История развития геохимии реферат

Обновлено: 05.07.2024

В начале ХХ века появился новый аспект в изучении природы Земли – анализ поведения атомов химических элементов в природных системах, то есть, изучение окружающей человека природной среды на атомарном уровне.

Проводником этих идей и основоположником новой науки – геохимии ("химия Земли") был гениальный русский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945 гг.).

Своими трудами В.И. Вернадский заложил новые науки, получившие бурное развитие в настоящее время – геохимии, биогеохимии, учения о биосфере, радиогеологии, науковедения.

В современном научном мире геохимия имеет следующее определение.

Геохимия – наука, изучающая химический состав Земли, распространенность в ней химических элементов и их стабильных изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания и миграции (концентрации и рассеяния) элементов в природных процессах.

Термин “геохимия” введен К.Ф. Шенбейном в 1838 г. Основоположники геохимии В.И. Вернадский, В.М. Гольдшмидт, А.Е. Ферсман; первая крупная сводка по геохимии (1908 г.) принадлежит Ф.У. Кларку (США).

Геохимия представляет целый комплекс дисциплин, который включает:

Геохимия одна из теоретических основ поисков полезных ископаемых.

Одной из важнейших составляющих геохимии как науки является геохимия ландшафтов – направление, развиваемое наиболее быстрыми темпами.

Геохимия ландшафта – р аздел геохимии, изучающий закономерности распределения и миграции химических элементов под влиянием факторов, определяющих ландшафт, то есть, облик той или иной части поверхности Земли, возникающий вследствие определенного сочетания рельефа, климата, вод, почвенного и растительного покрова, животного мира и деятельности человека.

Другое определение геохимии ландшафта – раздел геохимии и физической географии, изучающий химический состав и миграцию химических элементов в географических ландшафтах.

Как наука, геохимия имеет свою историю развития и становления.

Геохимия стоит на стыке геологических, физических и химических наук и через биогеохимию связывается с биологическими науками. Наиболее тесно геохимия связана с геологическими науками – минералогией и петрографией, особенно в вопросах генезиса минералов, горных пород и геологических процессов.

Регионально-геохимические исследования проводятся в тесном сочетании с геотектоническими построениями. В геохимии применяются современные физические и химические методы исследования вещества и процессов в широком диапазоне температур и давлений – спектральные, масс-спектральные, резонансные, ядерные и др.; используются математические методы.

Изучение поведения вещества при высоких температурах и давлениях связывает геохимию с геофизикой. Оценка абсолютного времени, которая лежит в основе исторической геологии, и ряд др. проблем истории Земли решаются только точными методами геохимических и радиохимических исследований. В палеонтологии при решении вопросов образования твердых скелетных частей организмов и их эволюции важно знать геохимические условия, в которых жили организмы. Изучение ископаемого органического вещества раскрывает процессы образования каустобиолитов.

Геохимические идеи играют очень большую роль в развитии почвоведения; они направлены на решение ряда важных вопросов агрохимии и агрономии. Геохимическое изучение почвенного покрова очень важно для геохимических поисков полезных ископаемых. В географии также развивается геохимическое направление – геохимия ландшафта . Изучение геохимических процессов, связанных с флорой и фауной, имеет большое значение для сельского хозяйства и медицины.

Идеи геохимии проникают в астрофизику, атомную физику, химию и физическую химию, химическую технологию и металлургию (особенно редких металлов). Геохимия успешно разрабатывает и внедряет в практику геохимические поиски месторождений полезных ископаемых и содействует решению проблемы комплексного использования минерального сырья. Она активно участвует в той огромной работе, которая проводится в Российской Федерации в области химизации народного хозяйства и особенно химизации сельского хозяйства.

Геохимия возникла на основе учения об атомах. Корни ее уходят в прошлое геологоминералогического знания. Геохимические идеи появились уже в конце XVIII в.

Немецкий геолог К.Г. Бишоф, французский геолог Л. Эли де Бомон и др. накапливали геохимические факты, касавшиеся состава, миграции вещества в водных растворах, а также в магматических вулканических процессах. Шведский химик и минералог И.Я. Берцелиус в 1-й половине XIX в. изучал химический состав большого числа минералов и первым предложил химическую классификацию минералов.

Первую обширную сводку данных по геохимии дал в 1882 г. американский геохимик Ф.У. Кларк. Формулирование основных задач в геохимии принадлежит советским академикам В.И. Вернадскому, А.Е. Ферсману и норвежскому геохимику В. М. Гольдшмидту.

Значительный вклад в геохимию был сделан работами Н.С. Курнакова и его школы, заложившими основы геохимии галогенеза, а также физико-химического анализа природных солевых систем.

Идеи Вернадского и Ферсмана нашли особенно благоприятную почву для развития после Великой Октябрьской социалистической революции.

В СССР ученики В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана – А.П. Виноградов, Д.И. Щербаков, П.Н. Чирвинский, Н.В. Белов, А.Г. Бетехтин, Н.М. Страхов, В.С. Соболев, К.А. Ненадкевич, В.Г. Хлопин, А.А. Сауков, К.А. Власов, В.В. Щербина, В.И. Герасимовский, Н.И. Хитаров и многие другие разрабатывали как общие, так и отдельные вопросы геохимии.

Во 2-й половине XX в. усилились исследования по радиоактивности горных пород и минералов, развивалась изотопная геохимия, широко развернулись работы по определению абсолютного возраста пород. Геохимические исследования в Российской Федерации ведутся не только в научно-исследовательских институтах, но и в очень многих производственных организациях.

Геохимия преподается в университетах и др. учебных заведениях. Был создан ряд геохимических институтов и отделов, в том числе биогеохимическая лаборатория, реорганизованная позже в институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского.

Содержание

Введение………………………………………………………………3
1. Первые геохимические исследования……………………………4
2. Геохимия наука XX века…………………………………………11
3. Возникновение Российской школы геохимиков.
Развитие геохимии зарубежом…………………………………. 14
4. Вклад отечественных ученых в геохимию ландшафта………. 16
5. Современный этап истории геохимии среды…………………. 18
Список литературы………………………………………………….21

Работа состоит из 1 файл

Геохимия.doc

1. Первые геохимические исследования……………………………4

2. Геохимия наука XX века…………………………………………11

3. Возникновение Российской школы геохимиков.

Развитие геохимии зарубежом…………………………………. 14

4. Вклад отечественных ученых в геохимию ландшафта………. 16

5. Современный этап истории геохимии среды…………………. 18

Весь окружающий нас мир – это мир химических элементов и их соединений в самых разных формах и фазовых состояниях. Буквально слово геохимия означает химия Земли. На самом деле объекты геохимии более разнообразные от атома до Вселенной. Мир един и лишь человек в силу своих ограниченных возможностей и поступательного характера развития знаний делит его на части, в зависимости под каким углом смотрит на этот мир. Геохимия одна из фундаментальных наук, она, прежде всего мировоззренческая. Эволюцию жизни на Земле нельзя отрицать, хотя есть и ортодоксы, кто упрямо твердит об одноактном ее творении. Развитие ее как показывают данные геохронологии идет по экспоненте т.е с ускорением, точно также как развитие самого человечества. Геохимия является корневой фундаментальной наукой, имеющей свой конкретный предмет изучения - химические элементы, но имеются и различные ее ветви, имеющие определенную специализацию и более прикладной характер: экологическая, поисковая, геохимия ландшафтов, геохимия рудных месторождений и др.

1. Первые геохимические исследования

Геохимия – одна из наиболее перспективных отраслей современной

геологической науки, ее по праву можно назвать наукой XXI века. Однако

корни геохимии уходят в далекое прошлое естествознания.

Уже в античное время существовали некоторые представления об

естественной истории атомов, но они неизбежно носили натурфилософский

Первые опытные данные по химии древние народы Вавилона, Египта,

Индии и Китая получали при производстве стекла, выплавлении металлов из

руд, изготовлении красителей и т. д. Сведения о химическом составе

природных соединений были унаследованы последующими поколениями

и дошли до эпохи средневековья.

В Западной Европе в эпоху средневековья познание химического состава

природных тел происходило стихийно и было связано, в первую очередь,

с трудами алхимиков и их последователей. Наиболее яркая фигура конца этой эпохи – Теофраст Парацельс (1493–1541), утвердивший химию в медицине и высказавший ряд идей, близких к геохимии, о круговороте веществ в природе.

Его современник Агрикола (1494–1555) изучал рудные месторождения

Центральной Европы и в своих работах дал первую для того времени сводку

знаний по металлургии, минералогии и горному делу. В его работах мы

встречаем некоторые геохимические идеи, связанные с генезисом минералов.

Первостепенное значение в истории химии имело введение понятия

о химическом элементе как последней инстанции делимости вещества,

составной части всех природных образований. Понятие о химическом элементе было введено в науку английским врачом и химиком Робертом Бойлем (1627–1691). Бойль интересовался также химией океана и атмосферы. Он выполнил первые анализы морской воды и указал на сложный состав атмосферного воздуха. Исследования Р. Бойля совпали со значительными успехами горнорудного дела в Центральной Европе и развитием механики.

В 1676 г. Христиан Гюйгенс (1629–1695) впервые выдвинул идею

который он завершил за несколько недель до смерти, Гюйгенс высказал

сокровенные мысли о строении мира. В нем отчетливо выражены два принципа огромной важности: тождество материального состава и физических сил в космосе и понятие о жизни, как о явлении космическом и принципиально отличном от косной материи.

Вопросы химии Земли в планетарных масштабах были затронуты

в работах Э. Галлея (1656–1742) и Л. Бюффона (1707–1788). Э. Галлею

принадлежит первая попытка определения возраста океана по количеству

К середине XVII столетия было собрано и описано много минералов

и горных пород, значительно расширились сведения об их химическом составе. Появились предпосылки для возникновения научной минералогии,

кристаллографии и геологии. В Центральной Европе горнорудное дело

и металлургия достигают значительного развития в связи с возросшей

потребностью в металлах. В России расширяется эксплуатация минеральных

богатств. На этот период приходится деятельность выдающегося русского

ученого-энциклопедиста М.В. Ломоносова (1711–1765).

Михаил Васильевич Ломоносов был убежденным атомистом. Он

рассматривал Землю как сферическое тело, подчиняющееся в своем развитии

Из сказанного следует, что во многих вопросах М. Ломоносов намного

опередил науку своего времени. Однако по причине слабых научных связей

между странами и ограниченности научной информации в целом идеи

М.В. Ломоносова не нашли последователей за пределами России.

Во второй половине XVIII в. в дискуссиях между нептунистами

(А.Г. Вернер) и плутонистами (Дж. Хеттон) зарождается научная геология.

Возникает научная космогония благодаря трудам Э. Канта, а затем

Дж. Пристли (1733–1804) и А. Лавуазье (1743–1794) окончательно

устанавливают химический состав воздуха. Открываются новые химические

элементы. Г.Дэви (1778–1829) исследует рудничные газы, газы вулканов,

открывает с помощью электролиза щелочные металлы – натрий и калий.

В 1794 г. в Риге выходит книга Э.Ф. Хладного (1756-1827), члена-

корреспондента Российской Академии наук, в которой доказывается

космическое происхождение метеоритов. Ранее они считались земными

образованиями. В 1802 г. В. Говардом в Англии и в 1804 г. Т.Е. Ловицем

в России были выполнены первые химические анализы метеоритов, при этом

обнаружено их минералогическое отличие от горных пород Земли. Эти

открытия предопределили появленииние космохимии.

В 1807 г. профессор Харьковского университета А. Стойкович

предположил, что метеориты – продукты распада одной из планет Солнечной

системы, поскольку в метеоритах были обнаружены те же химические

элементы, что и на Земле. Этот факт подтверждал идею единства химического состава мироздания.

С точки зрения геохимии несомненный интерес представляет книга

горного деятеля и технолога академика И.Ф. Германна (1755–1815)

технология извлечения отдельных химических элементов, основанная на

изучении химических и физических свойств элементов и их нахождения

в природе. Другой русский академик, В.М. Севергин (1765–1826), в книге

в 1798 г. формулирует понятие о естественных ассоциациях минералов, об их

В 1815 г. английский минералог В. Филлипс (1773–1828) впервые

предпринял попытку выяснить средний химический элементарный состав

земной коры. Он дал оценку распространенности десяти химическим

элементам и в общем правильно определил порядок их распространения,

выделив при этом количественное преобладание четырех элементов – О, Si, А1, Fе, подобное преобладанию четырех элементов в живых организмах – О, Н, С, N.

В изучении химического состава отдельных минералов земной коры

большая заслуга принадлежит шведскому химику И.Я. Берцелиусу (1779-

1848), открывшему Ce, Se, Th, Та и получившему Si в чистом виде. Его

исследования подводили прочный фундамент под здание будущей геохимии.

Минералогию он определял как химию земной коры.

Один из видных натуралистов XIX в. – Александр Гумбольдт (1769-1859)

чрезвычайно близко подходит к пониманию геохимической роли растений,

закладывает основы биогеографии. В ранних работах он отмечает влияние

организмов на окружающую среду. Совместно с французским химиком

Ж.Л. Гей-Люссаком Гумбольдт доказывает однородность химического состава атмосферы на разных высотах, определяет состав воды в единицах объема кислорода и водорода.

Польский химик и врач А. Снядецкий (1768–1836) установил правило,

в соответствии с которым рост массы и геохимическое действие живого

вещества, обусловленные питанием и дыханием, при смене поколений

происходят обратно пропорционально массе организма. Он первый высказал

мысль о закономерном круговороте всех химических элементов земной коры.

Ж.Б. Дюма (1800–1884) и Ж. Буссенго (1802–1887) во Франции,

К. Шпренгель (1787–1859) и Ю. Либих (1803–1873) в Германии и их

Карл Бишоф (1732–1870) в 1847 г. выпустил объемную монографию по

химической и физической геологии, в которой представил большое количество геохимических данных, обосновал ведущую роль воды в химических процессах поверхности Земли, ярко описал историю развития многих химических элементов, доказал, что их развитие представляет собой круговые процессы.

Французский геолог Ж. Эли-де-Бомон (1798–1874), связывал историю

химических элементов с магматическими и вулканическими процессами.

В своих работах он описал ведущую роль воды в геохимических процессах,

ввел понятие о вулканических эманациях, развил идею о связи химических

элементов с геологическими процессами. Ж. Эли-де-Бомон впервые определил концентрацию элементов в горных породах и коре выветривания, указав, что наибольшее количество элементов концентрируется в гранитах, к которым приурочена концентрация Sn, W, Мо, Nb, Та, U, Th, редкоземельных элементов. Одновременно он отметил, что указанные элементы сосредоточиваются преимущественно в краевых частях гранитных интрузий. По Ж. Эли-де- Бомону, большинство химических элементов проникло в земную кору в первичные эпохи истории земного шара и в последующие геологические эпохи происходило лишь их перемещение.

Применение палеонтологического метода позволило в 1830–1840 гг.

создать стратиграфическую колонку. В этот период в истории геологии

Шенбейном (1791–1867) в 1838 г. В 1842 г. Шенбейн писал: «Уже несколько

лет тому назад я публично высказал свое убеждение, что мы должны иметь

геохимию, прежде чем речь может идти о настоящей геологической науке,

которая, ясно, должна обращать внимание на химическую природу масс,

составляющих наш земной шар, и на их происхождение, по крайней мере,

столько же, сколько и на относительную древность этих образований и в них

Однако для возникновения геохимии понадобилось еще некоторое время.

Это время наступило после утверждения атомно-молекулярной теории

в физике и химии, после выяснения основных особенностей строения атома на основании периодического закона Д.И. Менделеева, после накопления

большого количества эмпирических данных по распространению химических

элементов в минералах и горных породах, после установления среднего

химического состава земной коры в целом.

Как известно, идеи новой атомистики XIX столетия победили не сразу.

Английский врач Уильям Проут в 1815 г. допускал, что атомы всех элементов

сложены из протила, т. е. легчайшего атома водорода. Идеи о составе атомов из электрически заряженных частиц были выдвинуты примерно в то же время профессором минералогии и сельского хозяйства Московского университета М.Г. Павловым (1793–1840), правда, они носили умозрительный характер. Основателем научного атомизма следует считать Дж. Дальтона (1766–1844),

В первой половине XIX в. большое значение имел грандиозный труд шведского химика И. Берцелиуса в области химического анализа горных пород, руд, минералов и вод. Он открыл торий, церий, селен, впервые получил в свободном состоянии кремний, титан, цирконий. В этот же период немецкий натуралист А. Гумбольт много внимания уделял влиянию жизни на окружающую среду, а его соотечественники – химики К. Шпренгель и Ю. Либих и французы Ж. Дюма и Ж. Буссенго установили геохимическую роль растений. Эти работы послужили основой будущей биогеохимии. В середине XIX в. немцы К. Бишоф и И. Брейтгаупт рассматривали химический состав земной коры, круговорот веществ в ней, они вплотную подошли к геохимии.

Этот закон используется в геохимической классификации элементов, при анализе величин радиусов атомов, ионов, других свойств элементов, при характеристике их технологических свойств, геохимических особенностей отдельных процессов, систем, регионов и т.д. Закон Д.И. Менделеева – это подлинный компас геохимика; анализ научных и практических проблем на базе периодической системы – важная особенность методологии геохимии.

б) Становление геохимии и её развитие в первой половине XX века.

Первый курс новой науки прочитал в 1912 г. для студентов Народного университета им. A.JI. Шанявского в Москве талантливый ученик Вернадского, вместе с ним строивший здание геохимии, А.Е. Ферсман. Затем Вернадский и Ферсман перенесли свои исследования в Петербург, в Российскую Академию наук, действительным членом которой Вернадский стал в 1912 г., Ферсман – в 1919 г. Большое значение в 20-е годы для развития науки за рубежом имело преподавание В.И. Вернадским геохимии в Праге и Париже.

в) Геохимия в эпоху научно-технического прогресса.

В эпоху НТП проблема минерального сырья приобрела исключительно важную роль. Выявилась потребность в германии, уране, бериллии, литии и др. редких элементах. В 60-е годы XX в. особо актуальной стала проблема загрязнения окружающей среды. Теоретической основой решения обеих проблем во многом явились идеи и методы геохимии. Поэтому во второй половине XX в. началось особенно быстрое её развитие.

В Академии наук СССР были созданы крупный Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского в Москве и Институт геохимии им. А.П. Виноградова в Иркутске. В университетах были созданы кафедры геохимии. Центры развития геохимии сложились в Англии, Канаде, США, Японии, Франции, ФРГ и др. государствах.

Быстро развиваются традиционные направления по геохимии магматических, гидротермальных и гипергенных процессов. Всё большую роль в исследованиях играют методы физической химии, особенно термодинамики. В качестве самостоятельного направления оформилась физическая геохимия. Быстро развивается биогеохимия. Самостоятельными направлениями стали органическая геохимия (геохимия рассеянного органического вещества, геохимия нефти, газа), создаётся палеобиохимия. Развивается геохимия редких элементов, гидрохимия и гидрогеохимия. Выделилась геохимия океана. Быстро развиваются все разделы прикладной геохимии.

Методология геохимии.

Главная особенность методологии геохимии, установленная В.И. Вернадским и А.Е. Ферсманом, – изучение миграции атомов в земной коре, других оболочках Земли, в планетах земной группы. Использование этой методологии позволило создать самостоятельную отрасль геохимии – науки, которой принадлежит важное место в системе наук о Земле.

В результате миграции происходит концентрация и рассеяние элементов. Совокупность сведений о процессах миграции рационально выделить в особый раздел геохимии – геохимию процессов миграции, который состоит из самостоятельных направлений: гидротермальных, гипергенных, техногенных и др. процессов. Изучение противоположных сторон миграции – концентрации и рассеяния элементов – составляет одну из важных особенностей методологии геохимии. Выделяется четыре основных вида миграции химических элементов: механическая, физико-химическая, биогенная и техногенная.

В первой половине XX в. исследования проводились на вещественно-энергетическом уровне. В последние десятилетия появился третий аспект изучения миграции – информационный. Кроме социальной и биологической информации говорят и об информации в неживой природе. При изучении геохимии применяется системный подход. Системы, изучаемые в геохимии, по формам движения материи разделяются на четыре основных типа: абиогенные системы, биологические системы, биокосные системы, техногенные системы. При изучении геохимических систем необходимо выявлять их прямые и обратные связи (положительные и отрицательные), анализировать явления саморегуляции, оценивать целостность, упорядоченность, централизацию, другие информационные показатели.

Объектом геохимических исследований является конкретный химический элемент, его миграция в разных процессах и системах; в геохимии процессов изучается миграция элемента в определённом процессе (например, выветривание полевого шпата и в почве, и в водоносных слоях и в илах и т.д.); в геохимии систем изучается миграция элементов в определённых системах, для которых характерны противоположные взаимосвязанные процессы, например, в гидротермальных системах протекает растворение, осаждение, разложение вмещающих пород, диффузия и т.д.; в геохимии элементов изучается поведение элемента в разных процессах и системах.

Принцип историзма – это важнейший методологический принцип геохимии. Огромное многообразие процессов и систем, изучаемых геохимией, естественно выдвигает задачу их классификации. Периодический закон Д.И. Менделеева – основа для анализа научных и практических проблем на базе периодической системы – существенная особенность методологии геохимии. Этот закон используется в геохимической классификации элементов, при анализе величин радиусов атомов, других свойств элементов, при характеристике их технологических свойств, геохимических особенностей отдельных процессов, систем и т. д.

На рубеже XIX и XX столетий возникает геохимическое направление в России. Его развитие связано с именем В.И. Вернадского (1863-1945). По его оценке представление о геохимии как науке возникло на фоне новой атомистики, физики и химии в тесной связи с минералогией. Работы В.И. Вернадского охватывают практически все разделы геохимии, освещают важную роль живого вещества в миграции элементов и термодинамику процессов. С его представлениями в области геохимии связано начало дифференциации науки – создание радиогеологии, ядерной геологии, биогеохимии.

Основоположниками современной геохимии являются Ф.У. Кларк, В.М. Гольдшмидт, В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман.

Предметом изучения геохимии являются атомы химических элементов Земли и космоса, их распределение и миграция в магматических, метаморфических и гипергенных системах под воздействием физико-химических процессов.

Методология геохимии базируется на общих законах диалектики и, в частности, на изучении закономерностей миграции химических элементов в геологических системах.

Анализ процессов миграции химических элементов (закономерностей и причин его концентрации и рассеяния), анализ закономерностей распределения элементов в геохимических системах

Методы геохимических исследований.

Выделяют 3 основных методологических подхода:

1.Принцип историзма (изучение эволюции миграции элементов за период геологической истории, особенности состава атмосферы, гидросферы и литосферы прошлых геологических эпох (вплоть до архея - более 2,5 млрд. лет назад), ГХ факторы возникновения и развития жизни на Земле.)

2.Метод систематики классификации. Дискретность - непрерывность, обособленность - характерных для атомов ХЭ, кристаллов, горных пород, минералов. Непрерывность - существ между объемами исследования постепенных переходов, электрического, магнитного и других геофизических полей.

3.Метод матричный (табличный состоит в компоновке сведений в таблицах, построенных по двум координатам, горизонтальной и вертикальной, строи и столбцы)

Важным принципом является историзм. Изучение геохимических особенностей ландшафтов прошлых геологических эпох составляет содержание исторической геохимии. Она применяется при поисках полезных ископаемых, в здравоохранении.

2. Содержание современной геохимии. История развития геохимии и основные ее научные направления.

Из зарубежных ученых весомый вклад в развитие геохимии внесли Н. Боуэн (равновесия многокомпонентных силикатных систем), Э. Ингерсон (эксперименты, геологические термометры, геохимия радиоактивных изотопов),

Современная геохимия развивает следующие основные направления исследований:

- геохимическое моделирование природных и техногенных процессов;

- экспериментальное и теоретическое моделирование геохимических процессов, протекающих в глубинных зонах Земли, геохимия магматизма и метаморфизма;

- геохимия осадочной оболочки, гидрохимия;

- геолого-геохимические и эколого-геохимические исследования дна Мирового океана;

- геохимия месторождений полезных ископаемых (рудных элементов, благородных металлов, нефти и газа, алмазов) и разработка методов их поиска;

- гидра геохимия пластовых вод для решения задач нефтяной геологии;

- разработка поисковых критериев по результатам газа геохимических съемок;

- оценка перспектив нефти газоносности локальных объектов на основе комплексирования методов глубинной геохимии, гидродинамики и сейсморазведки (геохимическое моделирование).

3. Химический состав и фазовое состояние природных геохимических систем

Ответ: Химический состав и ассоциации элементов различных типов осадочных пород. Относительная распространенность различных типов осадочных пород.

Фундамент природных систем составляют стабильные атомы химических элементов, сочетания которых образуют разнообразные молекулы. Их изучает химия – наука о составе, строении, свойствах веществ и их превращениях. Комбинации молекул создают более сложные вещества неорганической, органической и органо-минеральной природы, что является предметной областью геохимии.

Таким образом, химия послужила основной для возникновения и развития геохимии – фундаментальной геологической и географической дисциплины о химическом составе Земли и планет, состоянии и динамике процессов миграции атомов в космосе. На Земле и в живых организмах, которая, в свою очередь, стала основой для изучения других географических учебных дисциплин – земледелия, геологии, почвоведения, физической географии, а также географических, гидрохимических, аэрокосмических и экологических исследований.

Достижения геохимии позволяют устанавливать химическое состояние природной и техногенной сред, давать оценку и разрабатывать способы геохимической оптимизации на глобальном и региональном уровнях.

Решение этих задач требует знаний о геохимической, биологической и экологической функциях химических элементов, особенностях их миграции, концентрации в зависимости от природных условий и процессов.

Ещё совсем недавно полагали, что геохимия – это химия Земли. Но с того времени, как была взята первая проба лунного грунта, геохимия сала рассматриваться как наиболее изученная часть космохимии.

Космохимия – наука о химическом составе Земли, планет и Вселенной в целом, в то время как геохимия – наука о законах распределения и взаимном сочетании химических элементов в земной коре, наука, изучающая химические процессы земной коры – миграцию химических элементов, их концентрацию и рассеяние, химический состав Земли и её оболочек.

Геохимические системы можно определить как элементы геологических оболочек Земли, характеризующиеся определенной независимости протекающих в них геохимических процессов. По формам движения материи А.И.Перельман выделяет абиогенные, биогенные и геохимические системы. Геохимические системы: Земная кора, очаги магматических расплавов, гидросфера, атмосфера, почвы, коры выветривания и др.

4. Происхождение химических элементов

Ответ: Прежде всего, необходимо представлять происхождение химических элементов во Вселенной. Для оценки результатов миграции элементов земной коре (термин введен А.Е.Ферсманом в честь Ф. Кларка, впервые рассчитавшего средние величины для пород земной коры).

Горный деятель и технолог академик И. Ф. Герман (1789) описал технологию отдельных химических элементов, основанную на изучении химических и физических свойств элементов и их нахождение в природе.

Периодический закон элементов, сформулированный русским ученным Д.И. Меделеевым, выразил естественную классификацию химических элементов и стал ключом в расшифровке строения атома, основной геохимии.

Многочисленные работы А. Е. Ферсмана (1883-1945), обобщенные в Многочисленные работы А.Е. Ферсмана (1883-1945), обобщенные в фундаментальном четырехтомном труде ―Геохимия, посвящены изучению миграции химических элементов в зависимости от строения их атомов и физико-химических свойств.

Проблема относительной распространенности химических элементов на Земле и во Вселенной волновала ученых еще до рождения ядерной физики. Вселенная состоит из единого материала, разложенного по ячейкам таблицы Менделеева: 76 (70) % Н, 23 (28) Не и 1 (2) % приходится на долю более тяжелых элементов.

Относительная распространенность тяжелых элементов качественно совпадает для всех космических объектов, звезд, метеоритов, межзвездного пространства.

5. Основные формы проявления атомов в природе. Формы взаимодействия атомов в кристаллических структурах минералов.

Ответ: Открытие М. Лауе в 1912 г. о том, что правильное расположение атомов в кристаллах приводит к тому, что кристаллы могут служить кристаллы могут служить дифракционными решетками для рентгеновских лучей, позволяло определять атомную структуру твердых веществ, т.е. в твердых фазах.

Состояние атомов и ионов в минералах могут характеризовать современные методы спектроскопии твердого тела: масс бауэровская, рентгеновская, рентгенэлектронная, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

Таким образом, в комплексных соединениях в узлах кристаллов находятся сложные частицы, способные к самостоятельному существованию в кристалле и в растворах.

Для минералов рассчитывается сумма энергетических констант ионов в решетке.

В устойчивых ионных кристаллических структурах суммарная сила электростатических связей, связывающих один анион с ближайшими катионами, равна заряду этого аниона. Это правило требует, чтобы заряд аниона в ионной структуре нейтрализовался зарядами катионов ближайшего окружения этого аниона. Наиболее простым примером может служить галит NaCl, в котором каждый Cl– окружен шестью Na+, а каждый Na+ – шестью Cl–. В такой структуре электронейтральность достигается передачей одной шестой отрицательного заряда каждого аниона каждому из окружающих его катионов, а любой катион отдает одну шестую часть своего заряда каждому из окружающих его анионов.

Для объяснения структуры и форм кристаллов используют упрощенное представление о том, что форма всех атомов и ионов является шаром (различного диаметра) и эти шары, соприкасаясь друг с другом, заполняют весь объем кристалла. Такое упрощение помогает образно представлять и характеризовать различные структуры.

Для конституции минералов важное значение имеет состав и структура атомов. Они подробно рассматриваются, в курсах физики и химии и здесь мы лишь подчеркнем те их свойства, которые особенно отражаются на конституции минералов, а также укажем те характеристики, которые будут необходимы в дальнейшем изложении. Среди них, прежде всего следует отметить роль электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, свойства и энергетическое состояние которых обусловливают способность атомов вступать в соединение, т. е. образовывать минералы.

Его значение изменяется от -l до +l и при разных l будет таким:

Приведенные значения показывают, что в подгруппах электроны распределяются по разному числу ячеек (в подгруппе s — в одной, в р — трех, d — пяти и f — семи), которые обозначаются их цифровыми знаками.

6. Осиновые модели строения ядра и его главные параметры. Строение электронных оболочек атомов. Квантовые числа, что они выражают и определяют, связь между ними.

Ответ: Самые тяжелые ядра, как предполагают ученые, возникают при вспышке сверхновой звезды, в которую превращается старая звезда, когда после выгорания топлива внутри ее падает давление. Резкое гравитационное сжатие приводит к взрыву оболочки с захватом глубоких областей звезды. И долгие миллиарды лет копившиеся там сложные ядра – драгоценный продукт эволюции звезды, проносясь сквозь нейтроны, попадают в межзвездное пространство.

Движение вокруг ядра электронов обеспечивается центробежной силой, которая уравновешивается электростатическим притяжением электрона к ядру.

Считается, что нейтроны во время вспышки верховой, подобно песку во время самума заполняющему любую трещину, быстро в большом количестве забивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых и неустойчивых. По первому варианту предпочтение отдается образованию ядер платины, по второму – ядер свинца.

Ядро малое (5-9% массы планеты), литосфера мощная. Выделяют древнюю кратерированную кору и базальтовые ―моря‖ в депрессиях. Высота гор до 27км, они занимают 2/3 поверхности планеты. В грунте Марса содержится Fe – 12-14%, Si до 20, Ca – 4, Al – 2-4, Mg – 5, S – 3%, а также другие элементы.

Ядро предположительно состоит из твердой части (G 5100-6371км) с плотностью 12-13г/см , верхняя (Е 2900-5000км) часть его – жидкая. Переходное ядро F на глубине 5000-5100км. Считают, что состав ядра соответствует железным метеоритам (Fe 80,78%, Ni 8,59, Co 0,63%). По В.А.Руднику, Э.В. Соботовичу, в ядре содержание железа 90,2 %, никеля 9,04 %. Возможно, в железо-никелевом ядре имеется примесь легких элементов (Si, S, Al, O). Существует также мнение о гибридном (соединение элементов с водородом) и карбидном (металлы + неметаллы + С, SiC, Fe3C, WC, TiC, CaC2) ядре Земли.

По данным эксперимента О.Л.Кускова, Н.И.Хитарова (1982), внешнее ядро может быть железо-никелевым, внутреннее – состоять из чистого железа. Кремний является одним из наиболее приемлемых элементов примесей во внешнем ядре.

Состояние любого электрона в атоме может быть охарактеризовано набором четырёх квантовых чисел. От строения вещества и, в первую очередь, от взаимного расположения атомов зависят физические и химические свойства вещества.

При химических превращениях количество атомов разных элементов, входящих в состав вещества, не изменяется. Происходит только перегруппировка атомов, которая сопровождается перестройкой электронной структуры атомов и изменением химической связи между атомами – разрываются старые и образуются новые связи. В этом разделе рассматриваются вопросы, связанные со строением вещества, – строение атомов и химическая связь.

Химические свойства атомов определяются строением их электронных оболочек, в первую очередь внешних (валентных) оболочек. Поэтому химические свойства атомов прогнозируют на основе анализа особенностей строения электронных оболочек атомов (электронных конфигураций).

При изучении этой темы обратите внимание на волновой характер движения электронов в атоме. Движение частиц в микромире описывается с помощью постулатов квантовой механики. При этом используют вероятностный подход, в рамках которого положение электрона в любой момент времени нельзя указать точно, а можно говорить только о вероятности его нахождения.

Каждому значению n отвечает определённый размер АО и, соответственно, определённое значение энергии определённый энергетический уровень. Чем больше n, тем больше энергия электрона, тем на более высокомГлавное квантовое число n характеризует размер атомной орбитали и, следовательно, энергию электрона: чем больше размер АО, тем больше энергия электрона – тем выше его энергетический уровень. Главное квантовое число принимает не любые, а лишь целочисленные значения от 1 до бесконечности: n=1, 2, 3, …, энергетическом уровне он находится. В многоэлектронном атоме электроны одного энергетического уровня образуют единый квантовый слой. Квантовые слои принято обозначать прописными буквами латинского алфавита:

Главное квантовое число n……………1 2 3 4 …

Квантовый слой………………………К L M N …

Орбитальное квантовое число l характеризует форму атомной орбитали. Для энергетического уровня с главным квантовым числом n, орбитальное квантовое число может принимать n значений от 0 до (n-1): l=0, 1, 2, …,(n-1). Каждому значению орбитального квантового числа отвечает атомная орбиталь определённой формы, обозначаемая соответствующей строчной латинской буквой:

орбитальное квантовое число l…………0 1 2 3 …

Атомная орбиталь………………………..s p d f …

В многоэлектронных атомах энергия электрона на энергетическом уровне зависит от формы атомной орбитали. В пределах одного и того же энергетического уровня энергия электрона увеличивается по мере усложнения формы АО, т.е. от s- к р-, d- и f-АО. Это положение выражают, говоря, что в атоме имеет место расщепление энергетических уровней на энергетические подуровни. Поскольку орбитальное квантовое число определяет форму АО, оно тем самым определяет энергетический подуровень. Подуровни обозначаются теми же буквенными символами, что и атомные орбитали, из которых они состоят: s- подуровень, р- подуровень, d- подуровень и т.д.

Заглядывая в XXI век, следует отметить, что растет население планеты, усиливается пресс на почву. "Человек возомнил себя господином, вызов XXI веку - деградация и разрушение почв. Мы уже сейчас имеем угрозу экологической безопасности", - сказал ак. Г.В. Добровольский. Последние 10-15 лет уменьшилось применение органических и минеральных удобрений. Общий баланс элементов питания в почве - отрицательный (минус 100 кг/га). Это значит, что мы живем за счет природного плодородия почв.

Содержание

Введение 2
1. Геохимия как наука 2
1.1. Распространённость химических элементов. 2
1.2. Распределение химических элементов. 4
1.3. Геохимические процессы. 6
2. Геохимические процессы в гидросфере, атмосфере и биосфере. 10
3. Связь геохимии с другими науками и почвоведением 11
4. Геохимия ландшафта 13
5. Геохимия почв 13
Заключение 23
Список литературы 24

Работа содержит 1 файл

Geohimiya pochv - referat.docx

С поверхности океанов ежегодно испаряется около 500 тыс. км 3 воды, которая частично сбрасывается на материки, просачивается через слои осадочных пород и образует подземные воды. Захороненные воды бывших морских илов образуют межпластовые воды. Под влиянием обмена между межпластовыми водами и породами и в зависимости от температуры пластов формируется состав подземных вод. Известны подземные воды нефтеносных областей, богатые I и Br, иногда В; хлоркальциевые воды (например, в девонских слоях Восточно-Европейской платформы); бессульфатные, богатые Ra; сероводородные, обычно возникающие в результате восстановления SO₄ 2- бактериями; богатые Li (в Иркутском амфитеатре) и др. Разнообразны и воды минеральных источников. В областях древнего вулканизма минеральные источники - холодные, без CO₂. В областях недавнего вулканизма появляются горячие источники с разнообразным солевым составом. Разработана их классификация.

Древняя газовая оболочка Земли была маломощной и состояла из CO₂, H₂O, возможно CH₄ и др. газов. Современная атмосфера возникла вторично, с появлением на Земле свободного кислорода в результате фотосинтетической деятельности растений. После этого продукты вулканической эксгаляций S, H₂S, NH₃, H₂, CH₄ и др. были окислены, выбыли из атмосферы и осталась современная азотно-кислородная оболочка Земли (см. Атмосфера).

Из пород Земли в атмосферу при действии вулканов выделяются лёгкие газы He 4 , He 3 , Н, D ("гелиевое дыхание"), которые не удерживаются гравитационным полем Земли и диссипируют (рассеиваются) в космическое пространство. Источником CO₂ (а также следов HF, HCl и др.) являются тоже вулканы. На содержание в атмосфере CO₂ оказывает влияние океан, поглощающий CO₂ в холодных широтах и освобождающий CO₂ на экваторе. Поэтому на экваторе парциальное давление CO₂ в атмосфере несколько выше. Изотоп аргона 40 Ar накапливается в атмосфере в результате ядерного превращения 40 K 40 Ar (К-захват). Др. инертные газы - Ne, Kr, Xe - первичного происхождения. Атмосфера играет огромную роль в качестве транспортёра многих легколетучих соединений, галогенидов, органических веществ и т. п. Газы атмосферы участвуют в геохимическом выветривании горных пород, например O₂, CO₂. Азот фиксируется синезелёными водорослями и некоторыми др. растениями. После их гибели в результате метаморфизма их остатков образуется калийная селитра.

Подземные атмосферы, заполняющие пористые породы, имеют разнообразный состав и образуются различными путями. Атмосферные газы могут быть захвачены осадочными породами. В этом случае для них характерно содержание 40 Ar по отношению к N₂ около 1%. Азотные струи без 40 Ar - результат метаморфизма органического вещества (биогенные газы). Известны подземные атмосферы из CO₂, а также струи CO в районах вулканической деятельности, нефтяные газы CH₄, C₂H₆, C₃H₈ и др. углеводороды в нефтеносных областях, сероводород, радиогенные газы - Не, Rn и др.

Биосфера - область на границе твёрдой, жидкой и газовой оболочек Земли, занятая живым веществом - совокупностью организмов. Биосфера возникла около 3,5 . 10 9 лет тому назад. Благодаря маломощной первичной атмосфере космическое излучение проникало на Землю. Под влиянием этого облучения из вулканических дымов и газов H₂O, СО, CO₂, HF, HC1, CH₄, S, H₂S, S₂, NH₃, H₃BO₃ и др. происходил абиогенный синтез многих сложных соединений углерода с симметричными молекулами, оптически неактивными. На этом фоне возник биогенный синтез асимметричных оптически активных молекул живого вещества. После возникновения в результате фотосинтеза азотно-кислородной атмосферы над ней образовался озоновый экран. Вследствие этого космические лучи практически перестали проникать к поверхности Земли и абиогенный синтез органических соединений прекратился. Организмы не только изменили состав атмосферы, но прямо или косвенно участвуют в многочисленных геохимических процессах (см. Биогеохимия).

3. Связь геохимии с другими науками и почвоведением

Геохимия стоит на стыке геологических, физических и химических наук и через биогеохимию связывается с биологических науками. Наиболее тесногеохимия связана с геологическими науками - минералогией и петрографией, особенно в вопросах генезиса минералов, горных пород и геологических процессов. Регионально-геохимические исследования проводятся в тесном сочетании с геотектоническими построениями. В геохимии применяются современные физические и химические методы исследования вещества и процессов в широком диапазоне температур и давлений - спектральные, масс-спектральные, резонансные, ядерные и др.; используются математические методы. Изучение поведения вещества при высоких температурах и давлениях связывает геохимию с геофизикой. Оценка абсолютного времени, которая лежит в основе исторической геологии, и ряд др. проблем истории Земли решаются только точными методами геохимических и радиохимических исследований. В палеонтологии при решении вопросов образования твёрдых скелетных частей организмов и их эволюции важно знать геохимические условия, в которых жили организмы. Изучение ископаемого органического вещества раскрывает процессы образования каустобиолитов. Геохимические идеи играют очень большую роль в развитии почвоведения; они направлены на решение ряда важных вопросов агрохимии и агрономии. Геохимическое изучение почвенного покрова очень важно для геохимических поисков полезных ископаемых. В географии также развивается геохимическое направление - геохимия ландшафта. Изучение геохимических процессов, связанных с флорой и фауной, имеет большое значение для сельского хозяйства и медицины.

Идеи геохимии проникают в астрофизику, атомную физику, химию и физическую химию, химическую технологию и металлургию (особенно редких металлов). Геохимия успешно разрабатывает и внедряет в практику геохимические поиски месторождений полезных ископаемых и содействует решению проблемы комплексного использования минерального сырья. Она активно участвует в той огромной работе, которая проводится в Советском Союзе в области химизации народного хозяйства и особенно химизации сельского хозяйства.

Геохимия возникла на основе учения об атомах. Корни её уходят в прошлое геологоминералогического знания. Геохимические идеи появились уже в конце 18 в. Немецкий геолог К. Г. Бишоф, французский геолог Л. Эли де Бомон и др. накапливали геохимические факты, касавшиеся состава, миграции вещества в водных растворах, а также в магматических вулканических процессах. Шведский химик и минералог И. Я. Берцелиус в 1-й половине 19 в. изучал химический состав большого числа минералов и первым предложил химическую классификацию минералов. Химический анализ минералов и горных пород, исследования химическую состава природных газов и вод, химическое изучение полезных ископаемых привели в середине 19 в. к возможности заложить основы геохимии. В 1838 швейцарский химик К. Ф. Шёнбейн впервые ввёл термин "геохимия". Многочисленные сведения по геохимии были получены к концу 19 и началу 20 вв. Первую обширную сводку данных по геохимии дал (1882) американский геохимик Ф. У. Кларк. Формулирование основных задач в геохимии принадлежит советским академикам В.И.Вернадскому, А.Е.Ферсману и норвежскому геохимику В.М. Гольдшмидту. Значит, вклад в геохимию был сделан работами Н. С. Курнакова и его школы, заложившими основы геохимии галогенеза, а также физико-химического анализа природных солевых систем. Идеи Вернадского и Ферсмана нашли особенно благоприятную почву для развития после Великой Октябрьской социалистической революции. В СССР ученики В. И. Вернадского и А.Е.Ферсмана - А. П. Виноградов, Д. И. Щербаков, П. Н. Чирвинский, Н.В.Белов, А. Г. Бетехтин, Н. М. Страхов, В. С. Соболев, К. А. Ненадкевич, В. Г. Хлопин, А. А. Сауков, К. А. Власов, В. В. Щербина, В.И.Герасимовский, Н. И. Хитаров и мн. др. разрабатывали и разрабатывают как общие, так и отдельные вопросы геохимии. Во 2-й половине 20 в. усилились исследования по радиоактивности горных пород и минералов, развивалась изотопная геохимия, широко развернулись работы по определению абсолютного возраста пород. Геохимические исследования в СССР ведутся не только в научно-исследовательских институтах, но и в очень многих производственных организациях. Гохимия преподаётся в университетах и др. учебных заведениях. Был создан ряд геохимических институтов и отделов, в том числе биогеохимическая лаборатория, реорганизованная позже в институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского.

4. Геохимия ландшафта

Геохимия ландшафта - научное направление, возникшее на границе географии и геохимии в 40-х годах 20 в. Изучает миграцию химических элементов в ландшафте, используя с этой целью идеи и методы геохимии, особенно биогеохимии. Первые подходы к изучению геохимии ландшафта были сделаны в трудах советских учёных В. И. Вернадского о биосфере (в 1926) и А. Е. Ферсмана по геохимии пустынь и полярных областей (в 1931). Основателем геохимии ландшафта как самостоятельного научного направления был советский учёный Б. Б. Полынов, который в 1946 сформулировал задачи, основные понятия и разработал методику исследований геохимии ландшафта.

Геохимия ландшафта классифицирует миграцию элементов по формам движения материи. Ведущее значение в большинстве ландшафтов имеет биогенная миграция, выражающаяся в биологическом круговороте атомов, образовании и разложении органических веществ. В результате круговорота солнечная энергия превращается в действенную химическую энергию. Физико-химическая миграция в основном развивается в водах ландшафта. Она определяет многие его геохимические особенности. По характерным ионам природных вод различают кислые (Н + ), кальциевые (Ca 2+ ) и прочие ландшафты. Участки земной поверхности, отмеченные определёнными особенностями миграции, именуются геохимическими ландшафтами, все их части - водоразделы, склоны, долины и т. д. - связаны между собой миграцией атомов. Особенности миграции положены в основу геохимической классификации ландшафтов СССР и составления ландшафтно-геохимических карт для территории СССР и отдельных регионов.

Важным принципом геохимии ландшафтов является историзм. Изучение геохимических особенностей ландшафтов прошлых геологических эпох составляет содержание исторической геохимии ландшафта. Она применяется при поисках полезных ископаемых, в здравоохранении.

5. Геохимия почв

Морфология почв – сумма внешних признаков, которые являются результатом процессов формирования и поэтому отражают происхождение (генезис) почв, историю их развития, их физические и химические свойства. Морфологические признаки доступны простому визуальному наблюдению, но для более точного анализа используют как простые приспособления (например, лента с сантиметровыми делениями для определения мощности почвы), так и достаточно сложные приборы (поляризационные микроскопы, применяемые для изучения микроскопических морфологических признаков).

В качестве основных морфологических признаков почвы выделяют: почвенный профиль, окраску и цвет почв, почвенную структуру, гранулометрический (механический) состав почв, сложение почв, новообразования и включения.

Почвенный профиль. При рассмотрении достаточно глубокого почвенного разреза можно увидеть, что почвенная толща имеет слоистое строение.

Принцип расчленения почвенной толщи на генетические горизонты установлен впервые В.В.Докучаевым, им же были введены для них первые буквенные обозначения.

В различных типах почв генетические горизонты существенно отличаются, однако в первом приближении выделяют два типа строения почвенного профиля – автоморфный и гидроморфный.

Две системы символов генетических горизонтов почв: без скобок указано обозначение горизонта, принятое в нашей стране, в скобках указано обозначение горизонта, принятое на Международном обществе почвоведов (Международное общество почвоведов (International Association of Soil Science) было основано в 1924, его члены – научные учреждения и ученые более 100 стран, местопребывание общества – Амстердам).

Почвенный профиль автоморфных почв. Автоморфные почвы – это почвы, формирование которых проходит в условиях хорошо дренируемых водоразделов, т.е. под влиянием атмосферной влаги, систематические нисходящие токи которой обуславливают перемещение химических элементов сверху вниз. Режим почвенной влаги в этих условиях может быть как промывным, так и непромывным. Грунтовые воды расположены относительно глубоко.

Формирование профиля автоморфных почв схематически изображено на риc. 1.

Основные генетические горизонты почвенного профиля этого типа. Перегнойно-аккумулятивная часть профиля. Здесь преобразуется отмершее органическое вещество, систематически накапливается почвенный перегной и гумус и аккумулируются зольные элементы, необходимые для нормального питания растений. В перегнойно-аккумулятивной части профиля идут не только процессы накопления: часть химических элементов в виде подвижных как органических, так и неорганических соединений выносится за пределы гумусового горизонта, однако, в целом, преобладает тенденция к накоплению.

Читайте также: