Реферат на тему:
Природні системи абіотичного середовища біосфери
Одним із визнаних світових фундаторів учення «Початку і вічності
життя», пізнання законів природи і розвитку «живої речовини» на Землі є
наш геніальний співвітчизник Володимир Іванович Вернадський*.
Він стверджував, що життя «живої речовини» (сукупності живих організмів)
нерозривно зв’язане з матеріально-енергетичними процесами геологічної
оболонки Землі і є планетарним явищем космічного характеру. Людина і всі
інші живі організми зв’язані зі своїм матеріально-енергетичним
середовищем передовсім харчуванням і диханням.
За В. І. Вернадським, поняття «біосфери» (від гр. (ios — життя) як
«оболонки життя» на планеті Земля, запровадив у біологію ще видатний
французький учений Ламарк (1744—1829).
Що являє собою ця «оболонка»? Який її «потенціал стабільності» відносно
техногенного впливу сучасної економіки? На це запитання далеко не кожна
освічена людина може дати задовільну відповідь. Багато хто вважає, на
жаль, що стурбованість спеціалістів екологічним станом Землі є занадто
перебільшеною, декому навпаки — вважається страшна, непоправна
екологічна катастрофа. І це не випадково. Освітні програми школи і вузів
недостатньо грунтовно висвітлюють цю проблему.
Поняття біосфери, її параметри та енергетика
) і поверхня 510 млн km2, 361 млн km2 котрої [70,8%] займає Світовий
океан з глибиною до 11 022 m, зазнає незворотних змін унаслідок
техногенного впливу?
Безумовно, людина не може знищити остаточно рослинного і тваринного
світу планети, її океанів чи атмосфери, але вона може трагічно пошкодити
життєдайне «навколишнє середовище» всього живого на Землі. З розвитком
науки обгрунтування меж і суть самого поняття «навколишнє середовище»
змінюється. За сучасною концепцією — це геологічна оболонка Землі, що в
ній і відбуваються різні види біологічних перетворень та технологічних
процесів економічної діяльності суспільства. Межі простору, де
відбуваються біологічні процеси, — це тільки кількадесят метрів углиб
земної кори і над її поверхнею. Співвідношення розмірів фізичних величин
(довжини і маси) цього життєдайного простору біосфери зі всією земною
кулею можна змоделювати у вигляді плівки вологи, тоншої за 0,1 mm, на
кам’яній кулі діаметром 10 m (глибина земної кори на такій моделі
становила б 0,5… 15 mm). Профіль, розміри і елементний склад земної кори
зображено на рис. 17.
Над біосферою в межах сотень кілометрів, аж до магнітосфери, послідовно
простягаються інші сфери: атмосфера, стратосфера, іоносфера, термосфера,
які різняться за хімічним складом, густиною і відповідним специфічним
впливом на стан біосфери. Під земною корою залягають енергетично активні
зони літосфери, від стану яких залежить і стан біосфери. На схемі (рис.
18) в масштабі реальних співвідношень показано розміщення біосфери
Землі.
Отже, біосфера — це відкрита термодинамічна система в тонкому прошарку
на межі літосфери, гідросфери і атмосфери Землі, які формують абіотичне
середовище і фактори впливу на стан і розвиток живих організмів.
Розглянемо ті з них, що визначають основні термодинамічні параметри
біосфери і абіотичні процеси в ній. Рушійною силою будь-яких процесів,
як це ми вже довели у попередньому розділі, є енергія.
), втрачаючи при цьому, згідно з наведеною раніше формулою Ейнштейна,
щосекунди масу 4 · 109 kg. Правомірне запитання: яка кількість сонячної
енергії потрапляє на нашу планету?
Якщо виготовити добре термоізольовану ємкість (термос) з рідиною певної
теплоємкості і направити в неї крізь отвір з прозорою плівкою
сфокусований великою лінзою потік сонячних променів, то потужність
сонячної радіації Р щодо поверхні лінзи можна розрахувати з формули:
,
де mр — маса рідини, kg; qр — теплоємність рідини, kJ/(kg · K);
Т2 – Т1 — різниця температур, на яку нагрілась рідина, ?К; S — площа
лінзи, m2; t — час нагрівання рідини від Т1 до Т2, s.
Рис. 17. Схема профілю земної кори.
Розріз по 40-градусній паралелі північної широти:
1—осадові породи з гранітом; 2—базальтові породи; 3—речовини мантії
Якщо такий експеримент провести коректно, то відповідь дорівнюватиме
кільком сотням ватів на m2, залежно від пори року, часу доби,
географічної широти місцевості, метеорологічного стану атмосфери й
чистоти повітря.
Енергію сонячної радіації вимірюють спеціальними приладами —
соляриметрами або пірогеліометрами. Але покладемося на дані сучасної
науки.
До верхньої межі атмосфери Землі надходить постійна енергія
випромінювання Сонця з потужністю 2 cal ? cm–2 ? min–1, що у перерахунку
на 1m2 за секунду (в SІ) становить ( 1,4 kW. Енергетичний спектр
сонячного потоку (за довжиною хвиль) неоднорідний: від ультрафіолетового
(0,3 … 0,4 mkm) до інфрачервоного (0,7 … 10 mkm). Проміжний діапазон
(0,4 … 0,7 mkm) становить видиме людським оком «біле» світло з частотою
коливань 4 · 1014… 8 · 1017 Hz. Саме видима частина сонячного спектра
«доносить» основну енергію сонячного потоку до поверхні Землі. Величина
цієї енергії залежно від захмарення неба, запиленості повітря й інших
характеристик атмосфери значно коливається, але не перевищує 60—70% від
вихідної. Отже, за умови, коли Сонце стоїть у зеніті, а день ясний, на
кожний квадратний метр Землі припадає до 1 kW променевої енергії.
Під час проходження крізь атмосферу на висоті 20… 25 km значна частина
енергії ультрафіолетового проміння витрачається на іонізацію кисню і
утворення його алотропної форми — озону О3. Сонячний спектр променевої
енергії, яка падає на поверхню Землі, має приблизно до 45% видимого й
інфрачервоного і до 20% ультрафіолетового проміння.
], отримаємо сумарну потужність Р теплового потоку:
.
Важко уявити цю величезну потужність, навіть порівнявши її з сучасним
блоком атомної станції в 1000 МW. Що ж відбувається з цією енергією
Сонця на поверхні Землі? Значна частина її просто відбивається від
поверхні Землі відповідно до показника альбедо (відношення енергії
відбитого променя до падаючого) даної місцевості. Альбедо різних ділянок
поверхні Землі, залежно від пори року, погоди та інших факторів,
становить від кількох (3% — від поверхні морів і океанів) до десятків
відсотків (90% — від поверхні снігового покриву). У середньому альбедо
земної поверхні дорівнює близько 30%. Близько 45% променевої сонячної
енергії перетворюється на теплову енергію матеріальних об’єктів Землі,
на випаровування води, що забезпечує її кругообіг у природі,
витрачається близько 20%, на утворення морських хвиль, течій океанів і
вітру — значно менше 1%. Тільки близько 1% всієї сонячної енергії
витрачається на основне енергетичне джерело життя на нашій планеті —
фотосинтез. Тепло, яке надходить до біосфери з боку літосфери, порівняно
з сонячним, є майже в 200 разів меншим.
На шляху сонячної радіації Земля — це потужний акумулятор енергії, який
економно витрачає її на підтримання і стабілізацію глобальних
кліматичних умов біосфери, які сформувалися протягом геологічних епох
Землі.
Атмосфера
3О+ + 3О– ( 2О3. Відсутність озонового прошарку в атмосфері Землі не
перешкоджала проникненню на поверхню суходолу й океанів енергії
короткохвильового (ультрафіолетового) спектра сонця.
Вода (H2O) не є постійним компонентом атмосфери Землі і становить у
середньому 0,2 — 2,5%. Як виняток, у тропіках — до 4 %, а у приполярних
широтах і пустелях — близько 0%. Середня температура на поверхні Землі
286 К і тиск 7,013 · 105 Ра (760 mm Нg).
Сьогодні ми знаємо, що такі умови є згубними для всього живого, але
колись енергія саме ультрафіолетового спектра сонця ініціювала хімічні
реакції утворення складних органічних речовин, «цеглинок» білка живої
матерії — амінокислот.
Поява молекулярного (О2) кисню в атмосфері Землі могла, як припускають,
відбуватися за ендотермічного процесу іонізації води під впливом енергії
ультрафіолетової частини сонячного спектра 2Н2О 2H2 + O2, але
його накопичення за відомими нам законами термохімії не могло бути
стійким унаслідок оберненої реакції. Утворення кисневої атмосфери можна
пояснити лише комплексною дією зовнішніх (алогенних) абіотичних
факторів, що обумовлювали кліматичні параметри, і внутрішніх
(автогенних) процесів життєдіяльності організмів.
Першими на Землі організмами були найпростіші одноклітинні анаеробні,
які отримували кисень зброджуванням органічних речовин зі вмістом кисню,
що утворювались на поверхні водоймищ під впливом ультрафіолетових
променів Сонця. Самі ж ці організми ховалися від згубного впливу
променів під водою. За браком достатньої кількості поживних речовин
анаеробні організми не могли швидко еволюціонувати. Знадобився ще
мільярд років, перш ніж з’явились рослинні організми і, поступово,
завдяки «таємничому» процесу фотосинтезу збагатили атмосферу Землі
молекулярним киснем до сучасного рівня.
Саме завдяки фотосинтезу близько 2 млрд років тому збільшення кисню в
атмосфері спричинилося до глобальних змін геохімічних процесів:
утворився озоновий прошарок атмосфери, що забезпечило захист живих
організмів від згубної дії сонячної радіації. Коли понад 1 млрд років
тому вміст кисню в атмосфері досяг 3—4%, з’явились багатоклітинні
організми з аеробним диханням (тобто диханням безпосередньо молекулярним
киснем). За наступні 300 млн років концентрація кисню в атмосфері
збільшилась удвічі.
Закінчився найдавніший етап геологічної історії Землі, коли існували
тільки дрібні одноклітинні (протокаріотичні) організми. На початку
кембрійського періоду (близько 500 млн років тому) швидко почали
виникати нові види організмів: морські молюски, водорості, губки, корали
і пращури хребетних. Протягом наступних періодів палеозойської ери живі
організми з’явились і на суходолі.
Саме завдяки бурхливому розмноженню зеленої рослинності утворився
надлишок кисню в атмосфері, що сприяло появі таких велетенських тварин,
як динозаври. У цей же період в океані з’являються організми з
вапняковими (СаСО3) оболонками.
Близько 400 млн років тому, в середині палеозою, утворився стан
динамічної рівноваги між споживанням кисню і його генерацією рослинним
світом в межах 20% (об’ємних).
Пізніше вміст кисню в атмосфері дещо знизився, а СО2 підвищився, що знов
спонукало більш інтенсивне розмноження рослин.
Загальновизнаною є думка, що саме в цей період відбулося накопичення і
метаморфоза рослинної біомаси у викопне паливо, яким сьогодні
користується наша індустріальна економіка.
Згодом відношення кисню і діоксиду вуглецю встановилося на попередньому
рівні. Це, можливо, сталося внаслідок посилених вивержень вулканів чи
інших природних катаклізмів, що супроводжувалось значними змінами
клімату. Еволюцію біосфери і складу її атмосфери зображено на рис. 19.
Слід зазначити, що відповіді вчених на питання щодо походження життя і
еволюції планети на різних етапах розвитку науки були різними. І хоча
нині матеріалістичне наукове обгрунтування еволюційної теорії
опрацьовано достатньо фундаментально, усе ж і в ньому є чимало «білих
плям» і таємниць. На багато з них звернула увагу відносно нова течія
пізнання природи — креаціонізм, яка базується на визнанні вищого Розуму,
предковічного Слова, на поєднанні біблійних постулатів і сучасних
наукових даних про нашу
Планету. Сучасний креаціонізм починає з повторення біблійної схеми:
спочатку Бог створив рослинність, а потім вищі організми. Засадним
питанням є фотосинтез — перетворення неживих речовин СО2 і Н2О в живу —
рослинну і наступної біогенної міграції атомів і енергії у біосфері,
тобто унікальної здатності життя до самовідтворення. Нагадаємо суттєві
принципи фотосинтезу.
Процес живлення рослини — фотосинтез глюкози з діоксиду вуглецю і води —
відбувається в її зеленій масі за рахунок поглинання сонячної енергії
видимих променів (( = 0,3…24 mkm) переважно синьої і червоної частин
спектра (0,4…0,7 mkm) і каталітичної дії зеленого пігменту — хлорофілу.
Вода в цьому процесі розщеплюється на кисень і водень, останній
відновлює вуглець з СО2, утворюючи з ним вуглевод—глюкозу.
Сумарне стехіометричне рівняння процесу фотосинтезу матиме вигляд:
?Н0 = + 2822 kJ.
Як бачимо, ентальпія реакції (?Н0) є додатною. Отже, на кожний kmol (12
kg) засвоєного вуглецю рослина накопичує у вигляді хімічної енергії
міжатомного зв’язку в глюкозі (яка далі утворює клітковину) близько 470
MJ. Водночас атмосфера збагачується киснем, підтримуючи баланс його
витрат за різноманітних окиснювальних природних і технологічних процесів
на нашій планеті. На рис. 20 показаний енергетичний і матеріальний
баланс процесу фотосинтезу, що його встановлено вимірюванням енергії
сонячних променів, які падають на поверхню листків, і енергії, яка
виділяється за спалювання біомаси рослин.
Рис. 20. Матеріальний і енергетичний баланс фотосинтезу
Часто можна почути запитання: «Чому такий низький процент засвоєння
енергії Сонця «машиною» фотосинтезу?» У розділі 1.3.3, розглядаючи
ідеальну теплову машину Карно, ми вже з’ясовували, що саме зумовлює
ефективність конверсії одного виду енергії в іншу.
Спробуємо застосувати знання другого закону термодинаміки для відповіді
на поставлене запитання. Тут ми маємо нагоду оригінальним способом
підійти до визначення енергетичної ефективності процесу фотосинтезу і,
порівнявши результати розрахунку з наведеними на рис. 16, переконатися в
грунтовності наших знань. Другий закон термодинаміки стверджує, що
більша різниця в якості (концентрованості) енергії між тією, яка
надходить на конверсію, і втраченою енергією, то вищим є коефіцієнт
конверсії (?). У нашому випадку характеристикою енергій може бути їхня
температура на вході до «машини фотосинтезу» і на виході. Температура
повітря, отже і поверхні листка рослини з боку Сонця літнього дня, може
становити 20 … 30 °С. З протилежного боку листка, у затінку, вона буде
на 5 …10 °С нижче. Цього досить, щоб розрахувати ефективність конверсії
за вже відомою (1.3.3) формулою, узявши різницю температур у 10…15 °С.
;
.
, що практично збігається з даними рис. 20.
Цей приклад свідчить про високу ефективність термодинаміки в процесі
вивчення явищ природи і про цілковиту правомірністть аналогії: «машина
Карно» — «машина фотосинтезу».
Ми ще не один раз повертатимемося до такого самого методу визначення
ефективності конверсії енергії як в природних, так і в технологічних
процесах.
Знаючи коефіцієнт конверсії сонячної енергії і наведені вище дані
ентальпії реакції утворення біомаси (глюкози) рослини, нескладно
визначити ще одну важливу для розуміння природних процесів у біосфері
характеристику — витрати сонячної енергії на 1 кг біомаси (за ? = 0,02).
, що еквівалентно енергії, яка виділяється під час згоряння 666 kg
вугілля (q = 30 MJ · kg–1).
Кожний квадратний метр площі травостою чи посіву зернових у пору
активної вегетації має загальну поверхню зеленого листя близько 4 m2 і
синтезує понад 4 kg сухої рослинної маси за сезон. Цей процес щорічного
відновлення флори забезпечує життя різноманітної фауни й людства
планети.
Щороку в процесі фотосинтезу на суходолі і в океанах Землі зеленими
рослинами і бактеріями засвоюється з атмосфери близько 200 млрд тонн
СО2, розпадається і вивільнюється в атмосферу 130 млрд тонн кисню. При
цьому в рослинах накопичується понад 1 · 1015 MJ сонячної енергії, що на
порядок більше, ніж її витрачає вся світова економіка.
Фотосинтез зумовлює утворення гумусу на поверхні Землі і формування
горючих копалин — вугілля, нафти, газу, торфу і сланців.
Загальну масу атмосфери Землі кожен може розрахувати самостійно,
виходячи зі звичного для нас показника атмосферного тиску —
760 міліметрів ртутного стовпчика. В одиницях SI такий тиск відповідає
1,013 · 105 Ра. Для розрахунку беремо (приблизно) тиск 1 kgf/cm2, звідки
отримаємо значення маси повітря над 1 m2 поверхні землі в 10 тонн, що
відносно поверхні Землі становитиме близько 5 більйонів тонн, з яких
близько 1,15 більйонів тонн (23%) припадатиме на кисень.
Сучасна атмосфера Землі (див. табл. 15) за своїм хімічним складом
унікальна і неповторна у відомих нам межах космічного простору: на
Марсі, наприклад, вміст молекулярного кисню в атмосфері становить лише
0,1%, що відповідає стану атмосфери Землі понад 2 млрд років тому
(задовго до появи найпростіших живих клітин).
У сучасному температурному діапазоні біосфери Землі її атмосфера не
змінює ні свого складу, ні агрегатного стану, що забезпечує стабільні
умови абіотичного середовища різних біоценозів. Ясна річ, що таке явище
є наслідком встановленої протягом останнього півмільярда років
динамічної рівноваги (балансу) генерування молекулярного кисню (і
біомаси) в глобальному процесі фотосинтезу і його витрат в
окислювально-відновлювальних біотичних і абіотичних процесах біосфери.
Але зовсім не є очевидним джерело механізму регулювання такого балансу.
Невипадково, що вчені мають два протилежні погляди на первинний
біоценоз. Згідно з однією гіпотезою спочатку під впливом радіаційної
енергії відбулися фізико-хімічні зміни середовища, що ініціювало
виникнення первинних форм зародкових організмів, які адаптувалися
протягом усієї історії еволюції атмосфери. Ця гіпотеза вказує на
алогенний (зовнішній) фактор регуляції атмосфери і біогенезу.
Згідно з іншою гіпотезою, розробленою Джеймсом Левлоком (James Lovelock)
і відомою під назвою гіпотеза Геї*, регуляція стану середовища
організмів з самого початку їх виникнення на Землі має автогенну
природу: організми не тільки пристосовуються до умов абіотичного
середовища, а й активно впливають на його формування. Згідно з такою
гіпотезою організми і середовище (живе й заскніле) розвиваються як одне
ціле і утворюють складну систему регуляції свого середовища, оптимальну
стосовно власного життєзабезпечення. Прихильники теорії Геї вважають, що
тільки людина (як найбільш активний фактор впливу живих організмів на
біосферу) ігнорує цю проблему, веде паразитичний спосіб життя в
середовищі інших організмів.
Параметри і процеси атмосфери
Найбільш суттєвим фактором впливу на термодинамічну рівновагу процесів
біосфери може бути порушення балансу діоксиду вуглецю. Це може статись
як унаслідок природничих процесів, наприклад, надходження в атмосферу
СО2 через збільшення вулканічної активності, так і процесів
антропогенного походження — надмірне використання викопного палива,
винищення лісів, забруднення океану нафтопродуктами. Що відбувається за
порушення такого балансу? Розглянемо таке явище. За день земна поверхня
нагрівається, поглинаючи короткохвильовий і видимий спектри енергії
сонячних променів, а вночі випромінює довгохвильову променеву енергію
теплового спектра. Зі збільшенням СО2 в атмосфері водночас збільшується
і частка теплових променів, яка відбивається атмосферою знов до поверхні
Землі, що, зрозуміло, призводить до підвищення її температури.
Про наслідки такого явища, відомого під назвою «парникового ефекту»,
йтиметься далі у розділі «Промислова енергетика».
.
Кількість озону в атмосфері невелика. Якби його можна було зібрати в
один прошарок близько до поверхні Землі, то товщина такого прошарку (за
нормальних умов) не перевищувала б 3… 4 mm. Але крім згубного впливу на
земні організми, озон значно впливає на параметри атмосфери. Поглинаючи
енергію ультрафіолетового спектра Сонця, він нагріває повітря. Саме
завдяки цьому вище тропосфери (близько 30 km) температура повітря
починає підвищуватись і в стратосфері на висоті 50 km становить + 10°С.
Далі вона знову знижується. На думку багатьох учених, саме від озонового
шару залежать сезонні температури. Як впливають викиди різних
промислових газів на рівновагу утворення і розпаду озону, ми розглянемо
в процесі техніко-економічного аналізу відповідних технологічних
процесів у промисловості (розд. ІІІ).
Верхня межа атмосфери лежить на висоті близько 2000 km. До висоти 100 km
склад атмосфери суттєво не змінюється і відповідає наведеному в табл.
15. Безперервні турбулентні (хаотичні) переміщення повітря внаслідок
градієнта температури і закономірності збільшення ентропії,
перешкоджають розшаруванню атмосфери за густиною. Вище 100 km елементний
склад атмосфери майже той самий, але молекулярний кисень під дією
ультрафіолетового випромінювання Сонця повністю атомізовано. Уважають,
що на висоті 400…500 km азот також перебуває в атомарному стані. Водяна
пара наявна в атмосфері, головне, у приповерхневому шарі на висоті до
5 km. Це зумовлено тим, що з висотою температура повітря знижується і
насиченість її водяною парою зменшується.
Нижній шар атмосфери до 10 … 12 km — це тропосфера. Унаслідок того, що
через повітря тропосфери сонячні промені проходять до Землі, майже не
втрачаючи енергії, воно нагрівається від поверхні Землі. Градієнт
температури в тропосфері становить близько 5( на 1 km. Тропосфера
містить близько 80% маси всього повітря, а до висоти 30 km — 99%. На
рівні моря густина повітря тропосфери становить 1,033 kg/m3, а на її
межі зі стратосферою — тільки 0,3 kg/m3. Відповідно тиск атмосфери на
поверхні Землі становить 1, 013 · 105 Ра (1,033 kgf · cm–2 = 1 аtm), але
на висоті близько 20 km знижується до 0,04 аtm (за такого тиску закипає
кров у судинах).
Для характеристики зміни тиску в метеорології застосовують спеціальну
одиницю — мілібар, яка позначається mB (мб). 1 mB = = 1,013 · 10–3 аtm =
1,02642 · 102 Ра. На практиці припускають, що тиск в 1 mB дорівнює одній
тисячній атмосфери. Висота підйому в метрах, яка відповідає зміні
атмосферного тиску на 1 mB, називається барометричним ступенем. У
приповерхневому шарі тропосфери (до 4 km) зміні тиску на 1 mB відповідає
зміна висоти на 8 m, у шарі від 4 до 6 km — 13 m, а у шарі від 12 до 16
km — близько 40 m. Величина барометричного ступеня залежить від
температури, а також від вологості повітря.
Як було вже вказано, повітря тропосфери нагрівається від поверхні Землі
і знижується на 5… 8°С через кожний km. Це встановили ще минулого
століття, вимірюючи температури з допомогою повітряних куль і
спеціальних метеорологічних зондів. Тоді поширеною була думка, що далі
від поверхні Землі температура повітря нижча. Але 21 березня 1893 р. над
Парижем на висоті 12 km було зафіксовано температуру мінус 51°С, а на
висоті 16 km — лише мінус 21°С. Багаторазові перевірки дали змогу
встановити, що зниження температури відбувається тільки до висоти 10… 11
km. Саме через це шар повітря над Землею, в якому температура з висотою
знижується, отримав назву тропосфери (від гр. «тропос» — переворот), а
вищий шар (над тропосферою), де температура є більш стабільною і рух
повітря відбувається переважно в горизонтальному напрямку, тобто там, де
шар повітря стратифікований, назвали стратосферою.
Температура атмосфери тричі змінює градієнт: у стратосфері на висоті
20…30 km, у верхніх шарах стратосфери на межі з мезосферою (50…60 km) і
остаточно починає підвищуватись на межі з іоносферою (80 km). На висоті
100 km температура переходить через 0°С і швидко зростає. Це пояснюється
високою швидкістю молекул у дуже розрідженому просторі, де вони не
втрачають її через зіткнення. Але теплоємність такої атмосфери також
дуже мала, відтак це не перешкоджає перебуванню на такій висоті
космічних апаратів. Параметри атмосфери зображено на рис. 21.
Рис. 21. Структурна схема атмосфери,
її параметрів і процесів
На біосферу суттєво впливають зміни температур у нижніх шарах
тропосфери.
Верхню межу тропосфери відділено від стратосфери прошарком у кількасот
метрів, який називають тропопаузою. Тропопауза начебто «прикриває»
біосферу Землі. Вище за тропопаузу відбувається поступова зміна
градієнта температури — інверсія, що запобігає інтенсивному
переміщуванню повітря тропосфери і стратосфери.
Оскільки нагрів поверхні Землі в різних її зонах неоднаковий, то
внаслідок збільшення об’єму нагрітого повітря і зменшення відповідно
тиску маси повітря переміщуються в бік підвищення температурного
градієнта (від меншої температури до вищої). Прикладом цього явища є
відомий вітерець (бриз) на березі моря: удень повітря над суходолом
прогрівається швидше і підіймається вгору і на його місце надходить
прохолодніше повітря з моря, а вночі — навпаки.
Окрім градієнта температури (і тиску) на напрям руху повітря справляє
суттєвий вплив відцентрова сила обертання Землі (Коріолісова сила).
Найбільш виразно вона проявляється на висоті понад 1… 2 km, коли
зменшується сила тертя. Вплив її настільки сильний, що напрям вітру
відхиляється від напряму ізобар і температурного градієнта до 90°. У
приповерхневому шарі Землі сила тертя повітря з поверхнею Землі зменшує
швидкість вітру і відхиляє його напрям ліворуч від ізобар. За зближення
теплого і холодного повітря градієнти температури й тиску збільшуються і
зростає швидкість вітру. Ці зони називають перехідними, або
фронтальними. Їх ширина становить до 2000 km. Саме в цих зонах виникають
так звані циклони і антициклони. Закручуючись у спіральні утворення,
вони підіймають нижні шари повітря на десятки кілометрів, переміщуючи їх
з теплих (низьких) широт до помірних і холодних високих широт. Так
відбувається вирівнювання температури земної поверхні.
В екваторіальній зоні приземна температура протягом року коливається в
межах 25… 28°С, в Арктиці — від мінус 35°С взимку до 0°С влітку. В
Антарктиді температура є значно нижчою — мінус 40°С і нижче взимку і не
вище мінус 10°С влітку.
Унаслідок такого розподілу тепла збільшення градієнта температур в
тропосфері завжди спрямоване з низьких широт до високих. Це зумовлює
відповідно до дії Коріолісової сили переважно західні вітри: нагріте на
екваторі повітря буде переміщуватись на схід, що й зумовить напрям
вектора градієнта температури й тиску від полюсів. Західні вітри цього
походження бувають дуже потужні, а на висоті верхньої межі тропосфери
вони можуть бути надураганні (до 300 km за годину). Горизонтальне
перенесення повітря супроводжується вертикальними потоками. Зі зміною
температури відбуваються процеси конденсації й кристалізації водяної
пари і утворення опадів — дощу, снігу, граду.
2.1.3. Гідросфера
Термін «гідросфера» походить від двох грецьких слів ???? — вода і ???і??
— куля. Під цим терміном розуміють водневу поверхню (оболонку) Землі. На
відміну від атмосфери гідросфера є не суцільною, а складається з окремих
частин: Світового океану, водних басейнів на суходолі (річки й озера,
підземні води, льодовики). Вода — найбільш поширена речовина на Землі.
Загальна маса гідросфери понад трильйон тонн (1018 t), що становить
0,034% маси Землі, а її поверхня займає близько 4/5 земної кулі. Усі
види води гідросфери становлять єдину систему, зв’язану в планетарний
кругообіг просторово і за фазовими перетвореннями (тверде — рідке —
пара).
Останнє є унікальною властивістю води. З усіх речовин біосфери в
діапазоні температур існування живих організмів тільки вода може
існувати в трьох агрегатних станах (фазах) — вода — лід, вода — рідина і
вода — газ. Вода існує повсюдно. Сучасні дослідження виявили воду на
інших планетах Сонячної системи і навіть за її межами — у таких
космічних тілах, як комети, а сьогодні і на Місяці.
Не випадково стародавні філософи вважали, що вода є одним з чотирьох
первинних елементів Природи поряд із Землею, Повітрям і Вогнем. Таке
уявлення існувало ще за середньовіччя. Тільки 1781 р. американський
хімік Кавендіш показав, що вода утворюється під час згоряння водню. І
лише 1860 р. італієць Канніццаро встановив хімічну формулу води — Н2О.
Агрегатний стан води залежить від температури й тиску.
Експериментальні дані впливу температури і тиску на агрегатний стан води
можна зобразити за допомогою фазової діаграми (рис. 22).
Рис. 22. Фазова діаграма
води
За будь-яких значень температури і тиску, які відповідають точкам
діаграми в площі, обмеженій кривими ВТ і СТ, вода існує тільки в рідкому
стані, у точках нижче кривої АТ і у точці Т — у вигляді пари. Точки на
кривих відповідають умовам, за яких дві суміжні фази перебувають у
рівновазі. Дві точки на діаграмі особливо цікаві. Точка Т (273,16 К і
6,03 · 10–3 atm) називається потрійною точкою, де в рівновазі
перебувають одночасно три фази: пара, вода і лід. Точка С (647 К і 220
atm) називається критичною. За температури, більшої за 647 К, водяну
пару не можна перетворити на рідину за будь-якого підвищення тиску.
Інакше кажучи, за температури і тиску, вищих ніж у точці С, водяна пара
й рідка вода не розрізняються. Між ними не існує фазової межі. Діаграма
стану води відіграє виключно важливу роль у вивченні природних процесів
біосфери, за проектування й експлуатації парових котлів, енергетичних
турбін, енергосистем, автоклавів тощо.
Аномальною характеристикою води є й те, що максимального значення
густини вона набуває за охолодження її у рідкому стані до + 4°С (( =
= 1000 kg/m3) (табл. 16). За дальшого охолодження аж до замерзання
густина зменшується. Отже, за такої самої маси об’єм льоду більший ніж
води, завдяки чому крига не тоне у воді. Ця специфічна властивість
забезпечує існування водяної флори і фауни, оскільки річки, озера, моря
і океани ніколи не промерзають до самого дна. Пояснення цієї унікальної
аномалії слід шукати у змінах структурно-хімічної будови води за змін
агрегатного стану.
Молекули води, маючи значний дипольний момент, можуть взаємодіяти одна з
одною, утворюючи так звані водневі зв’язки. Однак у фазі пари вода в
основному одномолекулярна: атоми водню і кисню зв’язані ковалентно. У
рідкому і твердому станах кожна молекула утворює чотири водневі зв’язки,
з яких два — як донор протонів (Н+1) і два — як акцептор протонів. Усі
чотири водневі зв’язки молекули води спрямовано (рис. 23) приблизно до
вершин правильного тетраедра (або перехресних кутів протилежних граней
куба).
Рис. 23. Структурна схема міжатомного зв’язку кисню і водню води
Таблиця 16
ПАРАМЕТРИ ВОДИ (ХІМІЧНО ЧИСТОЇ)
647 (374)
Тиск критичний Ркрит, МРа (атм) 22,06 (220)
Густина критична dкрит. kg/m3 322
Ентальпія плавлення ?Нпл. kJ/mol3 6
Ентальпія сублімації льоду
за 273 К ?Нcубл. kJ/mol 51
Ентальпія випаровування ?Нвип. KJ/mol
за 273 … 293 К
44,63
за 373 К
40,66
Густина льоду (тверда фаза) ?тв. kg/m3 917
Густина води (рідина)
за 293 К (20°С) ?рід. kg/m3 998
Густина max 281 К (4°С) — ” — 1000
Густина пари
за 393 К (20°С) ?пар. kg/m3 1,12
Теплоємність води
75,34
Вода (пара)
за 373 К (100°С) — ” — 36,64
Теплопровідність льоду
за 273 К (°С) MW / (m · K) 2,346
Рідини за 293 К (°С) — ” — 598
Електроопір:
за 293 К (20°С) ?, ? · m 18,9 · 10–6
Отже, структура льоду — це тривимірна сітка, подібна до структури
алмазу. Збільшення густини за плавлення льоду і нагрівання води до + 4°С
пояснюють зменшенням стабільності структури водневих зв’язків і їхнім
викривленням. Отже, зі зменшенням міжатомної відстані Н—О—Н густина
збільшується, але дальший нагрів послаблює міжатомні зв’язки, що знижує
густину.
Однак такого популярного уявлення про міжатомні й міжмолекулярні зв’язки
у воді замало для наукового пояснення унікального комплексу її
властивостей (табл. 16).
Зі шкільного курсу хімії нам відомо, що вода в процесі електролізу
розкладається на водень і кисень. Це пояснюється дисоціацією частини
іонів води з утворенням протилежно заряджених іонів: Н2О ? Н+1 + ОН–1.
Звернімо увагу, що іон Н+1 являє собою протон.
\
^
?¶A$
&
R
T
gdhd°
gdhd°
,,-®3H6o8$9†A,C@C¬M/ee/aUaeOOee/eeea/eC»
gdhd°
gdhd°
??
gdhd°
AuE/eeaaeeeUeUUeIAUeUUeee
gdhd°
gdhd°
????°
????°
????°
?
¬
Oe
D
F
R
T
^
????°
????°
????°
gdhd°
^
b
l
p
¤
?
O
‘та, або як акцептор протонів — основа. Наприклад, якщо у воді розчиняти
хлорид водню, то його молекули повністю дисоціюють, утворюючи сильну
кислоту (соляна кислота) НСl ? H+ + Cl–. Оскільки молекули Н2О, як
показано було вище, являють собою диполі, то іони Н+ (протони), утворені
за дисоціації НСl взаємодіятимуть із негативно зарядженим полюсом
молекули води з боку кисню, утворюючи позитивно заряджені іони
гідроксонію:
.
Гідроксоній
Отже, у водних розчинах іон водню існує в гідратованій формі
гідроксонію.
Загальне рівняння розчинення хлориду водню у воді записують так:
HCl + H2O H3O+ + Cl–.
У цьому прикладі вода виступає як акцептор протонів, тобто як основа.
Другий приклад відображає умови, які утворюються за розчинення у воді
слабкої кислоти, наприклад етанової (оцтової води), яка лише частково
дисоціює до певного стану рівноваги:
СН3СООН + Н2О Н3О+ + СН3СОО–.
І в цьому разі вода зв’язує протони кислоти, виступаючи як акцептор.
За розчинення в воді сильних основ, наприклад гідроксиду натрію — NаОН,
він повністю дисоціює на іони Nа+ і ОН–. Тут вода виступає вже як донор
протонів, віддаючи іони Н+ гідроксид-іонам, які утворилися за дисоціації
гідроксиду натрію:
У разі розчинення у воді слабкої основи, наприклад аміаку, відбувається
такий самий процес — вода виступає як донор протонів, але на відміну від
першого, акцептором протонів стає сам аміак:
.
Остання реакція має важливе значення в біологічних процесах, кругообігу
азоту, в технології виробництва азотних добрив та їх раціонального
використання в сільському господарстві.
Відносно наведених вище реакцій самоіонізації води слід зауважити, що за
нормальної температури (25°С) частка молекул Н2О, яка перебуває в
іонізованому стані, надзвичайно мала: одна на 5 млрд. Однак ця здатність
води утворювати іони саме в такій кількості відіграє надзвичайно важливу
роль у різноманітних біологічних процесах. Дисоціація води зумовлює
гідроліз слабких органічних кислот, лугів і солей. Концентрація іонів
водню Н+ і також концентрація ОН– є важливою характеристикою водних
розчинів. Звернімо увагу на унікальність іона Н+ — це єдиний природний
іон, який не має електронів, отже, це «вільний» протон (нуклід ядра з
позитивним зарядом). Жодний інший атом з періодичної системи елементів у
хімічних реакціях не утворює протона.
А в чому особливість іона водню — протона? Передовсім протон, порівняно
з атомом водню, а тим більше з будь-яким іншим атомом, практично не має
об’єму, оскільки радіус протона (10–15 m) у 10 тисяч разів менший за
радіус найменшого атома періодичної системи — атома водню. Зрозуміло, що
він може безперешкодно «мандрувати» серед інших атомів. Лише його
позитивний заряд заважає йому пройти поблизу негативно заряджених іонів.
Як видно з табл. 16 властивостей води, вона погано проводить електричний
струм, що підтверджує низьку концентрацію дисоційованих молекул води. Як
їх визначають? На практиці показником концентрації Н+ і ОН– іонів є так
званий водневий показник рН.
Водневий показник є кількісною характеристикою кислотності водневих
розчинів і обчислюється, виходячи з константи дисоціації води. Як
відомо, константа дисоціації — це відношення добутку концентрацій іонів
до концентрації недисоційованих молекул. У нашому випадку:
і називають іонним добутком води.
.
, то концентрація гідроксил-іона понизиться до 10–9 mol/l. За додавання
до чистої води лугу матимемо зворотний результат: збільшиться
концентрація іонів ОН– і зменшиться концентрація Н+. Отже, для
характеристики концентрації іонів Н+ і ОН– досить визначити концентрацію
тільки одного з них.
На практиці цей показник виражають через десятичний логарифм
концентрації іонів водню, узятий з оберненим знаком і позначають
символом рН.
Для нейтрального розчину будь-якої речовини, як і для чистої води, рН =
–lg [H+] = – lg 10–7 = 7, а якщо [H+] = 10–10, то рН = 10, за 10–3 рН =
3 і т. д. Отже, рН може змінюватись від 1 до 14. Іонна рівновага
порушується в разі зміни зовнішніх умов, наприклад, за введення до
розчину іншої речовини, яка здатна дисоціювати з утворенням H+ або ОH–
іона. Так, якщо до водного розчину етанової кислоти, яка є слабким
електролітом і дисоціює з утворенням іонів СН3СОО– і H+ (система І),
добавити її натрієву сіль, що також здатна дисоціювати на іони СН3СОО–1
і Nа+ (система ІІ), то матимемо новий розчин (система ІІІ):
І. СН3СООН Н+ + СН3СОО–.
ІІ. СН3СООNа Nа+ + СН3СОО–.
ІІІ. СН3СООН + СН3СООNа Н+ + Nа+ + 2 СН3СОО–.
Як бачимо, уведення до розчину етанової кислоти її солі збільшило
(відносно Н+) концентрацію іонів СН3СОО–, порушивши іонну рівновагу.
Згідно з принципом ле Шательє, для встановлення іонної рівноваги системи
ІІІ треба, щоб у системі І рівновага змістилась ліворуч, тобто
зменшилася ступінь дисоціації етанової кислоти. З розглянутого можна
зробити такий висновок: уведення до розчину слабкого електроліту
будь-якого з його іонів зменшує ступінь дисоціації цього електроліту.
Якщо в такий електроліт увести речовину, що зв’яже один із її іонів, це
спричинятиме дисоціацію достатньої кількості молекул електроліту.
Прикладом такої ситуації може бути введення в розчин слабкої кислоти
будь-якого лугу, гідроксид-іони якого зв’яжуть її іони водню.
іонами сильного електроліту і випаде в осад.
Ця закономірність пояснює такий факт, як витисненя сильними кислотами
слабких кислот з їхніх солей, і утворення відповідної солі з катіоном
слабкої кислоти, наприклад:
СН3СООК + НNО3 СН3СООН + К NО3.
За такою ж схемою відбуваються реакції між солями слабких основ і
сильної кислоти (наприклад FeSO4) і такими сильними основами, як КОН.
Напишемо таку реакцію в іонній формі:
Fe2+ + 2 ОН– Fe(ОН)2
У цьому разі гідроксид-іон сильної основи зв’язує катіон солі слабкої
основи, утворюючи слаборозчинну сполуку гідроксиду заліза, яка випадає в
осад. При цьому катіон сильної основи Nа+ утворює добре розчинну сіль з
аніоном солі слабкої основи — К2 SO4.
Зазначимо, що вода у розглянутих водних розчинах слабкої етанової
кислоти є ще більш слабким електролітом, ніж кислота. Отже, рівновагу
реакції СН3СООН + ОН– СН3СОО– + Н2О буде зміщено праворуч.
Ми присвятили процесам дисоціації води і розчинених у ній сполук багато
уваги, оскільки вони визначають характер перебігу процесів у живому
організмі, хімічний склад якого на 65% складається з води. Щоб
переконатися в цьому, достатньо розглянути відому схему синтезу в
організмі універсального джерела енергії функціональної діяльності
клітини — молекул аденозинтрифосфорної кислоти (АФТ).
Розроблена англійським ученим П. Мітчеллом схема базується на понятті
протонного градієнта в полі протона Н+ і гідроксид-іона ОН– водного
розчину поживних речовин. У мембранах особливих клітин — мітохондрій —
через ферментну систему вилучаються протони з клітинної маси, або
матриксу, склад якого близький до цитоплазми, і переносять їх до
зовнішньої межі мембрани клітини, формуючи позитивний заряд
мітохондріальної цитоплазми. Так виникає різниця концентрації іонів Н+ з
різних боків мембрани. Одночасно друга ферментативна система —
аденозинтрифосфаза — переносить іони водню в зворотному напрямку,
зменшуючи градієнт електрохімічного потенціалу. Енергія, яка при цьому
вивільняється, акумулюється в енергію міжатомного зв’язку в процесі
синтезу нових молекул АФТ. До цього процесу ми ще повернемося. За
значний внесок у вирішення проблем біоенергетики живої клітини П.
Мітчеллу у 1978 р. присуджено Нобелівську премію.
Роль води в тепловому балансі і кругообігу речовин у біосфері
Як уже зазначалося, загальний об’єм води на земній поверхні становить
понад трильйон* (1018) m3, з яких близько 94% в океанах, інше — це
підземні води — 4%, льодовики — 1,6% (понад 24 · 106 km3), вода в
озерах (майже в 100 разів менше, ніж у льодовиках). Найменше води в
річках — тільки одна десятитисячна процента (1200 km3) від усієї води
планети! Але вже з давніх-давен люди цікавилися, куди течуть річки і
чому вода в них не зникає? Біблійний Екклезіяст з цього приводу писав:
«Усі річки течуть в море, а море не переповнюється.
Туди, куди течуть річки,
Туди вони й тектимуть».
І стародавні греки не знали, що річки поповнюються атмосферними опадами.
За їхніми уявленнями води Океану постійно стікали в «Тартар», тобто в
підземне царство, і виходили знов на поверхню, даючи початок річкам. Хоч
у поглядах Арістотеля (IV ст. до н. е.) вже є деяке розуміння зв’язку
кругообігу води з атмосферою, «Океанічна» схема вважалася слушною аж до
ХV ст.
Перші описи кругообігу води гідросфери з’явилися в епоху Відродження в
працях геніального вченого Леонардо да Вінчі (1452—1519).
Рушійною силою кругообігу води в біосфері є енергія Сонця, котра, як уже
зазначалось, на 98% перетворюється на теплову енергію поверхні Землі.
Але як відбувається її перетворення на роботу з переміщення величезних
мас води? Цього питання ми вже торкалися в розділі «Термодинаміка». Саме
термодинамічними законами перетворення теплової енергії на роботу
зумовлюються процеси планетарного кругообігу води.
Океанологічними дослідами встановлено, що найбільш інтенсивне
охолодження вод Світового океану відбувається в Північній півкулі в
Гренландськім морі, а в Південній — у морі Уедделла. У цих районах Землі
протягом усього року температура повітря завжди нижча, ніж води.
Оскільки густина солоної води з глибиною зростає, то поверхневі води,
охолоджуючись до –1,8°С, не опускаються вглиб, а, перетворюючись на
кригу меншої теплопровідності, ніж вода, захищають нижні шари води від
переохолодження. У такий спосіб відбувається вертикальна стабілізація
водних мас: до нижніх шарів постійно надходить більш солона і важка вода
з Атлантичного океану.
Термодинамічна система Світового океану занадто складна і є предметом
розгляду спеціальних підручників, але навіть з наведеного нами (1.3)
загального огляду законів термодинаміки ми усвідомлюємо їх значення для
наукового пізнання глобальних природних процесів у гідросфері, законів
розмноження і міграції її тваринного світу, отже, і розробку та
впровадження оптимальних систем природокористування гідросферою —
економіки ноосфери.
У зв’язку з цим звернімо ще раз увагу на наведені вище (табл. 14)
термодинамічні властивості води. Якщо порівняти їх з такими самими
характеристиками будь-яких інших хімічних сполук, то не важко зрозуміти,
чому для виконання функцій біосферного акумулятора і перенесення енергії
для вирівнювання температур різних регіонів Землі — від екватора до
полюсів, вони є абсолютно унікальними.
По-перше, вода має найвищу, порівняно з будь-якою іншою речовиною,
теплоту випаровування (табл. 16), завдяки чому встановлюється
енергетичний баланс між сонячною радіацією і роботою на випаровування
води, отже наші водоймища зберігаються навіть на спекотному екваторі.
Випаровування води, а потім її конденсація сприяють вирівнюванню і
пом’якшенню клімату на різних широтах.
По-друге, висока питома теплоємність води (табл. 16), поряд з винятково
високою теплотою випаровування, зумовлює необхідність великої кількості
енергії, щоб нагріти воду до температур, вищих за гранично допустимі для
живих організмів, а тим більше до кипіння. Водночас різниця в
температурі води в різних регіонах Світового океану є термодинамічним
фактором переміщення океанських мас води.
По-третє, високий показник теплоти плавлення (табл. 16) і низька
теплопровідність льоду (табл. 16) захищають флору і фауну грунту від
переохолодження взимку, а разом з аномальним збільшенням об’єму за
замерзання води це запобігає зануренню льоду під воду в річках і озерах
і їхньому повному промерзанню.
Енергетичний баланс (%) сонячної радіації Е, поглинутої біосферою, можна
виразити рівнянням:
Е = Е1n + Е2 + Е3 + Е4 = 65 + 33 + 1 + ~ 1,
де Е1n — пряме перетворення в тепло (океану і суходолу);
Е2 — виконання роботи на випаровування води — осади;
Е3 — енергія, акумульована за фотосинтезу;
Е4 — робота з переміщення вітру, хвиль, течій.
Слід зазначити, що основна частка сонячної енергії витрачається на
нагрів і випаровування води океанів, озер і річок та переміщення її
разом з повітрям у глобальному кругообігу.
З поверхні Океану щорічно випаровується близько 450 тис. km3 води (4,5 ·
1017 kg).
З’ясуємо, яку кількість енергії необхідно витратити на випаровування
такої маси води, використавши дані ентальпії (Hвип за середньої
температури океану 10°С (табл. 16):
Евип. = m · (Hвип = 4,5 · 1017 kg · 2,4 МJ/kg ( 1018 J.
Куди зникає енергія, поглинена водою?
У розділі термодинаміки ми розглядали термодинамічний цикл витрати
енергії на нагрів і роботу випаровування води, наступну її конденсацію і
охолодження. Згідно з другим законом термодинаміки будь-який вид енергії
в кінцевому підсумку розсіюється, тяжіючи до зменшення температурного
градієнта, тобто розподіляючись у формі теплової енергії. Таке явище
відоме як «старіння» системи. Нашій Землі ще далеко до стану
енергетичної рівноваги. Величезні маси води, підняті в тропосферу,
переносяться разом з повітрям згідно із законами термодинаміки від
«нагрітих» низьких широт до «холодних» високих, від екватора до полюсів.
У цьому процесі проявляється дія «природної теплової машини» з циклом
Карно. Відповідно до такого циклу, визначивши середні температури
«підігрівача» (екваторіальні широти — Тн = 303 К) і «холодильника»
(приполярні широти — Тх = 243), розрахуємо коефіцієнт конверсії
(корисної дії), витраченої на виконання такої роботи сонячної енергії —
?:
.
Отже, понад 80% поглинутої в процесі випаровування води енергії за
принципом «ідеальної теплової машини» буде витрачено на нагрівання
повітря і поверхні землі в холодних регіонах на такі атмосферні явища,
як циклони, тайфуни, смерчі, а також на відновлення потенційної енергії
річкових басейнів. Значна частка сонячної енергії, яка початково
акумулюється біосферою, у наступних процесах глобальних термодинамічних
циклів розсіюється біосферою в космічний простір. Щодо цього, то відомий
сучасний еколог Ю. Одум порівнював сили природи із зусиллями людини, яка
крутить ступальне колесо, намагаючись «піднятись» по його східцях.
Результат начебто нульовий, але колесо крутиться. І саме це «обертання
колеса» біосфери є її найважливішим процесом поряд з феноменом
фотосинтезу. Якби його не було, то припинились би опади (дощі, сніг),
зникла б вода в річках, льодовики сповзли б в океан, грунти перестали б
зволожуватись… Якою була б сама біосфера, важко навіть уявити!
Літосфера
Літосфера в системі біосфери (поряд з атмосферою і гідросферою) є
третьою сферою, її твердю, «домівкою» живих організмів, з якої вони
беруть «елементи життя», народжуючись, і на яку перетворюються, умираючи
й повертаючи все, що було взято. Отже, доречно коротко розглянути саме
«елементи життя», первинні «цеглинки», що являють собою відомі нам
хімічні елементи. Якщо енергія — це рушійна сила організмів, то хімічні
елементи — це матеріальна субстанція, незмінна основа їхньої будови,
дихання, харчування і продуктів обміну. Абіотичне середовище організмів
сформоване з різноманітних сполук хімічних елементів, що і визначає його
фізичні, хімічні та інші властивості.
Зрозуміло, чому людину завжди цікавило саме те, що є «цеглинками» життя.
Цікаві здогадки щодо цього знаходимо ще у стародавніх грецьких
філософів: «У цьому світі немає нічого, крім атомів» (Демокріт). Минуло
понад дві тисячі років, поки ця думка знайшла наукове підтвердження.
Спинімося на історії пізнання хімічних елементів, на їхньому походженні
й поширенні як у біосфері, так і за її межами. Стосовно цього наш
співвітчизник, видатний учений М. О. Умов стверджував, що великої мети
пізнання природи не можна досягти без розуміння Всесвіту.
Хімічні елементи — матеріальна субстанція Всесвіту і живих організмів
У передмові до своєї книжки «Виникнення світів» професор Вищої Школи у
Стокгольмі Сванте Арреніус на початку нашого сторіччя писав: «Проблема
розвитку світу … завжди збуджувала особливий інтерес у мислячої частини
людства»*. Сподіваємось, що, вивчаючи наш предмет, ми підтверджуємо його
думку.
Отже, від думки стародавніх філософів, наведеної вище, до сучасної
системи елементів наука у принципі не змінила поглядів на атом, як на
першооснову матеріального світу, але в його пізнанні тільки в останні
триста років сталися колосальні зміни. 1784 р. відомий французький хімік
Антуан Лоран Лавуазьє всі відомі речовини вперше поділив на два класи:
на елементарні (речовини, що не розкладаються на якісь простіші) і
складні, утворені з елементарних речовин. Пізніше, на початку ХХ ст.,
після доведення, що атом побудовано як систему з ядра (протонів і
нейтронів) і електронів, справедливість такого визначення елементарних
речовин і сполук стала очевидною.
кількість нейтронів дорівнює 235 – 92 = 143.
Сучасному уявленню про систему елементів, відому сьогодні як Періодичний
закон, передувала ціла епоха наукових здогадок і гіпотез. Нагадаємо
деякі з них, оскільки тривалий час у вітчизняних підручниках історія
цього наукового пошуку плеяди світових учених викладалась не достатньо
толерантно.
Першим звернув увагу на кореляцію атомних мас (у ті часи користувались
терміном «атомна вага») із властивостями елементів німецький хімік Іоган
Вольфганг Деберейнер ще 1817 р. майже за півстоліття до перших спроб
побудови періодичної системи елементів. У 1829 р. він виклав свої
спостереження, відомі під назвою тріади Деберейнера. Суть цих
спостережень полягала в тім, що елементи в тріадах, розміщені в порядку
підвищення атомної маси, мали схожі фізичні і хімічні властивості,
атомна маса середнього елемента була близькою до напівсуми двох крайніх
(табл. 17).
Таблиця 17
ТРІАДИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ДЕБЕРЕЙНЕРА (1829)
Тріади Відносні атомні маси Напівсума атомних мас крайніх елементів
тріад
1 Li Na K 7 23 34 (7 + 34) : 2 = 20,5
2 S Se Te 32 79 128 (32 + 128) : 2 = 80
3 Cl Br I 35 80 127 (35 + 127) : 2 = 81
4 Ca Sr Ba 40 88 137 (40 + 137) : 2 = 88,5
Вочевидь, ця ідея прислужилася його послідовникам, у тім числі і
славетному Д. І. Менделєєву, коли він залишав вільне місце в таблиці
своєї періодичної системи для ще невідомих на той час елементів.
З 1850 року було зроблено кілька спроб згрупувати всі відомі елементи у
тріади і знайти числові співвідношення між їхньою атомною вагою.
1863 р. французький учений А. Е. Шанкуртуа (1820—1886) запропонував
оригінальну систему елементів, розмістивши їх в порядку зростання
атомної ваги по спіралі на поверхні циліндра так, що елементи з
однаковими властивостями, як і у тріадах, розміщувались один над одним,
утворюючи прототипи сучасних груп періодичної системи. Тоді праця
Шанкуртуа не дуже зацікавила сучасників, хоч нині такий спосіб
зображення періодичного закону іноді застосовують (рис. 24).
1864 р. англійський хімік Джон Ньюлендс звернув увагу на те, що кожний
восьмий елемент, починаючи від довільно вибраного в ряду елементів,
розміщених у порядку збільшення атомної ваги, за своїми властивостями
подібний до першого, як восьма нота у музичній октаві. Справді,
несподівана і цікава аналогія!
Ньюлендс назвав цю закономірність законом октав, який слід вважати
прототипом періодичного закону. У 1865 р. він розмістив елементи в
таблиці в порядку збільшення «атомних номерів», тобто атомної ваги
(табл. 18).
Таблиця 18
ОКТАВИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НЬЮЛЕНДСА (1864 р.)
Але дальші намагання вдосконалити систему за «законом октав» не мали
успіху. Справді, розміщення в одній групі (по вертикалі) фосфору і
марганцю, сірки й заліза не узгоджувалось з принципом подібності їхніх
властивостей. Нині ми знаємо, що тільки елементи першого, другого і
третього періодів відповідають принципу «закону октав». Але сучасники Д.
Ньюлендса, критикуючи його, відкинули навіть саму ідею побудови таблиці,
саркастично запитуючи вченого на засіданні Лондонського хімічного
товариства, чи не спробував він, бува, розмістити елементи в алфавітному
порядку? На жаль, такі випадки в історії розвитку науки непоодинокі.
Може, так сталося ще й тому, що Джон Ньюлендс був молодою людиною і
займав дрібну посаду звичайного хіміка-аналітика на цукровому заводі.
Зверніть увагу на ідею побудови таблиці Ньюлендса і її сучасний вигляд:
та сама октава — вісім груп і, навіть, майже через сто років перший
елемент — водень, як і в Ньюлендса, стоїть над фтором.
Трохи раніше (1864) німецький хімік Лотар Мейєр у книзі «Сучасна хімічна
теорія» дав свій перший варіант періодичної системи з 28 елементів, а
1869 р. — розширений другий варіант уже з 57 елементами. Він наочно
продемонстрував періодичність такої характеристики елемента, як атомний
об’єм:
.
Графік такої залежності зображено на рис. 25.
Коли Мейєр працював над своєю таблицею і графіком періодичності атомних
об’ємів і властивостей елементів, професор Петербурзького університету
Д. І. Менделєєв відвідав наукову конференцію, на якій відомий
італійський хімік Канніццаро розповсюджував копії своєї найбільш повної
на той час таблиці атомної ваги елементів. Працюючи
Рис. 25. Залежність періодичності атомних об’ємів елементів
від їхніх атомних мас (Л. Мейєр, 1869)
над підручником «Основи хімії», Д. І. Менделєєв відчував гостроту
потреби в систематизації хімічних елементів. Творчо аналізуючи відому на
той час кореляцію між властивостями елементів і їхніми атомними масами,
він досяг поставленої мети і 1869 року опублікував свою першу знамениту
Періодичну таблицю з відомих на той час 45 елементів (табл. 19).
Геніальність Д. І. Менделєєва проявилась у тім, що він розглядав
періодичність властивостей елементів не за формальними ознаками, а як
виявлення законів природи. Про це свідчить той факт, що коли в таблиці
наступний в періоді за атомною масою елемент не відповідав властивостям
групи, Менделєєв переносив його в наступну групу, передбачаючи, що
пропущене місце займе елемент, який іще просто не відкрито! Справді, три
такі елементи — скандій, галій і германій — було пізніше відкрито й
розміщено на належних місцях.
Таблиця 19
ПЕРІОДИЧНА ТАБЛИЦЯ МЕНДЕЛЄЄВА (1869 р.)
Період Групи
І ІІ ІІІ IV V VI VII VIII
1 H
2 Li Be B C N O F
3 Na Mg Al Si P S Cl
K Ca * Ti V Cr Mn Fe Co Ni
4 Cu Zn * * As Se Br
Rb Sr Y Zr Nb Mo * Ru Rh Pd
5 Ag Cd In Sn Sb Te I
Крім цього, Д. І. Менделєєв, як і раніше Ньюлендс, дотримуючись
основної мети систематизації елементів за властивостями, навіть порушив
принцип їхнього розміщення за збільшенням відносної атомної маси:
елемент телур (в. а. м. 27,6) він помістив у таблиці попереду елемента з
меншою відносною атомною масою — йоду (в. а. м. 26,9). Як пізніше
з’ясувалось, це був непоодинокий випадок. Саме з таким порушенням
принципу збільшення атомної маси в сучасній таблиці розміщено пари
елементів: Ar (39,94) i K (39,1), Co (58,9) i Ni (58,7) та деякі інші.
У зв’язку з цим виникає питання, чи є атомна маса елемента
фундаментальною основою періодичного Закону? Об’єктивно в часи Лотара
Мейєра і Д. І. Менделєєва на таке питання відповіді не було, бо ще не
було умов для виявлення саме фундаментальної основи періодичності
елементів: будови атома.
Остаточно Періодичний закон хімічних елементів було сформульовано 1914
р. після геніального відкриття молодим англійським фізиком Генрі Мозлі
(1887—1915) залежності між довжиною хвилі характеристичного
рентгенівського випромінювання елемента і кількістю протонів у його
атомі. (Г. Мозлі загинув на фронті Першої світової війни, чим і
зумовлена його відсутність серед лауреатів Нобелівської премії, яка
посмертно не присуджується.) Це відкриття відоме сьогодні під назвою
закону Мозлі. Згідно з ним елементи Періодичної системи мають порядковий
номер, який відповідає кількості протонів у їхніх атомах. Цим законом
було остаточно визначено число і будову всіх природних елементів, а
також будову штучно синтезованих. На підставі відкритого закону Г. Мозлі
вказав номери ще не відкритих на той час трьох природних елементів: 43 —
технецій, 61 — прометій, 75 — реній (рис. 26).
Рис. 26. Діаграма Мозлі. Вісь абсцис — порядкові номери елементів; вісь
, де ? — довжина хвилі (в sm) характеристичного рентгенівського
випромінювання елемента, К, L, М — серії рентгенівського випромінювання
Сьогодні існує кілька форм зображення Періодичної системи, найбільш
інформаційно місткою з яких є таблиця у так званому довгоперіодному
варіанті (табл. 20).
Зверніть увагу, що у Всесвіті інших елементів, ніж ті, які відомі на
Землі, не виявлено. Більше того, усі вивчені елементи космосу як за
ізотопним складом, так і за іншими властивостями ідентичні земним, і це
ставить на твердий грунт науку пізнання всього матеріального світу.
(позитивний заряд +1). Що більший атомний номер елемента, то менше
його поширення у Всесвіті. Згідно із сучасною науковою теорією ядра
елементів синтезуються з протонів, позитронів і нейтрино в надрах зірок
за температур понад 10 млн К. У ядерному синтезі два протони взаємодіють
між собою за реакцією:
, при цьому утворюється позитрон — частка з позитивним зарядом і масою
електрона [1/1840 маси протона] та нейтрино. Відповідно до кількості
протонів, незалежно від їх об’єднання в ядра, у матерії зірок існує така
сама кількість електронів, що зумовлює електронейтральність системи в
цілому. Такий стан матерії називається плазмою і в природних умовах
біосфери не існує. Але якось же з плазми утворились атоми і елементи в
складі літосфери Землі? Кожна епоха висувала нову гіпотезу щодо цього
явища. І нині в космології не існує наукової теорії, яка б однозначно,
без будь-яких застережень і суперечностей, пояснювала реальні факти.
Звичайно вважають, що первинний матеріал Сонячної системи — це газовий і
пиловий продукт зірок (різні молекули, іони типу Н2, СН+, SiO, CH3N і
тверді частки солей кремнієвої кислоти). Під дією гравітації такі
конденсовані речовини й утворили згустки — зародки первинного Сонця і
планет. Оскільки на Сонце припала більша маса часток космічної речовини,
ніж на інші планети, то воно під дією сил гравітації дуже ущільнилось і,
розігрівшись, перетворилося на зірку. Планети з меншою масою, отже й
меншою гравітацією, у тім числі й Земля, утворили космічні тіла, які в
дальшій еволюції сформували сучасну Сонячну систему. Схему кругообігу
елементів у Всесвіті показано на рис. 27.
Кругообіг елементів у біосфері ми розглянемо в загальній схемі
перетворення речовини абіотичного і біотичного походження в наступному
розділі (2.2).
Рис. 27. Схема кругообігу речовини у Всесвіті
Тут ми з’ясуємо лише розподіл хімічних елементів у літосфері, точніше в
земній корі. Раніше ми вже торкалися питання будови і складу земної кори
(рис.13). Додамо, що з загального об’єму земної кори 8 · 109 km3 на
континентальну кору припадає 5,5 · 109 km3.
Саме земна кора є скарбницею хімічних елементів як для всіх живих
організмів Землі, так і для сучасних систем технологій економіки. За
класифікацією В. І. Вернадського всі елементи поділено на десять (І… Х)
декад. Декада включає групу елементів, вміст яких у земній корі на
порядок менший, ніж у попередній декаді з меншим порядковим номером і
більше — ніж у наступній декаді. Розподіл елементів з декадами і їх
значення для економіки розглядатимуться у ІІІ розділі посібника. Тут
скажемо тільки, що І декада включає елементи, вміст яких у земній корі
становить десятки відсотків (О і Sі), ІІ декада — від 10 до 1 відсотка
(Al, Fe, Ca, Na, K, Mg), ІІІ декада — від 1 до 0,1 відсотка (H, C, Ti,
Mn). ІХ і Х декади включають такі елементи, як Au, Pt, Re (10– 6… 10–
7%) і Pa, Ra, At (до 10– 9%).
Земна кора як термодинамічна система
У 1.3.4 ми розглянули закони термодинаміки і термодинамічні функції,
отже, можемо набуті знання використати за загальної оцінки напрямку
еволюції земної кори, яку стосовно предмета посібника слід розглядати як
основу «підніжжя» біосфери. З власного досвіду і вивчення історії ми
знаємо, що земна кора є досить активною частиною біосфери.
Відтак цілком виправданим є питання: як виглядатиме з часом земна кора з
позицій рівноважного стану термодинамічної системи, її кінцевої
стабільності і максимальної ентропії?
Застосування принципів термодинаміки до геологічних і геохімічних
процесів земної кори уможливлює оцінку напрямку зміни ентропії і
відповідь стосовно дальшого існування біосфери, як життєдайного
середовища сучасних організмів.
Цієї відповіді вчені шукали відтоді, як було відкрито перший закон
термодинаміки. Близько 100 років тому Сванте Арреніус у передмові до вже
згадуваної нами книжки «Утворення світів» полемізував з німецьким
фізиком Рудольфом Клаузіусом (Clausius, 1822—1888) з питань «виродження»
енергії (сьогодні це явище відоме під назвою другого закону
термодинаміки — збільшення ентропії S). Клаузіус прогнозував у
майбутньому «теплову смерть» Всесвіту, отже і Землі.
Арреніус, проте, дотримувався думки, що у Всесвіті відбуваються
рівноважні процеси: коли енергія стає «гіршою» (збільшується S) в одному
місті, в іншому вона стає «ліпшою» (зменшується S).
Однак думка Р. Клаузіуса, який зробив значний внесок у розвиток другого
закону термодинаміки, мала великий вплив на наукові кола його
сучасників. Справді, згідно з першим законом термодинаміки, у замкнутій
фізико-хімічній системі, якою вважали Всесвіт, кількість енергії є
постійною. А відповідно до другого закону, будь-яка зміна в замкнутій
системі призводить до зростання ентропії, якщо процеси необоротні, або
залишається незмінною в оборотних процесах.
Сучасні вчені натомість дотримуються думки, що Земля в енергетичному
відношенні є відкритою системою: Земля поглинає енергію Сонця й
випромінює теплову енергію. Частина сонячної енергії витрачається на
дисоціацію водяної пари атмосфери на кисень і водень. Останній, як
леткий елемент, звітрюється в космічний простір, звідки на Землю випадає
метеоритний пил і надходять космічні промені. Як стверджує наш відомий
академік М. П. Семененко, «Відцентрові течії ентропії від Землі більше
ніж урівноважують збільшення ентропії, її спонтанних геологічних і
геохімічних процесів…» Відтак ентропія Землі не тільки не збільшується,
а навіть зменшується в її еволюційному розвиткові, а гіпотеза Р.
Клаузіуса щодо «теплової смерті» Всесвіту є помилковою. Сучасна наука
дотримується поглядів С. Арреніуса.
Література
Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ,
1999.
* В. И. Вернадский. Начало и вечность жизни. — М.: Советская Россия,
1989.
** За правилом «N».
* Гея — у давньогрецькій міфології богиня Землі.
* трильйон — за правилом «N» багатозначних чисел 106N, де N = 3; за
правилом «n – 1» — квінтільйон.
* Сванте Аррениус. Образование миров. — Одесса, 1908.
PAGE 3
озон
1,40
1,30
13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65
69 73 77 81 85 89 93
11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67
71 75 79 83 87 91
1,20
1,10
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
Стан
Процеси
Космічна речовина: ядра елементів, іони, молекули, пилові частинки
1. Конденсація,
гравітаційне стиснення, розігрівання до надвисоких температур
Молекулярні й пилові
агрегації речовини
Зірки типу
«червоний гігант»
5. Синтез ядер важких
елементів. Різке
гравітаційне стиснення. Вибух із розпорошенням елементів у космічному
просторі і утворенням нових зірок
4. Синтез ядер легких
елементів (С, ON та ін.). Гравітаційне стиснення та розігрів
3. Ядерні реакції:
вигоряння водню,
синтез гелію.
Утворення гравітаційної
системи планет
2. Утворення
агрегатів речовини
Планети типу Землі
Ядра елементів
(космічні промені)
Процеси типу: 3, 4, 5
Проміжний стан від «червоного гіганта» до «нової зірки»
Білий карлик
Нейтронна зірка типу «пульсар», «чорна дірка»
Зірки типу
Сонця.
Стан плазми
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
