Хімія Землі

План.

1.Вступление.

2.Составные частини Земли.

3.Состав й поліпшуючи властивості атмосферы.

4.Строение гидросферы.

5.Строение і їхні властивості литосферы.

6.Доступность элементов.

7.Воздух як джерело элементов.

Початок широких досліджень космічного простору прискорило розвиток всіх наук, зокрема і хімії. Перед хіміками коштують дуже великі завдання — отримання нових видів палив, нових металів і нових пластиків, які відповідали б б новим вимогам; передбачення хімічних властивостей оточуючої атмосфери, у якому потраплять перші космонавти; забезпечення безпеки космонавтів таких умов, які що неспроможні існувати на планеті; вивчення питань, що стосуються походження Землі, сонячної системи та жизни.

Нині хіміки займаються безліччю земних проблем. Таємниці нашої планети відступають перед фантастичними успіхами для підкорення природи й підпорядкуванні її інтересам людини. Так, раптом відкрилася проблема забруднення повітря над містами, яка років тридцять тому повністю була відсутня. Споживання енергії росте буде настільки швидким, деякі вчені говорять про можливої нестачі природного палива й наполягають на якнайшвидшому використанні ядерної енергії і більше повному використанні сонячної энергии.

Нині ми маємо більші можливості значно повніше вивчити нашу планету Земля. І недалеко той час, коли ми зможемо розпочати дослідження найближчих до нас планет, та був і звёзд.

Земля-источник всіх речовин, які ми повсякденно використовуємо у своїй діяльності. Енергія сягає нас ззовні - від поверхні Сонця й у меншою мірою з інших зірок. Земля, своєю чергою, випромінює енергію в космічне простір. Якщо випромінюваної енергії буде більше одержуваної енергії, то Земля почне псуватися, Якщо ж менше, то Земля буде нагріватися. Частина сонячної енергії накопичується як хімічної енергії при освіті нових речовин, особливо органічних сполук. У протягом щодо коротких періодів часу (вимірюваних геологічними епохами) ми можемо використати енергію, накопичену у природних паливах, наприклад кам’яному вугіллі і, чи ядерну енергію. Існування Землі повністю залежить від поверхні Сонця — нашого основне джерело энергии.

Усі речовини, які ми використовуємо, відбуваються головним чином із Землі. На Землю, яка обертається осіб у космічному просторі навколо Сонця, потрапляють речовини метеоритів і космічна пил, та їх кількості незначні проти кількостями речовин, які у Землі. Ми розглянемо речовини Землі та те, як використовує їх человек.

Обговорення хімії Землі зручно розділити втричі частини, кожна гілка яких відповідає одній з фаз — твердої, рідкої чи газообразной.

Літосфера — це твёрдая частина Землі. Цей термін охоплює ще й центральне ядро, хоча остаточно не з’ясовано, яка вона — твердий чи рідке. Літосфера є «кулю» з твердого речовини радіусом близько 6400 км. Ми маємо прямий доступ лише у небагатьох цього величезного кулі. Найбільш глибокі шахти мають глибину 3−5 км; глибина нафтових свердловин сягає 5−8 км. Щодо тонка оболонка, що її можемо безпосередньо вивчити, називається земної корою. З сейсмічних досліджень товщину земної кори вважають рівної приблизно 32 км. Решту ми називаємо внутрішньої літосферою, що включає ще й центральну частина, звану ядром.

Близько 80% земної поверхні водним розчином. Цей рідкий шар — океани — називається гидросферой. Середня глибина гідросфери дорівнює приблизно 5 км, але «глибини» чи «безодні» океанів перевищують цю середню величину більш ніж 2 раза.

Землю оточує третя фаза, газоподібна. Суміш газів, які перебувають навколо Землі, називається атмосферою. Більше 98% цього газу (повітря) перебуває в відстані менше 64 кілометрів від поверхні Земли.

Склад земної атмосфери є неоднаковим у різні дні та, крім того, змінюється залежно від висоти і слабким місця на земній кулі. Найбільше в атмосфері змінюється зміст водяної пари. Вода постійно випаровується з поверхні гідросфери, з грунту, листя, при сушінню білизни тощо. буд. Через якіто часові відтинки окремі зони атмосфери розладнуються до точки роси чи крапки замерзання, і тоді надлишок водяної пари осаджується як дощу чи снега.

Оскільки концентрація водяної пари у атмосфері дуже різна, геохимики зазвичай повідомляють склад «сухого повітря», т. е. повітря, з якого пари води повністю віддалені. Склад зразка сухого повітря приведено у таблиці 1. Зверніть увагу до низьку концентрацію водню і гелію повітря. Земля — відносно невисока планета у Всесвіті і, отже, досить слабко притягує оточуючі її гази. Тому більшість водню і гелію, спочатку що з речовиною Землі, досить легко видаляється від неї. Слід зазначити також, що зміст азоту повітря вище, ніж зміст кисню, хоча у гідросфері й літосфері кисню вулицю значно більше. Більшість складових частин атмосфери (крім води та двоокису вуглецю) є елементи. |Назва речовини |Формула речовини |Зміст речовини, | | | |% | | Азот |N2 |78,09 | |Кисень |O2 |20,95 | |Аргон |Ar | 0,93 | |Двоокис кисню |CO2 | 0,03 | |Неон |Ne | 0,0018 | |Гелій |He | 0,52 | |Криптон |Kr | 0,0001 | |Водень |H2 | 0,5 | |Ксенон |Xe | 0,8 |.

|Таблица 1: Склад зразка сухого повітря. |.

Використовуючи газові закони, можна визначити відносні концентрації компонентів сухого повітря. Припустимо, що у якійсь день атмосферне тиск одно 750 мм рт. ст. і высушивания зразка такого повітря тиск стає рівним 738 мм рт. ст. І тут парціальний тиск водяної пари одно 750 мм рт. ст. — 738 мм рт. ст.= 12 мм рт. ст. Парціальний тиск змінюється прямо пропорційно кількості молекул, тому ми бачимо, частка молекул води у тому зразку повітря дорівнює 12 мм рт. ст./750 мм рт. ст.= 0.016. У цьому вся досить вологому повітрі 1.6% всіх молекул становлять молекули воды.

На важчі молекули діє велика сила тяжіння, ніж легкі молекули. Отже, спостерігається тенденція до седиментации, т. е. осадженню, молекул з великим молекулярным вагою стосовно молекулам газу з низьким молекулярным вагою. Така тенденція протилежна схильності до максимально невпорядкованості, внаслідок якої атмосферні гази добре перемішуються. Через війну спостерігається незначне зміна складу повітря з висотою. Сухий повітря лише на рівні моря містить близько 78% молекул азоту 21% молекул кисню, але висоті 20 км зразок сухого повітря містить 80% молекул азоту та лише 19% молекул кислорода.

Крім впливу сил тяжіння, склад повітря змінюється через хімічних реакцій, ініційованих світлом. Ці реакції викликаються поглинанням ультрафіолетового проміння у верхніх шарах атмосфери. Наприклад, кисень, поглинаючи ультрафіолетове випромінювання, набуває енергію, перевищує енергію зв’язку. У цьому стався розрив зв’язку й утворюються два атома кислорода:

O2® + hv = 2O® (1).

Які Утворюються атоми кисню дуже реакционноспосбны. Ці атоми можуть приєднуватися в іншу молекулі кисню О2, створюючи молекулу озону О3:

O® + O2 ® = O3® (2).

Озон — дуже реакционноспособная форма кисню, хоча й у такому ступеня, як атоми кисню. У атмосфері він утворюється лише з великих висотах, оскільки ультрафіолетове випромінювання тієї частоти, що необхідно для реакції (1), настільки повно у верхніх шарах, щодо нижніх шарів. Дослідження засвідчили, що концентрація озону лише на рівні моря незначна і що вона сягає максимуму в розквіті 24 км.

Ті невеличкі кількості озону, знаходиться в висоті 24 км над поверхнею Землі, поглинає ультрафіолетове випромінювання майже всіх частот, яке поглинається киснем О2. Отже, О2 і О3 роблять атмосферу непрозорою для більшу частину ультрафіолетової області спектра. Не виключено, що хімія життя на планеті розвивалася цілком інакше, якби це так ультрафіолетове випромінювання досягало Землі. Якби атмосфера була «прозорою», для фотосинтезу були б більше доступні фотони набагато вищою энергии.

Для хвиль, відповідних протилежного, інфрачервоному кінцю спектра, атмосфера також із суті непрозора. Це головним чином поглинанням інфрачервоних променів парами води та газоподібної двоокисом вуглецю. Отже, бачимо, що повітря, який звичайно вважають прозорим, фільтрує стане сонячне проміння, які потрапляють на Землю. Фотони дуже високою енергії (в ультрафіолетової області) і дуже низької енергії (в інфрачервоної області) затримуються, а фотони середньої енергії (проміжна область спектра) пропускаются.

Вода, яка зтикається з повітрям, розчиняє частина повітря. Кисень розчиняється у питній воді набагато краще, ніж азот, але, оскільки азоту в повітрі вчетверо більше, ніж кисню, кількість растворённого азоту в воді перевищує кількість растворённого кисню. Елементарний кисень, растворённый у питній воді, використовується які у воді організмами для процесів окислення. Концентрація растворённой двоокису вуглецю низька, оскільки зміст їх у повітрі невелика. І те кількість двоокису вуглецю, яке розчинене у питній воді, необхідне фотосинтезу, що у морських рослинах. Растворённая двоокис вуглецю саме й надає воді приємний смак. Кипячённая вода втрачає майже все кількість растворённого у ній газу, тому вона безвкусна.

Океанська вода також має растворённые молекули газів з повітря. Ці гази можна видалити шляхом кип’ятіння, а інші растворённые речовини у своїй залишаються. Якщо перегнати 1 кг океанській води, то зберуть в середньому 967 г води, а перегонной колбі залишиться 33 г твердого речовини (в основному солей). Отже, ми можемо сказати, що 3,3 вагу % океанській води становлять розчинені солі. У океанській воді виявлено понад 40 кримінальних елементів, але половини їх є у дуже малій концентрації - менше 1 г на 1 млн. кг воды.

У таблиці 2 наведено приклади концентрації (число молей на 1 кг океанській води) води та іонів, присутніх в найбільших количествах.

|Элемент |Основний компонент |Зміст | | | |моль/кг | |назва |Символ | | | |Водень |H |H2O |53,7 | |Кисень |O | | | |Хлор |Cl |Cl (водн) |0,535 | |Натрій |Na |Na (водн) |0,460 | |Магній |Mg |Mg (водн) |0,052 | |Сірка |P.S |SO2 (водн) |0,028 | |Кальцій |Ca |Ca (водн) |0,010 | |Калій |K |K (водн) |0,010 | |Бром |Br |Br (водн) |0,008 | |Зміст растворённых газів до уваги береться. |.

Таблица 2: Середній склад океанській воды.

З таблиці стає зрозуміло, що у океанській воді іонів натрію менше, ніж іонів хлору; у ній присутні та інші позитивні іони — іони магнію, кальцію і калію. У океанській воді є ще й негативно заряджені іони — сульфат-ионы і бром-ионы. Отже, океанська вода — це буде непросто розчин хлористого натрію. З іншого боку, іонів калію в океанській воді набагато менше, ніж іонів натрію (Na/K=46), хотя в земної корі іонів калію міститься значна частина (Na/K=2).

Зовнішні верстви літосфери доступні для прямого дослідження, тому наші знання про цю частини земної кори досить великі. Про внутрішніх шарах літосфери нам майже невідомо, хоча в їхніх частку випадає, майже 99,5% всієї маси Земли.

Внутрішні верстви літосфери. Внутрішні верстви літосфери можна вивчати лише за допомогою сейсмічних досліджень. Ударні хвилі, викликані землетрусом, поширюються в товщі Землі зі швидкістю, яка від пружних властивостей і щільність порід, що зустрічаються по дорозі. Знаючи це сейсмологи можуть встановити його присутність серед літосфері зон з різними властивостями. Зовнішній шар, чи мантія Землі, має глибину більше 3000 км як і прийнято зазвичай вважати, перебуває у твердому стані. Щільність цього твердого 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 у глибині Землі. Тиск на глибині більше 3000 км становить близько 1 млн. атм, тобто. в 2−3 разу перевищує максимальні тиску, що досягаються в статичних лабораторних опытах.

Внутрішня частина літосфери називається ядром. Тиску у ній повинні бути ще більш високими, а щільність речовини поблизу центру Землі може досягати 18 г/см. Можливо, земне ядро частково перебуває у рідкому стані, але не доказано.

Мантія Землі полягає, очевидно, із різних силікатів. Щільність, стисливість і твердість утворить мантію речовини, отримані в результаті сейсмічних досліджень, збігаються з відповідними значеннями силікатів. Тривалий час вважалося, що ядро Землі полягає з заліза, що підтверджувалося складом метеоритів. Метеорити — це тверді тіла, падаючі на Землю через атмосферу з космосу. Цілком можливо, що є уламками планет, нагадують Землю. Тож за складу метеоритів можна буде влаштувати природу внутрішніх верств літосфери. Відповідно до сучасним гіпотезам, ядро Землі не з заліза, та якщо з гірських порід великий щільності, але це ще доведено окончательно.

Передбачається, що температура поблизу центру Землі порядку кількох тисяч градусів. Під час цієї температурі на земної поверхні всі гірські породи розплавилися б, але, бо тиск у внутрішніх шарах Землі дуже велике, цілком можливо, що ядро Землі перебуває у твердому состоянии.

Земне кора. Найпоширеніші в земної корі елементи — кисень і кремній. Таблиця 3 показує, що у частку кисню доводиться майже 60%, але в частку кремнію — 20% всіх атомів, входять до складу земної коры.

|Место |Елемент |Порядковий |Кількість атомів на| | | |номер |10 000 атомів | |1 |Кисень |8 |6050 | |2 |Кремній |14 |2045 | |3 |Алюміній |13 |625 | |4 |Водень |1 |270 | |5 |Натрій |11 |258 | |6 |Кальцій |20 |189 | |7 |Залізо |26 |187 | |8 |Магній |12 |179 | |9 |Калій |19 |138 | |10 |Титан |22 |27 | |11 |Фосфор |15 |8,6 | |12 |Вуглець |6 |5,5 | |13 |Марганець |25 |3,8 | |14 |Сірка |16 |3,4 | |15 |Фтор |9 |3,3 | |16 |Хлор |17 |2,8 | |17 |Хром |24 |1,5 | |18 |Барій |56 |0,75 |.

Таблиця 3: Поширеність елементів в земної коре.

У океанській воді третє місце за поширеності (перед алюмінієм) займає водень. За змістом елементів в ядрі Землі другою місці перебуває залізо, третьому — кремній, але в четвертому -магній. У різних частинах Землі є своя порядок розташування елементів по поширеності. Проте особливо поширеними виявляються елементи з низькими порядковими номерами — 26 і від. Перед решти елементів (після заліза) припадає менше 0,2 вагу. % земної коры.

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

Запаси багатьох металів, відомих ще віддавна, — міді, срібла, золота, олова і свинцю — досить обмежені. Раніше люди добували мідь, срібло і золото в самородном стані. Ті три металу можна шляхом нескладних хімічних операцій видобувати і з їх руд. З з іншого боку, алюміній і титан, хоча є поширеними елементами, значно складніше отримати гроші з їх руд. Фтор поширений у природі більше, ніж хлор, але хлор та його сполуки значно більше звичні - їх легше отримувати використовувати. Однак у міру виснаження найбагатших джерел елементів, широко які у даний час більше увагу приваблюватимуть ті елементи, які поки що немає широкого застосування. .

У геологічні доби результаті процесів плавлення, кристалізації, розчинення і осадження різні елементи були сконцентровано у окремих родовищах, де їх утворилися стійкі поєднанні. Ці сполуки називаються мінералами. Багато мінерали за складом відповідають сполукам, здобутих у лабораторіях, але із них вирізняється особливою чистотою. Так, великі поклади кухонної солі (хлористого натрію) утворилися у випадках дома колишніх морів, коли відкладення солей захистити від размывающего дії води. Світовий океан є є джерелом хлористого натрію. Поклади калієвих солей утворилася зовсім іншим шляхом. Багато метали зустрічаються у природі як сульфидов (PbS, MoS2 ZnS), інші металив вигляді окислів (Fe2 O3, MnO2). Відомі великі родовища карбонатів (ZnCO3, CaCO3) і сульфатів (BaSO4) деяких металів. Мінерали, які є у такі високі концентраціях, які можна вести їх промислову розробку, називають рудами.

Повітря нам лише доступний, що ми вважаємо кисень однією з найважливіших хімікалій. Наприклад, ми використовуємо природного газу (переважно метан) як паливо, спалюючи його за повітрі. Якби метан повітря в велику кількість, а кисень зустрічався б отак рідко, що припадало спеціально добувати, то кисень, визнавався «паливом». У обох випадках кількість выделяющегося тепла визначається уравнением.

CH4 ® + 202 ® — CO2 ® + 2H2O ® + 213 Ккал (3).

Попри загальнодоступність необмежених кількостей кисню повітря, величезні кількості чистого кисню отримують для промислових і медичних цілей. Щороку отримують мільярди кубометрів кисню, відділяючи його фракційної перегонкою від азота.

Руди, до складу яких входить азот, зустрічаються порівняно рідко. Найбільш поширений мінерал — нітрат натрію NaNO3, великі поклади якого у Чилі. Нині азотовмісні сполуки ми отримуємо, використовуючи при цьому азот повітря. Отже, повітрясамий багатий джерело кисню та азотудвох елементів, мають виключно велике значение.

Інститут міжнародних отношений.

національного університету імені Тараса Шевченко.

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

Студентки 1 курса.

Відділення МЭВ.

1 группы.

Соловковой Оксаны.

КИЇВ — 98.

———————————- [pic].

[pic].

[pic].

[pic].