География и геология/6. Природопользование и экологический мониторинг

Канд.техн.наук Полєвич О.В.¹, канд. хім. наук Бочаров В.О.², Шперер О.В.¹

¹Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

²Національний науковий центр «Харківський Фізико-Технічний інститут»

Міграція елементів у природному середовищі, деякі її види і фактори. Частина 1.

Певний рівень вмісту ВМ та характер їх розподілу в ґрунтовому покритті у значній мірі визначаються процесами міграції та акумуляції [1 - 3].

Здібність елемента до міграції визначається формою його знаходження у земній корі: гірські породи і мінерали, жива речовина, магма, розсіяна форма. Різноманітність міграції елементу характеризує число його мінералів, генетичних типів рудних родовищ та ін..

Геохімічна міграція у різних середовищах розрізняється в залежності від ступеню тріщинуватості:

· в безперервному пористому середовищі міграція відбувається з однаковою швидкістю між частинками породи;

· у дискретному пористому середовищі (ґрунт, глина) розміри пор усередині частинки відрізняються від розмірів пор між частинками і, отож, швидкості міграції в різних частинах породи є різними;

· у дискретному середовищі взаємодія з розчинами відбувається лише на поверхні частинок середовища.

Фактори та форми міграції.

Характер та форма міграції ВМ визначаються як внутрішніми, так і зовнішніми факторами. Внутрішні фактори – це фактори, які зв’язані тільки з властивостями атомів елементів та їх сполук. До їх числа відносяться:

· іонна маса та іонний радіус;

· хімічні властивості (ступінь реакційної здібності атомів та сполук);

· властивості зв’язку, що включають фізичні концентрації речовини;

· енергетичні та кристалізаційно-хімічні властивості речовини;

· гравітаційний фактор, зв’язаний з атомною масою;

· радіоактивні характеристики атомів елементів.

Зовнішні фактори – це умови, в яких відбувається міграція елементів – температура, вологість, величина рН, величина іонного потенціалу, наявність органічної речовини, мінеральні супутники [4, 5]. Вони не залежать від індивідуальних властивостей мігруючої речовини і включають до себе:

· космічну міграцію, що включає до себе гравітаційну, променеву, теплову енергію, тиск та електричні поля;

· фактори міграції у розплавах, включаючи умови гравітаційної рівноваги та дифузії;

· фактори міграції у водних розчинах, включаючи умови міграції як при високих температурах, так і при низьких;

· фактори міграції у газових сумішах та надкритичних розчинах;

· фактори механічної міграції;

· фактори міграції у колоїдальному та монокристалічному середовищі;

· фактори міграції у твердих тілах;

· фактори біохімічної та промислової міграції;

· інші фізико-хімічні фактори.

Дана класифікація охоплює основні види міграції елементів на Землі і є теоретичною базою для комплексу геохімічних досліджень.

З урахуванням приведених факторів зовнішнього впливу середовища та загальних внутрішніх міграційних властивостей речовини можна визначити наступні головні типи міграції:

· механічна міграція;

· фізико-хімічна міграція;

· міграція газів;

· біогенна міграція;

· техногенна міграція.

Найбільш цікаві дослідження геохімічних бар’єрів, що утворюються в ґрунті, розглянуто окремо.

Фізико-хімічна міграція.

Найпростіша форма фізико-хімічної міграції – дифузія – це процес самовільного та незворотного перенесення речовини з однієї частини системи до іншої, що виникає внаслідок теплового руху частинок. Дифузія протікає як у індивідуальній речовині, так і в сумішах та при будь-якому агрегатному стані.

Дифузія у ґрунті та гірських породах звичайно супроводжується взаємодією речовини з середовищем. З-за хаотичного руху частинок дифузія переносить їх з одного місцерозташування до іншого. У системі, що складається з 2-х та більше речовин, утворюються дифузійні потоки, які прагнуть вирівняти концентрації та прийти до термодинамічної рівноваги.

Дифузія у ґрунті протікає у більш складних обставинах. Ґрунти містять пори різних розмірів та форми, являють собою гетерогенні системи, що вміщають розчини та гази. У природі речовини звичайно дифундують крізь серію пластів з різними коефіцієнтами дифузії. При цьому на процес дифузії можуть впливати поруватість середовища, його структура, вологість та шаруватість.

Суміжний дифузії процес – конвекція – це міграція масових потоків газу або рідини, переміщення частинок здійснюється разом з розчинником. Конвекція у пористому середовищі зветься фільтрацією, яка протікає значно швидше, ніж дифузія і особливо характерна для верхньої частини земної кори – зони активного водообміну.

Інша форма фізико-хімічної міграції – сорбція. При цьому процесі відбувається поглинення газів або рідин твердими або рідкими речовинами з оточуючого простору поверхнею (адсорбція) або усім об’ємом (абсорбція) тіла. Речовини, що поглинають, звуться адсорбентами (абсорбентами), а речовини, що поглинаються – адсорбатами (абсорбатами).

Адсорбція відбувається на межі розділу фаз внаслідок дії на частинки сили притягання більшої, ніж діючих рівномірно з усіх боків сил притягання частинок одна до одної. Адсорбція відбувається тим інтенсивніше, чим більша площина розділу фаз та розвинена поверхня тіла.

Адсорбція, в свою чергу, підрозділяється на фізичну, коли відбувається зайняття адсорбатом поверхні адсорбента, і хімічну, коли адсорбент і адсорбат вступають між собою у хімічну реакцію.

Розвитку фізичної адсорбції обов’язково перешкоджає десорбція – процес, зворотній адсорбції, - з-за прагнення до теплової рівноваги, і при цьому в одиницю часу утворюється однакова кількість адсорбованих та десорбованих частинок.

При поміщенні адсорбента у розчин електроліту відбувається самовільний іонний обмін між адсорбентом та розчином, який може відбуватися як з іонами на поверхні, так і з іонами у об’ємі в результаті дисоціації молекул адсорбента. Іонний обмін звичайно супроводжується побічним процесом проникнення розчинника та розчиненої речовини у пори ґрунту.

Хімічна адсорбція протікає з утворенням зв’язків, що визначається структурою адсорбента. Існує хімічна адсорбція газів на металах, вугіллі, оксидах металів, при гетерогенному каталізі.

Фізична адсорбція при зростанні температури здібна перетворюватися у хімічну. При хімічній адсорбції виділяється значна кількість теплової енергії.

Гетерогенні процеси розвиваються, коли реагуючі речовини знаходяться у різних фазах, отже реакція можлива тільки на межі їх розділу. У зв’язку з цим з’являються ускладнюючі фактори, зв’язані з транспортуванням речовин в зону реакції. В природі гетерогенні реакції відбуваються головним чином між мігруючими речовинами та вміщуючою породою. Будь-які гетерогенні реакції включають наступні стадії свого протікання:

· підведення речовини до поверхні породи;

· акт хімічної взаємодії;

· відведення речовин, що утворюються в результаті реакції у об’ємі розчину.

Швидкість гетерогенного процесу на різних стадіях може істотно відрізнятися.

Ізоморфізм.

Ізоморфізм – це здібність хімічних елементів, атомів, іонів, блоків кристалічної решітки, заміщати один одного в різних мінералах, при цьому вирішальну роль відіграють розміри іонів і атомів. Ізоморфні заміщення можливі, коли радіуси іонів та атомів розрізнюються не більш ніж на 15% від розміру найменшого з радіусів. Для ізоморфізму, окрім близькості іонних та атомних радіусів, необхідними є хімічна індиферентність та схожість природи міжатомного зв’язку. Іон меншого розміру легше заміщує іон більшого розміру, іони з більш високим зарядом кращим чином заміщують іони з більш низьким зарядом, тому що цей процес супроводжується виділенням більшої кількості енергії і підвищує енергію решітки.

Література:

1. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М.: Высшая школа. 1988.

2. Глазовская М.А. Технобиогемы – исходные физико-географические объекты ландшафтно-геохимического прогноза // Вестник МГУ. Сер. географ. 6. 1972. С. 30-36.

3. Глазовская М.А. Биогеохимическая организованность экологического пространства в природных и антропогенных ландшафтах как критерий их устойчивости // Изв. РАН. Сер. географ. 1992. 5. С. 5-12.

4. Богдановский Г.А. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ, 1994.

5. Козда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985.