21.06.2017
Гидроизоляция в комнате, где будет устанавливаться ванна или душ, должна быть качественной, ведь именно здесь возможны постоянные...


21.06.2017
Мрамор появляется в результате соединения известняка и доломита под воздействием перекристаллизации различных осадочных пород в...


21.06.2017
Трактор - это техника, без которой сложно представить выполнение дорожно-строительных, землеройных и других работ. Именно поэтому...


20.06.2017
При монтаже пластиковых окон немаловажным пунктом является оформление ее откосов. Для отделки проемов используется материал, из...


20.06.2017
Первые недели жизни малышу требуется на сон не менее 18 часов в сутки. Поэтому очень важно правильно организовать место для сна....


20.06.2017
Утепление или же преобразование лоджии собственными силами, как и при работе профессионалов, всегда начинается с робот по ее...


Атом водорода

11.01.2017

Атом (Is') самый легкий (всего один s-электрон) среди элементов. Состоит из двух стабильных изотопов: 1H — протий и 2H — дейтерий (D), имеющих наибольшую разницу масс среди всех элементов — D/H = (158±2)*10в-6; искусственный тяжелый нуклид 3H — тритий Т* (T1/2 = 12,3 года), превращающийся в 3He. Соотношение атомов (1H:2H): 3H = (99,9852:0,0148): 4*10в-15.
Водород имеет наибольшие вариации изотопного состава — до 70% в земных образцах. Для испаряющегося оксида водорода — воды — увеличивается содержание D, а также 18O ( + δD), для океанической воды δ=0 0, в атмосферном водяном паре над океанами значения 5 отрицательные (-δD) и далее уменьшаются с выпадением осадков. δD и δ18O используются для определения солености морской воды и палеотемператур земной поверхности; последняя составляла (°С): 3,4 млрд лет назад — 70; 1,3 млрд лет — 52; в PZ 34→20; триасе 35—40; третичном периоде ~17. В ювенильных водах SD меньше, чем в метеорных, в метеоритах δD близко к 0%, что используется для выявления (вместе с δ18O) генезиса рассолов, пород и руд.
Водород расположен в 1-м периоде таблицы Менделеева в I или VII группе. В поверхностных условиях Земли имеет жидкое или твердое (H2O) и газообразное (обычно в виде молекул H2) состояние; среди газов наиболее легко проходит через самые мелкие поры металлов и других элементов, особенно при высоких температурах. Наиболее теплопроводный из всех газов. В большинстве соединений, как и щелочные металлы, имеет валентность +1, иногда — 1 (гидриды, галогены и др.). В отличие от щелочных металлов I группы обладает кислотными свойствами. Образует воду с O2 с выделением тепла (143,3 МДж/кг при -25 °C и 0,1 МПа), при t≥550 °С со взрывом, а также соединения с Cl и F. Восстанавливает металлы из их оксидов, растворим в H2O (18 г/л при 25 °С), одновременно все металлы (от U до Cu) с отрицательными электродными потенциалами вытесняют водород из разбавленных кислот, анионы которых не проявляют окислительных свойств.
В природе в основном находится в виде соединений: оксида водорода — воды H2O, гидроксила ОН, аммиака NH3, аммония NH4, сероводорода H2S, кислот (HCl и др.), метана CH4 и прочих органических соединений (C2H4, НСНО, CH3OH и др.), а также радикалов HO2 и HO, пероксида H2O2, галогенов и гидридов многих металлов. Во флюидных системах H является главным и аномально наиболее подвижным компонентом, перемещаясь вверх даже в замкнутых системах. Он создает водородный фронт (потоки), особенно в нижних частях коры и мантии за счет дегазации возможного водородно-металлического гидридного ядра. Геохимически к H наиболее близки S, Cl, F и 3d-металлы (рис. 6).
Атом водорода

В газообразном (флюидном) состоянии водород образует устойчивые атомарные группировки с различными элементами, с чем связано их поведение в эндогенных процессах. По М.И. Новгородовой, для двухатомных молекул теоретический ряд снижения сродства (от наиболее устойчивых соединений в начале ряда и к отсутствию взаимодействия в конце), выведенный по величинам энергий диссоциаций, таков: Cl, S, Р, С, Pt, Se, As, Si, Au, Ir, Ti, Te, Ni, V, Al, Pd, Sb, Cr, W, Rh, Os, Co, Re, Cu, Ru, Fe, Sn, Bi, In, Mn, Pb, Ca, Zn, Cd, Hg, благородные газы. Подробно относительное сродство элементов к водороду и взаимодействие его с O2, С и другими проанализированы А.А. Маракушевым.
Самым устойчивым соединением водорода в обычных условиях земной поверхности и самым крупным по потреблению (≥3000 км3/год) среди минеральных соединений является вода (H2O). Она содержит по формуле 11,19% H и 88,81% О, количество которых в природе всегда ниже (на 1—3%) за счет примесей. Свойства воды весьма многообразны, зависят от температуры, давления, состава примесей и особенностей взаимодействия с породами, газами, биосом (и т. д.) и, несмотря на многочисленные исследования, недоизучены.
Большое значение имеют уникальные и аномальные свойства воды: самые высокие среди известных веществ теплоемкость (кроме NH3), теплота плавления (кроме NH3), тепловое расширение, поверхностное натяжение, растворяющая способность, диэлектрическая проницаемость, что определяет высочайшую способность к теплопереносу, теплорегуляции систем, термостатированию, обусловливает большинство химических реакций и биологических явлений.
Геологи больше знакомы с различными свойствами природных вод и воды в гидротермальных растворах. По А.М. Maсаловичу, Л.Н. Овчинникову, они связаны с полиморфизмом H2O, дискретным изменением ее структуры и плотности в определенных «температурных точках», а также количества разрушенных водородных связей. Это определяет дискретный (стадийный волновой) характер минералообразования и кислотность — щелочность растворов. В этих особых точках потенциальная кислотность переходит в активную (например, NaHCO3 + HCl⇔NaCl + CO2 + H2O), а затем снова в потенциальную и так далее до новой особой точки. Эмпирические значения этих переходов, зафиксированные в статистических максимумах образования минералов, выявлены для температур ~ 400, 350, 270, 160 и 70 °C.
По А.М. Блох, природные глубинные воды имеют диссипативную структуру (ионная система с молекулами воды), способны растворять очень высокие количества металлов (в г/л: Na2O 400, FeO до 360, Rb2O5 5,6, Nb2O5 0,6, U 0,56) и неметаллов (F 520 г/л и т. д.) По мнению А.А. Маракушева, по отношению к силикатным расплавам вода может рассматриваться в одном ряду со щелочными металлами (K2O...H2O) и основными летучими (NH3 и др.), сильно влияя на кислый магматизм и являясь индифферентной к ультраосновным и щелочным магмам.
Общий баланс H2O в геосферах Земли, по X. Холленд, таков (n*10в21 г): гидросфера 1400; кора 600; биосфера 1,6; атмосфера ≤0,2. Баланс H2O в гидросфере, по М.И. Львовичу, следующий (10в21 г и %): океаны и моря 1420 и 86,48; озера и реки 0,5 и 0,03; лед 22 и 1,33; атмосфера 0,013 и ≤0,01; стратисфера 201 и 12,16.
В геоэкологическом плане природная вода представляет сложную систему, гигиенические свойства которой в химическом отношении зависят от содержания примесных компонентов. Суммарный фоновый показатель гидроэкофильности близок к 1, т. е. к пределу. При этом каждый элемент вносит свой вклад и по данному значению изученные в отношении ПДКв элементы образуют следующий ряд снижения насыщенности ими речной воды (ГЭФг): Li, Al?, Mg, Fe, Mn, Cu, Se, Be, As, Sr, Ti, Pb, Tl, Ba, Cr и т. д. В кислых водах накапливаются растворимые формы катионогенных элементов, в щелочных — анионогенных.
Минералого-геохимическая формула H для эндогенных объектов верхней земной коры O99C0,5M0,2 (оксифильный), для верхней мантии Л97с2х1 (литофильный). В то же время большое количество H переносится в виде серных, углеродных и других соединений; ему свойственна повышенная халькофильность, и особенно гидро- и био-, а также атмофильность и др.
В метеоритах H накапливается (%) только в углистых хондритах — х=1,23; CI=2,21, CII=1,43, CIII=0,23; в обыкновенных хондритах х=0,02, в том числе H=0,023, L=0,03, LL=0,011; в энстатитовых 0,038 (E5,6). Содержание H2O (при Н2O/Н2≤1) в породах Луны составляет 0,01—0,1%, т. е. гораздо меньше, чем на Земле, а по данным «Аполлона-11» — в среднем 0,55%.
Для Земли кларки H следующие (г/т): литосфера 900, пиролитовый слой 780, кристаллический фундамент 1400, осадочный слой 1400. По А.А. Ярошевскому, содержание в верхней части континентальной коры 1600 г/т.
По А.П. Виноградову, содержание H2O (%): гидро- и атмосфера 97,0; осадочные породы 5,0, изверженные 0,6, мантия 0,5. Континентальная кора содержит H 1,46%, континентальная осадочная оболочка 3,0%, то же океаническая 4,9%.
По А.И. Перельману, вернады H для литосферы 1, гидросферы 71, живого вещества 70, углей 20—33, горючих сланцев — 5, нефти 73.
В настоящее время, по мнению С.Р. Крайнова и В.М. Швец, наблюдается прогрессирующее увеличение содержания свободного H2 в подземных водах верхних горизонтов земной коры. Фоновое содержание его оценивается примерно в n*10в-5 мл/л на контакте с атмосферой и n—100n мл/л на более глубоких горизонтах. Чаще всего высокие концентрации отмечаются в районах с повышенным содержанием органического вещества (угольные, газовые районы), а также в промышленных районах (до 20 мл/л).
Основным естественным источником H является деятельность микроорганизмов. Главное значение имеют анаэробные микроорганизмы. Максимальное количество H2 (от 15 до 54%) выделяется при взаимодействии их с глюкозой. Выделяется H2 и при анаэробном микробиологическом окислении сульфидной серы и т. д.
В космических лучах (к. л.), по И.Н. Толпыгину с соавторами, главное значение имеет 1H — протий, количество которого по сравнению с 8O, принятым за 1, составляет в солнечных к. л. 4600, в галактических к. л. 685; на третьем месте после 8O идет 6C (соответственно 0,5 и 1,8), затем 7N (~0,2 и 0,8), 12Mg (~0,18 и 0,32), l0Ne (~0,16 и 0,30), 14Si (0,13 и 0,12), 26Fe (~0,15 и 0,14), а также 3Li (? и 0,3), 5Be (0,02 и 0,8) и т. д.
Водороду придается все большая роль в общей эволюции Земли. Основываясь на работах В.Н. Ларина, предложившего и обосновавшего «гидридную модель Земли», можно считать, что H был одним из главных виновников «глобальных катастроф». Он считается главным «флюидом» в самый ранний, докислородный период (≥4 млрд лет) и мог явиться разрушителем озонового слоя по реакции Н2 + О3 → Н2О + О2 в более поздние эры.
По Ф.А. Летникову, история H глубинного земного происхождения также менялась. От AR1 к AR2 и PR в общем происходило увеличение доли H в НnСm-флюидах и повышение степени окисленности флюидов. Для астеносферного слоя наибольшие количества Н-флюида типичны для рифейских и более молодых плит. Противопоставляются С- и Н-флюидные системы. Последние характеризуются высокой активностью H2O и широким развитием водосодержащих минералов — амфиболов, слюд и т. д. Эти структуры контролируют размещение зон гранитизации, амфиболитизации, ослюденения и других метасоматитов и обладают рассеянным характером рудной минерализации.
Характер дегазации H претерпел изменения в истории Земли. От AR к Ph все более локализовывалась, а следовательно, увеличивалась мощность флюидных потоков при одновременном увеличении их протяженности. Количество поступающего H прямо зависит от геотектонической активности Земли; оно максимально при раскрытии рифтогенных зон или при столкновениях с крупными космическими телами. Одновременно с нарушением озонового слоя и проникновением в биосферу Земли мощного потока космической радиации существенное влияние на жизненные условия на Земле могла оказывать вода, которая формировалась при водородной «продувке» озонового слоя и количество которой за миллионы лет было весьма значительным. По некоторым оценкам по этому механизму за 1 млн лет образовывалось количество воды, способное поднять уровень мирового океана примерно на 20 м. На этапах интенсивной дегазации H2 происходил резкий разогрев внутренних частей Земли, сменяющийся охлаждением в связи с расширением дегазированной сферы ядра. Возможно, что это, наряду с внешними причинами, влияло на глобальные изменения биосферной температуры, имеющие многоуровневый цикличный характер.
Все больше появляется косвенных данных, свидетельствующих о максимальной обогащенности водородом ядра Земли. Впервые на такую возможность обратил внимание В.И. Вернадский, позднее это было обосновано с геолого-геохимических и петрографо-металлогенических позиций.
Большое значение придается водородным флюидам для развития геотектонических и металлогенических процессов.
Основные глобальные природные объемы H2O, годовой баланс и активность водообмена показаны, по данным М.И. Львовича, в табл. 9. Важно, что величина годового баланса максимальна для H2O атмосферы, как и активность водообмена (9 дней). Имеется несколько рангов циклов (круговоротов) H2O, сбалансированных в природе: океан — речной сток, суша — атмосфера и т. д.
Атом водорода

Большое значение океанической Н2О для рудообразования выявляется в процессе рециклинга и выщелачивания рудных компонентов из базитов океанического дна, а также придается флюидному перераспределению рудного вещества в рудообразовании. Ho главное значение для геоэкологии имеют быстрое истощение запасов чистых питьевых и вообще пресных вод и огромные масштабы потребления вод для техногенных целей. Если недавно было справедливым выражение «Вода — это жизнь», то теперь надо добавлять — и источник экологической опасности.