Хімія землі, реферати

хімія Землі

Початок широких досліджень космічного простору прискорило розвиток всіх наук, в тому числі і хімії. Перед хіміками стоять дуже великі завдання - отримання нових видів палив, нових металів і нових пластиків, які задовольняли б новим вимогам; передбачення хімічних властивостей навколишнього атмосфери, в яку потраплять перші космонавти; забезпечення безпеки космонавтів в таких умовах, які не можуть існувати на нашій планеті; вивчення питань, що стосуються походження Землі, сонячної системи і життя.

В наші дні хіміки займаються безліччю земних проблем. Таємниці нашої планети відступають перед фантастичними успіхами у підкоренні природи і підпорядкуванні її інтересам людини. Так, несподівано виникла проблема забруднення повітря над містами, яка років тридцять тому повністю була відсутня. Споживання енергії росте так швидко, що деякі вчені говорять про можливий брак природного палива і наполягають на якнайшвидшому використання ядерної енергії та більш повне використання сонячної енергії.

В даний час ми маємо у своєму розпорядженні великими можливостями значно повніше вивчити нашу планету Земля. І недалеко той час, коли ми зможемо почати дослідження найближчих до нас планет, а потім і зірок.

Земля-джерело всіх речовин, які ми повсякденно використовуємо у своїй діяльності. Енергія доходить до нас ззовні - від Сонця і в меншій мірі від інших зірок. Земля, в свою чергу, випромінює енергію в космічний простір. Якщо кількість випромінюваної енергії буде більше купується енергії, то Земля почне охолоджуватися, якщо ж менше, то Земля буде нагріватися. Частина сонячної енергії накопичується у вигляді хімічної енергії при утворенні нових речовин, особливо органічних сполук. Протягом відносно коротких періодів часу (вимірюваних геологічними епохами) ми можемо використовувати енергію, накопичену в природних паливах, наприклад кам'яному вугіллі та нафті, або ядерну енергію. Існування Землі цілком залежить від Сонця - нашого основного джерела енергії.

Всі речовини, які ми використовуємо, відбуваються головним чином з Землі. На Землю, яка обертається в космічному просторі навколо Сонця, потрапляють речовини метеоритів і космічний пил, але їх кількості незначні в порівнянні з кількостями речовин, які містяться в Землі. Ми розглянемо речовини Землі і то, як використовує їх людина.

Обговорення хімії Землі зручно розділити на три частини, кожна з яких відповідає одній з фаз - твердої, рідкої або газоподібної.

Літосфера - це тверда частина Землі. Цей термін охоплює також і центральне ядро, хоча остаточно не з'ясовано, яке воно - тверде або рідке. Літосфера є "куля" з твердої речовини радіусом близько 6400км. Ми маємо прямий доступ тільки до невеликої частини цього величезного кулі. Найглибші шахти мають глибину 3-5 км; глибина нафтових свердловин досягає 5-8 км. Щодо тонка оболонка, яку ми можемо безпосередньо вивчити, називається земною корою. На підставі сейсмічних досліджень товщину земної кори вважають рівною приблизно 32 км. Іншу частину ми називаємо внутрішньої літосферою, яка включає також і центральну частину, яка називається ядром.

Близько 80% земної поверхні водним розчином. Цей рідкий шар - океани - називається гідросферою. Середня глибина гідросфери дорівнює приблизно 5 км, але "глибини" або "безодні" океанів перевищують цю середню величину більш ніж в 2 рази.

Землю оточує третя фаза, газоподібна. Суміш газів, що знаходиться навколо Землі, називається атмосферою. Понад 98% цього газу (повітря) знаходиться на відстані менше 64 км від поверхні Землі.

Таблиця 1: Склад зразка сухого повітря.

Використовуючи газові закони, можна обчислити відносні концентрації компонентів сухого повітря. Припустимо, що в якийсь день атмосферний тиск дорівнює 750 мм рт. ст. і що після висушування зразка такого повітря тиск стає рівним 738 мм рт. ст. В цьому випадку парціальний тиск парів води одно 750 мм рт. ст. - 738 мм рт. ст. = 12 мм рт. ст. Парціальний тиск змінюється прямо пропорційно числу молекул, тому ми знаходимо, що частка молекул води в цьому зразку повітря дорівнює 12 мм рт. ст. / 750 мм рт. ст. = 0.016. У цьому досить вологому повітрі 1.6% всіх молекул складають молекули води.

На більш важкі молекули діє велика сила тяжіння, ніж на легкі молекули. Отже, спостерігається тенденція до седиментації, т. Е. Осадження, молекул з високим молекулярною вагою по відношенню до молекул газу з низькою молекулярною вагою. Така тенденція протилежна схильності до максимальної невпорядкованості, внаслідок якої атмосферні гази добре перемішуються. В результаті спостерігається незначна зміна складу повітря з висотою. Сухе повітря на рівні моря містить близько 78% молекул азоту 21% молекул кисню, але на висоті 20 км зразок сухого повітря містить 80% молекул азоту і тільки 19% молекул кисню.

Крім впливу сил тяжіння, склад повітря змінюється через хімічних реакцій, ініційованих світлом. Ці реакції викликаються поглинанням ультрафіолетового випромінювання у верхніх шарах атмосфери. Наприклад, кисень, поглинаючи ультрафіолетове випромінювання, набуває енергію, що перевищує енергію зв'язку. При цьому відбувається розрив зв'язку і утворюються два атома кисню:

Утворені атоми кисню дуже реакціонноспосбни. Ці атоми можуть приєднуватися до іншої молекули кисню О2, утворюючи молекулу озону О3:

# 9; O (r) + O2 (r) = O3 (r) (2)

Озон - дуже реакційноздатні форма кисню, хоча і не в такій мірі, як атоми кисню. В атмосфері він утворюється тільки на великих висотах, так як ультрафіолетове випромінювання тієї частоти, яка необхідна для реакції (1), настільки повно у верхніх шарах, що до нижніх шарів. Дослідження показали, що концентрація озону на рівні моря незначна і що вона досягає максимуму на висоті 24 км.

Ці невеликі кількості озону, що знаходиться на висоті 24 км над поверхнею Землі, поглинає ультрафіолетове випромінювання майже всіх частот, яке не поглинається киснем О2. Таким чином, О2 і О3 роблять атмосферу непрозорою для більшої частини ультрафіолетової області спектра. Цілком ймовірно, що хімія життя на нашій планеті розвивалася зовсім інакше, якби це ультрафіолетове випромінювання досягало поверхні Землі. Якби атмосфера була "прозорою", для фотосинтезу були б більш доступні фотони набагато більш високої енергії.

Для хвиль, відповідних протилежного, інфрачервоному кінця спектра, атмосфера також по суті непрозора. Це пояснюється головним чином поглинанням інфрачервоного випромінювання парами води і газоподібної двоокисом вуглецю. Таким чином, ми бачимо, що повітря, який зазвичай вважають прозорим, фільтрує сонячне проміння, що потрапляють на Землю. Фотони дуже високої енергії (в ультрафіолетової області) і дуже низької енергії (в інфрачервоній області) затримуються, а фотони середньої енергії (проміжна область спектру) пропускаються.

Океанська вода також містить розчинені молекули газів з повітря. Ці гази можна видалити кип'ятінням, але інші розчинені речовини при цьому залишаються. Якщо перегнати 1кг океанської води, то при цьому буде зібрано в середньому 967г води, а в перегінній колбі залишиться 33г твердої речовини (в основному солей). Таким чином, ми можемо сказати, що 3,3 вага% океанської води складають розчинені солі. В океанській воді виявлено більше 40 елементів, але половина з них присутня в дуже малій концентрації - менше 1г на 1 млн. Кг води.

У таблиці 2 наведені приклади концентрації (число молей на 1 кг океанської води) води і іонів, присутніх в найбільших кількостях.

Таблиця 2: Середній склад океанської води.

З таблиці стає зрозумілим, що в океанській воді іонів натрію менше, ніж іонів хлору; в ній присутні і інші позитивні іони - іони магнію, кальцію і калію. В океанській воді є також і негативно заряджені іони - сульфат-іони і бром-іони. Отже, океанська вода - це не просто розчин хлористого натрію. Крім того, іонів калію в океанській воді набагато менше, ніж іонів натрію (Na / K = 46), хоча в земній корі іонів калію міститься досить багато (Na / K = 2).

Зовнішні шари літосфери доступні для безпосереднього дослідження, тому наші знання про цю частину земної кори досить великі. Про внутрішніх шарах літосфери нам майже нічого не відомо, хоча на їх частку припадає майже 99,5% всієї маси Землі.

Внутрішні шари літосфери. Внутрішні шари літосфери можна вивчати тільки за допомогою сейсмічних досліджень. Ударні хвилі, викликані землетрусом, поширюються в товщі Землі зі швидкістю, яка залежить від пружних властивостей і щільності порід, які зустрічаються на шляху. Знаючи це сейсмологи можуть визначити наявність в літосфері зон з різними властивостями. Зовнішній шар, або мантія Землі, тягнеться на глибину більше 3000км і, як прийнято зазвичай вважати, знаходиться в твердому стані. Щільність цього твердої речовини становить близько 3 г / см поблизу поверхні і збільшується приблизно до 5 г / см в нижніх шарах мантії. Це збільшення щільності обумовлено зростанням тиску в глибині Землі. Тиск на глибині більше 3000км складає близько 1 млн. Атм, тобто в 2-3 рази перевищує максимальні тиску, що досягаються в статичних лабораторних дослідах.

Внутрішня частина літосфери називається ядром. Тиску в ній повинні бути ще вищими, а щільність речовини поблизу центру Землі може досягати 18 г / см. Можливо, земне ядро ​​частково знаходиться в рідкому стані, але це ще не доведено.

Мантія Землі полягає, по-видимому, з різних силікатів. Щільність, стисливість і твердість утворює мантію речовини, отримані в результаті сейсмічних досліджень, збігаються з відповідними значеннями силікатів. Довгий час вважалося, що ядро ​​Землі складається переважно із заліза, що підтверджувалося складом метеоритів. Метеорити - це тверді тіла, які падають на Землю через атмосферу з космосу. Цілком можливо, що вони є уламками планет, що нагадують Землю. Тому за складом метеоритів можна буде визначити природу внутрішніх шарів літосфери. Відповідно до сучасних гіпотез, ядро ​​Землі складається не з заліза, а з гірських порід великої щільності, проте це ще не доведено остаточно.

Передбачається, що температура поблизу центру Землі порядку декількох тисяч градусів. При цій температурі на земній поверхні все гірські породи розплавилися б, але, оскільки тиск у внутрішніх шарах Землі дуже велике, дуже ймовірно, що ядро ​​Землі знаходиться в твердому стані.

Земна кора. Найбільш поширені в земній корі елементи - кисень і кремній. Таблиця 3 показує, що на частку кисню припадає майже 60%, а на частку кремнію - 20% всіх атомів, що входять до складу земної кори.

Таблиця 3: Поширеність елементів в земній корі.

В океанській воді третє місце за поширеністю (перед алюмінієм) займає водень. За змістом елементів в ядрі Землі на другому місці знаходиться залізо, на третьому - кремній, а на четвертому -магній. У різних частинах Землі існує свій порядок розташування елементів по поширеності. Однак найбільш поширеними виявляються елементи з низькими порядковими номерами - 26 і нижче. На частку всіх інших елементів (після заліза) припадає менше 0,2 вагу. % Земної кори.

У повсякденному житті нас частіше цікавить доступність елементів, а не їх поширеність в земній корі. Повітря постійно оточує нас всюди і однаково доступний для всіх. Постачання водою має великі обмеження. В одних районах Землі вода є в надлишку, інші райони страждають від її нестачі. Навіть в районах з рясними опадами витрата води може зрости настільки, що її запаси будуть поступово виснажуватися. У міру зростання населення земної кулі споживання води все більше збільшується, і природні ресурси води потрібно витрачати вміло.

Запаси багатьох металів, відомих ще з давніх часів, - міді, срібла, золота, олова і свинцю - досить обмежені. Раніше люди добували мідь, срібло і золото в самородному стані. А ці три металу можна шляхом нескладних хімічних операцій витягати також з їх руд. З іншого боку, алюміній і титан, хоча вони є поширеними елементами, значно важче отримати з їх руд. Фтор поширений в природі більше, ніж хлор, але хлор і його сполуки набагато більш звичайні - їх легше отримувати і використовувати. Однак у міру виснаження найбільш багатих джерел елементів, широко використовуваних в даний час все більшу увагу будуть залучати ті елементи, які поки не знаходять широкого застосування.

У геологічні епохи в результаті процесів плавлення, кристалізації, розчинення і осадження різні елементи були сконцентровані в окремих родовищах, де з них утворилися стійкі з'єднанні. Ці сполуки називаються мінералами. Багато мінерали за складом відповідають з'єднанням, отриманим в лабораторіях, але більшість з них не відрізняється особливою чистотою. Так, великі поклади кухонної солі (хлористого натрію) утворилися в тих випадках на місці колишніх морів, коли відкладення солей були захищені від розмиває дії води. Світовий океан є невичерпним джерелом хлористого натрію. Поклади калієвих солей утворилася зовсім іншим шляхом. Багато метали зустрічаються в природі у вигляді сульфідів (PbS, MoS2 ZnS), інші метали-в вигляді окислів (Fe2 O3. MnO2). Відомі великі родовища карбонатів (ZnCO3, CaCO3) і сульфатів (BaSO4) деяких металів. Мінерали, які присутні в таких високих концентраціях, що можна вести їх промислову розробку, називають рудами.

Повітря для нас тільки доступний, що ми не вважаємо кисень одним з найважливіших хімікалій. Наприклад, ми використовуємо природний газ (головним чином метан) в якості палива, спалюючи його на повітрі. Якби метан у повітрі у великій кількості, а кисень зустрічався б так рідко, що доводилося б спеціально добувати, то кисень, вважався б "паливом". В обох випадках кількість тепла, що виділяється визначається рівнянням

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

Незважаючи на загальнодоступність необмежених кількостей кисню повітря, величезні кількості чистого кисню отримують для промислових і медичних цілей. Щорічно отримують мільярди кубометрів кисню, відокремлюючи його фракційної перегонкою від азоту.

# 9; Руди, до складу яких входить азот, зустрічаються порівняно рідко. Найбільш поширений мінерал - нітрат натрію NaNO3. великі поклади якого знаходяться в Чилі. В даний час азотовмісні сполуки ми отримуємо, використовуючи для цього азот повітря. Таким чином, повітря-найбагатше джерело кисню і азоту-двох елементів, що мають винятково велике значення.