Дипломная работа на тему: Введение. Общая часть. Химические и физические свойства элементов

Введение

Химический состав звезд зависит от многих факторов, в том числе и от температуры. По мере повышения температуры состав частиц, существующих в атмосфере звезды, упрощается. Так, спектральный анализ звезд с температурой 10 000-50 000°С показывает в их атмосферах линии ионизированных водорода и гелия и ионы металлов. В атмосферах звезд с температурой 5000°С обнаруживаются уже радикалы, а в атмосферах звезд с температурой 3800°С - даже молекулы оксидов. Химический состав некоторых звезд с температурами 20 000-30 000°С приведен в табл. 1.[9, с. 112]

Таблица 1

алюминий геохимия природный определение

Исследование химического состава Солнца производится методами спектрального анализа. Это очень сложная работа, так как при условиях, существующих на Солнце, атомы элементов сильно ионизованы (так, атом железа теряет до 9 электронов).

Атмосфера Солнца находится в постоянном движении. Температуры фотосферы, хромосферы, солнечной короны резко различаются. Тем не менее химический состав Солнца установлен достаточно полно.

В атмосфере Солнца на один атом кислорода приходится: алюминия 0,0040 атома.[9, с. 114]

По распространению в земной коре он занимает третье место среди всех элементов и первое место среди металлов. Каменные метеориты содержат в среднем около 1,56% алюминия.[17, с. 209] Природный алюминий состоит из одного стабильного изотопа 27А1. Некоторые данные по изотопным аномалиям магния в каменных метеоритах свидетельствуют о наличии радиоактивного изотопа 26А1 на ранних этапах развития Солнечной системы, вполне возможно его вхождение в очень небольших количествах в состав ранней Земли.

Во всех естественных процессах алюминий проявляет себя как трехвалентный элемент, образующий прочные связи с кислородом. В условиях биосферы Земли алюминий чрезвычайно редко порывает связи с кислородом, образуя в некоторых пегматитах редкий минерал криолит 3NaFAlF3. Наиболее часто алюминий образует с кислородом комплексный анион [Аl4]5, причем алюминий находится в четверной координации, образуя алюмокислородные тетраэдры, близкие по размерам к кремнекислородным тетраэдрам [SiO4]4. С этим связано главным образом парагенетическое взаимоотношение алюминия с кремнием в земной коре и широкое распространение алюмосиликатов.

Алюминий можно отнести к распространенным элементам Космоса, хотя как элемент нечетный он уступает своим соседям по таблице Менделеева магнию и кремнию примерно на один порядок, среди магматических пород Земли и Луны алюминий наиболее типичен для средних и основных пород, где он находится главным образом как составной элемент плагиоклазов. Резко снижается концентрация алюминия в ультраосновных породах.[3, с. 127]

Содержание элементов в отдельных геосферах:

а) Литосфера

Содержание алюминия в литосфере составляет порядка 8%. В живом веществе его около 5*10-3%.

Геохимические свойства алюминия обусловлены характером строения электронной оболочки его атома, легко теряющего валентные электроны. Близость ионных радиусов А13+ и Si4+ определяет широкие вариации их изоморфных замещений в алюмосиликатах в условиях четверной координации. Как химически активный элемент алюминий формирует большое число минералов: насчитывается свыше 350 минеральных видов, в состав которых он входит в качестве главного компонента. Большая их часть относится к силикатам.

В магматических горных породах наиболее важными минералами алюминия выступают полевые шпаты, содержание которых повышено в основных породах. Чистый ортоклаз [KAlSi3O8], альбит [NaAlSi3O8] и анортит [CaAl2Si208] содержат соответственно 9,7; 10,3 и 19,4% алюминия. Второе место по распространению занимают такие алюминийсодержащие минералы, как фельдшпатоиды - нефелин NaAlSiO4 и лейцит KAlSiO4 (17 и 12,4% А1). К важным минералам алюминия относятся также слюды - мусковит (16% А1) и биотит (от 6 до 12% А1). Амфиболы в изверженных породах обычно не являются минералами алюминия, однако роговые обманки могут содержать его до 8%. Для нормальных пироксенов алюминий не характерен, но титановые авгиты могут содержать до 5,5% А1.

При кристаллизации магмы Аl входит в кристаллическую решётку полевых шпатов, слюд и других алюмосиликатов. [11, с. 387]

В процессе формирования пегматитов, богатых летучими компонентами, алюминий естественно входит в состав таких минералов, как гранат, сподумен, топаз, берилл и хризоберилл. На последних стадиях магматической деятельности при формировании пегматитов образуются минералы алюминия, не связанные с кремнеземом: амблигонит LiAl(PO4)F, криолит Na3AlF6, родицит KNaLi4Al4Be3Bi8O27. При действии сернистых паров на риолиты, трахиты и другие породы образуется алунит KAl3(SO4)2(ОН)6.

Минимальное содержание алюминия отмечается в дунитах и перидотитах, которые почти полностью потеряли алюминий в процессе выплавления его соединений из мантии. В то же время кимберлиты и пикриты, которые могут быть наиболее глубинными выплавками ультраосновной магмы, отличаются от всех ультраосновных горных пород максимальным накоплением алюминия. Среди изверженных пород максимальная концентрация алюминия отмечается в габбро-базальтах. Однако интрузивные породы отличаются от своих эффузивных аналогов более высокой дисперсией распределения алюминия. Содержание алюминия незначительно снижается при переходе от основных пород к средним. В то же время какого-либо различия в распределении алюминия в интрузивных и эффузивных средних породах в зависимости от геологического положения региона не наблюдается. Содержание алюминия довольно монотонно убывает от средних пород к кварцевым диоритам и гранодиоритам. Более резкое снижение наблюдается в гранитах и, особенно в кислых эффузивных породах. Таким образом, распределение алюминия в ряде магматических пород литосферы заключается в потере его ультраосновными породами в процессе выплавления алюминий содержащих расплавов из мантии, которое сменяется максимальным накоплением в основных породах. Далее в сторону кислых пород содержание алюминия снижается, достигая минимума в гранитах и кислых эффузивах, в которых отмечается максимальная концентрация кремния.

По экспериментальным данным Д. Грина и А. Рингвуда, формирование высокоглиноземистых базальтовых расплавов происходит в мантии на сравнительно небольшой глубине (примерно-30 км), в то время как относительно бедные алюминием толеитовые базальты формируются на больших глубинах (около 60 км). Эти авторы указывают также на возможность появления высоко-глиноземистых базальтов - их расплавов в результате дифференциации глубинной базальтовой магмы на промежуточных глубинах (20-30 км). В связи с этим можно полагать, что относительно обогащенная алюминием габбровая магма может быть продуктом выплавления из верхних горизонтов мантии на меньших глубинах, чем толеитовых и щелочных базальтовых расплавов.[17]

Геохимическое поведение алюминия в ряде случаев связано с изменением его ионного радиуса от соединений с четверной координацией к соединениям с шестерной координацией. Алюминий ведет себя по-разному в зависимости от структурного положения в кристаллической решетке минерала. Эффективный ионный радиус 0,57*106 см относится к структуре корунда А12О3, в котором А1 находится в шестерной координации. В шестерной координации в качестве катиона А13+ находится аналогично другим катионам в некоторых силикатах, как это наблюдается в лейците, нефелине и гранатах. Его соединения с кислородом или гидроксильной группой ОН являются основаниями. Они представлены диаспорой НА1О2, бемитом АlOОН, гидраргиллитом А1(ОН)3. В четверной координации атом алюминия находится в центре кислородных тетраэдров, что имеет место в алюмосиликатах типа полевых шпатов. В природе встречаются минералы, полиморфные модификации которых связаны со структурным положением алюминия. Так, в кианите Al2O(SiO4) алюминий находится в шестерной координации, а в силлиманите того же состава половина ионов А13+ находится в четверной координации, а другая половина - в шестерной. Четверная координация алюминия дает соединения, имеющие свойства алюмината алюминия, и образует ангидрит - комплекс алюмокислоты.

Алюминий в четверной координации встречается преимущественно в минералах, образующихся при высоких температурах, к шестерной координации - в минералах низкотемпературных. Однако имеют место и исключения из этого правила. Например, корунд, в структуре которого А1 находится в шестерной координации, образуется при высоких температурах, а аутогенные полевые шпаты в осадочных породах - при низких. В гранитах алюминий находится в шестерной координации, и поэтому может изоморфно замещаться ионами Fe3+ и Сг3+.

В процессе формирования щелочных пород относительная концентрация алюминия возрастает. Так, самое высокое значение отношения Аl/Si характерно для щелочных изверженных пород, большинство изверженных горных пород относится к плюмазитовому типу последовательности кристаллизации, для которого характерно отношение (Nа+К)<А1. При плюмазитовой последовательности сперва выделяется ортоклаз, а затем другие минералы. Крайний продукт плюмазитового процесса - плагиоклазово-корундовая порода - собственно плюмазит состоит из 75% олиго-клаза, 23% корунда и 2% второстепенных минералов. Очевидно, что плюмазит - порода, наиболее богатая алюминием. Породы этого типа редко образуются из гранитных пегматитов путем их десилификации.

Анализируя распределение алюминия в магматических горных породах, нетрудно видеть, что в отличие от кремния, накапливающегося в гранитном слое земной коры преимущественно совместно с кислородом, алюминий в максимальной степени концентрируется в пределах базальтового слоя. Главным минералом - носителем алюминия в этом слое выступает плагиоклаз - широко распространенный минерал пород амфиболитовой и гранулитовой фаций метаморфизма. А. А. Беус считает, что в энергетических особенностях основных плагиоклазов следует искать разгадку тенденций накопления алюминия в базальтовом слое земной коры.

В данном случае автором приводятся некоторые кристаллохимические соотношения, исходящие из того, что в анортитах часть алюминия входит в кремне-кислородный тетраэдр, замещая один ион кремния. В результате такого замещения в полевом шпате понижается общее содержание кислорода и уменьшается объем элементарной ячейки (около 3% на каждый ион кислорода). Следовательно, можно предположить, что накопление алюминия в базальтовом слое земной коры имеет вполне определенный энергетический смысл и должно рассматриваться в тесной связи с общим процессом установления термодинамического равновесия в кремне-кислородном каркасе верхних слоев земной коры. В нижних частях базальтового слоя вблизи границы с верхней мантией роль плагиоклаза как носителя алюминия должна переходить к омфациту и гранату эклогитов.

Среди осадочных пород, возникших в результате переработки материала магматических пород в биосфере, максимальная концентрация алюминия наблюдается в глинах. Среднее содержание алюминия в осадочной оболочке континентов оценивается в 6,3%. Содержание алюминия в минералах осадочного происхождения представлено в табл.2.

Во время выветривания горных пород в условиях умеренного гумидного климата при хорошем дренаже основные алюминийсодержащие минералы переходят в глинистые минералы. Переход этот совершается выносом кремнезема. При нормальных условиях химического выветривания полевые шпаты путем гидролиза распадаются на глинистые минералы и растворимое вещество. В некоторых условиях диагенеза реакция может быть обратимой и приводить к образованию аутигенного полевого шпата:

Таблица 2

Осадочные минералы алюминия

Минерал

Содержание, %

Аллофан

Каолинит

Галлуазит

Монтмориллонит

Вермикулит

Иллит

Глауконит

Хлорит

Гиббсит

Бемит

Глинистые минералы каолинит, монтмориллонит, иллит и хлорит представляют собой водные алюмосиликаты со слоистой структурой кристаллической решетки.

По данным полевых наблюдений, разложение полевых шпатов как главных минералов алюминия в условиях жаркого тропического гумидного климата представляет собой двухстадийный процесс. В первую стадию образуются глинистые минералы, подобные каолиниту, иллиту и галлуазиту, а во вторую - по мере дальнейшего выноса кремнезема образуются гиббсит А1(ОН)3, бемит и диаспор - основные минералы бокситов. Гидроксид алюминия является амфотерным, он сочетает свойства кислоты и основания.

Из-за своих амфотерных свойств А1(ОН)3 растворяется в водных растворах с крайними значениями концентрации водородных ионов при рН более 10 и менее 4. При рН от 4 до 10 окислы алюминия в гипергенных условиях растворяются очень незначительно, в то время как кремнезем при рН 8 растворяется в заметных количествах. С этим различием растворимости, по всей вероятности, связано разделение кремнезема и глинозема при химическом выветривании алюмосиликатов. Таким образом, значительное количество алюминия при химическом выветривании изверженных горных пород остается в новообразованных минералах и только незначительная часть переходит в раствор, поэтому в речных водах наблюдаются незначительные следы алюминия. В присутствии органических веществ растворимость природных соединений алюминия несколько повышается. Кислые почвенные растворы содержат заметные количества алюминия в связи с его выщелачиванием из верхних горизонтов и переносом в нижние. [3, с. 128-131]

Алюминий как правило не растворяется в процессах выветривания, однако становится растворимым при низких и высоких значениях рН. В простейшем случае различаются три формы Аl: растворимый Al3+, преобладающий в кислых условиях, нерастворимый гидроксид алюминия [Аl(ОН)3],преобладающий в нейтральных условиях, и Аl(ОН)-4, преобладающий в щелочных условиях.

Таким образом, растворимость Аl зависит от рН, он нерастворим в пределах значений рН 5-9, что включает большинство природных вод. Растворимость алюминия осложняется образованием частично диссоциированных форм Аl(ОН)3 и комплексов между Аl и органическим веществом. Понимание контроля за растворимостью Аl важно, поскольку его токсичность может вызвать гибель рыбы в подкисленных пресных водах.

Подкисление пресных вод происходит в том случае, если скорость замещения почвенных катионов водородом (Н+) превышает скорость поступления катионов в результате выветривания. Хотя алюминий растворим при высоких рН, щелочные воды не распространены, поскольку они адсорбируют из атмосферы кислые газы, например CO2 и SO3.[1, с. 195]

В условиях активного химического выветривания в зоне тропического гумидного климата кремнезем из силикатов усиленно удаляется. На месте выветривания остаются бокситы и латериты как сочетание устойчивых гидроокислов алюминия и железа. По У. Келлеру, минералы алюминия, которые слагают бокситы, могут возникать из любой алюминийсодержащей материнской породы изверженного, метаморфического или осадочного генезиса. Небольшая часть гидроокислов алюминия выносится в виде золя почвенными и грунтовыми водами в океан. Золь гидроокиси А1(ОН)3 имеет положительный заряд. В целом алюминий особенно интенсивно мигрирует в условиях кислых почв. В океан алюминий поступает главным образом в составе глинистых минералов и в виде коллоидных взвесей.

Распределение алюминия в составе глинистых осадочных пород разного возраста имеет определенную направленность. Так, работами А. Б. Ронова и А. А. Мигдисова была установлена четкая тенденция уменьшения содержания алюминия в глинистых осадках чехла древних платформ от протерозоя до кайнозоя. Это, вероятно, обусловлено весьма широким развитием основного вулканизма в докембрийских геосинклиналях и резким снижением интенсивности излияний основной магмы после консолидации платформ.

Геохимический круговорот алюминия охватывает зоны метаморфизма. При метаморфизме пелитовых гидролизованных пород алюминий входит в состав слюд. При региональном метаморфизме возникает гранит как алюминийсодержащий минерал наряду с минералами, более богатыми алюминием.

В процессе метаморфизма горных пород образуются такие богатые алюминием минералы, как кордиерит, андалузит, силлиманит, шпинель и корунд. При всех ступенях метаморфизма глинистых толщ формируются минералы, в составе которых алюминий является непременным компонентом.[3, с.131-132]

б) Гидросфера

Алюминия в гидросфере содержится мало.

В морской воде содержится 0,0000011% алюминия. [16, с. 246]

В океанической воде - 10-4 % алюминия.( по Виноградову)

в) Атмосфера

В атмосфере алюминия практически не встречается.

г) Биосфера

Почвы

Алюминий - один из главных компонентов земной коры, он присутствует в породах в количестве 0,45 -10%. В соединениях с кислородосодержащими лигандами алюминий образует единственный устойчивый и широко распространённый ион Al3+.

При выветривании минералов первичных пород образуется ряд гидроокисных соединений Аl различного заряда и состава - от Аl(ОН) 2+ до Аl(ОН)6 3-, и эти частицы затем становятся структурными компонентами глинистых минералов. В целом растворимость гидрооксидов Аl низка, особенно в интервале рН 5-8, причём растворимость понижается при старении твёрдых фаз. Свежеосаждённые гидроокисные формы Аl и коллоидные частицы способны к адсорбции анионов, а также флокуляции отрицательно заряженных частиц. Поэтому гидрооксиды Аl вносят важный вклад в разнообразные свойства почв.

В результате выветривания полевых шпатов на земной поверхности в ходе тысячелетий откладываются грандиозные скопления глин, состоящих на 15-20 % из алюминия.[18, с. 164]

Общее содержание Аl в почвах унаследовано от материнской породы, однако важную роль в плодородии почв играет та фракция Аl, которая обладает лёгкой подвижностью и способностью к катионному обмену. В кислых почвах с рН ниже 5,5 подвижность Аl резко возрастает, и при ионном обмене он активно конкурирует с другими катионами. В нейтральных почвах растворы содержат Аl в количестве примерно 400 мкг/л, тогда как в почвенном растворе с рН 4,4 содержание Аl составляет 5700 мкг/л. Подвижный Аl в кислых почвах быстро поглощается растениями, что может вызвать у них химический стресс.[6, с. 316]

Растения

Алюминий - обычный компонент всех растений. По имеющимся сведениям его содержание в высших растениях составляет около 200 мг/кг сухой массы. Однако содержание этого элемента в растениях широко варьирует в зависимости от почвенных и растительных факторов. Некоторые виды накапливающих Аl растений могут содержать его более 0,1% (на сухую массу).

Физиологические функции Аl в растениях неясны, хотя и есть свидетельства того, что низкие уровни его содержания могут оказывать благоприятное действие на рост растений, особенно у толерантных к Аl видов. Вредоносность или токсичность Аl часто обнаруживается у растений, растущих на кислых почвах. По этому вопросу в последнее время опубликовано несколько обзорных работ, в которых подчёркивается, что высокая биологическая доступность Аl в кислых почвах - один из ограничивающих факторов урожайности большинства полевых культур. Действительно, пониженная урожайность сельскохозяйственных культур на кислых почвах чаще вызвана повышенной доступностью Аl, нежели высокой концентрацией Н+.

Виды растений и даже разные сорта одного вида существенно различаются по способности поглощать и переносить Аl, что отражается на толерантности растений к его избытку. У большинства растений симптомы отравления алюминием сначала проявляются на корнях. По-видимому, Аl концентрируется в корнях некоторых видов растений. Количество его, которое пассивно поглощается корнями и затем переносится в надземные части, отражает устойчивость растений к Аl, при этом способность накапливать Аl в корнях не обязательно ассоциируется с толерантностью к нему.

Многие констатируют, что физиологические механизмы токсичности Аl остаются дискуссионными, однако известно, что они связаны главным образом с замедлением поглощения и переноса питательных веществ и с нарушением соотношений катионов и анионов. Избыток Аl в растениях, вероятно, служит также помехой делению клеток и нарушает свойства протоплазмы и клеточных стенок. Известно, что Аl образует органические комплексы и поэтому осаждает нуклеиновые кислоты.

Сложный характер токсичности Аl для растений отражается на взаимодействиях, проявляемых им в ходе поглощения растением таких компонентов питания, как Р, Са, Мg, К, и N. В целом при избытке Аl поглощение катионов растением снижается. Токсичное действие Аl часто связано также с повышенным уровнем содержания Fе, Мn и, вероятно, других тяжёлых металлов, которые доступны для растений на кислых почвах. Однако известно и о проявлении в некоторых растениях вызванного Аl хлороза, возникающего вследствие нарушения метаболизма Fе. Предполагается, что такой тип токсичности должен был бы сопровождаться низким уровнем содержания Са и Мg как в почвах, так и в растениях.

Взаимодействие Аl с Р связано с образованием в почвах плохо растворимых фосфатов Аl, с другими сопряжёнными реакциями адсорбции или осаждения Аl и Р, а также с отрицательным воздействием Аl на метаболизм Р, главным образом в тканях корней. Поэтому отравление алюминием часто проявляется как дефицит Р. В свою очередь фосфор - эффективное средство для снижения токсичного действия избытка алюминия.

Известно, что избыток Аl в растениях вызывает дефицит Са или ослабляет его перенос. Содержание Мg в растениях также сильно снижается, что может оказаться самым важным откликом на Аl у чувствительных к этому элементу растений. Внесение и Са, и Мg в почву сильно снижает токсичное действие Аl. Толерантность растений к Аl, вероятно, связана с толерантностью к NH4, поскольку процесс нитрификации в кислых почвах сильно заторможен. Известно, что механизмы толерантности к Аl у растений контролируются генетическими признаками, поэтому селекция растений, обладающих генетической способностью к адаптации, может дать решение проблемы стресса, вызываемого алюминием у культур, выращиваемых на кислых почвах.[6, с. 318-325]

Алюминий в организме

Аl входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10-3 до 10-5% Аl (на сырое вещество). Аl накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание Аl колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (жёлтая репа), в продуктах животного происхождения - от 4 мг (мёд) до 72 мг на 1кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание Аl достигает 35-40 мг. Известны организмы - концентраторы Аl, например плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% Аl., моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2-0,8% Аl. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, Аl нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике). [2, с. 73-77]

Оглавление

- Химические и физические свойства элементов

- Распространённость элементов в природе

- Миграция элемента в природных системах

- Историческая геохимия элемента

- Элемент в природно-техногенных системах. Специальная часть

- Геохимия элемента в экосистемах Вологодской области

- Методы определения элемента

- Методы удаления из питьевых вод. Заключение. Список использованных источников