Эколого-геохимическая оценка состояния биосферы

      В  20 годы 20 века,  у ученых различных стран сложилось общие представления о составе земной коры. Среднее значение относительного содержания химических элементов в земной коре и других системах стали называть – кларками. Анализ значения кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов в земной коре, в солнечной системе, и даже доступной для наблюдений части Вселенной. В земной коре преобладают химические соединения главных элементов с высокими кларками.

     Более 80% массы Земной коры представлена силикатами Al, Fe, Ca, Mg и К, а 12% оксиды Si.

  В земной коре присутствуют элементы двух групп: главные и рассеянные. Главные содержатся в относительно большем количестве, образуют самостоятельные химические  соединения, а рассеянные – с малыми кларками, преимущественно распылены, т.е.  как бы рассеяны среди химических соединений других элементов. Существуют 2 основные формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:

• Микроминералогические формы.
1. элементы, входящие в акцессорные минералы;
2. элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.
3. элементы, находящиеся во включенных остаточных растворах.
• Неминералогические формы. 
1. элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.
2. элементы, входящие в структуру минерала носителя, по закону изоморфизма.
3. элементы, находящиеся в структуре минерала носителя в неупорядоченном состоянии.

     Для образования любого химического  соединения требуется концентрация исходных компонентов, не меньше минимальной, ниже которой реакция не возможна.

2.2       

     

     Задача 1.

     Рассчитать мольное соотношение атомов кислорода и кремния в земной коре. 
 
 
 
 

Массовые кларки по А.П. Виноградову.

Объемные кларки по В. Гольдшмидту.

Количество молей атомов кислорода и кремния в 100 гр. земной коры определяется следующим выражением 

n= ,

где  n - количество молей; m - масса элемента в 100 гр. земной коры; 

A - молекулярная масса атомов кислорода, г/ моль.

47% переводим  в граммы  =47 гр.

29,5% переводим  в граммы  =29,5 гр.

Рассчитываем  молярную массу для кислорода  и кремния, использую таблицу  Менделеева.

О =16*2=32 гр./моль;     Si=28 гр./моль.

n(О )= =1,5 моль     n(Si)= =1,05 моль

     

Следовательно, соотношение атомов кислорода и  кремния в земной коре 1:1.

2.3

     Задача 2.

Определить содержание кислорода и железа  в % (мас.) в магнетите FeFe O .

 Массовое содержание W_э (%(мас.)) элемента в минерале, в частности  в магнетите определяется: 

     W_э = * ,

м_э – общая масса элемента в молекуле,

М_маг – молекулярная масса магнетита.

Значение  М_маг – определяется суммированием атомных масс всех составляющих данную молекулу элементов с учетом стехиометрических коэффициентов.

М_маг = 56+(56*2)+(16*4)=232 моль.

     W_э = * %= =0,27%

     W_э = * %= =0,27=27% 

     W_э = * %= =0,24=24% 

     W_э = * %= =0,48=48%

     Из  сделанных расчетов получаются следующие  отношения:

     Fe : О =1:1

     Fe : О =1:1

Вывод:

     При расчете мольного соотношения атомов кислорода и кремния в земной коре установили это отношение равное 1:1.

     При определении содержания кислорода и железа  в магнетите FeFe O по формуле получились следующие отношения :    Fe : О =1:1;  Fe : О =1:1.

       
 
 

 

3. Элементный состав  почвы.

3.1

      Почва – природное тело, сформированное на поверхности Земли в течении длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов. Почва представляет собой многофазную полидисперсную систему. Она состоит из твердых частиц (твердая фаза), воды (почвенного раствора) и почвенного воздуха. Доля твердой фазы составляет приблизительно 40-65% объема почвенной массы, до 35% объема почвы занимает почвенный воздух, а объем почвенного раствора изменяется в широком диапазоне.

     Чаще  всего соотношение основных фаз  почвы: Т: Ж: Г = 2: 1: 2.

     Главное свойство почвы  – неразрушимая связь входящих в нее живых и неживых компонентов.

     Почвенный раствор – жидкая фаза почвы. Состав почвенных растворов меняется в очень широких пределах. В незасоленных почвах концентрация почвенного раствора находится в пределах от десятых долей до нескольких г/л. Самыми типичными компонентами раствора почвы являются катионы Са , Mg , K , NK , Na и анионы HCO , SO , NO и Cl , т.к их концентрации преобладают перед другими ионами. Когда влажность почвы меняется, то и концентрация некоторых ионов тоже меняется.

       Почвенный воздух – содержит больше СО (от 0, до 2-3% ) , а О в воздухе верхнего слоя почвы имеется 20-21% .эти концентрации ниже, чем в атмосферном воздухе. Помимо основных двух компонентов в почвенном воздухе содержатся метан, сероводород, спирты, эфиры, углеводы и т.п.

     Твердая фаза – состоит в основном из неорганических веществ (95%) и лишь малую часть (5%) составляют органические. Существуют «бедные» почвы, в них количество органических веществ равно 1%.  Твердая фаза представляет собой полидисперсную  систему, в которой присутствуют относительно крупные  обломки, больше 0,01 мм и высокодисперсные частицы, размером менее 1 мкм.   Разные компоненты различаются механическими и физико-химическими свойствами.    Минеральная часть очень разнородна и помимо обломков минералов исходных горных пород, представлена также различными почвенно –гипергенными  новообразованиями.   Главная особенность в том, что среди различных компонентов есть живые организмы, так называемый почвенно – биотический комплекс - Микрофауна. Почва образуется и функционирует как система при жизнедеятельности различных групп организмов. Среди  них  есть организмы, осуществляющие фотосинтетическое  продуцирование органического вещества: организмы, обеспечивающие разложение ежегодно отмирающих организмов и растений; организмы, производящие трансформацию продуктов до их полной минерализации с выделением углекислого газа и образованием органических соединений. Система межагрегированных пустот  и пор способствует газообмену между почвой и приземным слоем ( тропосферой), выделению газообразных продуктов почвообразования, в первую очередь СО .

     Почвы по количественному и качественному  содержанию элементов существенно  отличаются от живых организмов и горных пород. Одной особенностью почв является присутствие в них большого набора элементов. Поэтому каждому природному ландшафту соответствует определенная почва. По содержанию в почвах все элементы объединены в несколько групп.

• О и Si , т.к их содержание десятки процентов – макроэлементы.
• Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C содержание от десятых долей до нескольких процентов - макроэлементы.
• Ti, Mn, N, P, S, H десятые и сотые доли процента - переходная.
• Ва, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Co, Li, Mo, Cs, Se – микроэлементы.

Почвы различного механического состава значительно  отличаются друг от друга.

Почва создает возможность для развития фотосинтетических организмов. Изначально почва покрывала всю сушу. Вернадским назвал ее педосферой.          Образование педосферы и освоение мировой суши живым веществом повлекло за собой изменение его количества и структуры, также всей динамики, глобальных геохимических процессов, благодаря разнообразным взаимосвязанным биохимическим процессам, в почве стало осуществляться взаимодействие всех факторов ландшафтов. Это взаимодействие  происходит путем непрерывной циклической миграции масс химическим элементов, распространяясь на всю поверхность мировой суши, педосфера приобрела значение главного звена и регулятора глобальных циклических процессов массообмена химических элементов Педосфера в равной мере связана массообменном элементов с земной корой, живым веществом и атмосферой. В педосфере происходит мобилизация химических элементов, вовлекаемых  в водную миграцию, затем выносимых  в океан. С поверхности педосферы захватывается мелкие почвенные частицы, формируются континентальные аэрозоли, частично выносимые за пределы суши. В тоже время на поверхность педосферы поступают атмосферные осадки, переносимые химические элементы, в том числе, выделяемые с поверхности океана, главное – в педосфере начинается и заканчивается круговорот химических элементов: педосфера – растительность мировой суши. Все процессы являются в основном биогеохимическими. Современные данные позволяют рассматривать педосферу как планетарный механизм, который регулирует биосферные  циклы массообмена химических элементов.

     Почвенные горизонты возникают в результате приноса, выноса, перераспределения и преобразования веществ. Почвенные горизонты существенно отличаются друг от друга по элементному и механическому составу. Совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов, на которые разделяется почва в процессе почвообразования, определяется как почвенный профиль. В почвенном профиле различают три главных горизонта: А – поверхностный гумусово-аккумулятивный, В – переходный к материнской породе,  С – материнская горная порода, Д – подстилающая порода. Существует еще более подробное разделение почв: А - подзолистый, А - гумусово-аккумулятивный, А - подзолистый, А - пахотный; В - иллювиальный (переходный), делится на В , В , В , В - карбонатный. Выделяют переходные горизонты - А А , А В,  В С.

     Растворимые остатки микробиологической деятельности и  гидротермические условия способствуют образованию гумуса почв. Состав почвенного гумуса непрерывно обновляется в  результате разложения и синтеза его компонентов. В органическом  веществе почве различают 3 главные группы:

• состав почти  не различается или слабо разложившиеся остатки преимущественно  растительного происхождения. Они образуют лесные подстилки, степной войлок - грубый гумус.
• остатки, образующие рыхлое, черное вещество, состоящее из измельченных и сильно измененных  растительных остатков - мелких обрывков растительной ткани.
• состоит из специальных почв, органических образований, в них не обнаружены следы строения растительных  тканей и составляют собственный гумус.

     Эти формы почвенного органического вещества, образуются при хорошей аэрации. При длительном водонасыщении почвы деятельность мезофауны и аэробных  микроорганизмов подавляются, а при образовании растительных остатков – замедляется . При таких условиях из остатков гидрофильных растений органическое вещество почвы, состоящее из торфяных компонентов, называется гумусом. Органическое вещество почвы состоит из слабоизменных остатков растений, продуктов их измельчения и преобразования мезофауной  и микрофлорой почвы.

     Гумус почв играет двойную роль: с одной  стороны он поступает как источник азота и других элементов, необходимых  для жизни растений. Поэтому он является важным фактором продуктивности фитоценозов и плодородия почв. С  другой стороны-гумусовые кислоты и их производные активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педосфере, поэтому гумусовые вещества являются важной частью регулирования мигрирующих потоков в педосфере.

3.2

     Задача 1.

     Почва содержит 5,4 г. органического вещества на 100г. абсолютно сухой почвы. Вычислите содержание органического вещества в граммах на 100г. воздушно-сухой почвы, если в воздушно-сухом состоянии она содержала 3г. Н₂О на 100г. абсолютно сухой почвы.

1) 100г – 100%

      5,4г - Х

     Х= ,

2)  100г + 3г=103г

      103г – 100%

        Х г – 5,4%

     Х= ,

Вывод: содержание органического вещества = 5,6г.