МІГРАЦІЯ ХІМІЧНИХ РЕЧОВИН

Фізико - хімічна міграція

Це переміщення та перерозподіл хімічних елементів в земній корі і на її поверхні. Інтенсивність та напрямок міграції хімічних елементів залежить від внутрішніх та зовнішніх факторів.

Розглядаючи більш детально внутрішні фактори фізико - хімічної міграції хімічних елементів необхідно говорити про електростатичні властивості іонів.

Електростатичні властивості іонів - це група факторів, яка враховується тільки при міграції хімічних елементів у вигляді іонів. Іонна міграція характерна для водних розчинів, магматичних розплавів, газових сумішей, живої речовини. Показниками електростатичних властивостей іонів є:

• іонний потенціал Картледжа;

• енергетичний коефіцієнт іонів.

Іонний потенціал Картледжа розраховується по формулі:

ПК= W/10R

де ПК -потенціал Картледжа, W - валентність хімічного елемента, R - радіус іона, нм.

За показником Картледжа хімічні елементи поділяються на три групи:

1. ПК <3 .Хімічні елементи легко переходять в природні води твердої фази у вигляді іонів і не утворює комплексних сполук, це: K, Na, Co, Li, Rb, Cs, Ba.

2. 3<ПК<12. Хімічні елементи утворюють важкодоступні гідролізовані сполуки, це: Fe, Al, Zn, V,Cr та інші.

3. ПК>12. Хімічні елементи поєднуються з киснем, утворюючи комплексні розчинні сполуки, це:B, C, N, P, S.

Енергетичний коефіцієнт іонів розраховується за формулою:

ЕКкатіон=W2/20 R∙{0.75∙(10R+0.2)}

EKаніон= W2/20 R

Форма, в якій знаходиться хімічний елемент, а відповідно і його властивості, теж відносяться до внутрішніх факторів міграції.

Розглядаючи зовнішні фактори міграції хімічних елементів, виділяють наступні показники:

• температурний режим - з ростом температури росте інтенсивність міграційних властивосте хімічних елементів;

• тиск - при вивченні міграції хімічних елементів в умовах гідротермальних, магматичних, метаморфічних процесів тиск обов’язково враховується. А в біосфері не враховується, так як значно не змінюється;

• кислотно - основні умови середовища - концентрація іонів водню Н⁺ сильно впливає на водну міграцію хімічних елементів в зоні гіпергенезу. Цей фактор контролює осад із розчинів багатьох сполук, коагуляцію колоїдів, впливає на надходження елементів в рослини, а також на рухливість багатьох металів.

• окисно - відновлювальні умови - активно впливають на міграцію хімічних елементів. Найважливіші окислювачі це: кисень, залізо, марганець, сірка, водень.

В без кисневих умовах (глееве середовище) збільшується міграційна здатність катіоногенних хімічних елементів і зменшується у аніоногенних елементів, прискорюється розклад алюмосилікатів. У відновлювальному, сірководневому, середовищі,Н₂S вступає в реакції з багатьма неметалами, які потім випадають із розчину в осад. Основна роль у водній міграції належить колоїдам. Міграція в колоїдній формі характерна для гумінових сполук Si, Al, Fe, Mn, Zn, Sn, Ti, V, Cr, Ni.

Механічна міграція (механогенез )

Механічна міграція утворюється в результаті роботи річок та їх водних потоків, під дією вітру, льодовиків, вулканів, тектонічних сил та інших факторів. Характерним явищем механогенезу є подрібнення гірських порід і мінералів, яке приводить до збільшення дисперсності, розчинення, розвитку сорбції.

Механічна міграція залежить від твердості та податливості мінералів до вивітрювання (гіпергенезу). Тверді мінерали (алмаз, циркон) добре зберігаються в осадах тому, що при механічному переносі погано стираються. Здатність мінералів не піддаватися стирання називається абразивною міцністю. Абразивна міцність залежить від хімічної стійкості мінералу. Орлов А. С. приводить приклад абразивної міцності деяких мінералів, в порядку зростання міцності, від малої до найбільшої міцності:

• золото; кіновар; вольфраміт; піроксен; лімоніт; колумбіт; платина; епідот;

• рогова обманка;дистен; апатит; монацит; ставроліт; андолузіт; залізний блиск;

• пірит; ільменіт; магнетит; касетеріт; хром - шпінельди; циркон; турмалін; іридій;

• топаз; шпінель; корунд; алмаз.

Показником механічної міграції (Рм ) є річна витрата завислих речовин у створі річки, втонах з квадратного кілометра площі річкового басейну :

Рм=(G*Sст*V*N)/F, (т/км2)

де G - концентрація завислих речовин, в кг/м³, S_ст - площа створу (живого перерізу) в м², V - швидкість води у створі, в м/сек., T = 31,5 *10⁶ секунд (за рік), F - площа річкового басейну (водозбору), км².

Механічна міграція хімічних елементів залежить від клімату, геологічної будови місцевості, ландшафту. Механічна міграція найбільша в арідних горах, близько 1000 т/км², а найменша в гумібних лісистих рівнинах. Про співвідношення між механічною та хімічною міграціями можна судити по відношенню середньорічної мінералізації природної води до її середньорічної мутності. В історії деяких хімічних елементів механічна міграція головна, це для Si, Ni, Zn, Hf, але мала для Co, Mg, Cl, Na.Еолові процеси в механічній міграції головні. Переміщення речовини (пісок, глина ) в атмосфері може бути трьох видів: стратосферні(на висотах понад 15 - 60 км), тропосферні (на висотах 8 - 12 км), локальні ( міграція на десятки та сотні кілометрів). Механічна міграція на схилах гір утворена дефлюкційними процесами (сповзання в’язкої або пластичної маси), соліфлюкційні процеси (сповзання сильно зволоженої маси на мерзлій основі), кріп (переміщення при сумісній дії сили тяжіння та інших факторів).

Біогенна міграція

Утворення живої речовини і розклад органічних речовин утворюють єдиний біологічний колообіг атомів, який в біосфері протікає всюди, хоча в різних формах та з різною інтенсивністю. В ландшафті і верхніх горизонтах моря в процесі фотосинтезу утворюється жива речовина, тут же відбувається його мінералізація. Частина органічних речовин мінералізується не повністю і відкладається у мулах. Закон біологічного кругообігу – один з основних законів геохімії, згідно з яким у біосфері в процесі біологічного колообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, яку віддають в навколишнє середовище, залишаючи жива речовина. Головними носіями енергії є природні води.

Не мінералізовані залишки органічного речовини перетворюються в осадові породи, у тому числі поклади торфу, вугілля та інших горючих копалин. Загальна їх маса у багато разів більше маси живої речовини, а головне кількість органічного вуглецю укладена у вигляді невеликих домішок гумусових і вуглистих речовин, крапель бітумів і т. д. Головні перетворення органічні залишки зазнають в ґрунтах і мулах в період енергійної роботи мікроорганізмів. Надалі відбувається більш повільне їх зміна під впливом підземних вод і термокаталитиченим шляхом при прогибі осадових товщ і зростанні температури або в результаті радіолізу.

Геохімічне своєрідність біокосних систем визначається поєднанням біогенної, фізико-хімічної і механічної міграцій. В біокосних системах літосфери відбувається взаємодія гірських порід з природними водами в близьких термодинамічних умовах. Це визначає деякі загальні особливості фізико-хімічної міграції, яка складається з двох протилежних процесів: вивітрювання та цементації. Міграція елементів при вивітрюванні, в свою чергу, складається з протилежних процесів: вилуговування з порід та мінералів водних і приєднання повітряних елементів. Для цементації найбільш характерні акумуляція водних мігрантів на геохімічних бар'єрах, зменшення пористості і збільшення об'ємної маси порід. Вивітрювання і цементація – різні сторони єдиного процесу міграції: перший породжує другий.

В геохімічному середовищі постійно утворюються умови надлишку або недостачі хімічного елемента для нормального розвитку живого організму. В.В.Ковальський встановив зв’язок між вмістом хімічних елементів в ґрунті та рослинами. Виділено три діапазони вмісту хімічних елементів в ґрунті:

- діапазон малого вмісту хімічного елемента;

- діапазон перехідного вмісту хімічного елемента;

- діапазон великого вмісту хімічного елемента.

Перший діапазон відображає залежність між вмістом хімічного елемента в ґрунті та в рослині при його малому вмісті. Рослина, при цьому, поглинає всю кількість доступних для неї форм цього елемента.

Другий діапазон відображає залежність вмісту хімічного елемента в рослині при зростанні вмісту хімічного елемента в ґрунті. Геохімічне середовище являється, в цьому випадку, лімітуючим фактором хімічного елемента в рослині.

В третьому діапазоні хімічний склад рослин визначається біологічними особливостями виду та фізіологічною роллю цього елемента. Геохімічне середовище при цьому не імітує хімічний елемент і тому в рослині спрацьовує механізм регуляції поглинання елемента.

В. В. Ковальський розділив рослини по типу поглинання хімічних елементів (металів) на два види:

1) безбар’єрні рослини. У безбар’єрних рослин вміст хімічних елементів росте пропорційно вмісту хімічних елементів у середовищі (у ґрунті).

2) бар’єрні рослини. У бар’єрних рослин існує поріг концентрації хімічного елемента, вище якого рослина перестає поглинати елемент, незалежно від росту його вмісту в середовищі (у ґрунті). Бар’єрні види рослин діляться на: низькобар’єрні, середньобар’єрні, високобар’єрні.

Порогові концентрації мають верхню та нижню межу. За межами порогової концентрації у рослин з’являються фізіологічні та морфологічні зміни. Безбар’єрні організми не мають механізму регуляції, тому вони можуть існувати в середовищі, яке утримує деяку кількість хімічних елементів.

А. Айвазян дав таке визначення: «Властивість виду рослин накопичувати деяку кількість хімічних елементів, яка виражається в сумарних кларках концентрації називається біогеохімічною активністю виду».

Окремі органи живих організмів накопичують хімічні елементи в різних кількостях та в різних видах.Це явище пояснюється тим, що хімічні елементи являються носіями різних фізіологічних функцій. Такі елементи, як Mg, Mn, C, O, H, Fe, Cu беруть участь у фотосинтезі. А такі елементи, як C, O, H, N, Mn, Cu, Zn беруть участь у вуглеводневому обміні та утворенні органічних кислот ферментів. А каталізаторами біохімічних реакцій є Fe, Mn, Mo, Cu, Zn.

Д. А. Сабінін розділив всі рослини на дві групи поклавши в основу розподілу залежність від того, по яким органам рослин розподіляються хімічні елементи.

Перша група рослин називається - базипетальними рослинами. Базипетальні рослини розподіляють хімічні елементи з найбільшим вмістом в листовому апараті і менше в коренях, пагонках та гілках.

Друга група рослин називається - акропетальними рослинами. Акропетальні рослини найбільше накопичують хімічних елементів в корінні і менше всього в листках, пагонках та гілках.

Дерева та кущі відносяться до базипетальних рослин (в діапазоні малих концентрацій хімічних елементів). Але при великому вмісту хімічних елементів в них проявляються акропетальні характеристики. Причина цих змін не вивчена. Можливо це функція самих хімічних елементів виконувати певну фізіологічну роль. Можливо має значення швидкість руху хімічних елементів в середині рослин. Добре переміщуються азот, фосфор, сірка. Погана рухливість у важких металів та лужно – земельних іонів, особливо кальцію, який накопичується в листях рослин. Рухливі хімічні елементи накопичуються в молодому листі рослин

Інтенсивність міграції

Інтенсивність міграції хімічиих елементів - це швидкість переходу в рухомий стан одного граму речовини даного елементу. А. С. Орлов пропонує формулу інтенсивності міграції у такому вигляді:

РХ=(1/ВХ)∙(dB/dt)

де Рх - інтенсивність міграції, Вх - число атомів хімічного елемента, які перейшли в рухомий стан, dBdt -число атомів хімічного елемента, які перейшли в рухомий стан за час.

Величина Вх залежить від кларка концентрації хімічного елемента. Елементи з меншим Кк мігрують інтенсивніше.

В. М. Гольдшмідт запропонував класифікацію міграційних властивостей хімічних елементів по їх рухливості:

1) Літофільні хімічні елементи - ці елементи схожі своїми міграційними властивостями з киснем. В умовах біосфери вони утворюють мінерали, оксиди, гідрооксиди, солі кислот. До них відносяться54 елемента, головними з них є: Si, Ti, S, P, F, Cl, Al Na, K, Ca, Mg.

2) Халькофільні хімічні елементи схильні утворювати сполуки з сіркою: Cu, Pb, Zn, Cd, Ag, Mn, Fe та інші.

3) Сідерфільні хімічні елементи мають властивість розчинятися в залізних розплавах та давати сполуки і сплави із залізом, це: Fe, Ni, Co, P, C, Pt.

4) Атмофіли - це хімічні елементи, які входять до складу земної атмосфери: C, H, N, O, He, Ar, Cl та інші.

Хімічний склад ґрунтових розчинів та концентрація в них хімічних елементів залежить від: валентності хімічного елементу; атомної маси хімічного елемента; іонного радіуса хімічного елемента. Чим менші значення цих показників, тим краще розчинність хімічного елемента. При однаковій валентності, краще розчиняються елементи з меншою атомною масою, меншим іонним радіусом.

Хімічний елемент, який знаходиться в недостатній кількості для нормального розвитку рослини, називається дефіцитним. До дефіцитних хімічних елементів належать: O, N, P, K, F, B, J, Cu та інші мікроелементи.

В природі буває так, що в більшості випадків:

- загальний вміст хімічних елементів достатній;

- рухомих форм хімічних елементів мало.

Це явище пояснюється впливом зовнішніх факторів геохімічного середовища: його кислотністю або лужністю; величиною окисно – відновлювального потенціалу; наявністю інших хімічних елементів.

Надлишок хімічних елементів в геохімічному середовищі також затримує розвиток рослин. Надлишковими хімічними елементами називаються хімічні елементи, видалення яких із середовища збільшує продуктивність живої речовини. До надлишкових хімічних елементів можна віднести: Cl, S, Na, Cu, Ni, Fe, Al та інші. Один і той же хімічний елемент може бути і дефіцитним і надлишковим в різних умовах.