Строение атома, изотопы, распространение в земной коре водорода, кислорода, серы и азота

Элементный состав живого вещества и ОВ горючих ископаемых

Горючие ископаемые содержат в своем составе те же элементы, что и вещество живых организмов, поэтому элементы - углерод, водород, кислород, азот, серу и фосфор называют или биогенными, или биофильными, или органогенными.

На долю водорода, углерода, кислорода и азота приходится более 99% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Кроме них в значительных количествах в живых организмах могут концентрироваться еще око

Групповой состав ЖВ	Органногенные элементы, вес.%
C	H	O	N	S
Углеводы	40-44.7	6,1-6,6	49,5-53,4	нет	нет
Белки	50-55	6,5-7,3	19-24	15-19	0,2-2,4
Липиды, липоиды	76-79	11.0-13	10.0-12.0	нет	нет
Лигнин	66,7	5,5	27,3	нет	нет

ло 20-22 химических элементов. 12 элементов составляют 99,29 %, остальные 0,71%

Распространенность в космосе: Н, Не, С, N.

До 50% - C, до 20% - O, до 8% - H, 10-15% - N, 2-6% - P, 1% - S, 1% - K, ½% - Mg и Ca, 0,2% - Fe, в следовых количествах – Na, Mn, Cu, Zn.

Строение атома, изотопы, распространение в земной коре водорода, кислорода, серы и азота

ВОДОРОД -главный эл-т космоса, самый распространенный элемент Вселенной. Хим эл-т 1 группы, атомный номер 1, атомная масса 1,0079. В современных изданиях таблицы Менделеева H располагают также в VII группе над F, так как некоторые св-ва H похожи на свойства галогенов. Известны три изотопа H. Два стабильные - это протий ¹Н – Р (99,985%), дейтерий ²Н - D (0,015%), и один радиоактивный - тритий ³Н - Т, Т_1/2 =12,262 лет. Искусственно получен еще один - четвертый крайне неустойчивый изотоп - ⁴Н. В разделении Р и D в природных условиях основную роль играет испарение, однако, масса вод мирового океана так велика, что содержание дейтерия в нем изменяется слабо. В тропических странах содержание дейтерия в атмосферных осадках выше, чем в полярной зоне. В свободном состоянии H - бесцветный газ, без вкуса и запаха, самый легкий из всех газов, в 14,4 раза легче воздуха. H становится жидким при -252,6°С, твердым при -259,1°С. H - прекрасный восстановитель. Горит в O несветящимся пламенем, образуя воду. В земной коре H намного меньше, чем в звездах и на Солнце. Его весовой кларк в земной коре 1%. В природных химических соединениях Н образует ионные, ковалентные и водородные связи. Водородные связи играют важную роль в биополимерах (углеводах, спиртах, белках, нуклеиновых кислотах), определяют свойства и строение геополимеров керогена и молекул ГИ. При определенных условиях атом Н способен соединиться одновременно с двумя другими атомами. Как правило, с одним из них он образует прочную ковалентную связь, а с другим - слабую, она и получила название водородной связи.

КИСЛОРОД - Самый распространенный элемент земной коры, составляет в ней по массе 49,13%. O имеет порядковый номер 8, находится во 2 периоде, VI группе, атомная масса 15,9994. Известны три стабильных изотопа O - ¹⁶О (99,759%), ¹⁷О (0,0371%), ¹⁸О (0,2039%). Долгоживущие радиоактивные изотопы O отсутствуют. Искусственный радиоактивный изотоп ¹⁵О (Т_1/2 = 122 секунды). Применяется для геологических реконструкций соотношение изотопов ¹⁸О/¹⁶О, которое в природных объектах изменяется на 10% от 1/475 до 1/525. Наиболее низкий изотопный коэффициент имеют полюсные льды, наиболее высокий - СО₂ атмосферы. При сравнении изотопного состава пользуются величиной d¹⁸О, которое вычисляется по формуле: d ¹⁸О ‰= . За стандарт принято среднее соотношение этих изотопов в океанической воде. Вариации изотопного состава O в гп, воде определяются температурой, при которой протекает процесс образования конкретных минералов. Чем ниже T, тем интенсивнее будет фракционирование изотопов. Полагают, что изотопный состав O океана за последние 500 млн. лет не менялся. Главным фактором, определяющим изотопный сдвиг (вариации изотопного состава в природе), является кинетический эффект, определяемый температурой прохождения реакций. O при обычных условиях газ, невидим, безвкусен, лишен запаха. В реакциях с подавляющим большинством атомов O выступает в роли окислителя. Лишь в реакции с F окислителем является F. O существует в двухаллотропных модификациях. Первая - молекулярный кислород - О₂ Вторая модификация – озон – О₃, обр под действием электрических разрядов в воздухе и чистом O, в радиоактивных процессах, действием на обычный O ультрафиолетовых лучей. В природе О₃ образуется постоянно под действием УФ лучей в верхних слоях атмосферы. На высоте около 30-50 км существует «озоновый экран», задерживающий основную массу УФ лучей, защищая организмы биосферы от губительного действия этих лучей. При малых концентрациях у О₃ приятный, освежающий запах, но если в воздухе более 1% О₃, он весьма токсичен.

АЗОТ -концентрируется в биосфере: он преобладает в атмосфере (75,31% по весу, 78,7% по объему), а в земной коре его весовой кларк - 0,045 %. Химический элемент V группы, 2 периода атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Известны три изотопа N - два стабильных ¹⁴N (99,635%) и ¹⁵N (0,365 %) и радиоактивный ¹³ N, Т_1/2 = 10,08 мин. Общий разброс значений отношений ¹⁵N/¹⁴N невелик. Нефти обогащены изотопом ¹⁵N, а сопутствующие природные газы обеднены им. Горючие сланцы также обогащены тяжелым изотопом.N₂ бесцветный газ, без вкуса и запаха. N в отличие от О не поддерживает дыхания, смесь N с О наиболее приемлема для дыхания большинства обитателей нашей планеты. N химически неактивен. Он входит в состав ЖВ всех организмов. Малая химическая активность азота определяется строением его молекулы. Как и у большинства газов, кроме инертных, молекула N состоит из двух атомов. В образовании связи между ними участвуют по 3 валентных электрона внешней оболочки каждого атома, образуется тройная ковалентная химическая связь, которая дает самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. «Формальная» валентность от -3 до +5, «истинная» валентность 3. Образуя прочные ковалентные связи с O,H и C, он входит в состав комплексных ионов: [CN]^-, [NO₃]^-, [NH₄]⁺, которые дают легко растворимые соли.

СЕРА – эл-т ЗК, в мантии (ультраосновные породы) ее в 5 раз меньше, чем в литосфере. Кларк в ЗК - 0,1%. Хим эл-т VI группы,3 периода, атомный номер 16, атомная масса 32,06. Высоко электроотрицательный эл-т, проявляет неметаллические свойства. В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов. Обр кислоты и соли. Многие серосодерж соли малорастворимы в воде. S может обладать валентностями: (-2), (0), (+4), (+6), из них наиболее характерны первая и последняя. Характерны как ионные, так и ковалентнные связи. Основное значение для природных процессов имеет комплексный ион [SO₄]^-2 S - неметалл, хим активный элемент. Лишь с Au и Pt S не взаимодействует. Из неорг соединений кроме сульфатов, сульфидов и H2SO4 на Земле распространены оксиды SO₂ - газ, сильно загрязняющий атмосферу, и SO₃ (твердое вещество), а также сероводород. Для элементарной S характерно три аллотроп-ные разновидности: S ромбическая (наиболее устойчивая), S моноклинная (циклическая молекула - восьмичленное кольцо S₈) и пластическая S₆ - это линейные цепочки из шести атомов. В природе известны 4 стабильных изотопа S: ³²S (95,02%), ³⁴S (4,21%), ³³S (0,75%), ³⁶S (0,02%). Искусственный радиоактивный изотоп ³⁵S c Т_1/2 = 8,72 дня. За стандарт принята S троилита (FeS) из метеорита Каньона Диабло (³²S/³⁴S= 22,22) Реакции окисления и восстановления могут вызывать изотопный обмен, выражающийся в изотопном сдвиге. В природе - бактериальным путем, но возможен и термический. В природе к настоящему времени произошло четкое разделение S земной коры на 2 группы - биогенных сульфидов и газов, обогащенных легким изотопом ³²S, и сульфатов, входящих в соли океанической воды древних эвапоритов, гипсов, содержащих ³⁴S. Газы, сопутствующие нефтяным залежам, варьируют по изотопному составу и заметно отличаются от нефтей.