Реферат: Химия Земли

Двуокись кислорода

CO2

0,03

Неон

Ne

0,0018

Гелий

He

0,00052

Криптон

Kr

0,0001

Водород

H2

0,00005

Ксенон

Xe

0,000008

Таблица 1: Состав образца сухого воздуха.

Используя газовые законы, можно вычислить относительные концентрации компонентов сухого воздуха. Предположим, что в какой-то день атмосферное давление равно 750 мм рт. ст. и что после высушивания образца такого воздуха давление становится равным 738 мм рт. ст. В этом случае парциальное давление паров воды равно 750 мм рт. ст. - 738 мм рт. ст.= 12 мм рт. ст. Парциальное давление изменяется прямо пропорционально числу молекул, поэтому мы находим, что доля молекул воды в этом образце воздуха равна 12 мм рт. ст./750 мм рт. ст.= 0.016. В этом довольно влажном воздухе 1.6% всех молекул составляют молекулы воды.

На более тяжелые молекулы действует большая сила притяжения, чем на легкие молекулы. Следовательно, наблюдается тенденция к седиментации, т. е. осаждению, молекул с высоким молекулярным весом по отношению к молекулам газа с низким молекулярным весом. Такая тенденция противоположна склонности к максимальной неупорядоченности, вследствие которой атмосферные газы хорошо перемешиваются. В результате наблюдается незначительное изменение состава воздуха с высотой. Сухой воздух на уровне моря содержит около 78% молекул азота 21% молекул кислорода, но на высоте 20 км образец сухого воздуха содержит 80% молекул азота и только 19% молекул кислорода.

Помимо влияния сил притяжения, состав воздуха изменяется из-за химических реакций, инициируемых светом. Эти реакции вызываются поглощением ультрафиолетового излучения в верхних слоях атмосферы. Например, кислород, поглощая ультрафиолетовое излучение, приобретает энергию, превышающую энергию связи. При этом происходит разрыв связи и образуются два атома кислорода:

O2(r) + hv = 2O(r) (1)

Образующиеся атомы кислорода очень реакционноспосбны. Эти атомы могут присоединяться к другой молекуле кислорода О2, образуя молекулу озона О3:

O(r) + O2 (r) = O3(r) (2)

Озон - очень реакционноспособная форма кислорода, хотя и не в такой степени, как атомы кислорода. В атмосфере он образуется только на больших высотах, так как ультрафиолетовое излучение той частоты, которая необходима для реакции (1), настолько полно в верхних слоях, что до нижних слоёв. Исследования показали, что концентрация озона на уровне моря незначительна и что она достигает максимума на высоте 24 км.

Эти небольшие количества озона, находящегося на высоте 24 км над поверхностью Земли, поглощает ультрафиолетовое излучение почти всех частот, которое не поглощается кислородом О2. Таким образом, О2 и О3 делают атмосферу непрозрачной для большей части ультрафиолетовой области спектра. Вполне вероятно, что химия жизни на нашей планете развивалась совершенно иначе, если бы это ультрафиолетовое излучение достигало поверхности Земли. Если бы атмосфера была «прозрачной», для фотосинтеза были бы более доступны фотоны гораздо более высокой энергии.

Для волн, соответствующих противоположному, инфракрасному концу спектра, атмосфера также по существу непрозрачна. Это объясняется главным образом поглощением инфракрасного излучения парами воды и газообразной двуокисью углерода. Таким образом, мы видим, что воздух, который обычно считают прозрачным, фильтрует солнечные лучи, попадающие на Землю. Фотоны очень высокой энергии (в ультрафиолетовой области) и очень низкой энергии (в инфракрасной области) задерживаются, а фотоны средней энергии (промежуточная область спектра) пропускаются.

Вода, которая соприкасается с воздухом, растворяет часть воздуха. Кислород растворяется в воде гораздо лучше, чем азот, но, поскольку азота в воздухе в 4 раза больше, чем кислорода, количество растворённого азота в воде превышает количество растворённого кислорода. Элементарный кислород, растворённый в воде, используется живущими в воде организмами для процессов окисления. Концентрация растворённой двуокиси углерода низкая, так как содержание её в воздухе невелико. Но то количество двуокиси углерода, которое растворено в воде, необходимо для фотосинтеза, происходящего в морских растениях. Растворённая двуокись углерода придаёт воде приятный вкус. Кипячённая вода теряет почти всё количество растворённого в ней газа, поэтому она безвкусна.

Океанская вода также содержит растворённые молекулы газов из воздуха. Эти газы можно удалить кипячением, но другие растворённые вещества при этом остаются. Если перегнать 1кг океанской воды, то при этом будет собрано в среднем 967г воды, а в перегонной колбе останется 33г твердого вещества (в основном солей). Таким образом, мы можем сказать, что 3,3 вес % океанской воды составляют растворенные соли. В океанской воде обнаружено более 40 элементов, но половина из них присутствует в очень малой концентрации – меньше 1г на 1 млн. кг воды.