геохмия реферат. Геохиммия. Учебнике Перельмана Геохимия (1989) дано определение дисциплины Геохимия изучает историю атомов Земли и других планет земной группы

• Название: Учебнике Перельмана Геохимия (1989) дано определение дисциплины Геохимия изучает историю атомов Земли и других планет земной группы
• Анкор: геохмия реферат
• Дата: 05.05.2021
• Размер: 499.5 Kb.
• Имя файла: Геохиммия.doc
• Тип: Учебник; #201987
• страница: 1 из 5

1. Современное представление о геохимии 20-го века. Определение, предмет изучения. Методология и методы геохимии

Ответ: Термин «геохимия» впервые употребил в 1838 г. швейцарский химик Шёнбейн относительно содержания химических элементов на Земле. В учебнике Перельмана «Геохимия» (1989) дано определение дисциплины: «Геохимия изучает историю атомов Земли и других планет земной группы». Геохимия изучает миграцию, концентрацию и рассеяние химических элементов в геологических структурах под влиянием факторов и процессов при различных термодинамических физико-химических условиях.

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.

Методология геохимия.

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.

Ответ: До появления в печати термина «геохимия» (Х. Ф. Шейбейн, 1838) ее корни уходят во времена средневековья. К этому времени выросла новая геохимическая школа в Норвегии возглавляемая Дж. Х. Л. Фогтом и В. К. Брѐггером. Она получила мировую известность, благодаря работам Гольдшмидта. Его докторская диссертация ―Контактный метаморфизм в районе Христиании‖ стала основополагающей в геохимии. При анализе минеральных превращений в зоне контактного метаморфизма он использовал правило фаз, сформулированное Б. Розенбумом, и показал, что эти изменения можно интерпретировать с позиций принципов химических равновесий. Им были заложены основы экспериментальной геохимии.

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;

- изотопная геохимия;

- 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.

Польский химик и врач А. Снядецкий в 1804 г. высказал мысль о закономерном круговороте всех химических элементов земной коры. Французский геолог Ж. Б. Эли-де-Бомон (1798-1874)связал историю химических элементов с магическими и вулканическими процессами.

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.

При образовании минералов его структурные единицы стремятся к симметричному расположению и определенной координации, что приводит к формированию трехмерных периодических структур, выраженных в виде пространственных кристаллических решеток. Пространственная решетка состоит из элементарных ячеек со свойственными им «постоянными» решетки — а0, b0, с0, а, в, у. Элементарная ячейка для каждого минерала является типичной и из нее закономерно путем периодического повторения можно построить весь кристалл минерала с его внешними формами и свойствами.
Кроме структурных единиц для конституции минералов являются определяющими также характер связи между ними, их размеры и координация и поляризационные свойства.
Характеристика структурных единиц кристаллической решетки минералов. Как уже было отмечено, структурными единицами минералов являются атомы, ионы и молекулы, количество которых в минералах может быть самым различным: от простых соединений (S, Сu др.) и бинарных (NaCl, MgO и др.) до весьма сложных (например, турмалин — Na(Mg, Fe, Mn, Li, Al)3Al6(OH,F)4(BO3)3[Si6O18]).

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.

Это главное квантовое число n («эн»), орбитальное (азимутальное) квантовое число l («эль»), магнитное кванто­вое число m­l («эм эль») и спиновое квантовое число (спин электрона) m­s («эм эс»).

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.