Формы миграции химических элементов в гидросфере

Размещено на http://allbest.ru/

Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального образования

Забайкальский Государственный Гуманитарно-Педагогический Университет Им. Н.Г. Чернышевского

Естественно-Географический Факультет

Академическая кафедра Экологии и экологического образования

Реферат

по Геохимии окружающей среды

на тему: « Формы миграция химических элементов в гидросфере»

Миграция химических элементов и ее факторы

Биогенная миграция

Список литературы

Миграция химических элементов и ее факторы в зоне гипергенеза

Вы уже знаете, что всякое перемещение химических элементов в земной коре, которое приводит к изменению концентрации их в данной точке, участке коры, мы называем миграцией. Так как этот процесс движения атомов ни на мгновение не прекращается, то не только непрерывно изменяется состав земной коры, но и само распределение химических элементов в пространстве непрерывно меняется. Вчера оно было не таким, как сегодня, а завтра будет отличаться от сегодняшнего.

Вы также знаете, что если миграция направлена в сторону данного участка, то это приводит к концентрации вещества здесь, если нет, то к рассеянию. Наиболее полно проблему миграции элементов, как в отношении пространства, так и в отношении времени, охватывает геохимия, которая «пишет биографию» всех элементов за все время пребывания их на земле, в земной коре.

Другие науки (минералогия, учение о полезных ископаемых, почвоведение) изучают движение атомов на отдельных отрезках их «жизненного» пути. Например, почвоведов интересует поведение химических элементов при процессах почвообразования. Что было с ними до того, как они попали в почвы, что с ними будет после погребения почв или смыва, сдува их ветром, почвоведов уже не интересует. А геохимиков - да, они знают, что ничто не возникает ниоткуда и не исчезает бесследно.

Перейдем к вопросу о причинах и факторах миграции химических элементов. Сначала остановимся на очевидных положениях - постулатах (аксиомах), ? которые определяют миграционную способность химических элементов, т.е. поведение их в разных условиях.

1. Один и тот же химический элемент в разных условиях поведет себя по-разному.

2. Разные химические элементы в одних и тех же условиях поведут себя по-разному.

3. Сходные по свойствам химические элементы в одинаковых или сходных условиях поведут себя сходным образом.

4. Некоторые свойства химических элементов проявляются только в определенных условиях внешней среды.

5. Свойства химических элементов в термодинамических условиях земной коры (и зоны гипергенеза в том числе) проявляются через свойства соединений. Чтобы убедиться в очевидности этих положений, представьте себе поведение отдельных людей в одинаковых и разных условиях. Говоря об «очевидности», нелишне вспомнить слова К. Гибрана: «Очевидное - это то, чего никогда не видишь, пока кто-нибудь не сформулирует это достаточно просто».

Академик А.Е. Ферсман первый широко и глубоко разработал проблему миграции атомов химических элементов. Он писал: «... концентрация, и рассеяние химических элементов зависят как от свойств строения атомов, так и от внешней геологической, геохимической и термодинамической обстановки». А.Е. Ферсман среди факторов миграции выделял:

1.Внутренние факторы, связанные со свойствами атомов и их соединений.

2.Внешние факторы, определяющие характер обстановки, в которой находятся химические элементы.

Такое деление можно принимать с некоторой натяжкой, нельзя рассматривать эти две группы как абсолютно независимые. Реальная миграция химических элементов определяется совокупным действием обеих групп взаимосвязанных и взаимообусловленных факторов.

Внутренние факторы миграции

1. Свойства связи. Эти свойства заключаются в способности элементов или их соединений противостоять силам, направленным к разобщению атомов, ионов и молекул. Такими разобщающими силами могут быть механические силы (им противостоят твердость, спайность минералов),термическое воздействие (ему противостоят температура плавления, летучесть, температура диссоциации, растворимость).

2. Химические свойства элементов и их соединений. Здесь, как и в первом случае, надо не забывать, что в термодинамических условиях земной коры (а тем более, зоны гипергенеза) большинство химических элементов зависит от физико-химических свойств их соединений, т.е. минералов, от их отношения к воде, кислотам, кислороду и т.п. Однако можно говорить и о миграционной способности отдельных ионов, которая определяется величиной ионного потенциала (потерциализм Картиледжа), являющейся частным от деления валентности иона на его радиус.

Эта величина колеблется в широких пределах от 0,5 до 10 м и более. С ростом ионного потенциала падает миграционная способность иона, точнее, сужаются диапазоны pH, в которых «разрешена» миграция. Другими словами, чем выше валентность иона, тем хуже его способность к миграции, тем в более кислых средах возникла его подвижность. Например, Na+, K+и др. (р = 0,5 ? 2) мигрируют в широком диапазоне pH, вплоть до сильно щелочных условий. А Ti4+, Al3+Fe3+ только в очень кислых средах. Этот фактор является примером взаимосвязи внутренних и внешних факторов миграции.

3. Величина энергии кристаллической решетки, которая является функцией зарядов и их радиусов, измеряется работой, которую надо затратить на то, чтобы разорвать граммомолекулу вещества на составляющие его ионы (см. первый фактор). Чем она больше, тем хуже их миграционная способность. С другой стороны, при кристаллизации минералов, их растворов или расплавов раньше с путей миграции сходят те ионы, которые образуют кристаллические решетки с большей энергией. Если энергия решетки невысока, то такие ионы дольше находятся в растворе или расплаве, являются лучшими мигрантами.

4. Гравитационные свойства атомов и их соединений. Хотя атомы (ионы) - это мельчайшие частицы, они и их соединения обладают определенной массой. С другой стороны, существует гравитационное поле Земли. Действие закона тяготения проявляется при сносе вещества в пониженные участки, при осаждении в растворах и расплавах, при формировании россыпей тяжелых минералов и благоприятных металлов и т.п.

Биогенная миграция

Изучение биохимических явлений, в своем возможно глубоком подходе, вводит нас в область неразрывного проявления явлений жизни и явлений физического строения мира, в область новых построений научной мысли будущего. В этом глубокий, и научный и философский, жгучий современный интерес проблем биогеохимических.

Летом 1927 года в Берлине происходила «Неделя русских естествоиспытателей», и все крупные русские ученые приняли в ней участие. Началась «Неделя» торжественным открытием в актовом зале Берлинского университета, где собрались представители германской науки, правительства, делегаты советских учреждений. В празднестве участвовали виднейшие деятели советской культуры: Луначарский, Семашко, академики Абрикосов, Борисяк, Вернадский, Ипатьев, Лазарев, Павлов, Палладин и все немецкое естествознание во главе с Эйнштейном.

Доклад Вернадского в Берлине о «Геохимической энергии жизни в биосфере» преследовал две цели: обратить внимание слушателей на не замечаемый наукой процесс кругообращения элементов в биосфере и привлечь натуралистов к изучению этого процесса.

Сущность своего учения о биосфере и живом веществе Вернадский представил в предельно ясной и краткой форме.

- Можно без преувеличения утверждать, - говорил он, - что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами.

Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии.

Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своею смертью и своим разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное - длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы. Этот великий планетный процесс есть миграция химических элементов в биосфере, движение земных атомов, непрерывно длящееся больше двух миллиардов лет согласно определенным законам.

В этом берлинском докладе Вернадского для нас интересен один момент: появление нового биогеохимического термина - миграция элементов - взамен употреблявшихся ранее описательных выражений.

Значит, в это время Вернадский был вполне близок к самому важному и самому сказочному своему обобщению.

Выступая перед Ленинградским обществом естествоиспытателей в феврале 1928 года с докладом «Эволюция видов и живое вещество», Вернадский миграцией химических элементов называет всякое перемещение химических элементов, чем бы оно ни было вызвано. Миграцию в биосфере производят химические процессы, например вулканические извержения, движение жидких, твердых, газообразных масс при испарении осадков, движение рек, морских течений, ветров и т. п. Биогенная миграция производится силами жизни и, взятая в целом, является одним из самых грандиозных и самых характерных процессов биосферы, основной чертой ее организованности. Огромные количества атомов, исчисляемых не квинтильонами, а еще большими числами, находятся в непрерывной биогенной миграции. Эффект всей биогенной миграции определяется не одной массой живого вещества. Он зависит не меньше, чем от количества атомов, и от интенсивности их движения, неразрывно связанного с жизнью. Чем больше раз будут оборачиваться атомы в единицу времени, тем биогенная миграция будет значительнее; она может быть резко различна при одном и том же количестве атомов, захваченных живым веществом.

- Это вторая форма биогенной миграции, связанная с интенсивностью биогенного тока атомов, - говорит Вернадский. - Но есть и третья. Эта третья в нашу геологическую эпоху начинает приобретать небывалое в истории нашей планеты значение. Это миграция атомов, производимая организмами, но генетически и непосредственно не связанная с вхождением или прохождением атомов через их тело. Эта биогенная миграция производится техникой их жизни. Ее, например, производит работа роющих животных, следы которой известны с древнейших геологических эпох; таковы же отражения социальной жизни животных - постройки термитов, муравьев или бобров. Но исключительного развития достигла эта форма биогенной миграции химических элементов во время возникновения цивилизованного человечества за последний десяток тысяч лет. Мы видим, как этим путем создаются новые, небывалые на нашей планете тела, например свободным металл, как меняется лик Земли, исчезает девственная природа. Впоследствии на этой биогенной миграции, производимой техникой цивилизованного человечества, Вернадский построил свое учение о геологической деятельности человека. Пока же он, в сущности, лишь рассказывает о том, каким путем он сам пришел к своему поразительному заключению.

Анализ окружающей нас живой природы позволяет легко убедиться в том, что всюдность и давление жизни коренным образом изменены и усилены в течение геологического времени. Это совершено эволюционным процессом, приспособлением организмов, увеличившим и всюдность жизни и ее давление.

Так, из анализа пещерной фауны ясно, что она составлена из организмов, раньше живших на свету. Они приспособились эволюционным путем к новым условиям и увеличили область жизни. То же самое верно для глубоководных организмов. Они приспособились к условиям большого давления, холода и мрака, развились из организмов живших в иных условиях. Это явление новое, расширяющее область жизни биосферы населением глубин.

На каждом шагу и повсюду наблюдаются такие процессы. Флора и фауна горячих ключей, флора и фауна высокогорных областей или пустынь, флора и фауна ледниковых и снежных полей созданы эволюционным путем.

Жизнь, медленно приспособляясь, завоевывала новые области для своего бытия, увеличивала эволюционным процессом биогенную миграцию атомов биосферы.

Эволюционный процесс не только расширял область жизни, он усиливал и менял темп биогенной миграции: создание скелета позвоночных изменило и усилило миграцию атомов фосфора и, вероятно, фтора; создание скелетных форм водных беспозвоночных коренным образом изменило и усилило миграцию атомов кальция.

Еще большее по сравнению с другими позвоночными изменение в биогенной миграции произвело цивилизованное человечество. Здесь впервые в истории Земли биогенная миграция, вызванная техникой жизни, стала преобладать по своему значению над биогенной миграцией, производимой массой живого вещества. При этом изменились биогенные миграции для всех элементов. Этот процесс совершился чрезвычайно быстро, в геологически ничтожное время. Лик Земли изменился до неузнаваемости, и совершенно ясно, что процесс изменения только что начался. Два явления здесь особенно отмечены Вернадским: во-первых, то, что человек - едва ли кто сейчас сможет в этом сомневаться - создан эволюционным процессом, и, во-вторых, наблюдая производимое им изменение в биогенной миграции, видно, что это изменение нового типа идет, все увеличиваясь, с чрезвычайной резкостью.

Вполне допустимо поэтому, что и в другие периоды палеонтологической летописи изменения в биогенной миграции происходили при создании новых животных и растительных видов не менее резко.

Этот эмпирический анализ Вернадского ясно и непреклонно устанавливает, что всюдность и давление жизни утверждаются в биосфере эволюционным путем. Другими словами, наблюдаемая на нашей планете эволюция живых форм увеличивает проявление биогенной миграции химических элементов в биосфере.

Очевидно, то механическое условие, которое определяет неизбежность такого характера биогенной миграции атомов, действовало непрерывно в течение всего геологического времени, и с ним должна была считаться происходившая в это время эволюция живых форм. Механическое условие вызвано тем, что жизнь является неразрывной частью механизма биосферы, является, в сущности, той силой, которая определяет ее существование.

Очевидно, и наблюдаемая эволюция видов связана со строением биосферы. Ни жизнь, ни эволюция ее форм не могут быть независимы от биосферы, не могут быть ей противопоставляемы как независимо от нее существующие природные сущности.

Исходя из этого основного положения и доказанного научным наблюдением участия эволюционного процесса в создании всюдности и давления жизни, проявляющихся в современной биосфере, Вернадский сформулировал новый биохимический принцип, касающийся эволюции живых форм: эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

Вернадский принимает эволюционный процесс как эмпирический факт, или, вернее, как эмпирическое обобщение, и связывает его с другим эмпирическим обобщением - со строением биосферы.

Но эти обобщения не безразличны для теорий эволюции. Они логически неизбежно указывают на существование определенного направления, в котором должен идти эволюционный процесс. Это направление, вытекающее из данных наблюдения, совпадает в научно точном обозначении с принципами механики, со всем нашим знанием земных физико-химических законов, одним из которых является биогенная миграция атомов. Существование такого определенного направления эволюционного процесса, который при дальнейшем развитии науки, несомненно, можно будет определить количественно, должна иметь в виду каждая теория эволюции.

Теперь кажется невозможным уже оставлять в стороне вопрос о существовании указанного Вернадским определенного направления в эволюционном процессе, неизменного на всем его протяжении, в течение всего геологического времени. Взятая в целом, палеонтологическая летопись имеет характер не хаотического изменения, идущего то в ту, то в другую сторону, а явления определенного, развертывающегося все время в одну и ту же сторону - в направлении усиления сознания, мысли и создания форм, все более усиливающих влияние жизни на окружающую среду.

Никогда еще Вернадский не указывал так резко и ясно на неразрывность явлений жизни и явлений физического строения мира. Но натуралисты тех лет, слушавшие доклад, не решались даже спорить: так привыкло человечество отделять себя от физического мира, от той самой биосферы, вне которой оно не могло бы просуществовать и одного мгновения. А между тем не находилось и возражений, ибо все, что просилось на язык, немедленно оборачивало спор к средневековью, поповщине и мистике.

Но один вопрос все-таки был задан в безыменной записке: «Как же может сознание действовать на ход процессов, целиком сводимых вами к материи и энергии?»

На этот вопрос Владимиру Ивановичу нетрудно было ответить - он так часто и так много об этом думал. - Научная человеческая мысль могущественным образом меняет природу. Нигде, кажется, это не проявляется так резко, как в истории химических элементов и земной коре, как в структуре биосферы. Созданная в течение всего геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под влиянием научной мысли человечества. Вновь создавшийся геологический фактор - научная мысль - меняет явления жизни, геологические процессы, энергетику планеты. Очевидно, эта сторона хода научной мысли человека является природным явлением! Мы должны выбросить из своего мировоззрения в научной работе представления, вошедшие к нам из чуждых науке областей духовной жизни - религии, идеалистической философии, искусства…

В юности Вернадский не случайно ходил с прозвищем «упрямый хохол». Раз усвоенных взглядов и правил он держался неуклонно и твердо. Изгнав из своего мировоззрения все представления и понятия идеалистической философии и религии, он вообще уже не считался с ними и, будучи по существу диалектиком и материалистом, до конца жизни не подозревал, что философия может быть и наукой, какою является диалектический материализм, марксистско-ленинская теория.

Но благородное и сознательное упрямство в достижении научных целей, в решении научных задач помогало ему с каждым новым решением все глубже и убедительнее разбираться в космическом хозяйстве, не сходя с Земли.

И казалось, что живое вещество само идет навстречу учению Вернадского о биогенной миграции атомов. Сначала собирали на петергофских прудах ряску, ту самую зеленую кашу, которая временами покрывает в несколько часов поверхность застойных вод. Руководил сбором Виноградов, помогали сотрудники Петроградского биологического института. Вернадский поставил общий и интереснейший вопрос: не является ли элементарный химический состав организмов видовым признаком? Прежде всего на собранных с одного и того же пруда двух различных видах ряски выяснилось, что растения и животные концентрируют в своем организме из окружающей их среды радий. Ясно, что плавающие организмы, как ряска, берут радий только из воды, в которой они живут. Соответственными определениями установили, что содержание радия в живом организме в 56 раз больше количества его в воде.

Если же различные виды ряски берут в одной и той же окружающей их среде разные количества радия, то, очевидно, тут нет случайности, и содержание, как и нахождение, химических элементов в организме должно быть видовым признаком.

После исследования наземных растений можно было заключить, что из водных растворов почвенных вод радий поступает в наземные растения, а через них с пищей и питьевой водой - в наземные животные.

Так как часть исследований производилась в радиевом институте, а все здание радиевого института могло оказаться зараженным радиевыми излучениями, Вернадский перенес работы по определению радиоактивных элементов в живых организмах в новое помещение, вне института. Подозрение на неточность данных благодаря заражению помещения подтвердилось, но самое явление осталось правильно констатированным. Только концентрация радия по сравнению с водой оказалась больше в 40 раз, а не в 56 раз, как было определено раньше.

В следующем году сбор организмов производился под Киевом, в том же Староселье, где бывал раньше Вернадский, и под его непосредственным наблюдением.

Собирали в грабовых лесах по Днепру жуков, хрущей разных видов; в степи сетками, как бреднем, забирали саранчу; ночью на огонь ловились мотыльки. Все это потом разбиралось специалистами по видам, в количестве одной-двух тысяч каждого вида для получения среднего вывода.

Владимир Иванович принимал во всем этом самое живое участие, несмотря на свои шестьдесят пять лет. Он был неутомим, весел и разговорчив. По две-три ночи проводил он, не раздеваясь, в лесу, на реке и днем уже снова был на ветру, на солнце, на воздухе за работой.

Собранная в прудах под Киевом ряска иных видов, чем ранее исследованные, дала еще большие концентрации радия.

Особенно интересным оказался случай с одним из видов ряски, в которой радий обнаруживался в то время как в воде его найти не удалось.

Такого рода факты были известны и для других химических элементов, например йода, марганца, фосфора. Объясняются они, очевидно, несовершенством измерений, далеких все же от абсолютной точности.

Объем и значение работ, производимых отделом живого вещества, позволили Вернадскому поднять вопрос о преобразовании отдела в самостоятельную лабораторию Академии наук.

1 октября 1928 года по докладу Вернадского президиум академии преобразовал отдел живого вещества в биогеохимическую лабораторию Академии наук.

Директором ее был избран Вернадский, заместителем директора - А. П. Виноградов.

Список литературы

химический миграция биосфера атом

1.В.А.Алексеенко. Экологическая геохимия. - учебник для студентов пед. вузов . :М. Изд-во «Академия»,2004 г., 400 стр. ил.

2. Александров М.И.,Петров Л.П., «Геохимия окружающей среды», М.: Изд-во «Академиятр» ,2002 г.,350 с.,ил.

3.Юргенсон Г.А. «Геохимия ландшафтов»,Изд-во «Поиск» 2005 г., 230 с., ил.

Размещено на Allbest.ru