Википедија

Geohemija

изучавање састава Земље, планета, хемијских процеса и реакција које су одговорне за састав стена и тла, кружење материје и енергије које тр

Pod nazivom geohemija podrazumeva se izučavanje sastava Zemlje i drugih planeta, hemijskih procesa i reakcija koje su odgovorne za sastav stena i tla, kao i kruženje (migracija) materije i energije koje transportuju Zemljine hemijske komponente u vremenu i prostoru, i njihovu interakciju sa hidrosferom i atmosferom.[1]‍:1 U okviru geografije, geohemija se proučava kao granična disciplina, na međi sa hemijom. Oblast geohemije se proteže izvan Zemlje, obuhvatajući čitav Sunčev sistem,[2] i dala je važan doprinos razumevanju niza procesa, uključujući konvekciju plašta, formiranje planeta i poreklo granita i bazalta.[1]‍:1 To je integrisano polje hemije i geologije.

Najvažnija polja geohemije su:

  1. Geohemija izotopa: Određivanje relativnih i apsolitnih koncentracija hemijskih elemenata i njihovih izotopa u zemlji i na njoj.
  2. Proučavanje distribucije i kretanja elemenata u različitim delovima zemlje (u kori, mantlu, hidrosferi itd.) i u mineralima sa ciljem da se utvrdi skriveni sistem distribucije i kretanja.
  3. Kosmohemija: Analiza distribucije elemenata i njihovih izotopa u svemiru.
  4. Organska geohemija: Nauka o ulozi procesa i sastava koji su nastali od živih organizama ili onih koji su nekada živeli.
  5. Primena u studijama zaštite životne sredine, hidrološkim i i mineraloškim proučavanjima.

Smatra se da je da je Viktor Godšmit otac moderne geohemije, osnovne ideje je razvio u seriji publikacija od 1922-ge pod nazivom „Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente“.

Istorija uredi

 
Viktor Goldšmit (1909)

Izraz geohemija prvi put je upotrebio švajcarsko-nemački hemičar Kristijan Fridrih Šjonbejn 1838: „trebalo bi pokrenuti komparativnu geohemiju, pre nego što geohemija postane geologija, i pre nego što se otkrije misterija postanka naših planeta i njihove neorganske materije.”[3] Međutim, tokom ostatka veka uobičajeniji izraz je bio „hemijska geologija”, i nije bilo mnogo kontakata između geologa i hemičara.[3]

Geohemija se pojavila kao posebna disciplina nakon što su osnovane velike laboratorije, počevši od Geološkog zavoda Sjedinjenih Država (USGS) 1884. godine, koji je započeo sistematska istraživanja hemije stena i minerala. Glavni hemičar USGS-a, Frank Viglsvort Klark, primetio je da se elementi generalno smanjuju u količinskoj zastupljenosti sa povećanjem njihove atomske težine, i sumirao je svoj rad na zastupljenosti elemenata u publikaciji s naslovom Geohemisjki podaci.[3][4]

Sastav meteorita je istraživan i upoređivan sa zemaljskim stenama već 1850. Godine 1901. Oliver K. Farington je postavio hipotezu da bi, iako postoje razlike, relativne zastupljenosti ipak trebale biti iste.[3] Ovo je bio početak polja kosmohemije, koje je u mnogome doprinelo onome što se zna o formiranju Zemlje i Sunčevog sistema.[5]

Početkom 20. veka, Maks fon Laue i Vilijam Lorens Brag pokazali su da se raspršivanje rendgenskih zraka može koristiti za određivanje strukture kristala. Tokom 1920-ih i 1930-ih, Viktor Goldšmit i saradnici sa Univerziteta u Oslu primenili su ove metode na mnoge uobičajene minerale i formulisali skup pravila za grupisanje elemenata. Goldšmit je ovo delo objavio u seriji Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente („Geohemijski zakoni raspodele elemenata”).[4]‍:2[6]

Potpolja uredi

Neka potpodručja geohemije su:[7]

  • Vodena geohemija proučava ulogu različitih elemenata u slivovima, uključujući bakar, sumpor, živu, i kako se elementarni tokovi razmenjuju kroz atmosfersko-kopneno-vodene interakcije.[8]
  • Biogeohemija je polje istraživanja koje se fokusira na uticaj života na hemiju Zemlje.[9]
  • Kosmohemija uključuje analizu distribucije elemenata i njihovih izotopa u kosmosu.[2]
  • Izotopska geohemija uključuje određivanje relativnih i apsolutnih koncentracija elemenata i njihovih izotopa u Zemlji i na površini Zemlje.[10]
  • Organska geohemija, proučavanje uloge procesa i jedinjenja koja potiču od živih ili nekada živih organizama.[11]
  • Fotogeohemija je proučavanje hemijskih reakcija izazvanih svetlošću koje se dešavaju ili mogu nastati među prirodnim komponentama Zemljine površine.[12]
  • Regionalna geohemija uključuje aplikacije u istraživanju životne sredine, hidrološkim i mineralnim istraživanjima.[13]

Hemijski elementi uredi

Gradivni blokovi materijala su hemijski elementi. Oni se mogu identifikovati po njihovom atomskom broju Z, koji je broj protona u jezgru. Element može imati više vrednosti za N, broj neutrona u jezgru. Zbir ovih brojeva je maseni broj, koji je otprilike jednak atomskoj masi. Atomi sa istim atomskim brojem, ali različitim neutronskim brojevima nazivaju se izotopi. Dati izotop je identifikovan slovom za element kojem prethodi nadnatpis za maseni broj. Na primer, dva uobičajena izotopa hlora su 35Cl i 37Cl. Postoji oko 1700 poznatih kombinacija Z i N, od kojih je samo oko 260 stabilnih. Međutim, većina nestabilnih izotopa se ne javlja u prirodi. U geohemiji se stabilni izotopi koriste za praćenje hemijskih puteva i reakcija, dok se radioaktivni izotopi prvenstveno koriste za datiranje uzoraka.[4]‍:13–17

Hemijsko ponašanje atoma - njegov afinitet prema drugim elementima i tip veza koje formira - određen je rasporedom elektrona u orbitalama, naročito najudaljenijim (valentnim) elektronima. Ovi aranžmani se odražavaju na položaj elemenata u periodnom sistemu.[4]‍:13–17 Na osnovu položaja, elementi spadaju u široke grupe alkalnih metala, zemnoalkalnih metala, prelaznih metala, polumetala (takođe poznati kao metaloidi), halogeni, plemeniti gasovi, lantanoidi i aktinoidi.[4]‍:20–23

Još jedna korisna šema klasifikacije za geohemiju je Goldšmitova klasifikacija, koja elemente svrstava u četiri glavne grupe. Litofili se lako kombinuju sa kiseonikom. Ovi elementi, koji uključuju Na, K, Si, Al, Ti, Mg i Ca, dominiraju u Zemljinoj kori, formirajući silikate i druge okside. Siderofilni elementi (Fe, Co, Ni, Pt, Re, Os) imaju afinitet prema gvožđu i imaju tendenciju da se koncentrišu u jezgru. Halkofilni elementi (Cu, Ag, Zn, Pb, S) formiraju sulfide; a atmosferski elementi (O, N, H i plemeniti gasovi) dominiraju atmosferom. Unutar svake grupe, neki elementi su vatrostalni, ostaju stabilni na visokim temperaturama, dok su drugi isparljivi, lakše isparavaju, te ih zagrevanje može odvojiti.[1][4]‍:23

Diferenciranje i mešanje uredi

Hemijski sastav Zemlje i drugih tela određuju dva suprotna procesa: diferencijacija i mešanje. U Zemljinom omotaču dolazi do diferencijacije na srednjeokeanskim grebenima okeana delimičnim topljenjem, pri čemu više vatrostalnih materijala ostaje u podnožju litosfere, dok se ostatak diže da bi formirao bazalt. Nakon što se okeanska ploča spusti u plašt, konvekcija na kraju meša dva dela zajedno. Erozija diferencira granit, odvajajući ga u glinu na dnu okeana, peščar na ivici kontinenta i rastvorene minerale u okeanskim vodama. Metamorfizam i anateksa (delimično topljenje kamenih kora) mogu ponovo pomešati ove elemente. U okeanu biološki organizmi mogu izazvati hemijsku diferencijaciju, dok se rastvaranjem organizama i njihovog otpada može ponovo mešati materijal.[1]‍:23–24

Frakcionisanje uredi

Vidi još: magmatska diferencijacija

Glavni izvor diferencijacije je frakcionisanje, nejednaka raspodela elemenata i izotopa. Ovo može biti rezultat hemijskih reakcija, fazhnih transformacija, kinetičkih efekata ili radioaktivnosti.[1]‍:2–3 U najvećoj meri, planetarna diferencijacija je fizičko i hemijsko razdvajanje planete na hemijski različite regione. Na primer, zemaljske planete su formirale jezgra bogata gvožđem i omotače i kore bogate silikatima.[14] U Zemljinom omotaču, primarni izvor hemijske diferencijacije je delimično topljenje, naročito blizu srednjeokeanskog grebena.[15]‍:68,153 To se može dogoditi kada je čvrsta supstanca heterogena ili u čvrsti rastvor, i deo rastopa se odvoji od čvrste materije. Proces je poznat kao ravnotežno ili šaržno topljenje, ako čvrsta supstanca i rastop ostanu u ravnoteži do trenutka uklanjanja rastopa, i frakciono ili Rejlijeovo topljenje ako se rastop kontinuirano uklanja.[16]

Izotopsko frakcionisanje može imati forme zavisne i nezavisne od mase. Molekuli sa težim izotopima imaju niže energije osnovnog stanja i stoga su stabilniji. Kao rezultat toga, hemijske reakcije pokazuju malu zavisnost od izotopa, pri čemu teži izotopi preferiraju vrste ili jedinjenja sa višim oksidacionim stanjem; a u faznim promenama teži izotopi se koncentrišu u težim fazama.[17] Frakcionisanje zavisno od mase najveće je u lakim elementima, jer je razlika u masama veći deo ukupne mase.[18]

Odnosi između izotopa se generalno upoređuju sa standardom. Na primer, sumpor ima četiri stabilna izotopa, od kojih su dva najčešća 32S i 34S.[18]‍:98 Odnos njihovih koncentracija, R=34S/32S, prikazan je kao

 

gde je Rs isti odnos za standard. Pošto su razlike male, odnos se množi sa 1000 da bi se dobili delovi po hiljadi (nazivaju se delovi po mil). Ovo je predstavljeno simbolom ‰.[17]‍:55

Ravnoteža uredi

Ravnotežno frakcionisanje se javlja između hemikalija ili faza koje su u ravnoteži jedna sa drugom. U ravnotežnom frakcionisanju između faza, teže faze preferiraju teže izotope. Za dve faze A i B, efekat se može predstaviti faktorom

 

U faznom prelazu tečnost-para za vodu, al-v na 20 °C je 1,0098 za 18O i 1,084 za 2H. Generalno, frakcionisanje je veće na nižim temperaturama. Na 0 °C, faktori su 1,0117 i 1,111.[17]‍:59

Kinetika uredi

Kada ne postoji ravnoteža između faza ili hemijskih jedinjenja, može doći do kinetičkog frakcionisanja. Na primer, na interfejsu između tečne vode i vazduha, napredna reakcija je pojačana ako je vlažnost vazduha manja od 100% ili se vodena para pomera vetrom. Kinetičko frakcionisanje je generalno poboljšano u poređenju sa ravnotežnim frakcionisanjem i zavisi od faktora kao što su brzina reakcije, reakcioni put i energija veze. S obzirom da lakši izotopi uglavnom imaju slabije veze, oni teže brže reaguju i obogaćuju produkte reakcije.[17]‍:60

Biološko frakcionisanje je oblik kinetičkog frakcionisanja, jer reakcije imaju tendenciju da se odvijaju u jednom smeru. Biološki organizmi preferiraju lakše izotope, jer su niži troškovi energije pri prekidanju energetskih veza. Pored prethodno navedenih faktora, okolina i vrste organizma mogu imati veliki uticaj na frakcionisanje.[17]‍:70

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ a b v g d Albarède, Francis (2007). Geochemistry : an introduction. Translated from the French. (5th izd.). Cambridge: Cambridge Univ. Press. str. 17. ISBN 9780521891486. 
  2. ^ a b McSween, Jr, Harry Y.; Huss, Gary R. (2010). Cosmochemistry. Cambridge University Press. str. 1. ISBN 9781139489461. 
  3. ^ a b v g Kragh, Helge (2008). „From geochemistry to cosmochemistry: The origin of a scientific discipline, 1915–1955”. Ur.: Reinhardt, Carsten. Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries. John Wiley & Sons. str. 160—192. ISBN 978-3-527-30271-0. 
  4. ^ a b v g d đ McSween, Jr., Harry Y.; Richardson, Steven M.; Uhle, Maria E. (2003). Geochemistry pathways and processes (2nd izd.). New York: Columbia University. str. 2. ISBN 9780231509039. 
  5. ^ White, William M. Geochemistry (Unpublished). str. 1. Pristupljeno 14. 3. 2012. 
  6. ^ Mason, Brian (1992). Victor Moritz Goldschmidt : father of modern geochemistry. San Antonio, Tex.: Geochemical Society. ISBN 0-941809-03-X. 
  7. ^ „Welcome to GPS Geochemistry”. GPS Research Program. California Institute of Technology. Arhivirano iz originala 21. 09. 2017. g. Pristupljeno 2. 10. 2017. 
  8. ^ Langmuir, Donald (1997). Aqueous environmental geochemistry. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall. ISBN 9780023674129. 
  9. ^ Schlesinger, William H.; Bernhardt, Emily S. (2013). Biogeochemistry : an analysis of global change (Third izd.). Academic Press. str. 3. ISBN 9780123858740. 
  10. ^ Kendall, Carol; Caldwell, Eric A. (1998). „Chapter 2: Fundamentals of Isotope Geochemistry”. Ur.: Kendall, C.; McDonnell, J. J. Isotope Tracers in Catchment Hydrology. Amsterdam: Elsevier Science. str. 51—86. Pristupljeno 3. 10. 2017. 
  11. ^ Killops, Stephen D.; Killops, Vanessa J. (2013). Introduction to Organic Geochemistry. John Wiley & Sons. ISBN 9781118697207. 
  12. ^ Doane, TA (2017). „A survey of photogeochemistry”. Geochem Trans. 18: 1. PMC 5307419  . PMID 28246525. doi:10.1186/s12932-017-0039-y. 
  13. ^ Garrett, R.G.; Reimann, C.; Smith, D.B.; Xie, X. (novembar 2008). „From geochemical prospecting to international geochemical mapping: a historical overview: Table 1”. Geochemistry: Exploration, Environment, Analysis. 8 (3–4): 205—217. S2CID 130836294. doi:10.1144/1467-7873/08-174. 
  14. ^ McSween, Jr., Harry Y.; Huss, Gary R. (2010). Cosmochemistry. Cambridge University Press. str. 218. ISBN 9781139489461. 
  15. ^ Olson, Gerald Schubert ; Donald L. Turcotte ; Peter (2001). Mantle convection in the earth and planets. Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 9780521798365. 
  16. ^ Wilson, Marjorie (2007). Igneous petrogenesis. Dordrecht: Springer. ISBN 9789401093880. 
  17. ^ a b v g d Kendall, Carol; Caldwell, Eric A. (2000). „Chapter 2: Fundamentals of Isotope Geochemistry”. Ur.: Kendall, Carol; McDonnell, J. J. Isotope tracers in catchment hydrology. Amsterdam: Elsevier. str. 51—86. ISBN 9780444501554. Pristupljeno 24. 10. 2017. 
  18. ^ a b Hoefs, Jochen (2015). „Isotope fractionation processes of selected elements”. Stable Isotope Geochemistry: 47. ISBN 978-3-319-19715-9. doi:10.1007/978-3-319-19716-6_2. 

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi

 
Geohemija na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Геохемија&oldid=27549104”