1.5: Деякі істотні хімії поверхневої зони Землі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37267

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

1.5.1 Вступ

Я думаю, що можна зробити хороший випадок, що три видатні характеристики хімічного середовища приповерхневої зони Землі полягають у тому, що

(1) він пронизаний водою;
(2) він значною мірою насичений киснем, і
(3) він включає хімічний елемент вуглецю різними важливими способами.

1.5.2 Роль води

Практично всі хімічні реакції, які важливі в поверхневій зоні Землі, відбуваються у водному середовищі. Вода є великим середовищем реакції для приповерхневих хімічних процесів на Землі. (Важливими винятками є певні газоподібні реакції в нижній атмосфері Землі, які не стосуватимуться нас у цьому курсі. Це привносить в цілу іншу галузь науки: хімію атмосфери.)

Воду часто описують як універсальний розчинник. Більш конкретно, вода розчиняє набагато більше речовин, ніж будь-яка інша рідина, багато в чому тому, що іони водню та гідроксильні іони, а також самі полярні молекули води можуть інсинуювати себе в іонні кристали, з яких складається більша частина твердої Землі.

Хімічні реакції такого роду, які важливі у твердих матеріалах Землі, просто не відбуваються в безводному середовищі. Все, що вам потрібно зробити, щоб переконати себе в цьому, - порівняти швидкості процесів вивітрювання на Землі (про це буде довгий розділ в наступному розділі) з процесами вивітрювання на сухому планетарному тілі, як Місяць. Всі важливі реакції, за допомогою яких первинні мінерали магматичних і метаморфічних порід розщеплюються на інші мінерали, які є соболями в умовах земної поверхні, поряд з розчиненими матеріалами, приймаються водою.

1.5.3 Роль кисню

Геологічні докази добре, що атмосфера Землі містила велику кількість кисню протягом приблизно другої половини геологічного часу. В даний час атмосфера Землі складається приблизно з двадцяти відсотків кисню, за обсягом. Звичайно, ви знаєте, що кисень необхідний для життя тварин на Землі. Що, мабуть, менш очевидно для вас, полягає в тому, що наявність цього кисню означає, що хімічні сполуки в відновленому стані, які піддаються впливу умов земної поверхні, дуже сприйнятливі до окислення. Особливо це стосується породоутворюючих мінералів, які містять іони двовалентного заліза (Fe2+). Коли такі породи піддаються вивітрювання у земного соусу, про який ви дізнаєтеся в наступному розділі, чорне залізо окислюється до заліза (Fe3+).

Крім того, органічний матеріал (тканини рослин і тварин), який складається з великої кількості хімічних сполук, що складаються в основному з вуглецю і водню, окислюються назад до вуглекислого газу і води, коли вони піддаються впливу багатих киснем вод земної поверхні. Лише в місцях, де чорно-залізоносний матеріал та органічний матеріал закриті від окислювального середовища, ці матеріали можуть вижити в відновленому стані. Це відбувається, наприклад, в таких місцях, як дно озера або морське дно, де матеріали швидко закопуються під дрібнозернистими відкладеннями (грязями), які значною мірою непроникні для проходження поверхневих вод. В таких умовах весь кисень витрачається під час окислення, залишаючи змінні кількості відновлених матеріалів недоторканими. Що стосується органічних матеріалів, то наслідки для людського суспільства величезні: це походження всіх викопних видів палива, яке ми спалюємо в сучасному світі!

1.5.4 Роль вуглецю

Це гарне місце для деяких коментарів щодо важливої ролі вуглекислого газу в поверхневому середовищі Землі. Вуглекислий газ, газ, CO2, є незначною, але надзвичайно важливою складовою атмосфери Землі. Середня концентрація CO2 в сучасній, але доіндустріальній атмосфері становить (була!) близько 280 частин на мільйон (проміле), або близько трьох відсотків, за обсягом. Як наслідок нашого спалювання викопного палива, він зараз становить близько 370 ppm і швидко піднімається.

Вуглекислий газ відіграє важливу роль в атмосфері Землі: після водяної пари він є найважливішим парниковим газом, як описано в попередньому розділі цієї глави. (І, на відміну від водяної пари, яка є залежною змінною в тому сенсі, що її концентрація в атмосфері сама по собі є функцією різноманітних атмосферних процесів, концентрація вуглекислого газу є, принаймні, незалежною змінною в тому сенсі, що людство діє, щоб підняти його концентрація незалежно від атмосферних процесів.)

Вуглекислий газ, як і інші атмосферні гази, розчиняється у воді. Для заданої концентрації вуглекислого газу в атмосфері існує відповідна рівноважна концентрація розчиненого вуглекислого газу у водах, що піддаються впливу атмосфери. До речі, ця концентрація залежить від температури системи вуглекислий газ — вода: чим вище температура, тим нижча рівноважна концентрація. Це також сильно залежить від тиску, оскільки кожен, хто відкрив пляшку шампанського, добре знає, але це не є головним фактором поведінки вуглекислого газу в поверхневому середовищі Землі, оскільки атмосферний тиск змінюється лише в невеликому діапазоні.

Вуглекислий газ, розчинений у воді, реагує з водою, утворюючи слабку кислоту, вугільну кислоту, H2CO3, відповідно до реакції

СО2 + H2O ⇔ H2CO3

У свою чергу, вугільна кислота дисоціює з утворенням іонів водню та бікарбонатних іонів відповідно до реакції

HCO3 ⇔ H+ HCO3

Наслідком є те, що природні води Землі, що контактують з атмосферою, м'яко кислі, з рН між 5 і 6. Ця природна кислотність відіграє головну роль у хімічному вивітрюванні гірських порід, як ви побачите в наступному розділі.