19.07.2018
Гибка металла, в особенности, листового, считается технологичной процедурой, в ходе которой из прокатного листа можно получить ту...


18.07.2018
Металлические изделия самой разной функциональности для краткости называются метизы. Группа охватывает широчайший ассортимент,...


18.07.2018
Сегодня на рынке выбор покрытий для пола является попросту колоссальным, среди самых востребованных вариантов следует отметить...


17.07.2018
Инверсионная крыша является «кровлей наоборот». Если говорить простыми словами, то основным её отличием, сравнивая со стандартной...


17.07.2018
Несмотря на популяризацию электрических тепловых устройств дровяные камины и печи не собираются сдавать свои позиции в плане...


17.07.2018
Ни для кого не секрет, что возведение любого здания начинается с фундамента. Вне зависимости гот того, говорим мы о промышленном...



Геохимические систематики элементов

11.01.2017
Известные геохимические и некоторые биохимические закономерности верхней части и поверхности Земли наилучшим образом согласуются с периодическим законом Д.И. Менделеева. Поведение элементов в природных системах объясняется в первую очередь электронным строением атомов, которое наиболее четко выражено в одном из вариантов периодической системы. По структуре активного электронного слоя элемента выделяются три самостоятельных блока: I—s- и р-, II—d-, III—f-элементов. В верхнем I блоке s- и р-элементов находятся все главные элементы геологических, биологических и экологических систем (1—3-й ряды). Электронная конфигурация внешних оболочек у всех элементов каждой вертикальной подгруппы в этом блоке одинаковая IA—s1, IIA—s2, IIIБ—р1, IVБ—р2...VIIB—р5, с чем и связано наибольшее основополагающее физико-химическое сходство элементов по вертикали. Одновременно наблюдается закономерное однонаправленное изменение химических свойств элементов в каждой группе.
В среднем II блоке d-металлов разница в энергии между ns-и d-подуровнями электронов невелика, орбитали могут заполняться поочередно, и при ионизации атомов их свойства определяются лишь числом d-электронов. Например, в горизонтальном ряду V2+, Cr5+, Mn4+ общим является электронная конфигурация из трех d-электронов, - у Fe2+, Co3+, Pt4+ — из шести d-электронов и т.д. Это определяет сходство 3d-металлов по горизонтали, и для 4d- и 5d-металлов имеется также сходство и по вертикали. Еще полнее горизонтальное сходство проявлено для нижнего блока f-металлов (лантаноиды, актиноиды).
В соответствии с вышеизложенной систематикой и принята основная рубрикация планируемой к изданию серии книг «Экологическая геохимия элементов» и, в частности, данной работы, а также последовательность расположения элементов в тексте: для s- и р-элементов — по вертикальным группам, для 3d-металлов (Sc—Zn)—по горизонтальным рядам (также для Y, лантаноидов и актиноидов), а для остальных 4d- и 5d-металлов — по вертикали в парах Zr—Hf; Nb—Ta; Mo—W; Re — металлы платиновой группы.
В каждом из блоков геохимические свойства элементов закономерно меняются. Наиболее контрастно они изменяются для блока s-и р-элементов: в левой части размещаются 5-элементы металлы (LA, IIA), затем идут р-элементы металлы — полуметаллы (IIIБ, IVБ, VБ, VIБ) и р-элементы неметаллы (VIIB, 0). В начале и середине блока расположены породообразующие литофильные элементы, а в правой верхней части — атмофильные.
Геохимические систематики элементов

Блок переходных d-элементов также начинается литофильными металлами (IIIA, IVA, VA), затем следуют преимущественно сидерофильные (VIA, VIIA, VIIIA) и далее халькофильные (IIБ, IIБ). Блок f-элементов состоит из редкоземельных и радиоактивных металлов литофильной геохимической специфики.
Наиболее наглядно основополагающее различие элементов видно на графике атомных объемов (рис. 2). В пиках и правых нисходящих участках кривой расположены литофильные, в книксах — сидерофильные, а на восходящих ветвях — халькофильные элементы. Промежуточное положение характерно для элементов с переходными свойствами.
Фундаментальная гольдшшмидтовско-ферсмановская систематика элементов на литофилы — оксифилы, сидерофилы — металлы, халькофилы — сульфофилы имеет общее значение и использована в этой работе как для описания эндогенной геохимической миграции элементов, так и для разделения других геологических таксонов: минералов, руд, пород.
По Г. Штрунцу, литофильно-оксифильной группе элементов соответствуют в минералогической систематике классы оксидов и силикатов, сидерофильной-металлофильной — такие минеральные классы, как элементы, интерметаллиды, карбиды, нитриды (фосфиды), а халькофильно-сульфофильной — сульфиды, селениды, теллуриды, антимониды, сульфовисмутиды. Экзогенные минералы не поддаются такой группировке. В работе учтены наиболее полные сведения о минералах на 1989 г. включительно по данным Е.И. Семенова, О.Е. Юшко-Захаровой, М. Флейшера, Г. Штрюбеля, З. Циммера и других исследователей в рубрикации минералов В.Г. Фекличева.
Принятая в работе авторская группировка месторождений также основана на их разделении по отмеченным геохимическим свойствам атомов, а в пределах этих геолого-геохимических групп (лито-, халько-, сидерофильной и промежуточных — рис. 3) — с выделением геолого-промышленных типов.
Геохимические систематики элементов

Петрографическая систематика пород, используемая в работе, является общепринятой и составлена в координатах SiO- (Na2O + K2O) (рис. 4). В вышеупомянутой геолого-геохимической системе ультраосновные породы в какой-то мере отвечают сидерофильной или сидеролитофильной группам месторождений, основные и средние — сидеролитофильнои, а кислые и щелочные — литофильной.
Систематики природных вод, хотя и имеют гидрогеохимическую основу, лишь в малой степени сопоставимы с принятыми для твердых минеральных объектов. То же относится к почвам, а также к газовым системам атмосферы. Геохимический подход к этим объектам еще не разработан, хотя, вероятно, возможен. Во всяком случае, при систематиках атмо-и гидросферных минеральных взвесей все больше получают фактов, свидетельствующих о наличии зависимостей состава от размера частиц, что позволяет перейти к литогеохимическим сопоставлениям.
Б.Б. Полыновым предложен коэффициент водной миграции элементов Кв: Кв = 100mx/аКx, где m — содержание элемента в воде, г/л, а — минерализация (принята 0,43 г/л), Kx — содержание элемента в породах (кларк литосферы или ферсм, фон). По этому же принципу рассчитывается коэффициент атмосферной миграции Ka:Ka = 100nx/aKx, где n (нг/м3) = В (среднее содержание в воздухе над южным полюсом) + А (среднее содержание в аэрозоле); а — средняя запыленность атмосферы (принята 0,05 мг/м3;).
Геохимические систематики элементов

Поведение элементов в экзогенных — гипергенных процессах во многих случаях может быть охарактеризовано в геохимических координатах, однако большое значение приобретают свойства биофильности Бф и таласеофильности T элементов. По А.И. Перельману, эти свойства характеризуют отношения элемента в живом веществе Бф и в морской воде T к кларку этого элемента в литосфере. Биофильность самая высокая для p-элементов (С 780; N 160; 0 1,5; S, Cl, В ~ 1; P 0,75, Br 0,7) и для некоторых s-элементов (Н 70, Ca ~ 0,2, К ~ 0,1), для остальных — 0,0n — 0,00n. Талассофильность также наиболее высокая у p-элементов (Cl 111; Br 30; S 1,8), а среди s-элементов у H—71, для остальных она варьирует от 0,n (Na, В, I) до 0,0n (С, Mg, Se, Sr, К, Ca) и ниже.
Установлена зависимость между ионным потенциалом μ и фитоактивностью — чем он ниже (Ba, Ca, К, Cs, Rb, Na, Li), тем активнее элемент накапливается в растениях, а по мере увеличения μ (Be, В, V, Cr, Р, Mo) эта активность снижается (хотя P и Mo являются исключениями).
Биохимическое поведение элементов, наиболее полно изученное в организме человека, среди многих концентрационных показателей характеризуется двумя важнейшими динамическими параметрами — коэффициентом (долей) всасывания элемента из кишечно-желудочного тракта Bс и периодом биологического полувыделения элемента Tб (время, в течение которого содержание элемента в органе или организме уменьшается вдвое): Тб = 0,693 : λ, где λ — постоянная выведения t-1, сут. По данным Ю.И. Москалева, наиболее полным всасыванием, равным 1,0, обладают s- и р-элементы. Среди s-элементов это H и все металлы группы IA, среди p-элементов — все неметаллы 2-го ряда (В, С, N, О, F), а также Cl и полуметаллы As, S (0,8), Se (0,9). С увеличением степени металличности и атомного номера элемента величина всасывания в общем снижается, однако у таких супертоксичных металлов, как Hg (0,4), Tl (0,4), Cd (0,1), а также у сильнотоксичных Mo (0,8), Mn (0,1), Cr (0,1), Co (0,3) остается высокой.
Техногенная миграция элемента во многом связана со степенью его промышленного использования по сравнению с кларком и характеризуется коэффициентом технофильности Тф:Тф = O/Кл, где О — годовая добыча элемента, т, Кл — его кларк в земной коре. Технофильность элементов меняется от n*10в11 для наиболее используемого С до n*10в5 и менее для еще не нашедших широкого применения редких металлов (Ga, Tl, Rb, Sc и др.). Для целей экологии важное значение имеет также количество элемента, которое добывается из недр, но в процессе передела выбрасывается в окружающую среду. Самые высокие показатели в этом плане характерны для редких рассеянных элементов (Rb, Cs, Tl, Ga, In, Ge, Cd I др.).
М.А. Глазовская считает, что чем больше технофильность и меньше биофильность элемента, тем он на данном этапе опаснее для живых организмов, тем больше его деструктивная активность. В качестве показателя деструктивной активности предложено использовать отношение массы элемента в годовой добыче плюс поступление от сжигания горючих ископаемых к массе этого элемента в биологйческой продукции наземных растений за год. По этому показателю Ад в глобальном плане некоторые элементы располагаются так (по убыванию): n*10в5 — n*10в4 Hg; n*10в3 Cd, F; n*10в2 Sb, As, Pb, U; n*10 Se, Be, Ba, Sn. Для территории европейской части нашей страны этот показатель имеет другие величины (в связи с малой абсолютной технофильностью), но не менее напряжен: n*10—n*10в2 Hg, As; n*10 Be, V, Pb, Mo, Co; n—n*10 Cu; 0, n—10 Ni; n В; 0,n —nZn, Ge, Sn; 0,n Sr; особенно неблагополучен он для Донецко-Приднепровского региона: Hg 575, As 130, Mo 100, Be 78, V 63, Pb 25.
Н.Ф. Глазовским предложен ряд коэффициентов для техногенеза. Коэффициент техногенности элемента Tx показывает степень общего вовлечения элемента в техногенную миграцию во всех формах; он меняется следующим образом: 10в11—Au; 10в10—Ni, Bi, U; 10в9—Cd, W. Pb, Cu, Ag, I, Zn, As, Se, Mo; 10в8—Cl, Ba, S, Na, Cr, Sn, Ca, Р, Fe, Be, В, Ge, F, Ti; 10в7—Br, Mn, Hg, Co, V, Ga, К; 10в6—Mg, Li, Al, Tl, Sc. Коэффициент техногенного использования элемента H — отношение (в %) количества специально добытого элемента к его общему количеству, вовлеченному в техногенез; H меняется так (%): 98—Cl; 91—Na, Cu, Ag, Ba; 88—Li, Fe, Pb; 87—86—Sn, Ni; 83—81—Cr, Zn, Ca; 77—Hg; 71—Br; 55—54—Р, Mn; 45 —Mo, F; 43—W, 38 —Cd; 31—В, Co; 25—Bi; 22 —К; 20—S; 17—As, N, Al, U; 7—Se; 2—Be; n—Si, V, I; 0,8—Ge; 0,4—Sc; 0,02—Ga. Выведены также глобальные и региональные модули техногенного воздействия Тд — отношение общего количества мобилизованного элемента (вещества) к площади воздействия. Получены следующие значения глобальных модулей (кг/км2): 1000—500 Na, Cl, Ca, Fe; 500—200 S; 200—100 N, К; 100—50 Al; 50—20 Р; 20—10 Ti, Mn; 10—1 В, F, Mg, Cu, Zn, Zr, Ba, Pb; 1—0,1 V, Cr, Ni, As, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, I, U; 0,1—0,01 Be, Sc, Co, Ga, Ge, Se, Bi; 0,01—0,001 Li, Ag, W, Au, Hg, Tl; 0,001—0,0001 Cs.
Он же предложил показатель биотехногенности элемента Бг — отношение содержания элемента в живом веществе организма к кларку биосферы (ноосферы) — см. табл. 6. Анализ Бг показал, что в разных природных зонах использование одного и того же химического элемента растением может значительно отличаться. Так, P наиболее интенсивно накапливается в растениях тундры и степей, N, Mn, Ba и Zn — в растениях лесной и степной зон, К и Cr — в степной зоне, Na, S, Cl, Sr, Cu, Fe — в пустынной. В общем, в тундровой и лесной зонах в растениях концентрируются преимущественно катионогенные элементы, а в степной и пустынной — анионогенные.