План: Геохимическая классификация элементов. Биологическая роль химических элементов и их соединений и их участие в процессах происходящих в организмах
| Вид материала | Лекция |
- Урок в 9 классе по теме «Бериллий, магний и щелочноземельные металлы.», 43.76kb.
- Кластерная система химических элементов Хорошавин Лев Борисович Докт техн наук Реферат, 748.35kb.
- Характеристика химических элементов малых периодов по их положению в периодической, 97.2kb.
- План лекции: Разделение химических элементов по количественному содержанию. Вода,, 130.01kb.
- Задачи изучения дисциплины, 16.34kb.
- Химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых, 461.43kb.
- Химических элементов Д. И. Менделеева, 32.78kb.
- Урока «периодический закон и периодическая система химических элементов д. И. Менделеева», 105.86kb.
- Закон Д. И. Менделеева и периодическая система элементов, 563.34kb.
- Реферат Этимология названий химических элементов Периодической системы химических элементов, 704.79kb.
ЛЕКЦИЯ:
ГЕОХИМИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТЕ
ПЛАН:
1. Геохимическая классификация элементов.
2. Биологическая роль химических элементов и их соединений и их участие в процессах происходящих в организмах
Геохимическая классификация элементов
Классификация в любой науке обобщает и отражает современные взгляды и свидетельствует о развитии данного научного направления.
Цель классификации объектов - суммирование знаний на определенном этапе развития науки, выявления взаимосвязей между объектами, отражение эволюции и на основе этого объединение изучаемых объектов по определенным критериям в таксоны.
В основе любой геохимической классификации элементов лежит периодическая система Д.И. Менделеева. Положение элемента в таблице указывает на его геохимические свойства, т.е. способность мигрировать, рассеиваться или концентрироваться в определенных условиях.
В настоящее время в геохимии известны классификации элементов В.М. Гольдшмидта, А.Е. Ферсмана, В.И.Вернадского, А.Н. Заварицкого, а в геохимии ландшафта А.И. Перельмана.
Классификация В.А. Гольдшмидта
По способности создавать определенные химические соединения в природе и концентрироваться в среде, все элементы разделены на 5 групп.
1. Литофильные (литофиллы) - отличаются сродством к кислороду и в условиях биосферы образуют минералы, представленные оксидами, гидроокисями, солями кислородных кислот. Образуют кислородные соединения, их ионы имеют 8 электронную оболочку. К ним относятся 54 элемента, и в первую очередь, это кремний, титан, сера, фосфор, фтор, хлор, алюминий, натрий, калий, кальций, магний.
2. Халькофильные (халькофиллы) - для них характерно взаимодействие с серой и ее аналогами - селеном, теллуром. Внешняя оболочка имеет 18 электронную конфигурацию. Это - цинк, свинец, медь, кадмий, серебро, железо и другие. Природные соединения представлены сульфидами.
3. Сидерофильные (сидерофиллы) - растворяются в железных расплавах и дают соединения и сплавы с железом. Это - железо, никель, кобальт, углерод, фосфор, платина, молибден, золото, олово. Они представлены атомами, которые образуют переходные ионы с внешней оболочкой 9-17 электронной конфигурацией.
4. Атмофильные (атмофиллы) - элементы, входящие в земную атмосферу, их атомы имеют электронную конфигурацию инертных газов (2 и 8 электронную) - водород, азот, углерод, кислород, гелий, аргон, хлор и др.
5. Биофильные (биофиллы) - концентрируются в живых организмах с образованием различных соединений - углерод, кислород, азот, сера, калий, магний, железо, медь и др.
Конечно, в классификации Гольдшмидта было много условного, наблюдаются взаимопроникновения (повторы). Например, Железо обладает литофильными, халькофильными и биофильными свойствами. Т.е. некоторые элементы сочетают в себе свойства разных выделенных групп. Классификация Гольдшмидта характеризует поведение элементов преимущественно в жидких фазах (растворах), а также распределение элементов между твердыми и жидкими фазами.
Классификация В.И.Вернадского.
В ее основе лежит история поведения химического элемента в земной коре. В соответствии с этим все элементы разделены Вернадским на 6 групп:
1. Благородные газы:
ксенон, неон, аргон, криптон, ксенон;
2. Благородные металлы:
рубидий, родий, палладий, осмий, иридий, платина;
3. Циклические элементы:
водород, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, натрий и др.
(всего 44);
4. Рассеянные:
литий, скандий, бром, иттрий, иод;
5. Сильно радиоактивные:
полоний, уран, актиний, протактиний, радий;
6. Редкие земли:
лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, тербий и др.
Классификация Б.Б. Полынова.
Полынов вычислил условные единицы миграции элементов путем деления содержания компонента в горной породе на его количество в омывающих породы водах. Это позволило ему объединить химические элементы по геохимической подвижности в группы, названные им рядами миграции (табл).
МИГРАЦИОННЫЕ РЯДЫ ЭЛЕМЕНТОВ В КОРЕ
ВЫВЕТРИВАНИЯ
| Ряд элементов | Состав ряда | Показатель порядка величины миграции |
| Энергично выносимые | Cl, Br, I. S | 2n * 10 |
| Легко выносимые | Ca, Na, K, Mg | n |
| Подвижные | Si (силикатов), P, Mn | n*10-1 |
| Инертные | F, Al, Ti | n*10-2 |
| Практически неподвиж- ные | Si (кварца) | n*10-3 |
Классификация Перельмана
Более подробная геохимическая классификация элементов по особенностям их миграции в ландшафтах была дана А.И. Перельманом. Она соответствует поведению химических элементов в условиях зоны гипергенеза. В основу классификации положены интенсивность, контрастность, виды миграции элементов в различных геохимических обстановках, а также их свойства и кларки.
В основе этой классификации лежит деление на:
| Воздушные мигранты | Водные мигранты |
| Мигрируют как в газообразном состоянии, в виде летучих соединений, так и с водным раствором. | В газообразном состоянии не мигрируют или мигрируют слабо. |
В классификации учтена зависимость миграционной способности химических элементов в разных окислительно восстановительных средах.
Воздушные мигранты делятся на активные и пассивные. Активные - образуют химические соединения: кислород, азот, углерод, водород, иод. Из них в основном состоит живое вещество, природные воды. Они в значительной мере определяют рН и Ен природных вод. Пассивные - не образуют химических соединений: аргон, неон, ксенон, криптон, гелий, радон. Не играют существенной роли в ландшафте.
Водные мигранты. Элементы мигрируют в почвенных, грунтовых и поверхностных водах и делятся на катионогенные и анионогенные. Делятся на 8 групп.
1. Очень подвижные, Кх= n( 10-100). Относятся только к анионогенным элементам - это хлор, бром, сера. Активно накапливаются при испарении, входят в состав легкорастворимых минералов.
2. Подвижные. Кх=n( 1-10). Среди катионогенных: кальций, натрий, магний, стронций, радий. Среди анионогенных: фтор и бор. Эти элементы образуют легко и труднорастворимые соли. Энергично мигрируют в природных водах.
3. Слабо подвижные. Кх=n(0.1 -1)
K, Ba, Rb, Li, Be, Cs Si, P, Ge, Sn, Sb, As
4. Подвижные и слабоподвижные в окислительной обстановке Кх=n(0.1 -1), инертные в сероводородной среде Кх меньше 0.n, осаждаются на щелочных барьерах, мигрируют в окислительной обстановке. Элементы относятся к катионогенной группе - цинк, медь, никель, свинец, кадмий хорошо мигрируют в кислых водах и осаждаются на щелочном барьере. Ртуть, серебро - мигрируют в кислых и щелочных водах окислительной обстановки.
5. Подвижные и слабо подвижные в окислительной обстановке, инертные в восстановительной среде, осаждаются на сероводородных и глеевых средах Кх=n(0.1-1). В этой группе встречаются только анионогенные элементы - ванадий, молибден, селен, уран, рений, осаждаются на сероводородной и глеевых барьерах.
6. Подвижные и слабоподвижные в восстановительной глеевой среде Кх= 0.n - n, инертные в окислительной и восстановительной сероводородных средах. К катионогенным - железо, марганец, кобальт. Осаждаются на кислородных и сероводородных барьерах.
7. Малоподвижные в большинстве обстановок Кх= n(0.1 -0.01)
Алюминий, титан, хром, технеций- катионогенные, частично мигрируют в сильно кислой среде. Цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, гольмий, европий - анионогенные, частично мигрируют в щелочной среде.
8. Не мигрируют, не образуют химических соединений. Для них характерно самородное состояние - осмий, платина, палладий, рутений, золото, цирконий.
Конечно, все эти классификации довольно условны и их следует воспринимать примерно так же, как и распределение элементов по различным средам. Там выявляется общий тип распределения элементов по различным оболочкам, но в конкретных средах могут сложиться совсем иные соотношения, не отвечающие среднему содержанию. Точно также и оценка подвижности элементов дана в целом для биосферы как некая общая характеристика, тогда как в реальной природной обстановке могут складываться условия, резко изменяющие подвижность химических элементов.
2. Биологическая роль химических элементов и их соединений и их участие в процессах происходящих в организмах, а также в проявлении эндемий.
Исключительное значение для понимания биохимической роли элементов имеет отмеченная А.П. Виноградовым общая закономерность уменьшения содержания металлов в организмах по мере их эволюции от низших форм к высшим.
При всем многообразии их составов у разных групп растений и животных также выявляется прямая зависимость тех и других от состава Среды обитания. Например, у морских и наземных видов. Меньше, но также заметно, отличается состав организмов в экосистемах разных ландшафтов - пустынных, степных, таежных, высокогорных.
Подразделяют все элементы на 5 резко отличающихся дискретных групп:
1. Макровитафилы (O, H, C, N) и 2. микровитафилы (K, Fe, Zn, Co, Se) - необходимы для жизнедеятельности организма. Коэффициент биологического поглощения от 0.3 до 100.
3. Витафобы - (Hg, Cd, Te, Tl, As и др, всего 12) - отличаются неизвестной реакцией организмов на снижение содержание элементов в их составе, и остро негативной реакцией на малейшее повышение их концентраций.
4. Фитофилы - накапливаются в растениях и почвах, но снижаются у животных (Si, Al, B, Li, Be). Положительной роли не установлено, но токсичность проявляется.
5. Толеранты ( Ba, Zr, Ag, W) - содержание в организмах менее токсично даже в повышенных концентрациях, дефицит их патологии не вызывает.
Подразделение элементов по биоактивности с их классификациями по токсичности не совпадает. Многие биофилы в аномальных содержаниях не менее опасны для организмов, чем биофобы.
Существуют классы токсичности для почвы:
1 класс - мышьяк, кадмий, ртуть, селен, цинк, фтор, бензапирен.
2 класс - вор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром.
3 класс - барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций.
Существуют классы опасных элементов для питьевой воды:
1 класс - бериллий, ртуть, бензапирен.
2 класс - алюминий, барий, кадмий, молибден, мышьяк, свинец, селен, стронций.
3 класс - хром, медь, марганец, цинк, фосфаты, нитраты
Биогеохимические эндемии обусловлены избытком или недостатком тех или иных химических элементов в природной среде. Иногда это может быть прямое воздействие химического элемента, но в большинстве случаев эндемии связаны с нарушением соотношения содержания микроэлемента с другими химическими элементами. В настоящее время относительно хорошо изучено взаимное влияние следующих микроэлементов: J -Co - Cu - Mn; Cu - Mo - Pb; Ni - Cu; Mo - Cu.
Бериллий - один из самых токсичных. Усиливает морфологическую трансформацию клеток млекопитающих. Вызывает заболевания раком. Заболевания раком легких характерно для людей контактирующих с бериллием или проживающих вблизи его соединения. В атмосферу 88% диспергированного бериллия поступает из дымовых труб.
Кадмий - самый опасный элемент, оказывающий влияние на образование всех форм рака, костных заболеваний (влияет на обмен кальция болезнь “итай-итай” - в Японии широко распространено костное заболевание - результат загрязнения кадмием воды на рисовых полях при обработке их фунгицидами. Болезнь выражается в сильной хрупкости костей, развивает наследственное предрасположение к гипертонии. Широко используется для нейтронной защиты в ядерных реакторах, в качестве припоя, в аккумуляторных батареях, при производстве стабилизаторов для пластмасс, в фосфатных удобрениях.
Ртуть - принадлежит к весьма редким, но очень важным элементам. Среднее содержание ее в земной коре небольшое. По своим физическим и химическим свойствам ртуть представляет своеобразный металл. Основные источники паров ртути в биосфере - горные породы, почвы, вулканы, зоны глубинных разломов, месторождения полезных ископаемых, технологические процессы. В небольших количествах ртуть представлена в почвах. Она - составная часть многих растительных и животных организмов и содержится в них в миллионных долях процента. В организме ртуть накапливается главным образом в почках и печени.
Ртутные заболевания связаны, прежде всего, с ее летучестью, а степень токсического действия определяется главным образом тем, какое количество ее успело прореагировать в организме. Острое отравление ртутью проявляется в расстройстве кишечника, рвоте, набухании десен, упадке сердечной деятельности, обмороках. При хроническом отравлении ртутью и ее соединениями появляются металлический привкус во рту, сильное слюнотечение, ослабление памяти, слуховые и обонятельные галлюцинации, бредовые идеи, постоянные головные боли. Все это пагубно сказывается на физическом и психическом состоянии человека.
Примеры ртутных отравлений известны во многих странах. Печальную известность получила болезнь “минамата” в Японии. Здесь ртутное отравление связано с употреблением в пищу морской рыбы, выловленной в заливе Минамата, куда сбрасывались содержащие ртуть промышленные отходы предприятий химического концерна “Тисо”. Концентрации ртути в рыбах достигали 50 мг на 1 кг веса. Наиболее серьезные случаи отравления заканчивались полной слепотой, параличем, безумием, конвульсиями, нарушением речи, смертью.
Свинец - Вследствие широкого использования соединений свинца его содержание в человеческом организме за последние 5 тыс. лет возросло в 100 раз, и оно только в 5 раз меньше дозы, вызывающей отравление.
Загрязнение морской воды северного полушария превышает доисторический уровень в 10 раз, атмосферы в 50 раз, льдов Гренландии - в 300 раз.
Главный источник загрязнения свинцом - выхлопные газы. Установлен лимит на содержание в бензине свинца (до 0.15 г/л) и введен во многих странах. Много свинца в воде, попадает он и в продукты питания.
Свинец концентрируется в костях, волосах, тканях аорты, печени и почек, вызываю паралич нервной системы, анемию и спазмы кишечника. При избытке его в крови он может замещать кальций в костях животных и человека.
Единственный путь снижения поступления свинца в биосферу - переход к использованию топлива, не содержащего этот элемент. Кроме того, необходимо изъять из обращения свинцовые трубопроводы для питьевой воды, свернуть промышленность по добыче и выплавке свинца. Несмотря на то что, попадая в организм, свинец вызывает отравления, он широко используется в лечебных целях. Это свинцовые примочки и пластыри, кислоты, стимулирующие деятельности печени. Свинец защищает врачей от постоянного рентгеновского облучения, играет важную роль при диагностике и ренгенотерапии.
Селен - Противоречивый элемент. Недостаток его увеличивает риск развития рака и сердечно-сосудистых заболеваний. Избыток его в растениях до 0.05 т приводит к внезапной смерти человека и животных. Больше всего селена находится в рыбе 218 мкг/ на 1 грамм, морских продуктах 406 мкг/ г. Селен в организме млекопитающих принимает активное участие в транспорте электронов. Его недостаток приводит к мышечной дистрофии, некрозу печени. Рекомендуемая норма селена 50 -200 мкг в день.
Молибден - Остро реагирует на недостаток молибдена (до 1.5 * 10-4 %) клевер. Животные, питающиеся растениями, выросшими на почвах с недостатком молибдена, болеют анемией, так как в их организме наблюдается накопление меди. Наоборот, избыток молибдена в кормах является причиной недостатка меди в организмах животных и приводит к развитию молибденоза. При недостатке кальция в пище животных большое содержание молибдена приводит к развитию заболевания - эндемическая атаксия (поражается желудочно-кишечный тракт) и человек страдает эндемической подагрой - заболевание суставов, дистрофическими изменениями в щитовидной железе.
Марганец - У многих растений при недостатке марганца ( меньше 4 * 10-2%) снижается усвояемость йода. Большинство растений при дефиците марганца накапливают железо, у кукурузы наблюдается хлороз и некроз тканей, у сахарной свеклы - желтуха. У животных и человека развиваются заболевания костной системы, возможно развитие зобной болезни. Избыток марганца в кислых почвах приводит к уменьшению в растениях железа и вызывает у них хлороз, проявляющийся в пятнистости листьев.
Бор - недостаток бора оказывает влияние только на растения, так как животным организмам этот элемент не нужен. При содержании бора в почве меньше 6 на 10 в минус четвертой степени процентов растение, как правило погибает, заболевание начинается с гибели точки роста, отмирание корней, у свеклы недостаток бора вызывает гниль сердечка. Избыток бора вызывает заболевания человека и животных (борные энтериты).
Кобальт - недостаток кобальта в почве приводит к развитию у растений заболевания - безлепестковая анемона. Систематический недостаток кобальта в пище животных и человека также приводит к различным нарушениям и даже вызывает тяжелые заболевания, обусловленные недостатком витамина В12. Эти заболевания выражаются в разрушении волосяного покрова, нарушении функции печени, приводящем к развитию анемии и малокровия.
Йод - недостаток этого элемента в пище вызывает заболевание эндемическим зобом. Обусловлено это тем, что йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы.
Раз в 30-50 дней организм должен получат новые порции йода в количестве 10 -15 мг. на 70 кг массы. Если йод поступает в организм в меньших количествах, то она начинает увеличиваться в размерах, образует зоб. Это заболевание может сопровождаться резким ухудшением умственных способностей. Причем болезнь может поразить человека в любом возрасте. Если же йода не хватает в пище грудного ребенка, то это может вызвать развитие слабоумия, причем кретинизм сопровождается ухудшением деятельности сердца, теряется слух, зрение, слабеют мышцы, наступает стадия идиотии. Известный исторический пример - среднеазиатский город Коканд. В начале 20 столетия многие жители этого города из-за недостатка йода в питании, обусловленного низким содержанием этого элемента в почвах и воде, страдали эндемическим зобом и слабоумием. В настоящее время многие территории Земли относятся к эндемическим по йоду: не менее полутора миллиардов человек проживает в этих регионах (данные Всемирной организации здравоохранения). И в России дефицит йода проявляется в Центрально-европейском регионе, Восточной Сибири, на Урале, Северном Кавказе и Крайнем Севере.
Для предотвращения этих заболеваний в районах с недостатком йода в почвах и воде вводят небольшие порции этого элемента в пищу. Однако здесь необходимо проявлять осторожность, так как избыток йода также может привести к заболеванию - базедовой болезни, известной также под названием триада Базедова (увеличение щитовидки, пучеглазие, сердцебиение).
В самые последние годы наконец-то наметились пути решения проблемы. Ученые Медицинского радиологического центра РАМН разработали препарат - йодказеин - аналог природного соединения йода с белком молока. Когда в почве и воде йода недостаточно, потребность в нем на 70 -90% реализуется за счет молока. Не опасен и излишек органического йода, так как он выводится естественным путем, минуя щитовидную железу. Йодказеин не содержит йод в свободном состоянии: при изготовлении этой пищевой добавки включение йода в белок идет по 4 незаменимым аминокислотам (тирозину, гистидину, триптофану и фенилаланину). Это очень важное преимущество йодказеина по сравнению с летучими неорганическими соединениями йода, добавляемыми, например, в поваренную соль. Кстати, во время хранения йодированной соли потери йода составляют 15-20% в месяц. А йодказеин может долго храниться, не теряя своих полезных качеств. немаловажно и то, что при добавлении йодказеина в хлебобулочные изделия последние не меняют ни вкуса, ни запаха, ни цвета.
Фтор - Недостаток фтора приводит к развитию кариеса, так как постепенно разрушается эмаль (в которую входит 0.02% фтора). У некоторых организмов наблюдается деформация костей, их хрупкость и переломы.
Пример элемента, широкое использование которого в терапевтических целях может давать побочные эффекты. Экспериментальные исследования с животными показали, что при хроническом воздействии малых доз фтора уровень содержания цинка в почках возрастает на 34%. Требуется специальное изучение неконтролируемого поглощения фтора и его влияния на органы человека.
Повышение содержания фтора может привести к нарушению функции щитовидной железы. При избытке фтора в пище и воде у людей возникают также заболевания зубов - флюороза - разрушение эмали. Установлено, что оптимальной суточной дозой для взрослых людей является 0.6-1.5 мг фтора. Для некоторых животных эта доза может быть выше (до 20 мг на 1 кг массы). Сверх этих норм фтор и его соединения токсичны.
Вдыхание воздуха, содержащего фтора более 0.5 мг/л, действует на людей отравляюще, а 0.8 мг/л - смертельно. Средство первой помощи при отравлении фторидами - 2% раствор хлорида кальция.
| Элемент | НПС | Недостаток | ПДК | Избыток |
| B | 6 г/т | Отмирание почек роста листьев, стеблей | 30 | Боровой энтерит |
| Mn | 400 | Заболевание костной системы, усиление зоба, рак кожи | 1500 | Заболевание косной системы |
| Co | 7 | Анемия, зоб | 30 | Угнетение синтеза В12 |
| Zn | 30 | Карликовый рост | 70 | Рак, желтуха, угнетение окислительных процессов |
| Sr | 3 | | 600 | Рахит |
| Mo | 1.5 | Заболевания растений, рак | 4 | Подагра, токсикоз |
| J | 15 | Зоб, бесплодие | 40 | Ослабление синтеза йодистых соединений щитовидной железы. |