Чому за кількістю атомів у земній. Форми знаходження атомів хімічних елементів у земній корі. Знаходження водню у природі
Елементний склад живої речовини та ОВ горючих копалин
Паливні копалини містять у своєму складі ті ж елементи, що і речовина живих організмів, тому елементи - вуглець, водень, кисень, азот, сірку та фосфор називають або біогенними, або біофільними, або органогенними.
На частку водню, вуглецю, кисню та азоту доводиться понад 99%як маси, і числа атомів, що входять до складу всіх живих організмів. Крім них у значних кількостях у живих організмах можуть концентруватися ще око
ло 20-22 хімічні елементи. 12 елементів становлять 99,29%, решта 0,71%
Поширеність у космосі: Н, Не, З, N.
До 50% - C, до 20% - O, до 8% - H, 10-15% - N, 2-6% - P, 1% - S, 1% - K, ½% - Mg та Ca, 0 2% - Fe, у слідових кількостях - Na, Mn, Cu, Zn.
Будова атома, ізотопи, поширення в земній корі водню, кисню, сірки та азоту
ВОДОРОД - головний ел-т космосу, найпоширеніший елемент Всесвіту . Хім ел-т 1 групи, атомний номер 1, атомна маса 1,0079. У сучасних виданнях таблиці Менделєєва H мають у своєму розпорядженні також у VII групі над F, так як деякі св-ва H схожі на властивості галогенів. Відомі три ізотопи H. Два стабільні - це протий 1 Н - Р (99,985%), дейтерій 2 Н - D (0,015%), і один радіоактивний - тритій 3 Н - Т, Т 1/2 = 12,262 років. Штучно отримано ще один - четвертий вкрай нестійкий ізотоп - 4 Н. У розділі Р і D природних умовахосновну роль грає випаровування, проте, маса вод світового океану настільки велика, що зміст дейтерію у ньому змінюється слабо. У тропічних країнах вміст дейтерію в атмосферних опадіввище, ніж у полярній зоні. У вільному стані H - безбарвний газ, без смаку та запаху, найлегший з усіх газів, у 14,4 рази легший за повітря. H стає рідким при -252,6°З, твердим при -259,1°С. H – чудовий відновник. Горить в O полум'ям, що не світиться, утворюючи воду. У земній корі H набагато менше, ніж у зірках та на Сонці. Його ваговий кларк у земній корі 1%. У природних хімічних сполуках Н утворює іонні, ковалентніі водневі зв'язки . Водневі зв'язки відіграють важливу роль у біополімерах (вуглеводах, спиртах, білках, нуклеїнових кислотах), визначають властивості та будову геополімерів керогену та молекул ГІ. При певних умоватом Н здатний з'єднатися одночасно із двома іншими атомами. Як правило, з одним з них він утворює міцний ковалентний зв'язок, а з іншим – слабкий, він і отримав назву водневого зв'язку.
КИСНЕЦЬ - Найпоширеніший елемент земної кори становить у ній за масою 49,13%. O має порядковий номер 8, знаходиться у 2 періоді, VI групі, атомна маса 15,9994. Відомі три стабільні ізотопи O - 16 О (99,759%), 17 О (0,0371%), 18 О (0,2039%). Довгоживучі радіоактивні ізотопи O відсутні. Штучний радіоактивний ізотоп 15 (Т 1/2 = 122 секунди). Застосовується для геологічних реконструкцій співвідношення ізотопів 18 О/ 16 О, що у природних об'єктах змінюється на 10% від 1/475 до 1/525. Найнижчий ізотопний коефіцієнт мають полюсні льоди, найвищий - СО 2 атмосфери. При порівнянні ізотопного складу користуються величиною d 18 Про, яке обчислюється за формулою: d 18 Про‰= . За стандартприйнято середнє співвідношення цих ізотопів в океанічній воді. Варіації ізотопного складу O в гп, воді визначаються температурою, за якої протікає процес утворення конкретних мінералів. Чим нижче T, тим інтенсивніше буде фракціонування ізотопів. Вважають, що ізотопний склад O океану за останні 500 млн років не змінювався. Головним фактором, що визначає ізотопний зсув (варіації ізотопного складу в природі), є кінетичний ефект, який визначається температурою проходження реакцій. O за звичайних умов газ, невидимий, без смаку, позбавлений запаху. У реакціях з переважною більшістю атомів O виступає в ролі окислювача. Тільки реакції з F окислювачем є F. O існує у двоалотропних модифікаціях . Перша - молекулярний кисень - Про 2Друга модифікація – озон - Про 3 ,обр під дією електричних розрядів у повітрі та чистому O, у радіоактивних процесах, дією на звичайний O ультрафіолетових променів. В природі Про 3утворюється постійно під дією УФ променів у верхніх шарахатмосфери. На висоті близько 30-50 км існує «озоновий екран», який затримує основну масу УФ-променів, захищаючи організми біосфери від згубної дії цих променів. При малих концентраціях у Про 3приємний, освіжаючий запах, але якщо у повітрі більше 1% Про 3, він дуже токсичний .
АЗОТ - концентрується в біосфері: він переважає в атмосфері (75,31% за вагою, 78,7% за обсягом), а у земній корі його ваговий кларк – 0,045 %.Хімічний елемент V групи, 2 періоди атомний номер 7, атомна маса 14,0067.Відомі три ізотопи N - два стабільних 14 N (99,635%) та 15 N (0,365%) та радіоактивний 13 N, Т 1/2 = 10,08 хв. Загальний розкид значень відносин 15 N/ 14 Nневеликий . Нафти збагачені ізотопом 15 N, а супутні природні газизбіднені ім. Горючі сланці також збагачені важким ізотопом. N 2 безбарвний газ, без смаку та запаху. Nна відміну від Про не підтримує дихання, суміш Nз Про найбільш прийнятна для дихання більшості жителів нашої планети. N хімічно неактивний. Він входить до складу ЖР всіх організмів. Мінімальна хімічна активність азоту визначається будовою його молекули. Як і у більшості газів, крім інертних, молекула Nі двох атомів. В утворенні зв'язку між ними беруть участь по 3 валентні електрони зовнішньої оболонки кожного атома, утворюється потрійний ковалентний хімічний зв'язок , яка дає найстабільнішу із усіх відомих двоатомних молекул. «Формальна» валентність від -3 до +5, «істинна» валентність 3. Утворюючи міцні ковалентні зв'язки з O,H і C, він входить до складу комплексних іонів: - , - , + , які дають розчинні солі.
СЕРА - ел-т ЗК,у мантії (ультраосновні породи) її у 5 разів менше, ніж у літосфері. Кларк у ЗК - 0,1%. Хім ел-т VI групи, 3 періоди, атомний номер 16, атомна маса 32,06. Високо електронегативний ел-т, виявляє неметалеві властивості. У водневих та кисневих сполуках знаходиться у складі різних іонів. Обр кислоти та солі. Багато сероутримуючих солі малорозчинні у воді. S може мати валентності: (-2), (0), (+4), (+6), з них найбільш характерні перша і остання. Характерні як іонні, і ковалентні зв'язку. Основне значення для природних процесівмає комплексний іон – 2 S – неметал, хімічний активний елемент. Лише з Au та Pt S не взаємодіє. З неорг сполук крім сульфатів, сульфідів та H2SO4 на Землі поширені оксиди SO 2 - газ, що сильно забруднює атмосферу, та SO 3 (тверда речовина), а також сірководень. Для елементарної S характерно три алотропні різновиди : S ромбічна (найбільш стійка), S моноклінна (циклічна молекула – восьмичленне кільце S 8) та пластична S 6 – це лінійні ланцюжки з шести атомів. У природі відомі 4 стабільні ізотопи S: 32 S (95,02%), 34 S (4,21%), 33 S (0,75%), 36 S (0,02%). Штучний радіоактивний ізотоп 35 S c Т 1/2 = 8,72 доби. За стандарт прийнято S троїліту(FeS) з метеориту Каньйона Діабло (32 S/ 34 S= 22,22) Реакції окислення та відновлення можуть викликати ізотопний обмін, що виражається в ізотопному зрушенні. У природі – бактеріальним шляхом, але можливий і термічний. У природі на цей час відбулося чітке поділ S земної кори на 2 групи - біогенних сульфідів і газів, збагачених легким ізотопом 32 S, та сульфатів, що входять до солі океанічної води стародавніх евапоритів, гіпсів, що містять 34 S. Гази, супутні нафтовим покладам, варіюють за ізотопним складом і помітно відрізняються від нафт.
Хімічний склад земної кори був визначений за результатами аналізу численних зразків гірських порід та мінералів, що виходять на поверхню землі при гороосвітніх процесах, а також взятих із гірських виробок та глибоких свердловин.
В даний час земна кора вивчена на глибину до 15-20 км. Вона складається із хімічних елементів, які входять до складу гірських порід.
Найбільшого поширення у земній корі мають 46 елементів, їх 8 становлять 97,2-98,8 % її маси, 2 (кисень і кремній) -75 % маси Землі.
Перші 13 елементів (за винятком титану), що найчастіше зустрічаються в земній корі, входять до складу органічної речовини рослин, беруть участь у всіх життєво необхідних процесах та відіграють важливу роль у родючості ґрунтів. Велика кількістьелементів, що у хімічних реакціях у надрах Землі, призводить до утворення найрізноманітніших сполук. Хімічні елементи, яких найбільше у літосфері, входять до складу багатьох мінералів (з них переважно складаються різні породи).
Окремі хімічні елементи розподіляються в геосферах так: кисень і водень заповнюють гідросферу; кисень, водень та вуглець складають основу біосфери; кисень, водень, кремній та алюміній є основними компонентами глин та піщаних порід або продуктів вивітрювання (вони переважно становлять верхню частину кори Землі).
Хімічні елементи в природі знаходяться в різних сполуках, званих мінералами. Це однорідні хімічні речовини земної кори, які утворилися внаслідок складних фізико-хімічних або біохімічних процесів, наприклад, кам'яна сіль (NaCl), гіпс (CaS04*2H20), ортоклаз (K2Al2Si6016).
У природі хімічні елементи беруть різну участь у освіті різних мінералів. Наприклад, кремній (Si) входить до складу понад 600 мінералів, а також дуже поширений у формі оксидів. Сірка утворює до 600 сполук, кальцій-300, магній -200, марганець-150, бор – 80, калій – до 75, сполук літію відомо лише 10, а йоду – ще менше.
Серед найбільш відомих мінералів у земній корі переважає велика група польових шпатів із трьома основними елементами – К, Na та Са. У грунтоутворюючих породах та продуктах їх вивітрювання польові шпати займають основне становище. Польові шпати поступово вивітрюються (розпадаються) та збагачують ґрунт на К, Na, Са, Mg, Fe та інші зольні речовини, а також мікроелементи.
Кларкове число- числа, що виражають середній вміст хімічних елементів у земній корі, гідросфері, Землі, космічних тілах, геохімічних або космохімічних системах та ін, стосовно загальної маси цієї системи. Виражається у % або г/кг.
Види кларків
Розрізняють вагові (в %, г/т або г/г) і атомні (в % від кількості атомів) кларки. Узагальнення даних щодо хімічним складомрізних гірських порід, що складають земну кору, з урахуванням їхнього поширення до глибин 16 км вперше було зроблено американським вченим Ф. У. Кларком (1889). Отримані ним числа відсоткового вмісту хімічних елементів у складі земної кори, згодом дещо уточнені А. Є. Ферсманом, на пропозицію останнього були названі числами Кларка або кларками.
Будова молекули. Електричні, оптичні, магнітні та інші властивості молекул пов'язані з хвильовими функціями та енергіями різних станів молекул. Інформацію про стани молекул та ймовірність переходу між ними дають молекулярні спектри.
Частоти коливань у спектрах визначаються масами атомів, їх розташуванням та динамікою міжатомних взаємодій. Частоти у спектрах залежать від моментів інерції молекул, визначення яких із спектроскопічних даних дозволяє отримати точні значенняміжатомних відстаней у молекулі. Загальна кількість ліній і смуг у коливальному діапазоні молекули залежить від її симетрії.
Електронні переходи в молекулах характеризують структуру їх електронних оболонок та стан хімічних зв'язків. Спектри молекул, які мають більше зв'язків, характеризуються довгохвильовими смугами поглинання, що потрапляють у видиму область. Речовини, побудовані з таких молекул, характеризуються забарвленням; до таких речовин відносяться всі органічні барвники.
Іони.Через війну переходів електронів утворюються іони – атоми чи групи атомів, у яких число електронів не дорівнює числу протонів. Якщо іон містить негативно заряджених частинок більше, ніж позитивно заряджених, такий іон називають негативним. У протилежному випадку іон називають позитивним. Іони дуже часто зустрічаються в речовинах, наприклад, є у всіх без винятку металах. Причина полягає в тому, що один або кілька електронів від кожного атома металу відокремлюються та рухаються усередині металу, утворюючи так званий електронний газ. Саме через втрату електронів, тобто негативних частинок, атоми металу стають позитивними іонами. Це справедливо для металів у будь-якому стані – твердому, рідкому чи газоподібному.
Кристалічна решітка моделює розташування позитивних іонів усередині кристала однорідної металевої речовини.
Відомо, що у твердому стані всі метали є кристалами. Іони всіх металів розташовані впорядковано, утворюючи кристалічні ґрати. У розплавлених та випарених (газоподібних) металах упорядковане розташування іонів відсутнє, але електронний газ, як і раніше, залишається між іонами.
Ізотопи- різновиди атомів (і ядер) будь-якого хімічного елемента, які мають однаковий атомний (порядковий) номер, але різні масові числа. Назва пов'язана з тим, що всі ізотопи одного атома поміщаються в те саме місце (в одну клітинку) таблиці Менделєєва. Хімічні властивості атома залежать від будови електронної оболонки, яка, своєю чергою, визначається переважно зарядом ядра Z (тобто кількістю протонів у ньому), і майже залежить від його масового числа A (тобто сумарного числа протонів Z і нейтронів N) . Усі ізотопи одного елемента мають однаковий заряд ядра, відрізняючись лише кількістю нейтронів. Зазвичай ізотоп позначається символом хімічного елемента, якого він належить, з додаванням верхнього лівого індексу, що означає масове число. Можна також написати назву елемента з додаванням через дефіс масового числа. Деякі ізотопи мають традиційні назви (наприклад, дейтерій, актинон).
Досі, говорячи про атомну теорію, про те, як із кількох сортів атомів, з'єднаних між собою в різному порядку, виходять зовсім несхожі одна на одну речовини, ми жодного разу не задалися «дитячим» питанням – а звідки взялися самі атоми? Чому атомів одних елементів дуже багато, а інших - дуже мало, і поширені вони дуже нерівномірно. Наприклад, лише один елемент (кисень) становить половину земної кори. Три елементи (кисень, кремній та алюміній) у сумі становлять уже 85 %, а якщо до них додати залізо, кальний, натрій, калій, магній та титан, то отримаємо вже 99,5 % земної кори. На частку кількох десятків інших елементів припадає лише 0,5 %. Найрідкісніший на Землі метал - реній, та й золота з платиною не так вже й багато, не дарма вони такі дорогі. А ось інший приклад: атомів заліза в земній корі приблизно в тисячу разів більше, ніж атомів міді, атомів міді у тисячу разів більше, ніж атомів срібла, а срібла у сто разів більше, ніж ренію.
Зовсім інакше розподілені елементи на Сонце: там найбільше водню (70 %) і гелію (28 %), а всіх інших елементів - лише 2 %, Якщо взяти весь видимий Всесвіт, то водню в ньому ще більше. Чому так? У давнину і в Середні віки питаннями про походження атомів не задавалися, бо вважали, що вони існували в незмінному вигляді і кількості завжди (а за біблійною традицією - були створені Богом в один день творіння). І навіть коли атомістична теорія перемогла і хімія почала бурхливо розвиватися, а Д. І. Менделєєв створив свою знамениту систему елементів, питання походження атомів продовжував вважатися несерйозним. Звичайно, зрідка хтось із учених набирався сміливості і пропонував свою теорію. Як уже говорилося. в 1815 Вільям Праут висловив припущення, що всі елементи походять з атомів найлегшого елемента - водню. Як писав Праут, водень-це та сама «первоматерія» давньогрецьких філософів. яка шляхом «згущення» дала решту елементів.
У XX столітті зусиллями астрономів і фізиків-теоретиків була створена наукова теорія походження атомів загальних рисахвідповідала питанням про походження хімічних елементів. Дуже спрощено ця теорія виглядає так. Спочатку вся матерія була зосереджена в одній точці з неймовірно великою щільністю (К) * "г/см") і температурою (1027 К). Ці числа настільки великі, що їм навіть немає назв. Приблизно 10 мільярдів років тому в результаті так званого Великого вибуху ця надщільна та надгаряча точка почала швидко розширюватися. Фізики досить добре уявляють, як розвивалися події через 0,01 секунди після вибуху. Теорія ж того, що відбувалося до цього, розроблена значно гірше, оскільки в згустку матерії, що існував тоді, погано виконувались відомі нині фізичні закони (і чим раніше - тим гірше). Більше того, питання про те, що було до Великого вибуху, по суті не розглядалося лаже, оскільки тоді не було самого часу! Адже якщо немає матеріального світу, тобто ніяких подій, то звідки взяти час? Хто чи що його відраховуватиме? Отже, матерія почала швидко розлітатися і остигати. Чим нижча температура, тим більше можливостей для утворення різноманітних структур (наприклад, при кімнатній температурі можуть існувати мільйони різних органічних сполук, при +500 °С - лише небагато, а вище +1000 °С, ймовірно, ніякі органічні речовини існувати не можуть, - всі вони за високої температури розщеплюються на складові частини). За оцінками вчених, через 3 хвилини після вибуху, коли температура знизилася до мільярда градусів, розпочався процес нуклеосинтезу (це слово походить від латинського nucleus – «ядро» та грецького «синтесис» – «сполучення, поєднання»), тобто процес з'єднання протонів та нейтронів у ядра різних елементів. Крім протонів – ядер водню, з'явилися й ядра гелію; ці ядра ще не могли приєднати електрони і утворити агоми через занадто високої температури. Первинний Всесвіт складався з водню (приблизно 75 %) та гелію з домішкою невеликої кількості наступного за масою елемента - літію (у його ядрі три протони). Цей склад не змінювався приблизно 500 тисяч років. Всесвіт продовжував розширюватися, остигати і ставав більш розрідженим. Коли температура знизилася до +3000 С. електрони отримали можливість з'єднуватися з ядрами, що призвело до утворення стійких атомів водню та гелію.
Здавалося б, що далі Всесвіт, що складається з водню і гелію, повинен був розширюватися і остигати до нескінченності. Але тоді не було б не лише інших елементів, а й галактик, зірок, а також нас із вами. Нескінченному розширенню Всесвіту протидіяли сили всесвітнього тяжіння (гравітації). Гравітаційне стиснення матерії в "різних частинах розрідженого Всесвіту супроводжувалося повторним сильним розігрівом - настала стадія масового утворення зірок, яка тривала близько 100 мільйонів років. У тих областях, що складаються з газу і пилу, де температура досягала 10 мільйонів градусів, починався процес термоядерного синтезу гелію шляхом злиття ядер водню Ці ядерні реакції супроводжувалися виділенням величезної кількості енергії, яка випромінювалася в навколишній простір: так спалахувала нова зірка. за рахунок «спалювання» водню.Йде цей процес дуже повільно, оскільки зближенню двох позитивно заряджених протонів перешкоджає сила кулоївського відштовхування.Так що нашому світилу судом ще довгі роки життя.
Коли запас водневого пального добігає кінця, поступово припиняється і синтез гелію, а разом з ним згасає потужне випромінювання. Сили гравітації знову стискають зірку, температура підвищується і стає можливим злиття лруг з другом вже ядер гелію з утворенням ядер вуглецю (6 протонів) та кисню (8 протонів у ядрі). Ці ядерні процеси також супроводжуються виділенням енергії. Але й запасам гелію рано чи пізно приходить кінець. І тоді настає третій етап стиснення зірки силами гравітації. А далі все залежить від маси зірки на цьому етапі. Якщо маса не дуже велика (як у нашого Сонця), то ефект від підвищення температури при стисканні зірки буде недостатнім, щоб вуглець і кисень могли вступити в подальші реакції ядерного синтезу; така зірка стає так званим білим карликом. Тяжкіші елементи «виготовлені» в зірках, які астрономи називають червоними гігантами - їх маса в кілька разів більша за масу Сонця. У цих зірках і йдуть реакції синтезу більш важких елементів із вуглецю та кисню. Як образно виражаються астрономи, зірки - це ядерні багаття, зола яких - важкі хімічні елементи.
33
2- 1822
Енергія, що виділяється на цьому етапі життя зірки, сильно «роздмухує» зовнішні шари червоного гіганта; якби наше Сонце стало такою зіркою. Земля виявилася б усередині цієї гігантської кулі - перспектива для всього земного не найприємніша. Зірковий вітер.
«Дуюші» з поверхні червоних гігантів, що виносить до космічного простору синтезовані цими шсздами хімічні елементи, які утворюють туманності (багато з них видно в телескоп). Червоні гіганти живуть порівняно недовго – у сотні разів менше, ніж Сонце. Якщо маса такої зірки перевищує масу Сонця вдесятеро, тоді виникають умови (температура близько мільярда градусів) для синтезу елементів аж до заліза. Ялро заліза – найбільш стабільне з усіх ядер. Це означає, що реакції синтезу елементів, які легші заліза, йдуть із виділенням енергії, тоді як синтез більш важких елементів потребує витрат енергії. З витратою енергії йдуть і реакції розпаду заліза більш легкі елементи. Тому в зірках, що досягли «залізної» стадії розвитку, відбуваються драматичні процеси: замість виділення енергії йде її поглинання, що супроводжується швидким зниженням температури та стиском до дуже маленького обсягу; астрономи називають цей процес гравітаційним колапсом (від латинського слова collapsus - «ослаблий, що впав»; недаремно медики так називають раптове падіння кров'яного тиску, що дуже небезпечно для людини). У ході гравітаційного колапсу утворюється величезна кількість нейтронів, які завдяки відсутності заряду легко проникають у ядра всіх наявних елементів. Пересичені нейтронами ядра зазнають особливого перетворення (його називають бета-розпадом), під час якого з нейтрону утворюється протон; в результаті з ядра даного елемента виходить наступний елемент, в ядрі якого вже більше протоном більше. Вчені навчилися відтворювати такі процеси у земних умовах; добре відомий приклад- синтез ізотопу плутонію-239, коли при опроміненні нейтронами природного урану (92 протона, 146 нейтронів) його ядро захоплює один нейтрон і утворюється штучний елемент нептуній (93 протона, 146 нейтронів), а з нього - той самий смертоносний плутон 145 нейтронів), який використовується в атомних бомбах. У зірках же, які зазнають гравітаційного колапсу, внаслідок захоплення нейтронів та наступних бета-розпадів утворюються сотні різних ядер усіх можливих ізотопів хімічних елементів. Колапс зірки закінчується грандіозним вибухом, що супроводжується викидом величезної маси речовини в космічний простір - утворюється наднова зірка. Викинута речовина, що містить всі елементи з таблиці Менделєєва (і в нашому тілі містяться ті самі атоми!), розлітається на всі боки зі швидкістю до 10 ТОВ км/с. а невеликий залишок речовини загиблої зірки стискається (колісує) з утворенням надщільної нейтронної зірки або навіть чорної діри. Зрідка такі зірки спалахують на нашому небосхилі, і якщо спалах стався не надто далеко, наднова зірка по яскравості затьмарює всі інші зірки. І не дивно: яскравість наднової зірки може перевищувати яскравість цілої галактики, що складається з мільярда зірок! нових» зірок, відповідно до китайських хроніків, спалахнула в 1054. Зараз на цьому місці знаходиться відома Крабова подібна туманність в сузір'ї Тельця, а в її центрі розташована нейтронна зірка, що згорає (30 оборотів в секунду!) На щастя (для нас , а не для синтезу нових елементів), такі зірки спалахували поки що лише в далеких галактиках.
В результаті «горіння» зірок н вибуху наднових зірок у космічному просторі виявилися вагомі відомі хімічні елементи. Залишки наднових зірок у вигляді туманностей, що розширюються, «розігрітих» радіоактивними перетвореннями, стикаються один з одним, конденсуються в щільні утворення, з яких під дією гравітаційних сил виникають зірки нового покоління. Ці зірки (у тому числі і наше Сонце) вже від початку існування містять у своєму складі домішку важких елементів; такі ж елементи містяться і в оточуючих ці зірки газопилових хмарах, з яких утворюються планети. Так що елементи, що входять до складу всіх речей, що оточують нас, у тому числі і нашого тіла, народилися в результаті грандіозних космічних процесів.
Чому ж одних елементів утворилося багато, а інших мало? Виявляється, у процесі нуклеосинтезу з найбільшою ймовірністю утворюються ядра, що складаються з невеликого парного числа щутонів та нейтронів. Тяжкі ядра, «переповнені» протонами і нейтронами, менш стійкі і їх у Всесвіті менше. Існує загальне правило: що більше заряд ядра, що його важче, то менше таких ядер у Всесвіті. Однак це правило виконується не завжди. Наприклад, у земній корі мало легких ядер літію (3 протони, 3 нейтрони), бору (5 протонів та 5 або Ь нейтронів). Припускають, що це ядра з низки причин що неспроможні утворитися у надрах зірок, а під впливом космічних променів «відколюються» від тяжких ядер, що накопичилися у міжзоряному просторі. Таким чином, співвідношення різних елементів на Землі - відлуння бурхливих процесів у космосі, які відбувалися мільярди років тому, на пізніших етапах розвитку Всесвіту.
Відповіді на запитання,
що виносяться на іспит з дисципліни «Фізико-хімічні процеси в довкілля» для студентів ІІІ курсу спеціальності «Екологічний менеджмент та аудит у промисловості»
Поширеність атомів у навколишньому середовищі. Кларки елементів.
Кларк елемента – числова оцінка середнього змісту елемента у земної корі, гидросфере, атмосфері, Землі загалом, різних типах гірських порід, космічних об'єктах та інших. Кларк елемента може бути виражений у одиницях маси (%, г/т), чи атомних %. Введений Ферсманом, названий на честь Франка Унглізорта, американського геохіміка.
Кількісну поширеність хімічних елементів у земній корі вперше встановив Кларк. У земну кору він включив також гідросферу та атмосферу. Проте маса гідросфери становить кілька %, а атмосфера – соті частки % маси твердої земної кори, тому числа Кларка відбивають переважно склад твердої земної кори. Так, в 1889 були розраховані кларки для 10 елементів, в 1924 - для 50 елементів.
Сучасні радіометричні, нейтронно-активаційні атомно-адсорбційні та інші методи аналізу дозволяють з великою точністю та чутливістю визначити вміст хімічних елементів у гірських породах та мінералах. Уявлення про кларки змінилися. Н-р: Ge в 1898 Фокс вважав кларк рівний п * 10 -10%. Ge був погано вивчений у відсутності практичного значення. У 1924 році для нього кларк був розрахований як п*10 -9 % (Кларк та Г. Вашингтон). Пізніше Ge виявили у вугіллі, та її кларк зріс до 0,п%. Ge застосовують у радіотехніці, пошук германієвої сировини, детальне вивчення геохімії Ge показали, що Ge не такий вже й рідкісний у земній корі, його кларк у літосфері становить 1,4*10 -4 %, майже такий самий як у Sn, As, його набагато більше у земній корі ніж Au, Pt, Ag.
Поширеність атомів в ос
Вернадський запровадив положення про розсіяний стан хімічних елементів, і його підтвердилося. Всі елементи є скрізь, мова може йти тільки про недостатність чутливості аналізу, що не дозволяє визначити зміст того чи іншого елемента в середовищі, що вивчається.Це положення про загальне розсіювання хімічних елементів називається законом Кларка-Вернадського.
Виходячи з кларків елементів у твердій земній корі (про Виноградову) майже 1/2 тверда земна кора складається з О, тобто Земна кора - це «киснева сфера», киснева речовина.
Кларки більшості елементів не перевищують 0,01-0,0001% – це рідкісні елементи. Якщо ці елементи мають слабку здатність до концентрування, вони називаються різкими розсіяними (Br, In, Ra, I, Hf).
Н-р: Для U та Br значення кларків становлять ≈ 2,5*10 -4 , 2,1* 10-4 відповідно, але U просто рідкісний елемент, т.к. відомі його родовища, а Br - рідкісний розсіяний, т.к. він не концентрується у земній корі. Мікроелементи - елементи, що містяться в цій системі в малих кількостях (≈ 0,01% і менше). Так, Al – мікроелемент в організмах та макроелемент у силікатних породах.
Класифікація елементів за Вернадським.
У земній корі споріднені за періодичною системою елементи поводяться неоднаково – мігрують у земну кору по-різному. Вернадський враховував найважливіші моменти історії елементів у земній корі. Головне значення надавалися таким явищам та процесам як радіоактивність, оборотність та незворотність міграції. Здатність давати мінерали. Вернадський виділив 6 груп елементів:
благородні гази (He, Ne, Ar, Kr, Xe) – 5 елементів;
благородні метали (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) – 7 елементів;
циклічні елементи (що у складних круговоротах) – 44 елемента;
розсіяні елементи – 11 елементів;
сильно радіоактивні елементи (Po, Ra, Rn, Ac, Th, Pa, U) – 7 елементів;
елементи рідкісних земель – 15 елементів.
Елементи 3 групи за масою переважають у земній корі їх переважно складаються гірські породи, води, організми.
Уявлення із повсякденного досвіду не співпадають із реальними даними. Так, Zn, Cu широко поширені у побуті та техніці, а Zr (цирконій) та Ti для нас рідкісні елементи. Хоча Zr у земній корі вчетверо більше ніж Cu, а Ti – у 95 разів. «Рідкість» цих елементів пояснюється труднощами їх вилучення з руд.
Хімічні елементи вступають у взаємодії друг з одним не пропорційно до їх мас, а відповідно до кількості атомів. Тому кларки може бути розраховані у масових %, а й у % від кількості атомів, тобто. з урахуванням атомних мас (Чірвінський, Ферсман). При цьому кларки важких елементів зменшуються, а легень збільшуються.
Так наприклад:Розрахунок на число атомів дає більш контрастну картину поширеності хімічних елементів – ще більшу перевагу кисню та рідкість важких елементів.
Коли було встановлено середній склад земної кори, виникло питання причину нерівномірності поширення елементів. Це зграї пов'язувати з особливостями будови атомів.
Розглянемо зв'язок значення кларків із хімічними властивостями елементів.
Так лужні метали Li, Na, K, Rb, Cs, Fr хімічному відношенні близькі один до одного - один валентний електрон, але значення кларків відрізняються - Na і K - 2,5; Rb - 1,5 * 10 -2; Li - 3,2 * 10 -3; Cs - 3,7 * 10 -4; Fr - штучний елемент. Різко різняться значення кларків для F і Cl, Br і I, Si (29,5) та Ge (1,4*10 -4), Ba (6,5*10 -2) та Ra (2*10 -10) .
З іншого боку, різні у хімічному відношенні елементи мають близькі кларки – Mn (0,1) та P (0,093), Rb (1,5*10 -2) та Cl (1,7*10 -2).
Ферсман побудував графік залежності значень атомних кларків для парних та непарних елементів Періодичної системи від порядкового номера елемента. З'ясувалося, що з ускладненням будови атомного ядра (обтяження) кларки елементів зменшуються. Однак ці залежності (криві) вийшли ламаними.
Ферсман прокреслив гіпотетичну середню лінію, яка плавно знижувалася зі зростанням порядкового номера елемента. Елементи розташовані вище за середню лінію, що утворюють піки, вчений назвав надмірними (O, Si, Fe та ін.), а розташовані нижче лінії – дефіцитними (інертні гази та ін.). З отриманої залежності випливає, що в земній корі переважають легкі атоми, що займають початкові клітини Періодичної системи, ядра яких містять невелику кількість протонів та нейтронів. Справді, після Fe (№26) немає жодного поширеного елемента.
Далі Оддо (італійський вчений) та Гаркінсом (американський вчений) у 1925-28 рр. було встановлено інша особливості поширеності елементів. У Земній корі переважають елементи з парним порядковим номером та атомними масами. Серед сусідніх елементів у парних елементів кларки майже завжди вищі, ніж у непарних. Для 9 найбільш поширених елементів (8 O, 14 Si, 13 Al, 26 Fe, 20 Ca, 11 Na, 19 K, 12 Mg, 22 Ti) масові кларки парних становлять у сумі 86,43%, а непарних – 13,05 %.Особливо великі кларки елементів, атомна маса яких ділиться на 4, це – O, Mg, Si, Ca.
За даними досліджень Ферсмана, ядра типу 4q (q-ціле число) становлять 86,3% земної кори. Менш поширені ядра типу 4q+3 (12,7%) і дуже мало ядра типу 4q+1 та 4q+2 (1%).
Серед парних елементів, починаючи з He, найбільшими кларками мають кожен шостий: O(№8), Si(№14), Ca(№20), Fe(№26). Для непарних елементів – аналогічне правило (починаючи з Н) – N (№7), Al (№13), K (№19), Mg (№25).
Отже, у земній корі переважають ядра з невеликим та парним числом протонів та нейтронів.
З часом кларки змінилися. Так у результаті радіоактивного розпаду стало менше U та Th, але більше Pb. У зміні значень кларків елементів зіграли роль такі процеси як диссипація газів, випадання метеоритів.
Основні тенденції хімічних змін у земній корі. Великий кругообіг речовини в земній корі.
КРУГОВОРОТ РЕЧОВИН. Речовина земної кори перебуває у безперервному русі, викликаному різноманітними причинами, що з физ.-хим. властивостями речовини, планетними, геологічними, географічними та біол. умовами землі. Цей рух незмінно і безперервно відбувається протягом геологічного часу-не менше півтора і, очевидно, не більше трьох млрд. років. В Останніми рокамивиросла нова наука геологічного циклу – геохімія, що має завдання вивчення хім. елементів, що будують нашу планету. Основним предметом її вивчення є рухи хім. елементів речовини землі, хоч би якими причинами ці рухи були викликані. Ці рухи елементів називаються міграціями хім. елементів. Серед міграцій є такі, під час яких є хім. елемент через більший або менший проміжок часу неминуче повертається до початкового початкового стану; історія таких хім. елементів у земній корі може бути зведена т.ч. до оборотного процесу та представлена у формі кругового процесу, круговороту. Цього роду міграції характерні не для всіх елементів, але для значної їхньої кількості, у тому числі для величезної більшості хімічних речовин. елементів, що будують рослинні або тваринні організми і навколишнє середовище-океани та води, гірські породи та повітря. Для таких елементів у кругообігу речовин знаходиться вся або переважна маса їх атомів, в інших лише мізерна їх частина охоплена кругообігами. Безсумнівно, більшість речовини земної кори до глибини 20-25 км охоплена круговоротами. Для наступних хім. Елементи кругових процесів є характерними і панівними серед своїх міграцій (цифра вказує на порядкове число). Н, Ве4, В5, С, N7, 08, Р9, Nan, Mg12, Aha, Sii4, Pi5, Sie, Cli7, K19, Ca2o, Ti22, V23, Cr24, Mn25, Fe2e, Co27, Ni28, Cu29, Zn30 , Ge32, As33, Se34, Sr38, Mo42, Ag47, CD48, Sn50, Sb51, Te62, Ba56) W74, Au79, Hg80, T] 81, Pb82, Bi83. Ці елементи можуть бути на цій підставі відокремлені від інших елементів як циклічні або органогенні елементи. Т.ч. круговороти характеризують 42 елементи з 92 елементів, що входять в Менделєєвську систему, причому в це число входять звичайні панівні земні елементи.
Зупинимося на До. першого роду, що укладають біогенні міграції. Ці К. захоплюють біосферу (тобто атмосферу, гідросферу, кору вивітрювання). Під гідросферою вони захоплюють базальтову оболонку, що підходить до океанічного дна. Під сушею вони в послідовності поглиблення обіймають товщу осадових порід (стратосферу), метаморфічну та гранітну оболонки та входять у базальтову оболонку. Із земних глибин, що лежать за базальтовою оболонкою, речовина землі не потрапляє до К. Воно не потрапляє в них також зверху з-за меж верхніх частин стратосфери. Т. о. круговороти хім. елементів є поверхневими явищами, що у атмосфері до висот 15-20 км (не вище), а літосфері-не глибше 15-20 км. Кожен К., щоб він міг постійно відновлюватися, вимагає припливу зовнішньої енергії. Відомі два головні і безперечні. джерела такої енергії: 1) космічна енергія-випромінювання сонця (від неї майже повністю залежить біогенна міграція) і 2) атомна енергія, пов'язана з радіоактивним розпадом елементів "78 ряду урану, торію, калію, рубідії. З меншим ступенем точності можна виділити енергію механічну , пов'язану з рухом (завдяки тяжінню) земних мас, і ймовірно космічну енергію, що проникає зверху (промені Гесса).
Кругообіги, що захоплюють кілька земних оболонок, йдуть повільно, із зупинками і можуть бути помічені лише у геологічному часі. Часто вони охоплюють кілька геологів, періодів. Вони викликаються геологом, зсувами суші та океану. Частини К. можуть йти швидко (наприклад, біогенна міграція).
" |
Водень (Н) дуже легкий хімічний елемент, що містить у Земній корі 0,9% по масі, а у воді 11,19%.
Характеристика водню
Легко він перший серед газів. За нормальних умов без смаку, безбарвний, і абсолютно без запаху. При попаданні в термосферу летить у космос через малу вагу.
У всьому всесвіті це найчисленніший хімічний елемент (75% від усієї маси речовин). Настільки, що багато зірок у космічному просторі складаються повністю з нього. Наприклад, Сонце. Його основний компонент – водень. А тепло і світло це результат виділення енергії при злитті ядер матеріалу. Також у космосі є цілі хмари з його молекул різної величини, щільності та температури.
Фізичні властивості
Висока температура і тиск значно змінюють його якості, але за звичайних умов він:
Має високу теплопровідність, якщо порівнювати з іншими газами,
Нетоксичний і погано розчинний у воді,
З щільністю 0,0899 г/л при 0°З 1 атм.,
Перетворюється на рідину при температурі -252,8°С
Стає твердим при -259,1°С.
Питома теплота згоряння 120,9.106 Дж/кг.
Для перетворення на рідину або твердий стан потрібні високий тискі дуже низькі температури. У зрідженому стані він текучий та легкий.
Хімічні властивості
Під тиском і при охолодженні (-252,87 гр. С) водень знаходить рідкий стан, який за вагою легший за будь-який аналог. У ньому він займає менше місця, ніж у газоподібному вигляді.
Він типовий неметал. У лабораторіях його одержують шляхом взаємодії металів (наприклад, цинку або заліза) із розведеними кислотами. За звичайних умов малоактивний і входить у реакцію лише з активними неметалами. Водень може відокремлювати кисень з оксидів і відновлювати метали з сполук. Він та його суміші утворюють водневий зв'язок з деякими елементами.
Газ добре розчиняється в етанолі та в багатьох металах, особливо в паладії. Срібло його не розчиняє. Водень може окислюватися під час спалювання в кисні або на повітрі та при взаємодії з галогенами.
Під час з'єднання з киснем утворюється вода. Якщо температура при цьому звичайна, то реакція йде повільно, якщо вище 550 ° С - з вибухом (перетворюється на гримучий газ).
Знаходження водню у природі
Хоча водню дуже багато на нашій планеті, але в чистому виглядійого знайти нелегко. Дещо можна виявити при виверженні вулканів, під час видобутку нафти і в місці розкладання органічних речовин.
Більше половини усієї кількості перебуває у складі з водою. Так само він входить у структуру нафти, різної глини, горючих газів, тварин та рослин (присутність у кожній живій клітині 50% за кількістю атомів).
Кругообіг водню в природі
Щороку у водоймах і грунті розкладається колосальна кількість (мільярди тонн) залишків рослин і це розкладання вихлюпує в атмосферу величезну масу водню. Так само він виділяється при будь-якому бродінні, що викликається бактеріями, спалюванні та нарівні з киснем бере участь у кругообігу води.
Області застосування водню
Елемент активно використовується людством у своїй діяльності, тому ми навчилися отримувати його у промислових масштабах для:
Метеорології, хімвиробництва;
Виробництва маргарину;
Як пальне для ракет (рідкий водень);
електроенергетики для охолодження електричних генераторів;
Зварювання та різання металів.
Маса водню використовується при виробництві синтетичного бензину (для поліпшення якості палива низької якості), аміаку, хлороводню, спиртів та інших матеріалів. Атомна енергетика активно використовує його ізотопи.
Препарат «перекис водню» широко застосовують у металургії, електронній промисловості, целюлозно-паперовому виробництві, при відбілюванні лляних та бавовняних тканин, для виготовлення фарб для волосся та косметики, полімерів та в медицині для обробки ран.
«Вибуховий» характер цього газу може стати згубною зброєю – водневою бомбою. Її вибух супроводжується викидом величезної кількості радіоактивних речовин і згубно для живого.
Дотик рідкого водню та шкірних покривів загрожує сильним та болючим обмороженням.