Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

методов исследования всегда приводит к революционным сдвигам в науке. Так было и тогда, когда английский ученый Г. Дэви в 1808 году впервые использовал электрический ток для воздействия на химические вещества. Атака на «земли», в которой принимал участие и другой знаменитый ученый — Берцелиус, привела к замечательной победе: один за другим из «земель» были выделены чистые металлы — барий, стронций и кальций (его назвали так от французского слова «кальк» — «известь»).

Понятно, почему чистые щелочноземельные элементы в природе не встречаются и с трудом даются в руки людям: они настолько активны, что соединяются буквально со всеми составными частями воздуха (кроме инертных газов), даже с азотом.

В нашем сознании представление о металле часто связано прежде всего с прочным, твердым, устойчивым конструкционным материалом. Но в обширной семье металлов встречаются представители и очень активные и совершенно инертные, более легкие, чем вода, и более тяжелые, чем ртуть. «Спектр» свойств металлов поистине неисчерпаем…

Кальций в земной коре

Кальций, стронций и барий — близкие родственники, однако кальций во многих отношениях выделяется из этого «семейства». И прежде всего своей чрезвычайной распространенностью в природе.

Кальций — непременная составная часть силикатных пород — самой большой группы минералов земной коры. Сравнительно меньше он встречается в виде карбоната CaCo3 или сульфата CaSO4. Еще меньше — в виде фосфата Ca3(PO4)2. Но об этих соединениях кальция стоит рассказать подробнее.

Природный карбонат кальция — соединение чрезвычайно многоликое. Прежде всего в зависимости от строения кристаллов карбонат кальция образует два минерала — кальцит и арагонит.

Последний, в частности, является «строительным материалом» сталактитов и сталагмитов, замечательных по красоте произведений природы, которыми порой так богаты естественные пещеры.

Кальцит встречается в нескольких разновидностях. Многим из вас приходилось видеть настоящие горы мела на берегах Волги и других наших рек. Мел состоит из микроскопических раковин, а некоторые скопления известняков иногда состоят из более крупных раковин, видимых простым глазом. Мел и известняки — самые распространенные формы кальцита. Мрамор по химическому составу — тоже карбонат кальция, а по строению кристаллов — кальцит. Но из-за иных, чем для известняка и мела, условий образования в природе он и по внешнему виду и по свойствам отличается от других форм кальцита. Многоликое соединение имеет и еще одну форму — так называемый исландский шпат. Кристаллы его прозрачны и обладают интересным свойством, известным в физике как двойное лучепреломление.

В общей сложности на поверхности суши залежи известняков занимают площадь около 40 миллионов квадратных километров. Представьте себе поверхность, равную двум территориям нашей страны, — вот что значит эта цифра!

Страницы геологической истории кальция

По представлениям немецкого геохимика Гольдшмидта, земную кору можно уподобить слою шлаков, покрывающих расплавленное железо в доменной печи. Хотя, конечно, эта аналогия не может быть полной, однако и земная кора и доменные шлаки состоят из относительно легких соединений кальция, натрия и калия с кремнием, алюминием и кислородом — из алюмосиликатов и силикатов. Недаром наружный слой Земли называют иногда «сиаль», подчеркивая тем самым преобладание здесь кремния Si и алюминия Al. В этих же соединениях содержится магний, барий, стронций.

Если бы мы могли перенестись во времена ранней молодости нашей планеты, то мы не обнаружили бы в ее коре привычных нам карбонатных пород — известняков и т. п.; дело в том, что эти породы много моложе алюмосиликатов.

Бурная вулканическая деятельность прежних геологических эпох приводила к насыщению атмосферы углекислым газом. Теплая и влажная атмосфера, богатая углекислым газом, горячие потоки воды, проникающие в каждую щель гранитных массивов, в течение миллиардов лет делали свою разрушительную работу, «вырывая» кальций и другие металлы из плена, превращая огромные количества силикатов и алюмосиликатов в нерастворимые соединения — глину и песок — и унося кальций и его спутников в виде сравнительно хорошо растворимых соединений — карбонатов или сульфатов. Конечно, разрушение алюмосиликатов — процесс далеко не мгновенный. Только в сказках можно превратить гору в песок, сказав ей: «Рассыпься!» Но сотни миллионов лет, помноженные на эту — пусть даже небольшую — скорость разрушения, сделали свое дело.

С появлением жизни на Земле в истории кальция выдающуюся роль стали играть живые организмы.

Мы уже сказали, что движение кальция из алюмосиликатов в карбонаты и сульфаты — это процесс очень и очень медленный. Но есть еще один, сравнительно быстрый процесс в природе, в котором участвует кальций и который принято называть «круговоротом» кальция в природе.

Круг или не круг?

Невозможно найти такой водоем, в котором не были бы растворены соли кальция. Особенно много этих солей в водах лиманов и минеральных источников. В морях на долю солей кальция приходится 1,6 процента и самыми частыми спутниками его являются углерод и сера (в виде ионов CO32– и SO42–).

Чтобы разобраться в особенностях «путешествия» кальция, рассмотрим равновесие, существующее в водных растворах карбоната кальция:

CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca(HCO3)2.

Когда через известняк сочится вода, насыщенная углекислым газом, равновесие нашей реакции смещается вправо, в сторону образования растворимого бикарбоната кальция. Это означает, что малорастворимый CaCO3 превращается в растворимую соль и уносится водой. Эта-то соль (которую никто никогда не держал в руках, потому что она существует лишь в растворах) и является важнейшим звеном в цепи путешествия кальция в природе.

Может показаться, что наши рассуждения слишком теоретичны: да много ли углекислого газа растворяется в воде? Сколько кальция уносит вода? Но недаром говорится, что капля камень точит: ежегодно реки уносят в моря и океаны до 600 миллионов тонн кальция!

В теплой воде океана растворимость углекислого газа уменьшается, часть его улетучивается. Чтобы восстановить нарушенное равновесие, бикарбонат отдает «лишнюю» молекулу углекислого газа и, превращаясь в нерастворимый средний карбонат CaCO3, выпадает в осадок (стрелка в нашем уравнении «поворачивает» влево). Таким путем на дне океанов вырастают мощные пласты известняка.

Ясно, почему известняк относят к осадочным породам, а поскольку осаждение происходит химическим путем, то говорят, что такие породы имеют хемогенное происхождение. Если вместе с кальцием осаждается магний, образуются залежи доломита CaCO3·MgCO3.

Однако бикарбонат может превращаться в известняк и биогенным путем, с участием живых организмов. Многочисленные морские организмы используют карбонат кальция для постройки раковин, разлагая содержащийся в воде бикарбонат. После отмирания таких организмов раковины оседают на дно. Такое «строительство» продолжается миллионы лет, давая залежи ракушечника и мела.

Горообразовательные процессы поднимают их над поверхностью моря. Попадая в условия высоких температур