Химия Земли

| Категория реферата: Рефераты по экологии
| Теги реферата: виды шпор, шпора на пятке лечение
| Добавил(а) на сайт: Есипов.

O(r) + O2 (r) = O3(r) (2)

Озон - очень реакционноспособная форма кислорода, хотя и не в такой степени, как атомы кислорода. В атмосфере он образуется только на больших высотах, так как ультрафиолетовое излучение той частоты, которая необходима для реакции (1), настолько полно в верхних слоях, что до нижних слоёв.
Исследования показали, что концентрация озона на уровне моря незначительна и что она достигает максимума на высоте 24 км.

Эти небольшие количества озона, находящегося на высоте 24 км над поверхностью Земли, поглощает ультрафиолетовое излучение почти всех частот, которое не поглощается кислородом О2. Таким образом, О2 и О3 делают атмосферу непрозрачной для большей части ультрафиолетовой области спектра.
Вполне вероятно, что химия жизни на нашей планете развивалась совершенно иначе, если бы это ультрафиолетовое излучение достигало поверхности Земли.
Если бы атмосфера была «прозрачной», для фотосинтеза были бы более доступны фотоны гораздо более высокой энергии.

Для волн, соответствующих противоположному, инфракрасному концу спектра, атмосфера также по существу непрозрачна. Это объясняется главным образом поглощением инфракрасного излучения парами воды и газообразной двуокисью углерода. Таким образом, мы видим, что воздух, который обычно считают прозрачным, фильтрует солнечные лучи, попадающие на Землю. Фотоны очень высокой энергии (в ультрафиолетовой области) и очень низкой энергии
(в инфракрасной области) задерживаются, а фотоны средней энергии
(промежуточная область спектра) пропускаются.

Вода, которая соприкасается с воздухом, растворяет часть воздуха.
Кислород растворяется в воде гораздо лучше, чем азот, но, поскольку азота в воздухе в 4 раза больше, чем кислорода, количество растворённого азота в воде превышает количество растворённого кислорода. Элементарный кислород, растворённый в воде, используется живущими в воде организмами для процессов окисления. Концентрация растворённой двуокиси углерода низкая, так как содержание её в воздухе невелико. Но то количество двуокиси углерода, которое растворено в воде, необходимо для фотосинтеза, происходящего в морских растениях. Растворённая двуокись углерода придаёт воде приятный вкус. Кипячённая вода теряет почти всё количество растворённого в ней газа, поэтому она безвкусна.

Океанская вода также содержит растворённые молекулы газов из воздуха.
Эти газы можно удалить кипячением, но другие растворённые вещества при этом остаются. Если перегнать 1кг океанской воды, то при этом будет собрано в среднем 967г воды, а в перегонной колбе останется 33г твердого вещества (в основном солей). Таким образом, мы можем сказать, что 3,3 вес % океанской воды составляют растворенные соли. В океанской воде обнаружено более 40 элементов, но половина из них присутствует в очень малой концентрации – меньше 1г на 1 млн. кг воды.

В таблице 2 приведены примеры концентрации (число молей на 1кг океанской воды) воды и ионов, присутствующих в наибольших количествах.

|Элемент |Основной компонент |Содержание |
| | |моль/кг |
|название |Символ | | |
|Водород |H |H2O |53,7 |
|Кислород |O | | |
|Хлор |Cl |Cl (водн) |0,535 |
|Натрий |Na |Na (водн) |0,460 |
|Магний |Mg |Mg (водн) |0,052 |
|Сера |S |SO2 (водн) |0,028 |
|Кальций |Ca |Ca (водн) |0,010 |
|Калий |K |K (водн) |0,010 |
|Бром |Br |Br (водн) |0,008 |
|Содержание растворённых газов не учитывается. |

Таблица 2: Средний состав океанской воды.

Из таблицы становится ясным, что в океанской воде ионов натрия меньше, чем ионов хлора; в ней присутствуют и другие положительные ионы – ионы магния, кальция и калия. В океанской воде имеются также и отрицательно заряженные ионы – сульфат-ионы и бром-ионы. Следовательно, океанская вода – это не просто раствор хлористого натрия. Кроме того, ионов калия в океанской воде гораздо меньше, чем ионов натрия (Na/K=46),хотя в земной коре ионов калия содержится довольно много (Na/K=2).

Внешние слои литосферы доступны для непосредственного исследования, поэтому наши знания об этой части земной коры достаточно обширны. О внутренних слоях литосферы нам почти ничего не известно, хотя на их долю приходится почти 99,5% всей массы 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
3000км 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. Это увеличение плотности обусловлено ростом давления в глубине Земли. Давление на глубине больше 3000км составляет около 1 млн. атм, т.е. в 2-3 раза превышает максимальные давления, достигаемые в статических лабораторных опытах.

Внутренняя часть литосферы называется ядром. Давления в ней должны быть еще более высокими, а плотность вещества вблизи центра Земли может достигать 18 г/см. Возможно, земное ядро частично находится в жидком состоянии, но это еще не доказано.

Мантия Земли состоит, по-видимому, из различных силикатов. Плотность, сжимаемость и твердость образующего мантию вещества, полученные в результате сейсмических исследований, совпадают с соответствующими значениями силикатов. Долгое время считалось, что 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. Согласно современным гипотезам, ядро Земли состоит не из железа, а из горных пород большой плотности, однако это еще не доказано окончательно.

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.

Земная кора. Наиболее распространенные в земной коре элементы – кислород и кремний. Таблица 3 показывает, что на долю кислорода приходится почти 60%, а на долю кремния – 20% всех атомов, входящих в состав земной коры.

|Место |Элемент |Порядковый |Число атомов на|
| | |номер |10000 атомов |
|1 |Кислород |8 |6050 |
|2 |Кремний |14 |2045 |
|3 |Алюминий |13 |625 |
|4 |Водород |1 |270 |
|5 |Натрий |11 |258 |
|6 |Кальций |20 |189 |
|7 |Железо |26 |187 |
|8 |Магний |12 |179 |
|9 |Калий |19 |138 |
|10 |Титан |22 |27 |
|11 |Фосфор |15 |8,6 |
|12 |Углерод |6 |5,5 |
|13 |Марганец |25 |3,8 |
|14 |Сера |16 |3,4 |
|15 |Фтор |9 |3,3 |
|16 |Хлор |17 |2,8 |
|17 |Хром |24 |1,5 |
|18 |Барий |56 |0,75 |

Таблица 3: Распространенность элементов в земной коре.

В океанской воде третье место по распространенности (перед алюминием) занимает водород. По содержанию элементов в ядре Земли на втором месте находится железо, на третьем – кремний, а на четвертом –магний. В различных частях Земли существует свой порядок расположения элементов по распространенности. Однако наиболее распространенными оказываются элементы с низкими порядковыми номерами – 26 и ниже. На долю всех остальных элементов (после железа) приходится меньше 0,2 вес. % земной коры.

В повседневной жизни нас чаще интересует доступность элементов, а не их распространенность в земной коре. Воздух постоянно окружает нас повсюду и одинаково доступен для всех. Снабжение водой имеет большие ограничения. В одних районах Земли вода имеется в избытке, другие районы страдают от ее недостатка. Даже в районах с обильными осадками расход воды может возрасти настолько, что её запасы будут постепенно истощаться. По мере роста населения земного шара потребление воды все больше увеличивается, и природные ресурсы воды нужно расходовать умело.

Запасы многих металлов, известных еще с древних времен, - меди, серебра, золота, олова и свинца – довольно ограниченны. Раньше люди добывали медь, серебро и золото в самородном состоянии. А эти три металла можно путем несложных химических операций извлекать также из их руд. С другой стороны, алюминий и титан, хотя они являются распространенными элементами, значительно труднее получить из их руд. Фтор распространен в природе больше, чем хлор, но хлор и его соединения гораздо более обычны – их легче получать и использовать. Однако по мере истощения наиболее богатых источников элементов, широко используемых в настоящее время все большее внимание будут привлекать те элементы, которые пока не находят широкого применения. .

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 (PbS, MoS2 ZnS), другие металлы- в виде окислов (Fe2 O3 , MnO2 ). Известны крупные месторождения карбонатов
(ZnCO3, CaCO3) и сульфатов (BaSO4) некоторых металлов. Минералы, которые присутствуют в таких высоких концентрациях, что можно вести их промышленную разработку, называют рудами.

Воздух для нас только доступен, что мы не считаем кислород одним из важнейших химикалий. Например, мы используем природный газ (главным образом метан) в качестве топлива, сжигая его на воздухе. Если бы метан в воздухе в большом количестве, а кислород встречался бы так редко, что приходилось бы специально добывать, то кислород, считался бы «топливом». В обоих случаях количество выделяющегося тепла определяется уравнением

CH4 (r) + 202 (r) – CO2 (r) + 2H2O (r) + 213 ккал (3)

Несмотря на общедоступность неограниченных количеств кислорода воздуха, огромные количества чистого кислорода получают для промышленных и медицинских целей. Ежегодно получают миллиарды кубометров кислорода, отделяя его фракционной перегонкой от азота.