Химические элементы в природе

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ – КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ  – КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ. Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.

Гигантские массы химических веществ  переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится  к растворенным газам – диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями  в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов  при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.

Огромное влияние на природные  циклы некоторых элементов оказало  появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к  круговороту главных элементов  органического вещества – углерода, водорода и кислорода, а также  таких жизненно важных элементов  как азот, сера и фосфор. Живые  организмы оказывают влияние  и на круговорот многих металлических  элементов. Несмотря на то, что суммарная  масса живых организмов Земли  меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую  роль в перемещении химических элементов.

Деятельность человека также оказывает  влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее  столетие. При рассмотрении химических аспектов глобальных изменений в  круговоротах химических элементов  следует учитывать не только изменения  в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в  результате обычных циклических  и/или вызванных человеком воздействий, но и поступление в окружающую среду химических веществ, ранее  не существовавших в природе. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров циклического перемещения и миграции химических элементов.

Углерод

– основной элемент жизни –  содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных  водах Земли углерод находится  в двух главных формах: в составе  органического вещества и в составе  взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат-иона НСО₃^–, карбонат иона СО₃^2– и растворенного диоксида углерода СО₂. Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много «неживого» органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.

Связующим звеном в природном круговороте  углерода является диоксид углерода (рис. 1).

Рис. 1. УПРОЩЕННАЯ СХЕМА глобального цикла углерода. Числа в рамках отражают размеры резервуаров в миллиардах тонн – гигатоннах (Гт). Стрелки показывают потоки, а связанные с ними числа выражены в Гт/год.

Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и  осадочные породы на суше. Однако бoльшая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.

Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза  и новом образовании его в  процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод:

СО₂ + Н₂О   Н₂СО₃

Н₂СО₃   НСО₃^– + Н⁺

НСО₃^–  СО₃^2– + Н⁺

СО₃^2– + Са²⁺ = СаСО₃¯