Коллоидная и сорбированная формы нахождения элементов

Одной из основных особенностей коллоидного состояния веществ является гетерогенность — кол­лоидная система должна состоять не менее чем из двух фаз. При этом одна из них содержит частицы размером 0, 1—1 мкм (дисперс­ная фаза), распределенные в другой — дисперсионной среде.

Распространенность.Рассматриваемая форма нахождения хи­мических элементов получила относительно широкое распростра­нение в биосфере. Коллоиды встречаются в атмосфере, в океани­ческих и континентальных водах. Широко распространены они и на суше. Так, «наиболее важные составные части ландшафта, оп­ределяющие его своеобразие, или находятся в коллоидном состо­янии (а сам «ландшафт — это подлинное царство коллоидов»), или в процессе своего образования прошли через коллоидное состо­яние» (А.И. Перельман). В ландшафтах зрелых стадий влажных тропиков почти 100% почв и кор выветривания состоит из коллоидов и метаколлоидных минералов. К последним относятся вещества, которые прошли в своем развитии через коллоидную стадию и размеры частиц которых несколько боль­ше, чем у коллоидов.

Чрезвычайно широкое развитие дисперсные частицы получи­ли в тропосфере. В.В. Добровольский считает, что «они иг­рают не менее важную роль, чем дисперсные взвеси твердого ве­щества в Мировом океане». По его данным, в 1 м³ воздуха содер­жание аэрозольных частиц над континентами составляет n • 10^{-5 г,} а над океанами на один—два порядка меньше. В их составе большую роль играют многие токсичные тяжелые металлы.

В районах, относительно свободных от воздействия промыш­ленных предприятий, в столбе воздуха высотой 1 км над площадью суши содержание отдельных металлов доходит до десятков грамм. По В.В. Добровольскому, эти металлы можно разделить на две группы, в каждой из которых их концентрация уменьшается примерно на порядок:

1) Zn> Cu> Mn> Cr> Pb> V> Ni> As;

2) Cd> Se> Co> Hg> Sb> Sc.

Получается, что над континентами в дисперсной форме нахо­дятся тысячи тонн металлов первой группы и As, сотни тонн Se, Hg, Sb, Cd. Особо подчеркнем, что приведенные цифры характе­ризуют только природную составляющую этих элементов в тро­посфере. Техногенная же составляющая, накладывающаяся на природную, существенно ее превосходит.

Со взвесями переносится основная часть металлов в речных водах. Совместно со взвесями большинство металлов пере­ходит из океанических вод в осадки.

 

Биогенная форма нахождения (живое вещество)

Так как состав фитомассы суши определяет кларки всего живого вещества Земли, то наибольший интерес представляют данные о содержании рассеянных элементов в растениях. На современном уровне знаний можно дать следующую оценку масс рассеянных элементов, находящихся в растительности Мировой суши:

Группа элементов Масса, млн т

I - Мn................................................................................ 100n

И - Sr, Zn, Ti, В, Ва, Сu.................................................... 100n

III - Zr, Вг, F, Rb, Pb, Ni, Cr, V, Li........................................ n

IV - La, Y, Co, Mo, I, Sn, As, Be...................................... 0, 1n

V - Se, Ga, Ag, U, Hg, Sb, Cd.......................................0, 01n

 

Следовательно, массы рассеянных элементов, связанные в растительности суши, представлены внушительными значениями: от десятков миллионов тонн до десятков тысяч тонн, а масса марганца приближается к значениям таких элементов, как алюминий и железо.

В растениях океана по сравнению с растительностью суши значительно выше концентрация почти всех главных зольных элементов, особенно натрия и магния, а также хлора и серы. Еще заметнее выражено превышение концентрации многих рассеянных элементов. Так, в фотосинтезирующих организмах океана в сотни раз выше концентрация иода и брома, в десятки раз — некоторых тяжелых металлов (кадмия, цинка, ртути, свинца, ванадия и др.) и близких им поливалентных элементов (мышьяка).

 

Кларковые содержания химических элементов в горных породах и почвах континентов

 

Элемент	Порядковый номер элемента	Распространенность по массе, %	Атомная распро­страненность по А.Е.Ферсману, %
Ф.Кларк и Г.Вашингтон	А.П. Виног­радов	С.Р.Тейлор
Аg		n • 10-8	7-10-6	7-10-6	1, 5-10-6
Al		7, 51	8, 05	8, 23	4, 8(8, 1)
Аr		-	-	-	1, 7-10-4
As		n • 10-4	1, 7-10-4	1, 8-10-4	1 • 10-4
Au		n • 10-7	4, 3 • 10-7	4-10-7	4 • 10-7
В		0, 001	0, 0012	0, 001	7 • 10-3
Ва		0, 047	0, 065	0, 0425	6 • 10-3
Be		0, 001	0, 00038	0, 00028	1 • 10-3
Вi		n • 10-6	9 • 10-7	1, 7 • 10-5	8 • 10-7
Вr		n • 10-4	2, 1 • 10-4	2, 5 • 10-4	2 • 10-4
С		0, 087	0, 023	0, 02	0, 51
Са		3, 29	3, 96	4, 15	1, 41(5, 0)
Cd		n • 10-5	1, 3 • 10-6	2 • 10-5	8 • 10-5
Се		-	7 • 10-3	6 • 10-3	4 • 10-4
Cl		0, 19	0, 017	0, 013	0, 1
Co		0, 01	0, 0018	0, 0025	9-10-4
Cr		0, 033	0, 0083	0, 01	9 • 10-3
Cs		N • 10-7	3, 7 • 10-4	3 • 10-4	1, 5 • 10-4
Cu		0, 01	0, 0047	0, 0055	3 • 10-3
Dy		-	5 • 10-4	3 • 10-4	8 • 10-5
Er		-	3.3 • 10-4	2, 8 • 10-4	7 • 10-5
Eu		-	1.3 • 10-4	1.2 • 10-4	3• 10-6
F		0, 027	0, 066	0, 0625	0, 07
Fe		4, 70	4, 65	4, 63	1, 31(6)
Ga		n • 10-9	0, 0019	0, 0015	1, 5 • 10-5
Gd		-	8 • 10-4	5, 3 • 10-4	8 • 10-5
Ge		n • 10-9	1.4 • 10-4	1, 5 • 10-4	6 • 10-6
H		0, 88	-	-	17, 25
He		-	-	-	4 • 10-6
Hf		3 • 10-3	1 • 10-4	3 • 10-4	4 • 10-5
Hg		n • 10-5	8, 3 • 10-6	8 • 10-6	7 • 10-6
Ho		-	1.7 • 10-4	1, 2 • 10-4	1 • 10-5
In		n • 10-9	2, 5 • 10-5	1 • 10-5	1.3 • 10-6
I		n • 10-5	4 • 10-5	5 • 10-5	1, 5 • 10-5
К		2, 4	2, 5	2, 09	1, 05(1, 6)
Kr					4 • 10-9
La		-	2, 9 • 10-3	3-10-3	8 • 10-5
Li		0, 004	0, 0032	0, 002	0, 012
Lu		-	8 • 10-5	5 • 10-5	1, 7 • 10-5
Mg		1, 94	1, 87	2, 33	1, 72(3, 0)
Mn		0, 08	0, 1	0, 095	0, 03 (0, 09)
Mo		n • 10-4	1.1 • 10-4	1.5 • 10-4	2 • 10-4
N		0, 03	0, 0019	0, 002	0, 05
Na		2, 64	2, 5	2, 36	1, 82(2, 3)
Nb		-	0, 002	0, 002	6 • 10-6
Nd		-	3, 7 • 10-3	2, 8 • 10-3	2-10-4
Ne		-	-	-	4 • 10-7
Ni		0, 018	0, 0058	0, 0075	6 • 10-3
O		49, 52		46, 4	53, 39
Р		0, 12	0, 093	0, 105	0, 07 (0, 08)
Pb		2 • 10-3	1, 6 • 10-3	1, 25 • 10-3	1 • 10-4
Pr		-	9 • 10-4	8, 2 • 10-4	6 • 10-5
Rb		n • 10-3	0, 015	0, 009	2 • 10-3
Re		-	7 • 10-8	-	1 • 10-8
S		0, 048	0, 047	0, 026	0, 05
Sb		n • 10-5	5 • 10-5	2 • 10-5	7 • 10-6
Sc		n • 10-5	0, 001	0, 0022	0, 22
Se		n • 10-6	5 • 10-6	5 • 10-6	1, 5 • 10-5
Si		25, 75		28, 15	16, 11(26, 7)
Sm		-	8 • 10-4	6 • 10-4	8 • 10-5
Sn		n • 10-4	2, 5 • 10-4	2 • 10-4	1 • 10-3
Sr		0, 017	0, 034	0, 0375	8 • 10-3
Та		-	2, 5 • 10-4	2 • 10-4	2, 3 • 10-6
Tb		-	4, 3 • 10-4	9 • 10-5	1 • 10-5
Th		2 • 10-3	1, 3 • 10-3	9, 6 • 10-4	1 • 10-4
Ti		0, 58	0, 45	0, 57	0, 22 (0, 6)
Tl		n • 10-8	1 • 10-4	4, 3 • 10-5	8 • 10-7
Tu		-	2, 7 • 10-5	4, 8 • 10-5	1 • 10-5
U		8 • 10-3	2, 5 • 10-4	2, 7 • 10-4	4 • 10-5
V		0, 016	0, 009	0, 0135	7 • 10-3
W		5 • 10-3	1, 3 • 10-4	1, 5 • 10-4	9 • 10-5
Xe		-	-	-	4 • 10-10
Y		-	0, 002	0, 0033	1 • 10-3
Yb		-	3, 3•10-5	3 • 10-5	8 • 10-5
Zn		0, 004	0, 0083	0, 007	5 • 10-3
Zr		0, 023	0, 017	0, 0165	5 • 10-3

 

Закономерности пространственного распределения химических элементов в земной коре

 

Элементы распространены в земной коре крайне неравно­мерно. На долю только О и Si приходится около 70% массы земной коры. Если к ним добавить еще шесть — Al, Fe, Ca, Mg, К, Na, то их суммарная масса составит около 98% массы ко­ры. Добавив к ним еще 29 наиболее распространенных элементов, получим прибавку всего более 1%, при этом доля большей части (по числу) всех оставшихся элементов составит лишь первые со­тые доли процентов массы земной коры.

Если учитывать объемы атомов, то рассматриваемая неравно­мерность станет еще более контрастной.

Многими исследователями химические элементы группирова­лись с учетом их кларковых содержаний. Так, иногда породообра­зующими называются девять наиболее распространенных в лито­сфере химических элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, K, Na, Mg, Ti. На их долю приходится 99, 5% массы земной коры.

Элементы с массовым кларком меньше 1 • 10^-2% часто назы­вают редкими. Однако при таком подходе к редким должно отно­ситься более 70% химических элементов, известных в земной ко­ре. Ясна бессмысленность такого названия. Но даже уменьшив еще в 100 раз пороговое содержание (до 1 • 10^-4%), мы должны будем более 1/3 элементов считать редкими. Совершенно другой смысл в это понятие вкладывал А.И. Гинзбург, относивший к редким эле­менты, мало используемые человечеством. Приведенные данные указывают на необходимость осторожного подхода к термину «редкие элементы».

Довольно часто употребим (особенно в биогеохимической ли­тературе) и термин «микроэлементы». Перельман рекомендует употреблять его только с указанием конкретной природной системы. Так, Al — микроэлемент в организмах и макроэлемент в ли­тосфере. В качестве порогового значения предложено брать 1 • 10^-2%.

Ведущим химическим элементом земной коры является кислород. Его массовый кларк определяется в пределах 46, 28-49%, атомный — 53, 3%, а объемный 92%. Это позволяет считать зем­ную кору кислородной сферой. В биосфере несколько возраста­ет относительная роль гидросферы, состоящей из Н и О, в связи с чем еще больше увеличивается содержание кислорода. Он же оп­ределяет возможность развития подавляющего большинства ор­ганизмов, а основная часть свободного кислорода в биосфере считается продуктом фотосинтеза.

 

Виды миграции химических элементов: механическая, физико-химическая, биогенная, техногенная

А.И. Перельман (1979) выделил четыре основных вида миграции химических элементов: 1) механическую; 2) физико-химическую; 3) биогенную; 4) тех­ногенную, связанную с социальными процессами.

Механическая миграция (механогенез) подразумевает механи­ческое перемещение химических элементов без изменения форм их нахождения. Так, например, перемещаются обломки мине­ралов в поверхностных водах и атмосфере, воды рек, газы атмо­сферы и т.д.

Физико-химическая миграция включает миграцию и сопро­вождающие ее химические реакции для таких форм нахождения химических элементов, как водные растворы, газовые смеси. К ней же отнесены диффузия, процессы радиоактивного распа­да, явление изоморфизма, процессы сорбции.

Биогенная миграция объединяет всю миграцию химических элементов, связанную с жизнедеятельностью организмов (рас­тительных и животных).

Техногенная миграция химических элементов вызвана дея­тельностью людей. Ее роль непрерывно возрастает, и во многом она контролирует поведение химических элементов в биосфере.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: