1.Вступление.
2.Составныечасти Земли.
3.Состави свойства атмосферы.
4.Строениегидросферы.
5.Строениеи свойства литосферы.
6.Доступностьэлементов.
7.Воздухкак источник элементов.
Начало широких исследований космического пространстваускорило развитие всех наук, в том числе и химии. Перед химиками стоят очень большие задачи – получение новых видов топлив, новых металлов и новыхпластиков, которые удовлетворяли бы новым требованиям; предвидение химическихсвойств окружающей атмосферы, в которую попадут первые космонавты; обеспечениебезопасности космонавтов в таких условиях, которые не могут существовать нанашей планете; изучение вопросов, касающихся происхождение Земли, солнечнойсистемы и жизни.
/>В наши дни химикизанимаются множеством земных проблем. Тайны нашей планеты отступают передфантастическими успехами в покорении природы и подчинении её интересамчеловека. Так, неожиданно возникла проблема загрязнения воздуха над городами,которая лет тридцать назад полностью отсутствовала. Потребление энергии растёттак быстро, что некоторые учёные говорят о возможной нехватке природноготоплива и настаивают на быстрейшем использовании ядерной энергии и более полномиспользовании солнечной энергии.
В настоящее время мы располагаем большимивозможностями значительно полнее изучить нашу планету Земля. И недалеко товремя, когда мы сможем начать исследование ближайших к нам планет, а затем извёзд.
Земля–источник всех веществ, которые мы повседневноиспользуем в своей деятельности. Энергия доходит до нас извне — от Солнца и вменьшей степени от других звёзд. Земля, в свою очередь, излучает энергию вкосмическое пространство. Если количество излучаемой энергии будет большеприобретаемой энергии, то Земля начнёт охлаждаться, если же меньше, то Землябудет нагреваться. Часть солнечной энергии накапливается в виде химическойэнергии при образовании новых веществ, особенно органических соединений. Втечение относительно коротких периодов времени (измеряемых геологическимиэпохами) мы можем использовать энергию, накопленную в природных топливах,например каменном угле и нефти, или ядерную энергию. Существование Землицеликом зависит от Солнца – нашего основного источника энергии.
Все вещества, которые мы используем, происходят главным образом из Земли. НаЗемлю, которая вращается в космическом пространстве вокруг Солнца, попадаютвещества метеоритов и космическая пыль, но их количества незначительны посравнению с количествами веществ, которые содержатся в Земле. Мы рассмотрим вещества Земли и то, как использует их человек.
Обсуждение химии Земли удобно разделить на три части,каждая из которых соответствует одной из фаз – твёрдой, жидкой илигазообразной.
Литосфера - этотвёрдая часть Земли. Этот термин охватывает также и центральное ядро, хотяокончательно не выяснено, какое оно – твёрдое или жидкое. Литосферапредставляет собой «шар» из твёрдого вещества радиусом около 6400км. Мыимеем прямой доступ только к небольшой части этого огромного шара. Самыеглубокие шахты имеют глубину 3-5 км; глубина нефтяных скважин достигает 5-8км. Относительно тонкая оболочка, которую мы можем непосредственно изучить,называется земной корой. На основании сейсмических исследованийтолщину земной коры считают равной приблизительно 32 км. Остальную часть мыназываем внутренней литосферой, которая включает также и центральнуючасть, называемую ядром.
Около 80% земной поверхности водным раствором. Этотжидкий слой – океаны – называется гидросферой. Средняя глубинагидросферы равна примерно 5 км, но « глубины» или «бездны» океанов превышаютэту среднюю величину более чем в 2 раза.
Землю окружает третья фаза, газообразная. Смесьгазов, находящаяся вокруг Земли, называется атмосферой. Более 98%этого газа (воздуха) находится на расстоянии меньше 64 км от поверхностиЗемли.
Состав земной атмосферы неодинаков в разные дни и,кроме того, изменяется в зависимости от высоты и места на земном шаре. Большевсего в атмосфере изменяется содержание паров воды. Вода постоянно испаряется споверхности гидросферы, из почвы, листьев, при сушке белья и т. д. Через какие-то промежутки времени отдельные зоны атмосферы охлаждаются до точки росы илиточки замерзания, и тогда избыток паров воды осаждается в виде дождя или снега.
Поскольку концентрация паров воды в атмосфере весьмаразлична, геохимики обычно сообщают состав «сухого воздуха», т. е. воздуха, изкоторого пары воды полностью удалены. Состав образца сухого воздуха приведен втаблице 1. Обратите внимание на низкую концентрацию водорода и гелия в воздухе.Земля — относительно небольшая планета во вселенной и, следовательно, довольно слабопритягивает окружающие её газы. Поэтому большая часть водорода и гелия,первоначально связанных с веществом Земли, довольно легко удаляется от неё.Следует отметить также, что содержание азота в воздухе выше, чем содержаниекислорода, хотя в гидросфере и литосфере кислорода гораздо больше. Большинствосоставных частей атмосферы (за исключением воды и двуокиси углерода)представляют собой элементы. Название вещества Формула вещества Содержание вещества, % Азот N2 78,09 Кислород O2 20,95 Аргон Ar 0,93 Двуокись кислорода CO2 0,03 Неон Ne 0,0018 Гелий He 0,00052 Криптон Kr 0,0001 Водород H2 0,00005 Ксенон Xe 0,000008
Таблица 1: Состав образца сухого воздуха.
Используя газовые законы, можно вычислитьотносительные концентрации компонентов сухого воздуха. Предположим, что вкакой-то день атмосферное давление равно 750 мм рт. ст. и что после высушиванияобразца такого воздуха давление становится равным 738 мм рт. ст. В этом случаепарциальное давление паров воды равно 750 мм рт. ст. - 738 мм рт. ст.= 12 ммрт. ст. Парциальное давление изменяется прямо пропорционально числу молекул,поэтому мы находим, что доля молекул воды в этом образце воздуха равна 12 ммрт. ст./750 мм рт. ст.= 0.016. В этом довольно влажном воздухе 1.6% всехмолекул составляют молекулы воды.
На более тяжелыемолекулы действует большая сила притяжения, чем на легкие молекулы. Следовательно,наблюдается тенденция к седиментации, т. е. осаждению, молекул с высокиммолекулярным весом по отношению к молекулам газа с низким молекулярным весом.Такая тенденция противоположна склонности к максимальной неупорядоченности,вследствие которой атмосферные газы хорошо перемешиваются. В результатенаблюдается незначительное изменение состава воздуха с высотой. Сухой воздух науровне моря содержит около 78% молекул азота 21% молекул кислорода, но навысоте 20 км образец сухого воздуха содержит 80% молекул азота и только 19%молекул кислорода.
Помимо влияния силпритяжения, состав воздуха изменяется из-за химических реакций, инициируемыхсветом. Эти реакции вызываются поглощением ультрафиолетового излучения вверхних слоях атмосферы. Например, кислород, поглощая ультрафиолетовоеизлучение, приобретает энергию, превышающую энергию связи. При этом происходитразрыв связи и образуются два атома кислорода:
O2(r) + hv = 2O(r) (1)
Образующиеся атомы кислорода оченьреакционноспосбны. Эти атомы могут присоединяться к другой молекуле кислорода О2, образуямолекулу озона О3:
O(r) + O2 (r)= O3(r) (2)
Озон — очень реакционноспособная форма кислорода, хотяи не в такой степени, как атомы кислорода. В атмосфере он образуется только набольших высотах, так как ультрафиолетовое излучение той частоты, котораянеобходима для реакции (1), настолько полно в верхних слоях, что до нижнихслоёв. Исследования показали, что концентрация озона на уровне морянезначительна и что она достигает максимума на высоте 24 км.
Эти небольшие количества озона, находящегося на высоте24 км над поверхностью Земли, поглощает ультрафиолетовое излучение почти всехчастот, которое не поглощается кислородом О2. Таким образом, О2 и О3 делаютатмосферу 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 быатмосфера была «прозрачной», для фотосинтеза были бы более доступны фотоныгораздо более высокой энергии.
Для волн, соответствующих противоположному,инфракрасному концу спектра, атмосфера также по существу непрозрачна. Этообъясняется главным образом поглощением инфракрасного излучения парами воды игазообразной двуокисью углерода. Таким образом, мы видим, что воздух, которыйобычно считают прозрачным, фильтрует солнечные лучи, попадающие на Землю.Фотоны очень высокой энергии (в ультрафиолетовой области) и очень низкойэнергии (в инфракрасной области) задерживаются, а фотоны средней энергии(промежуточная область спектра) пропускаются.
Вода, которая соприкасается с воздухом, растворяетчасть воздуха. Кислород растворяется в воде гораздо лучше, чем азот, но,поскольку азота в воздухе в 4 раза больше, чем кислорода, количестворастворённого азота в воде превышает количество растворённого кислорода.Элементарный кислород, растворённый в воде, используется живущими в водеорганизмами для процессов окисления. Концентрация растворённой двуокисиуглерода низкая, так как содержание её в воздухе невелико. Но то количестводвуокиси углерода, которое растворено в воде, необходимо для фотосинтеза,происходящего в морских растениях. Растворённая двуокись углерода придаёт водеприятный вкус. Кипячённая вода теряет почти всё количество растворённого в нейгаза, поэтому она безвкусна.
Океанская вода также содержит растворённые молекулыгазов из воздуха. Эти газы можно удалить кипячением, но другие растворённыевещества при этом остаются. Если перегнать 1кг океанской воды, то при этом будетсобрано в среднем 967г воды, а в перегонной колбе останется 33г твердоговещества (в основном солей). Таким образом, мы можем сказать, что 3,3 вес %океанской воды составляют растворенные соли. В океанской воде обнаружено более40 элементов, но половина из них присутствует в очень малой концентрации –меньше 1г на 1 млн. кг воды.
В таблице 2 приведены примеры концентрации (числомолей на 1кг океанской воды) воды и ионов, присутствующих в наибольшихколичествах. 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.
Таблица2: Средний состав океанской воды.
Из таблицы становится ясным, что в океанской водеионов натрия меньше, чем ионов хлора; в ней присутствуют и другие положительныеионы – ионы магния, кальция и калия. В океанской воде имеются также иотрицательно заряженные ионы – сульфат-ионы и бром-ионы. Следовательно,океанская вода – это не просто раствор хлористого натрия. Кроме того, ионовкалия 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 непосредственногоисследования, поэтому наши знания об этой части земной коры достаточно обширны.О внутренних слоях литосферы нам почти ничего не известно, хотя на их долюприходится почти 99,5% всей массы Земли.
/>
Внутренние слои литосферы. Внутренние слои литосферы можно изучать только спомощью сейсмических исследований. Ударные волны, вызванные землетрясением,распространяются в толще Земли со скоростью, зависящей от упругих свойств иплотности пород, которые встречаются на пути. Зная это сейсмологи могутопределить наличие в литосфере зон с различными свойствами. Внешний слой, илимантия Земли, простирается на глубину больше 3000км и, как принятообычно считать, находится в твердом состоянии. Плотность этого твердоговещества составляет около 3г/см вблизи поверхности и увеличивается примерно до 5 г/см в нижних слоях мантии. Это увеличение плотностиобусловлено ростом давления в глубине Земли. Давление на глубине больше 3000кмсоставляет около 1 млн. атм, т.е. в 2-3 раза превышает максимальные давления,достигаемые в статических лабораторных опытах.
Внутренняя часть литосферы называется ядром. Давленияв ней должны быть еще более высокими, а плотность вещества вблизи центра Землиможет достигать 18 г/см. Возможно, земное ядро частично находится в жидкомсостоянии, но это еще не доказано.
Мантия Земли состоит, по-видимому, из различныхсиликатов. Плотность, сжимаемость и твердость образующего мантию вещества,полученные в результате сейсмических исследований, совпадают с соответствующимизначениями силикатов. Долгое время считалось, что ядро Земли состоитпреимущественно из железа, что подтверждалось составом метеоритов. Метеориты –это твердые тела, падающие на Землю через атмосферу из космоса. Вполневозможно, что они являются обломками планет, напоминающих Землю. Поэтому посоставу метеоритов можно будет определить природу внутренних слоев литосферы.Согласно современным гипотезам, ядро Земли состоит не из железа, а из горныхпород большой плотности, однако это еще не доказано окончательно.
Предполагается, что температура вблизи центра Землипорядка нескольких тысяч градусов. При этой температуре на земной поверхностивсе горные породы расплавились бы, но, поскольку давление во внутренних слояхЗемли очень велико, весьма вероятно, что ядро Земли находится в твердомсостоянии.
Земная кора.Наиболее распространенные в земной коре элементы – кислород и кремний. Таблица3 показывает, что на долю кислорода приходится почти 60%, а на долю кремния –20% всех атомов, входящих в состав земной коры. Место Элемент Порядковый номер Число атомов на 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 земнойкоре.
В океанской воде третье место по распространенности(перед алюминием) занимает водород. По содержанию элементов в ядре Земли навтором месте находится железо, на третьем – кремний, а на четвертом –магний. Вразличных частях Земли существует свой порядок расположения элементов пораспространенности. Однако наиболее распространенными оказываются элементы снизкими порядковыми номерами – 26 и ниже. На долю всех остальных элементов(после железа) приходится меньше 0,2 вес. % земной коры.
В повседневной жизнинас чаще интересует доступность элементов, а не их распространенность в земнойкоре. Воздух постоянно окружает нас повсюду и одинаково доступен для всех.Снабжение водой имеет большие ограничения. В одних районах Земли вода имеется визбытке, другие районы страдают от ее недостатка. Даже в районах с обильнымиосадками расход воды может возрасти настолько, что её запасы будут постепенноистощаться. По мере роста населения земного шара потребление воды все большеувеличивается, и природные ресурсы воды нужно расходовать умело.
Запасы многих металлов, известных еще с древнихвремен, — меди, серебра, золота, олова и свинца – довольно ограниченны. Раньшелюди добывали медь, серебро и золото в самородном состоянии. А эти три металламожно путем несложных химических операций извлекать также из их руд. С другойстороны, 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 ииспользовать. Однако по мере истощения наиболее богатых источников элементов,широко используемых в настоящее время все большее внимание будут привлекать теэлементы, которые пока не находят широкого применения. .
В геологические эпохи в результате процессовплавления, кристаллизации, растворения и осаждения различные элементы былисконцентрированы в отдельных месторождениях, где из них образовались устойчивыесоединении. Эти соединения называются минералами. Многие минералы по составусоответствуют соединениям, полученным в лабораториях, но большинство из них неотличается особой чистотой. Так, большие залежи поваренной соли (хлористогонатрия) образовались в тех случаях на месте бывших морей, когда отложения солейбыли защищены от размывающего действия воды. Мировой океан являетсянеисчерпаемым источником хлористого натрия. Залежи калиевых солей образоваласьсовсем 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 можновести их промышленную разработку, называют рудами.
Воздух для нас только доступен, что мы не считаемкислород одним из важнейших химикалий. Например, мы используем природный газ(главным образом метан) в качестве топлива, сжигая его на воздухе. Если быметан в воздухе в большом количестве, а кислород встречался бы так редко, чтоприходилось бы специально добывать, то кислород, считался бы «топливом». Вобоих случаях количество выделяющегося тепла определяется уравнением
CH4 (r) + 202 (r) – CO2 (r) + 2H2O (r) +213 ккал (3)
Несмотря на общедоступность неограниченных количествкислорода воздуха, огромные количества чистого кислорода получают дляпромышленных и медицинских целей. Ежегодно получают миллиарды кубометровкислорода, отделяя его фракционной перегонкой от азота.
Руды,в состав которых входит азот, встречаются сравнительно редко. Наиболеераспространённый минерал - нитрат натрия NaNO3, крупныезалежи которого находятся в Чили. В настоящее время азотосодержащие соединениямы получаем, используя для этого азот воздуха. Таким образом, воздух- самыйбогатый источник кислорода и азота- двух элементов, имеющих исключительнобольшое значение.
Институт международных отношений
Национального университета имени Тараса Шевченко
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
/> Студентки 1 курсаОтделения МЭВ
1 группыСоловковой Оксаны
КИЕВ — 98