Шпаргалка по "Геологии"

их содержания, выполняют в живых  организмах функции инициаторов

и активаторов биохимических процессов. С этой точки зрения

микроэлементом можно считать Fe, входящие в состав каталазы, ци-

тохрома, Си — в полифенолоксидазе, Со — в витамине B[2 и т. п.

Высокая биохимическая активность микроэлементов обусловлена,

по Е. П. Троицкому, тем, что многие из них принадлежат к «d-семейст-

ву», т. е. входят в группу элементов  с незаполненной электронной  орбитой

3d. Обычный порядок заполнения  электронных орбит в атомах

определяется формулой:

1 s22s22p63s23p63d104s24p6...,

т. е. сначала заполняется устойчивая оболочка гелия — Is2, затем устойчивая

оболочка неона — ls22s22p6, наконец аргона, в атоме которого

завершается построение внешнего уровня Зр6. Далее вакантной является

орбита 3d, однако уже у калия  валентный электрон располагается

на орбите 4s2, у Са — два валентных электрона на орбите 4s2, тогда

оболочка 3d остается незаполненной. Затем  от Sc до Ni постепенно, хотя

и неравномерно, заполняется оболочка 3d. При переходе от № и

Си на оболочку 3d добавляется сразу 2 электрона (один из них как

бы берется с внешней орбиты 4s), и электронная конфигурация меди

описывается формулой 3d104sb, этим объясняется неустойчивость валентного

состояния меди. По Е. П. Троицкому, недостроенность  орбиты 3d

объясняет переменную валентность  элементов, их склонность к комп-

лексообразованию, к поляризации, что и обусловливает особую биохимическую

и физиологическую роль микроэлементов.

В зависимости от задач исследования возможны не только концентрационные,

но и другие группировки элементов. Геохимические

классификации характеризуют поведение  элементов в различных оболочках

Земли. Так, по классификации В. М. Гольдшмидта (1924) все

элементы разделяются на четыре группы: литофильные, халькофиль-

ные, сидерофильные и атмофильные. Литофильные элементы отлича-

ются сродством к кислороду  и в условиях биосферы образуют минера-

лы типа оксидов, гидроксидов, солей  кислородных кислот. К их числу

относятся Si, Ti, S, P, F, CI, Al, Se, Na, K, Ca, Mg и  др. (всего 54 элемента).

Халькофилы склонны давать соединения с серой, это Си, Zn,

Pb, Cd, Ag, Mn, Fe и др. Сидерофильные элементы  растворяются в железных

расплавах и даютсплавы с железом, к их числу относятся Fe, Ni,

Со, Р, С, Pt, Au, Sn, Mo и др. И наконец, группу атмофилов составляют

элементы земной атмосферы (Н, N, С, О, Не, Ne, Аг, Кг, Хе, С1,

Вг, I). В особую группу В. М. Гольдшмидт выделил биофильные элементы,

т. е. элементы, концентрирующиеся  в живых организмах. К био-

фильным элементам, по Гольдшмидту, относятся  главным образом С,

Н, О, N, P, S, C1, I ив меньшей мере В, Ca, Mg, К, Na, V, Mn, Fe,

Си. Классификация В. М. Гольдшмидта  характеризует поведение элементов

преимущественно в жидких растворах  и распределение элементов

между твердой и жидкой фазами, но она мало полезна для решения

почвенных задач.

Для почвоведения больший интерес  представляет классификация

элементов по особенностям и путям  их миграции в ландшафтах. Такая

классификация была разработана А. И. Перельманом, и в ней все  элементы

делятся на две большие группы: воздушные мигранты и водные

мигранты. Воздушные мигранты представлены пассивными элементами

(инертные газы Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn) и активными, т. е. способными

к образованию химических соединений в условиях биосферы (О,

Н, С, N, I).

Водные мигранты, по А. И. Перельману, разделяются на несколько

подгрупп, различающихся по подвижности  элементов в природной

обстановке, причем принимается во внимание влияние на подвижность

окислительных и восстановительных  условий, присутствие сероводорода.

К подвижным и очень подвижным  относятся CI, Br, S, Ca, Na, Mg, Sr,

Ra, F, В. Слабоподвижные катионы  и анионы образуют К, Ва, Rb, Li,

Be, Cs, Tl, Si, P, Ge, Sn, Sb, As. В восстановительной  глеевой среде

подвижны Fe, Mn, Co. Подвижны и слабоподвижны  в окислительной и

глеевой обстановке и инертны в  восстановительной сероводородной

среде такие элементы, как Zn, Си, Ni, Pb, Cd. Малоподвижны в большинстве

природных обстановок такие элементы, как Al, Ti, Cr, Bi, W,

лантаноиды. Эти примеры ясно обрисовывают принцип построения

классификации, которая позволяет  в общей форме прогнозировать поведение

элементов в биосфере в целом  и в почвенном профиле в  частности.

Однако для конкретного анализа  химических процессов в почвах

эта классификация, направленная на решение  геологических и геохимических

проблем, недостаточна.

По степени биофильности А. И. Перельман располагает химические

элементы в следующий ряд: максимальная биофильность — С, высокая

— N, Н, средняя — О, CI, S, Р, В, Вг и  др., низкая — Fe,

AI. Группировка элементов по  степени биофильности необходима  для

выявления роли живых организмов в  миграции химических элементов,

но принципы оценки биофильности еще  недостаточно разработаны. Способность

растений избирательно поглощать  химические элементы называют

коэффициентом биологического поглощения и вычисляют его

как отношение содержания данного  элемента в золе растения к его

содержанию в литосфере или  в той почве, на которой произрастает

данное растение. Условность коэффициента биологического накопления

для оценки биогенной миграции элементов  вытекает из неодинаковой

доступности растениям химических элементов, представленных в почве

различными соединениями. Например, увеличение содержания кварца

в почве может резко снизить  общую концентрацию многих элементов,

участвующих в питании растений, и повысить вследствие этого расчетную

величину коэффициента биологического накопления, хотя реальное

потребление элементов растениями может и не измениться.

Это говорит о том, что почвенно-химические и почвенно-генетичес-

кие группировки элементов еще  должны изучаться и разрабатываться,

равно как и показатели миграционной способности элементов в пределах

почвенного профиля.

Оценивая роль отдельных элементов  в почвообразовании в ряде случаев

удобно выделять группу элементов, играющих конституционную

роль, т. е. тех элементов, которые входят в структуру решетки минералов

или молекулы тех компонентов, из которых  реально складывается

масса почвы. В первую очередь это  такие элементы, как Si, A1, О,

составляющие основу почвенных  силикатов и алюмосиликатов, С, Н,

N, О — важнейшие компоненты  органического вещества. Упоминавшиеся

выше микроэлементы при их важнейших  физиологических функциях

заметной конституционной роли в почвах не играют.

Специального внимания заслуживает  группа педоморфных элементов,

которые существенно влияют на строение почв.

17.Способы выражения элементного состава почвы

Наиболее распространен простейший и традиционный способ вычисления

результатов анализа валового элементного  состава почвы в

процентах (весовых) высших окислов  элементов, входящих в состав

почвы. Этот способ употребляют главным  образом для макроэлементов.

При полном валовом анализе почвы  учитывают следующие окислы:

Si02) А1203, Fe203) ТЮ2, Na20, MnO, CaO, MgO, S03, P205, K20.

Единственное достоинство этого  способа заключается в возможности

быстрой проверки правильности выполненного анализа. В первом приближении

можно считать, что в пересчете  на прокаленную навеску почвы

сумма высших окислов должна быть близка к 100%; допустимые отклонения

не должны превышать 1—1,5%. Такая  проверка несколько условна,

поскольку не во всех почвах и не всегда валентное состояние

элементов отвечает их высшим окислам  и не все элементы в почвах

представлены кислородными соединениями. В разных степенях окис-

ленности в почвах могут быть из перечисленных выше макроэлементов

Fe, Mn, S. В восстановленных почвах  некоторые элементы могут

быть представлены сульфидами. Если, например, результаты анализа

пирита FeS2 выразить в окислах, то сумма окислов составит более

200%. Однако для большинства почв  проверка правильности анализа

элементного состава по сумме окислов  оказывается вполне приемлемой.

Вместе с тем выражение результатов  в окислах и в весовых процентах

имеет существенные недостатки. Прежде всего, эта условная

форма записи не соответствует реально  присутствующим в почвах соединениям.

Только Si, Ti, Fe и А1 частично находятся  в почвах в форме

перечисленных окислов различной  степени окристаллизованности.

Остальные оксиды не могут существовать в почве в свободном

состоянии.

Окисная форма искажает представление  о соотношении количеств

различных элементов в составе  почвы, поскольку весовая и мольная  доля

кислорода в составе окислов  различных элементов неодинакова.

Например, доля S в составе S03 составляет только 40% от массы

окисла, тогда как доля К в  составе КгО равна 83%. Если, например,

найдено, что в почве содержится 1,5% К2О и 0,3% S03, то по таким

данным содержание КгО в почве  в 5 раз больше, чем S03; в пересчете

на элементы содержание К оказывается  равным 1,25%, a S — 0,12%,

т. е. количество калия в 10 раз превышает  количество серы. Следовательно,

содержание окислов не дает правильного  представления о накоплении

в почве химических элементов и  их соотношении.

Правильному восприятию элементного  состава почвы мешает и

выражение результатов анализов в  весовых процентах, даже если состав

представлен в элементах, а не в  окислах. В химических реакциях и

процессах участвуют атомы, ионы и  молекулы, конечный результат зависит

от числа вступивших в реакцию  молекул или от числа атомов,

перенесенных из одного почвенного горизонта в другой. Иными словами,

итог процесса, его интенсивность  должны быть выражены числом

частиц вещества, а не его массой.

Сравним поведение алюминия и железа в черноземе. В пахотном

горизонте типичного чернозема (Курская  обл.) содержится 9,2% АЬ03

и 3,7% Fe203. В пересчете на элементы это составит 4,9% A1 и 2,6% Fe.

Но атомные массы этих элементов  резко различны и равны 26,98 и 55,85

для А1 и Fe соответственно. Следовательно, в 100 г почвы содержится

0,18 моля А1 и 0,047 моля Fe. Если  по массе содержание А1 в  1,9 раза

превышает содержание Fe, то по числу  атомов — в 3,8 раза. Количественные

соотношения между содержанием  отдельных элементов широко

используются почвоведами для  решения многих генетических вопросов

и разобранные примеры показывают, что решение задачи может

зависеть от выбранного способа  выражения результатов анализов.

В практике почвоведения нередки и  такие случаи, когда выводы о

преобладании того или иного  элемента могут быть изменены на противоположные

при правильном выборе способа выражения  результатов

анализа. Рассмотрим пример с дерново-подзолистой  почвой, в гор. А2

которой содержится 0,95% СаО и 0,75% MgO или в пересчете на Са

и Mg — 0,68 и 0,45% соответственно. Сравнение  этих величин показывает

преобладание Са над Mg. Однако число  молей Са в 100 г почвы

оказывается меньше, чем число молей  магния — 0,017 и 0,019 соответственно.

Поэтому при исследованиях химического  строения почвенных компонентов,

их трансформации, закономерностей  миграции и аккумуляции

элементов результаты определения  элементного состава следует

выражать в молях на определенную массу (кг) и (или) объем почвы.

Согласно Международной системе  единиц измерений (СИ), моль —

это количество простого или сложного вещества, содержащее такое количество

структурных элементов (атомов, молекул, ионов или электронов),

которое равно числу атомов в 12 г изотопа углерода 12С, а

именно 6,022-1023 (число Авогадро). Чтобы найти число молей элемен-

та в 1 кг почвы, надо его процентное содержание в почве разделить  на

атомную массу (AM) и умножить на десять:

Допустимо также пользоваться мольными долями или мольными

процентами. Мольная доля — это  число молей данного элемента (компонента)

отнесенное к общему числу молей  всех элементов (компонентов),

составляющих почву. Мольная доля может изменяться от нуля до

единицы. Мольный процент — то же, что и мольная доля, но выраженная

в процентах; изменяется от нуля до 100%.

В табл. 5 приведен элементный состав дерново-подзолистой почвы,

выраженный различными способами. Сумма окислов, как видно из таблицы,

составляет от 89 до 97%. Недостающее  до 100% количество приходится

на MnO, P2O5, S03 и на органические вещества. Наименьшая

«умма — 89,35% — найдена для верхнего гор. AiA2, в котором содер-жится  наибольшее количество органического  вещества. По весовому со-

держанию окислы располагаются  в следующий убывающий ряд:

Si02>Al203>Fe203>K20>MgO) CaO, Na20.

При пересчете на элементы этот ряд  сохраняется, но соотношение

элементов меняется. Так, в гор. AiA2 отношение Si02/Al203 равно 8,4,

тогда как отношение Si/Al=7,4. Еще резче  это отношение выражено при

сопоставлении кремния и железа. В том же горизонте отношение

Si02/Fe203 = 28,4, a Si/Fe = 19,0.

Пересчетные коэффициенты отношений  зависят от атомных масс и

формулы оксида. Ниже приведены некоторые  массовые пересчетные коэффициенты.

Пересчетные коэффициенты неодинаковы  и это означает, что выводы о

накоплении, миграции элементов, их перераспределении  в почвенном

профиле будут различны в зависимости  от выбранной формы выражения