Разумова Е.Р. КСЕ

41

Раздел Ш. Науки о Земле.

Тема 10. Геологическое строение Земли. Геохронологическая шкала. Геосферные земные оболочки. Ресурсы планеты.

Все науки о Земле имеют корень«гео», что по-гречески означает Земля. Наша планета имеет радиус6,3 тыс. км, плотность 5,5 г/см³, скорость ее вращения вокруг Солнца – 30 км/сек.

География изучает поверхность Земли(ландшафт), ее водную (гидросфера) и газовую (атмосфера) оболочки.

Геология (общая) изучает твердую оболочку Земли(литосфера) и ее строение. Прикладная геология занята поисками полезных ископаемых – основных ресурсов Земли.

Геологическое строение Земли

Как уже было сказано, твердая оболочка Земли называется литосферой (или земной корой). Рассмотрим разрез земной коры. Протяженность литосферы (в глубину) составляет 10–80 км. Ее верхний слой толщиной всего несколько метров называетсяпочвой, и этот тончайший слой кормит все человечество, домашний скот и диких животных. Учение о почвах создал XIXв веке русский ученый

В.В.Докучаев, учитель другого выдающегося русского ученог В.И. Вернадского (о нем будет сказано далее). Согласно учению Докучаева, почва состоит из4-х компонентов: гумуса (перегноя, содержащего останки живых организмов, живших на Землесотни и тысячи лет назад), осадочных пород, воды и воздуха. Чем больше в почве гумуса, тем она плодороднее.

Следующий слой – осадочные породы. Главным образом это глины, песчаники и известняки. Глины и песчаники в основном состоят из диоксида кремния и по существу различаются только размером частиц: глины имеют тонкодисперсную(порошкообразную) структуру, тогда как песчаники состоят из довольно крупных частиц. Известняки (а это также мел и мрамор) содержат главным образом карбонат кальция и имеют биогенное происхождение, т.е. это останки живых организмов,

живших на Земле миллионы лет назад.

42

Разумеется, это грубая классификация осадочных пород, геологи в зависимости от процентного содержания разных компонен выделяют до 20 их типов.

Далее вглубь следуют магматические породы, из которых состояла

первозданная Земля до	появления	гидросферы и	биосферы. Это
граниты, базальты и туфы. На этом литосфера кончается.
Дальше простирается	горячая полужидкая оболочка Земли–
мантия, состоящая в основном из		расплавленных	магматических

пород. Иногда она дает знать о своем существовании при извержениях вулканов, когда потоки раскаленной магмы стекают вниз по склонам, уничтожая все живое на своем пути и напоминая человечеству о том, что, несмотря на свое кажущееся всемогущество, люди еще очень беззащитны перед стихией. Толщину мантии оценивают примерно в 2900 км, а ее температуру – около 2000 К.

Наконец, в центре Земли находится ядро, состоящее в основном из железа, обуславливающего магнитное поле Земли, с изрядной примесью серы (недаром извержения вулканов сопровождаются

обильными	выбросами	сернистого	газа– диоксида	серы).	Про
состояние	ядра и его	температуру	известно довольно	мало, и	здесь

мнения ученых расходятся: одни считают земное ядро холодным и твердым, другие – горячим и расплавленным. В начале ХХ века ирландский ученый .ДДжоли предположил, что земные недра

разогреваются	за	счет	, теплаиспускаемого		радиоактивными
элементами при	их	распаде. В	1909 году	русский ученый		В. .И
Вернадский основал геохимию– науку об истории атомов Земли, их
физико-химической эволюции и распределении в земных недрах.
	Геохронологическая шкала
Геохронологическая		шкала	связана с	геологической		историей

нашей планеты и отдельными ее этапами(эрами). Согласно данным о периодах полураспада радиоактивных химических элементов возраст Земли оценивается примерно4, 5 млрд. лет (это начало архейской эры). Она длилась примерно 1,9 млрд. лет. Итак, последовательность геологических эр выглядит следующим образом:

·4,5 -2,6 млрд. лет назад - архейская эра;

·2,6 млрд. лет – 600 млн. лет – протерозойская эра (ранняя жизнь);

43

·600 млн. лет – 200 млн. лет – палеозойская эра (древняя жизнь);

·200 млн. лет – 70 млн. лет – мезозойская эра (средняя жизнь);

· от 70 млн. лет назад – кайнозойская эра (современная жизнь).

Вархее в течение первого миллиарда лет шла химическая эволюция: образовывались тяжелые химические элементы и благодаря вращению Земли проникали все глубже и глубже в земную кору, легкие же оставались вблизи поверхности. Далее в архее произошло важнейшее событие в геологической истории Земли: 3,5 млрд. лет назад в водной среде зародилась органическая жизнь(об этом будет подробно рассказано в биологическом блоке). Поэтому в названиях всех последующих геологических эпох присутствует корень«зой», что погречески означает «жизнь».

Впротерозое жизнь продолжает развиваться в воде, происходит разделение на растительный и животный миры. Растения существуют

ввиде водорослей, животные представлены разнообразными беспозвоночными. Благодаря жизнедеятельности растений сначала в

воде, а	затем и в		атмосфере начинает скапливатьсясвободный
кислород (реакция фотосинтеза).
В палеозое жизнь		выходит на сушу– сначала растения, среди
которых	преобладали		споровые -	гигантские	древовидные
папоротники высотой			до70 м, затем	животные, представленные

разнообразными земноводными (их современные потомки – лягушки, тритоны, жабы). При последующем вымирании и захоронении всех

этих	организмов (в	основном	древовидных	папоротнико)
образовались месторождения угля.

Вмезозойскую геологическую эру среди растений преобладали

голосеменные (хвойные), а		животные		были	представлен
разнообразными рептилиями (пресмыкающимися): на					суше	это
динозавры, причем среди них появляются зверозубые, т.е. хищные; в
воде это ихтиозавры, в воздухе – птеродактили и				археоптериксы–
промежуточная	форма	между	летающими		рептилиям

современными птицами.

Некоторые геологи и астрономы выдвинули гипотезу о том, что в

конце	мезозоя –	начале кайнозоя Земля претерпела гигантскую
катастрофу: произошло			ее столкновение с каким-то космическим
телом (вероятно, астероидом). Удар был столь сильным, что земная ось,
которая	была	до	этого перпендикулярна	плоскости эклипт

44

(вращения), наклонилась, началась смена времен года, которая до того момента отсутствовала, климат Земли резко похолодал, а полюса

покрылись	ледяными		шапками. Многие			огромные		рептилии
мезозойской	эры	вымерли– они		были		хладнокровными, т.е.
температура их тела зависела от внешней							температуры. После
вымирания	и	захоронения		организмы			мезозоя	в	резул
воздействия	высоких температур			и	давлений		дали	органическо
вещество, из	которого		образовалась		нефть		и	природный:

большинство месторождений этих полезных ископаемых приурочено к мезозойским отложениям.

Кайнозойская геологическая эра началась примерно70 млн. лет назад. Растительный и животный мир к этому времени приняли

современный	облик: среди	животных			стали	преоблад
млекопитающие, среди растений – покрытосеменные (цветковые).
Гипотеза тектоники литосферных плит и происхождения континентов
В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из
очертаний	континентов, что,	начиная	с	архейской		до	конц
мезозойской эры существовал единый массив суши, названный им
Пангеей (по-гречески – вся		земля); в	конце		мезозойской		и в
кайнозойскую эру Пангея, по-видимому, в результате описанной выше
космической катастрофы раскололась на две части: северный материк
Лавразию и	южный– Гондвану. Далее,		уже	в	кайнозойскую		эру

Гондвана разделилась на Африку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду, а Лавразия – на Евразию и Северную Америку. Примерно 40 млн лет назад Индостан, который тогда был не полуостровом, а островом, столкнулся с Евразийским материком, в результате чего появились Тибет и Гималаи– самые молодые горы на Земле. Так возникла гипотеза тектоники литосферных ,плитплавающих в мантии, на которых расположены континенты. Веским аргументом в пользу этой гипотезы стало экспериментально обнаруженное в конце 50-х годов ХХ века расширение дна . океановЭту гипотезу подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете.

Ныне гипотеза дрейфа континентов, ставшая уже теорией, является общепризнанной в геологии.

45

Водная оболочка Земли (гидросфера)

Гидросфера образовалась, когда температура над поверхностью твердой земной оболочки упала ниже100 градусов по Цельсию, и на Землю полились горячие ливни из сконденсировавшихся паров воды, которых было немало в первозданной атмосфере Земли.

Гидросфера состоит из Мирового океана (в нем находится 97% всех земных запасов воды) и пресноводных источников(всего 3%), куда входят поверхностные воды суши (реки, озера, ручьи, болота), ледники и подземные воды. Средняя глубина Мирового океана составляет около 3-х км, самая глубокая впадина – Марианская – около 12 км.

Исследованию Мирового океана посвятил свою долгую жизнь выдающийся французский ученый, изобретатель акваланга Ж.И. Кусто.

Уже в конце ХХ века на Земле ощущался дефицит пресной воды, необходимой человечеству для жизни и хозяйственной деятельности; с течением времени этот дефицит будет только возрастать. Примеры различных проектов решения вопроса о пресной , водеатакже.

Экологические проблемы Мирового океана будут рассмотрены в блоке «биология».

Газовая оболочка Земли (атмосфера)

Ближайшая к поверхности Земли часть атмосферы называется

тропосферой	и простирается до	высот9–17 км. Ее	часто	называют
«фабрикой	погоды», и состоит	она в основном	из	азота(79%) и

кислорода (20%); на все остальные газы(углекислый газ, пары воды, инертные газы) приходится 1%. Такой состав газовая оболочка Земли имела не всегда: предполагают, что в архее в атмосфере первозданной Земли имелись кроме азота метан, аммиак, водород и много паров воды. Важно подчеркнуть, что свободного кислорода не было, т.е. среда была восстановительной, именно в ней и зародилась жизнь.

В середине ХХ века американские ученые . СМиллер и Г. Юри

осуществили	великолепный		эксперимент: они			взяли	смесь
перечисленных газов и пропустили через нее искровые электрические
разряды (грозы	на	первозданной		Земле	были	весьма	част
явлением). В числе продуктов этой				реакции .	СМиллер	Г. Юри

46

обнаружили аминокислоты, основные составные части белков. К результатам этого опыта мы еще вернемся в блоке «биология».

Выше тропосферы находится стратосфера(примерно до 50 км), газовый состав ее тот же, но газы сильно разрежены. В стратосфере находится озоновый слой(экран) Земли. Молекула озона является модификацией химического элемента кислорода и состоит не из двух, как молекула кислорода, а из трех атомов, этот газ очень неустойчив и при обычных условиях быстро превращается в кислород.

Толщина озонового слоя – не более километра, но он, в отличие от

кислорода,	поглощает		жесткое	ультрафиолетовое			излучени,
предохраняя	от	его губительного		воздействия		живые	организм
Земли.
Выше	стратосферы		расположена		ионосфера, состоящая		из
заряженных	под	действием	солнечного	излучения		частиц, а далее –
зона рассеивания (800–1000 км над					поверхностью Земли). За
пределами	ионосферы		начинается		околоземное		космич
пространство.

Таким образом, наша планета имеет три геосферные оболочки:

·литосферу;

·атмосферу;

·гидросферу.

ВХХ веке была установлена подвижность континентов, которые плавают в мантии. Это открытие сыграло не только познавательную, но практическую роль: в местах тектонических разломов есть вероятность обнаружить полезные ископаемые.

Ресурсы – это тела и силы природы, необходимые человеку для жизни и хозяйственной деятельности. Они подразделяются на практически неисчерпаемые (солнечная энергия, термальное тепло, энергия ветра, приливов и отливов) и исчерпаемые, которые в свою очередь делятся наневозобновляемые (руды металлов, благородные металлы, горючие полезные ископаемые– уголь, нефть, газ – и строительные материалы) и возобновляемые (растительный и животный мир, человек, вода и воздух).

Прикладная	геология	в	основном	занята
невозобновляемых	ресурсов, без	которых	невозможно	развитие
экономики.

47

Контрольные вопросы:

1.Что такое литосфера, какова ее экологическая роль?

2.Что такое Гондвана?

3.Каково геологическое строение Земного шара?

Литература: [1, 2, 23].

РАЗДЕЛ IV. ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Тема 11. Общие понятия. Химическая связь и химический элемент. Неорганическая, органическая и элементоорганическая химия.

Полимеры.

Химия – наука о веществах, из которых состоят физические тела, об их свойствах и превращениях друг в друга. Перед химией стоят две основные задачи – создание веществ с необходимыми свойствами и выявление способов управления этими свойствами.

Решение этих двух задач зависит от трёх основных факторов, влияющих на свойства получаемых веществ:

1.Состава вещества (элементный, молекулярный).

2.Структуры молекул.

3.Термодинамических и кинетических (определения и пояснения этих понятий см. далее) условий протекания химических реакций, в процессе которых эти вещества получаются.

Всоответствии с перечисленными факторами и развивалис химические знания о веществах. Вначале (примерно с XVII века) выяснили, что свойства вещества зависят от его состава(Р. Бойль). Затем, уже в XIX веке, поняли, что свойства веществ зависят не только

от их состава, но и от структуры, т.е. последовательности соединения атомов в молекуле. Особенно важным это оказалось для органических веществ, т.е. соединений углерода с водородом, кислородом, азотом, серой и фосфором. Структурную теорию органической химии создал в

Х1Х веке выдающийся русский ученыйАлександр Михайлович Бутлеров.

Следующим этапом было изучение химических процессов влияющих на них факторов. Наконец, в ХХ веке начался новый этап развития химии как науки: появилась эволюционная химия,

48

основанная на том, что в процессе химической реакции образуется ее катализатор, что приводит к самоорганизации химических систем(о процессе катализа см. далее). С понятием самоорганизации систем мы уже встречались (там, где речь шла о синергетике).

Химическая связь

Чем определяется реакционная способность веществ? Прежде всего, тем, каким образом атомы связываются друг с другом, образуя молекулы. Ранее, когда мы говорили об электромагнитном поле, уже было сказано, что химические связи атомов в молекулах– это одна из разновидностей электромагнитного . поляХимические связи образуются при перекрывании внешних(валентных) электронных орбиталей взаимодействующих атомов(орбитали – это траектории движения электронов вокруг ядра – см. раздел о микромире).

Различают несколько типов химических связей.

Ковалентные связи осуществляются, когда внешние электроны двух атомов образуют общую электронную пару. Если это одинаковые атомы неметаллов, то электронная пара в равной мере принадлежит обоим ядрам и никуда не смещена, центры положительных и

отрицательных		зарядов		совпадают. Этот	тип	связи	называется
неполярной ковалентной, и осуществляется она в двухатомных газах,
например,	в	молекулах		кислорода, водорода, азота, хлора.			Таких
соединений сравнительно немного.
Если	молекула		состоит разныхиз		атомов	неметаллов, то

образующаяся общая электронная пара смещается в сторону атома с большим зарядом ядра, центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают(эта конфигурация называется диполем– два

полюса).		Такая	связь	называетсяковалентной		полярной и
осуществляется в молекуле воды, некоторых неорганических кислотах
и	в	большинстве		органических	соединений. Это		самый
распространенный тип химической связи.
	Если	химическая	связь	образуется между атомамиметалла и
неметалла, то, как			правило, валентные		электроны	с	внешних
орбиталей атомов металла полностью переходят к атому неметалла,
образуя		положительно (катионы) и			отрицательно (анионы)

заряженные частицы. Связь между такими частицами называется

ионной. Она осуществляется в	большинстве , солейоксидов и
оснований, т.е. главным образом	в неорганических соединениях,

49

например, в хлориде натрия(поваренная соль), фториде кальция,

необходимом для укрепления зубной эмали.

Наконец, в чистых металлах за счет валентных электронов, легко

отрывающихся от своих атомов, осуществляется металлическая связь,

обуславливающая

электро-

и

теплопроводность,

а

также

и

другие

свойства металлов.

Химический элемент. Неорганическая химия

Весьма важным в химии является понятие химического элемента –

это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра(разумеется, это

определение

ХХ

века, всю

предысторию

становления

понятия

«химический элемент» мы опускаем).

В настоящее время известно108 химических элементов, причем

природа создала 92 (последним является уран), а остальные получены

методом искусственной радиоактивности(см. тему о микромире). Во

второй

половине XIX

века,

когда

проблемой

систематизации

химических

элементов

занялся

великий

русский

ученый.

Д

Менделеев, их было всего65. До него все аналогичные попытки не

имели

успеха.

Д.

И.

Менделеев

взял

за

основу

не

какие-либо

физические или химические свойства элементов, а их атомную массу

(по Менделееву –

атомный

вес)

–

свойство, которым

обладали

все

химические элементы, разложил карточки с символами и свойствами

элементов

в

порядке

возрастания

атомной

массы

и

по

периодическую зависимость свойств элементов от атомной массы.

Колоссальное значение для утверждения периодического закона

имел тот факт, что внутренняя логика построенной Менделеевым

периодической

таблицы

требовала

резервирования

трех

пусты

клеток, в которых, по его убеждению, должны были находиться еще не

открытые

к

тому

времени

химические

элеме. Менделеевты

предсказал величину их атомной массы и свойства. Открытые еще при

его жизни скандий, галлий и германий имели предсказанные

Менделеевым	свойства.	Это	было	несомненным	триумфо
периодического	закона. Его	современная		формулировка звучит	так:

свойства химических элементов и их соединений		находятся
периодической зависимости от заряда ядра, равного	порядковому
номеру химического элемента.
Этот закон является теоретической основой неорганической химии,
изучающей все химические элементы и их	соединения, кроме

50

соединений углерода, которыми занимается органическая химия. Открытый Д.И. Менделеевым закон природы имеет также общефилософское значение: он блестяще иллюстрирует закон диалектики Гегеля о переходе количества в качество.

Органическая и элементоорганическая химия. Полимеры

Бурное развитие органической химии началось после создания

русским химиком А.МБутлеровым ее теоретической основы–
структурной теории. Как установил Бутлеров, свойства органических
соединений зависят не только от их состава, который определяют всего
шесть химических элементов – С, Н, О, N, S, P., но и от структуры,
т.е.от последовательности связи атомов в молекулах. Бутлеров ввел
понятие изомеров – веществ с одинаковым составом и молекулярной
массой, но с разной структурой			и потому с	разными свойствами.
Именно	возможность	построения	из одних и тех же немн
элементов	большого	числа	изомерных	структур	об

существование огромного количества органических соединений(их более пяти миллионов, тогда как неорганических– около пятисот тысяч). Конец XIX – начало ХХ века – был периодом триумфального шествия органического синтеза; в эти годы были впервые получены анилиновые красители, взрывчатые органические вещества, многие лекарства.

ВХХ веке начала интенсивно развиваться и другая област

органической		химии –		химия	полимеров. Полимеры		–	это
длинноцепочечные структуры, состоящие из повторяющихся звеньев,
причем	число	этих	звеньев может достигать нескольких десятков и
даже	сотен		тысяч. Такие		большие	молекулы		называ
макромолекулами.			К	полимерам		относятся	все	,пластм

синтетические каучуки, без которых было бы невозможно развитие автомобильной промышленности , инаконец, искусственные (на природной основе) и синтетические волокна.

ХХ век по праву можно назвать не только веком выхода в космос и освоения ядерной энергии, но также и веком полимеров. Были синтезированы десятки тысяч новых вещес, отсутствующих в природе, с полезными для человека свойствами. Оборотной стороной этих успехов полимерной химии явилось возникновение проблемы утилизации отходов производства и быта.