Прежде мы должны познакомиться с основами общей геохимии, а далее будем изучать ее прикладные направления, имеющие отношение к экологическим вопросам, так как по большей части они связаны с геохимией веществ, рассматриваемых в качестве загрязняющих геосферные оболочки нашей планеты.

Отдавая дань уважения основоположникам геохимии, рассмотрим их понимание объекта и предмета геохимии. Опре­деление по В.И.Вернадскому звучит так: «Геохимия научно изучает химические элементы: т.е. атомы земной коры, и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения» .

По А. Е.Ферсману (1932), «геохимия изучает историю химических элементов - атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы».

По В. М. Гольдшмидту (1954 г.), «совре­менная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосферную циркуляцию элементов в природе на основе свойств атомов и ионов».

Близкие по существу определения геохимии дают и другие видные ученые А.А.Сауков, В.В.Щеребина, А.И Лерельман, Б.Мей­сон. Их определения меж собой отличаются лишь тем или иным акцентом, связанным со специализацией и интересами авторов.

В современном понимании геохимия является наукой о процессах и следствиях миграции - концентрации и рассеивания химических элементов в разных геологических объектах - оболочки Земли, породы, осадки, почва, поверхностные и подземные воды

Определе­ние содержания геохимии как науки об истории земных атомов не только предполагает обязательное решение такой важной задачи, как изучение распределения элементов в различных природных объектах, но и подключает геохимию к главной задаче всех наук - выяснению происхождения и истории развития нашей пла­неты и всей Вселенной, законов этого развития.

История становления науки об атомах, начиная с античных времен, хорошо освещена в литературе и вы ее должны изучить самостоятельно. На семинарском занятии будем разбирать наиболее интересные и значимые вопросы по этой теме.

2. Химические и физические свойства веществ

В основе современной геохимии лежит фундаментальное представление о том, что весь окружающий нас вещественный мир – это мир атомов и их соединений в самых разных формах и фазовых состояниях. Но сам термин «атом», придумали еще задолго до новой эры античные мыслители, подразумевая под атомами мельчайшие элементарные вещества, которое не имеет составных частей – своего рода кирпичики мироздания. И хотя в 19 веке новой эры выяснилось, что атом далеко не элементарная частица, тем не менее, именно атомы считаются химическими элементами, потому что в иерархии частиц микромира именно с них начинаются химические свойства.

Химическую систематику элементов или атомов составил в 1869 году Д, И. Менделеев, открыв периодический закон, согласно которому существует более сотни атомных видов, свойства которых меняются подобно спирали – сначала постепенно, потом скачкообразно, оказываясь на новом уровне. Имеется некий ряд химических элементов, начало которому дают химически наиболее активные металлы, затем их сменяют неметаллы, а заканчивается ряд инертным элементом, далее все повторяется, но уже на новом витке. В двадцатом веке физики выяснили природу этого закона, предварительно установив, что атомы устроены наподобие солнечной системы. В них имеется ядро, состоящее из нуклонов - протонов и нейтронов, которое окружено электронами, наподобие того как солнце окружают планеты. Так вот соседние в ряду атомы между собой отличаются лишь на один протон и один электрон, но каждый раз это усложняет структуру атомов таким образом, что связи частиц в атоме становятся все более прочными и конечные в ряду элементы являются настолько самодостаточными, что ни в каких связях более не нуждаются, поэтому они и получили название инертных.

Однако свойства многих веществ не ограничиваются только различиями свойствами атомов, но зависят от их структурной комбинации. Наиболее простые вещества образуют молекулы из атомов одного вида, но с разным количеством атомов. Например, кислород как вещество с известными нам свойствами, исключительно необходимыми для жизни, это молекула из двух атомов, атомарный кислород имеет иные свойства, которые не благоприятствуют живым существам, также как и трехатомная молекула кислорода – озон. Или возьмите углерод, разные структурные комбинации лишь из одного этого элемента дают вещества с кардинально разными физическими свойствами – мягкий графит, но исключительно твердый алмаз.



Сложные молекулы состоят из комбинации разных видов атомов, дающих новые химические вещества, но строго в определенных природных условиях. Человек научился сам воссоздавать подобные условия и теперь наряду с природными веществами существуют и искусственные - тот же алмаз и бесконечное количество углеводородных полимеров.

Можно задаться вопросом, а что такое химические и физические свойства? Химики под ними понимают способность исходных веществ взаимодействовать между собой с образованием новых. Еще со школы мы знаем, что в химической лаборатории имеется три главных типа веществ: кислоты, щелочи и соли. Чем они различаются между собой? На уровне ощущений мы знаем - кислоты кислые, а соли соленые, щелочи мылистые? Это так, но это еще и не все. На самом деле различия между ними множественные, что очень важно в том числе и для экологии. Именно кардинальные различия между этими главными типами веществ и определяют разнообразие условий жизни на нашей планете, о чем мы будем говорить уже в рамках иных дисциплин.

Деление свойств веществ на химические и физические на самом деле дело достаточно условное, также как и ученых на физиков и химиков. Мир един, потому что его основу составляют элементарные частицы, которые изучают физики, но он сложен, потому что элементарные частицы образуют бесконечное число комбинаций, дающих иерархию структурных уровней: кварков, нуклонов, атомов, молекул, минералов, горных пород, геологических формаций, геосфер, планет и т.д. Каждая наука выбирает себе тот или иной уровень организации вещества.

Связи геохимии с другими науками

Геохимия выросла в ложе фундаментальных естественных наук и сама стала таковой. Связь геохимии с физикой и химией имеет особый характер как с точки зрения понимания устройства мироздания, так и чисто в прикладном аспекте.

Геохимия широко использует теоретическую и экспериментальную базу физики и химии. Для решения ряда геохимических задач неизбежно участие физиков-экспе­риментаторов, в частности при изотопных измерениях для определения возраста горных пород, условий их образования. Особая роль принадлежит физике и химии в моделировании химических процессов, отвечающих условиям глубоких недр Земли. Существует и обратная связь. Многие открытия в геохимии впоследствии приобретали важное значение для развития физики и химии.

Геохимия тесно связана с различными ответвлениями геологии. Например, с геофизикой, которая изучает энергетические поля. Но вопросы энергетики раз­личных зон нашей планеты связаны с распределением таких носителей ак­тивной энергии как например радиоактивных элементов, что осуществляется по геохимическим законам.

Можно считать, что с атомарным составом мантии связаны явления сейсмики и геотермии, электропроводности вещества и его магнитные свойства, полиморфные превращения и реакции в условиях высокого давления. Иначе говоря, поскольку химический состав земного вещества определяет его физические свойст­ва, постольку геохимия неразрывно связана с геофизикой. Поиско­вые работы на ряд месторождений полезных ископаемых (газы, нефть, радиоактивные элементы) ведутся одновременно геофизическими и геохимическими методами. Такое базовое понятие геофизики как «поле», широко используется и в геохимии, что подчеркивает единство вещественной и энергетической составляющих материи.

Кристаллохимия служит связующим звеном между геохимией и кристаллографией и минерало­гией. Современная кристаллохимия, вооруженная тончайшей методикой рентгеноструктурного анализа, доставляет для геохимии дан­ные первостепенной важности. Ценность этих данных определяется тем, что подавляющее количество химических элементов земной коры находится в соединениях, обладающих кристаллической структурой.

В современной минералогии резко усиливается кристаллохимическое направление, дающее наиболее глубокое объяснение свойствам мине­ралов и их генезису. Мы можем отметить ряд проблем химии земной коры, которые одинаково важны для геохимии и минералогии. Сюда относятся проблемы минералотермометрии, состава минералообразую­щих растворов, изоморфизма в зависимости от условий и др. Геохимия связана с минералогией в той степени, в какой химический элемент свя­зан с твердыми химическими соединениями. По А. Е. Ферсману, минералогия была той наукой, в которой в первую очередь происхо­дило накопление обильного фактического материала, послужившего основанием для современной геохимии. Однако если главным объектом минерало­гии остается твердое химическое соединение - минерал, то объект геохимии - атом.

Задачи геохимии теснейшим образом переплетаются с петрографи­ей и литологией. Образование отдельных минеральных ассоциаций в виде горных пород различного типа - закономерный процесс, кото­рый требует знания физико-химических свойств тех систем, из которых образуется порода как более устойчивая система в конкретной геологи­ческой обстановке. Дифференциация магмы, явления ассимиляции, метасоматоза и контактового метаморфизма есть резуль­тат перегруппировки наиболее распространенных элементов: О, Si, AI, Fe, Са, Na, К, Mg, Н, Тi,

Химическая сторона изучения горных пород приобрела настолько важное значение, что возникла neтрохим.ия - наука о законах из­менения химического состава горных пород, она связывает геохимию и петрографию

Образование осадочных пород связано с кардинальным перераспре­делением химических элементов между жидкими и твердыми фазами, коллоидными системами, поэтому литология также не обходится без геохимии. Известно, что некоторые породы (хемогенные) явля­ются результатом непосредственного химического осаждения элементов из концентриро­ванных растворов, и здесь геохимический процесс выступает в «чис­том» виде. Таким образом, единство геохимии - минералогии - петрогра­фии реально отражает существующее в природе единство атома - ми­нерала - горной породы.

Географы изучают геохимию ландшафтов, но последняя не менее важна и для поисковой и экологической геохимии. Современная экология немыслима без экологической геохимии. Взаимосвязь между отдельными частями ландшафта геологическо­го прошлого и настоящего устанавливается наиболее глубоко палеобиологией (палеонтология) на основе выявления законов вещественного обмена между верхними геосферами и живым веществом суши и моря. Возникшие от космиче­ской радиации меченые атомы (3Н, 14С и др.) позволяют уточнить особенности газового баланса в атмосфере, литосфере и глубинную циркуляцию вод мирового океана в прошлом.

Геохимия при исследовании явлений прошлого неизбежно идет одной дорогой с исторической гео­логией. Решение кардинальных проблем историче­ской геологии определяется, собственно говоря, геохимическими ме­тодами: методом изотопной геохронологии, изотопной палеотермометрии (по отношению изото­пов 18О : 160 в карбонатах раковин морских организмов). По изотопам кислорода стали определять тем­пературу древних морей). Это сущест­венно расширило и уточнило возможности палеогеографических ре­конструкций и способствовало решению вопросов палеоэкологии.

Особую роль в геохимических процессах играет живое вещество ­- планетарная совокупность массы животных и растений. Газовый ба­ланс планеты и круговорот большинства химических элементов про­исходят при прямом и косвенном участии организмов оболочки жизни Земли. Отсюда очевидной становится связь геохимии с биологией, конкретно выразившаяся в возникновении биогеохимии, начало которой положено трудами В. И. Вернадского. Живого вещество как более энергоемкое по отношению к косному находится в состоянии крайней напряженности и агрессивности по отношению к пространству. Все это своеобразно преломляется в истории химиче­ских элементов. Геохимия приобрела тесные связи с агрохимией и почвоведением, которые способствуют развитию сель­ского хозяйства.

Любое месторождение полезных ископаемых представляет собой концентрацию одного или чаще нескольких химических элементов, которая помимо геологических и петрографических факторов опреде­ляется еще и законами' геохимии. Поэтому геохимия становится осно­вой для понимания генезиса месторождений.

Современная геохимия не только способствует удовлетворению насущных нужд человечества - расширению минерально-сырьевой базы, но и поднимается до высочайших теоретических обобщений, касающихся истории вещества Земли в связи с эволюцией атомов в космических системах. Геохимия и космохимия в содружестве с астро­физикой утверждают единство мира во всем его многообразии. Геохимическая исто­рия атомов Земли есть лишь часть космической их истории, и, по существу, геохимия представляет собой часть космохимии в той же мере, в какой Земля является частью солнечной системы и Галактики.

Лекция 2



  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал