- •Введение
- •Общее понятие об экосистемах
- •1.1. Экосистема и плодородие
- •Биотехнология
- •Плодородие
- •2. Химическая природа кальция
- •0,560 СаО СаСо3 1,785
- •2,497 СаСо3 Са 0,400
- •3. Кальций в земной коре
- •4. Кальций в почвах
- •4.1. Цеолиты и специфическая роль в них кальция
- •4.2. Активность ионов кальция и водорода в мощном черноземе
- •4.3. Кальций и фосфаты в почвах и растениях
- •4.4. Гипсование и известкование почв
- •5. Кальций в природных водах
- •5.1. Состав и свойства воды как растворителя по а.М. Никанорову и др.
- •5.2. Химизм природной воды
- •6. Кальций в организмах
- •6.1. Кальций в растениях
- •6.1.1. Влияние кальция на корневую систему растений и рН
- •6.1.2. Соединения кальция в растениях
- •6.1.3. Питательная среда и специфическая роль кальция
- •6.1.4. Повышение устойчивости растений под влиянием кальция
- •6.1.5. Кальций в жизни растений
- •6.2. Кальций в организме человека и животных
- •6.2.1. Транспорт ионов кальция, мембранные рецепторы и внутриклеточный кальций
- •6.2.2. Значение кальция в жизни организмов
- •7. Экологические функции кальция
- •7.1. Сорбирование урана поверхностью карбонатов
- •Заключение
- •Литература
0,560 СаО СаСо3 1,785
6,345 СаО Cа(HСО3) 2 2,891
0,757 СаО Са(ОН) 2 1,321
0,505 СаО СаСI2 1,979
6,412 СаО СaSО4 2,428
0,326 СаО СаSО4 · 2Н2О 3,070
2,497 СаСо3 Са 0,400
3,397 СaSО4 Са 0,294
4,296 СаSО4·2Н2О Са 0,233
3. Кальций в земной коре
Во многих частях поверхности Земли имеются значительные осадочные залежи карбоната кальция, которые образовались из остатков древних морских организмов. В них это соединение находится, в основном, в виде минералов двух типов. Чаще встречается ромбоэдрический кальцит, в теплых морях образуется орторомбический арагонит. Представителями минералов первого типа является сам кальцит, а также доломит, мрамор, мел и исландский шпат. Громадными пластами карбоната кальция в виде арагонита образованы Багамы, о-ва Флорида-Кис и бассейн Красного моря. Другие важные минералы – гипс CaSO4·2H2O, ангидрит CaSO4, флюорит CaF2 и апатит Ca5(PO4)3(Cl,OH,F). Значительное количество кальция находится в природных водах в виде гидрокарбоната. Кальций содержится и в организмах многих животных. Гидроксоапатит Ca5(PO4)3(OH) является основой костной ткани позвоночных. Из карбоната кальция, в основном, состоят кораллы, раковины моллюсков, жемчуг, яичная скорлупа.
Соединения кальция известны с древних времен, однако до 17 в. об их природе ничего не знали. Египетские строительные растворы, которые исользовались в пирамидах Гизы, были основаны на частично обезвоженном гипсе CaSO4·2H2O. Он же является основой всей штукатурки в гробнице Тутанхамона. Римляне использовали строительный раствор из песка и извести (полученной при нагревании известняка CaCO3): во влажном климате Италии он был более устойчив.
В природе встречается шесть стабильных изотопов: 40Са, 42Са, 43Са, 44Са, 46Са и 48Са, относительная распространенность которых на Земле составляет соответственно 96,94; 0,667; 0,135; 2,09; 0003 и 0,167%. Экспериментальным путем получены также искусственные изотопы 45Са и 47Са с периодом полураспада соответственно 163,5 сут. и 4,536 ч; 45Са используют как радиоактивный индикатор (Скульский, 1973).
По распространенности в земной коре кальций занимает пятое место после кислорода, кремния, алюминия и железа. Кларк этого элемента в земной коре равен 3,38%. Содержание кальция уменьшается от глубин к "гранитному" слою литосферы. В базальтовом слое средняя концентрация этого элемента составляет 5,8%, в гранитном - 2,7%.
Кальций выпадает в осадок в ранние стадии кристаллизации магмы, но содержится и в осадочных после кристаллизации растворах. Высокое содержание кальция в земной коре обусловливает наличие многочисленных минералов, около половины которых относится к гипогенным силикатам. Известно около 400 кальцийсодержащих минералов. Наиболее распространены кальцийсодержащие силикаты и алюмосиликаты: анортит - Ca[Al2Si2О3], диопсид - CaMg[Si2O6], волластонит - Ca3[Si3O9], а также кальцит - СаСО3, доломит - CaMg(CO3)2, фосфорит - Са(РО4)3(ОН,С1), гипс - CaSO4∙2H2О и флюорит - CaF2.
Из-за своих размеров катион Са2+ не может войти в структуру гипергенных силикатов, поэтому при выветривании и трансформации гипогенных силикатов в глинистые минералы освобождается большое количество этого элемента. По этой причине кальций активно вовлечен в процесс геологического круговорота веществ. Его водорастворимые соединения, главным образом бикарбонат Са(НСО3)2, поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан (Добровольский В.В., 1998). Геохимия кальция в зоне гипергенеза показана на рис. 4 (Перельман, 1972).
В табл. 4 приведены концентрации содержания химических элементов в земной коре и занимаемое место. Кальций занимает пятое место после кислорода, кремния, алюминия и железа. За ним следуют натрий, калий, магний и титан.
Рис. 4. Геохимия кальция в зоне гипергенеза
I - терригенные осадочные породы; 2 - известняк; 3 - бурый уголь; 4 - глины; 5 - глины и сланцы; 6 - нефть; 7 - антрацит; 8 - гипсолиты; 9 - галолиты; 10 - основные породы; 11 - кислые породы; 12 - ультраосновные породы; 13 - сапропель, торф; 14 - кислое выщелачивание; 15 - сернокислое выщелачивание; 16 - кислородная граница; 17 - направление движения вод; 18 - воздушная миграция. Геохимические барьеры: 19 - сорбционный; 20 - термодинамический; 21 - испарительный; 22 - восстановительный; 23 - восстановительный и сорбционный; 24 - биогеохимический; 25 - биогеохимический и сорбционный; 26 - карбонатный; 27 - сульфатный; 28 - щелочной; 29 - кислый; 30 - водородный; 31 - кислородный; 32 - кальциевый; 33 - серебряный; 34 - серный. Кларки концентрации: 35 - больше или равно единице; 36 - меньше единицы
Таким образом, кальций - элемент нижней базальтовой части земной коры. В биосфере происходит исключительно резкая дифференциация кальция: его содержание в осадочных породах понижено, а в карбонатных - повышено.
Концентация кальция в земной коре составляет в среднем 3,5%, в почве – 2,0%, а в организмах суши – 0,5% от массы (табл. 5). После кислорода, углерода и водорода кальций в организмах суши занимает четвертое место; пятое место (0,3%) занимает азот.
Таблица 4. Распространенность химических элементов в литосфере в граммах
на 1 тонну земной коры
Занимаемое место |
Химический элемент |
Содержание |
Занимаемое место |
Химический элемент |
Содержание |
1 |
Кислород |
466000 |
48 |
Бериллий |
2 |
2 |
Кремний |
277200 |
49 |
Германий |
2 |
3 |
Алюминий |
81300 |
50 |
Мышьяк |
2 |
4 |
Железо |
50000 |
51 |
Тантал |
2 |
5 |
Кальций |
36300 |
52 |
Уран |
2 |
6 |
Натрий |
28300 |
53 |
Вольфрам |
1 |
7 |
Калий |
25900 |
54 |
Гольмий |
1 |
8 |
Магний |
20900 |
55 |
Европий |
1 |
9 |
Титан |
4400 |
56 |
Молибден |
1 |
10 |
Водород |
1400 |
57 |
Талий |
1 |
11 |
Фосфор |
1180 |
58 |
Цезий |
1 |
12 |
Марганец |
1000 |
59 |
Тербий |
0,9 |
13 |
Фтор |
700 |
60 |
Лютеций |
0,8 |
14 |
Сера |
520 |
61 |
Ртуть |
0,5 |
15 |
Стронций |
450 |
62 |
Иод |
0,3 |
16 |
Барий |
400 |
63 |
Висмут |
0,2 |
17 |
Углерод |
320 |
64 |
Кадмий |
0,2 |
18 |
Хлор |
200 |
65 |
Сурьма |
0,2 |
19 |
Хром |
200 |
66 |
Тулий |
0,2 |
20 |
Цирконий |
160 |
67 |
Индий |
0,1 |
21 |
Рубидий |
120 |
68 |
Серебро |
0,1 |
22 |
Ванадий |
110 |
69 |
Селен |
0,09 |
23 |
Никель |
80 |
70 |
Аргон |
0,04 |
24 |
Цинк |
65 |
71 |
Палладий |
0,01 |
25 |
Азот |
46 |
72 |
Золото |
0,005 |
26 |
Церий |
46 |
73 |
Неон |
0,005 |
27 |
Медь |
45 |
74 |
Платина |
0,005 |
28 |
Иттрий |
40 |
75 |
Гелий |
0,003 |
29 |
Литий |
30 |
76 |
Теллур |
0,002 |
30 |
Неодим |
24 |
77 |
Иридий |
0,001 |
31 |
Ниобий |
24 |
78 |
Осмий |
0,001 |
32 |
Кобальт |
23 |
79 |
Рений |
0,001 |
33 |
Лантан |
18 |
80 |
Родий |
0,001 |
34 |
Галлий |
15 |
81 |
Рутений |
0,001 |
35 |
Свинец |
15 |
82 |
Криптон |
2·10-4 |
36 |
Торий |
10 |
83 |
Ксенон |
3·10-5 |
37 |
Самарий |
7 |
84 |
Радий |
1·10-6 |
38 |
Гадолиний |
6 |
85 |
Протактиний |
9·10-7 |
39 |
Празеодим |
6 |
86 |
Актиний |
6·10-8 |
40 |
Гафний |
5 |
87 |
Полоний |
2·10-10 |
41 |
Диспрозий |
5 |
88 |
Радон |
6·10-12 |
42 |
Скандий |
5 |
89 |
Нептуний |
4·10-14 |
43 |
Бор |
3 |
90 |
Плутоний |
2·10-15 |
44 |
Бром |
3 |
91 |
Франций |
1·10-17 |
45 |
Иттербий |
3 |
92 |
Прометий |
<1·10-19 |
46 |
Олово |
3 |
93 |
Технеций |
<1·10-19 |
47 |
Эрбий |
3 |
94 |
Астат |
<1·10-19 |
Таблица 5. Средний химический элементный состав земной коры,
почв и организмов суши (по Виноградову)
-
Элемент
Содержание, % от массы
В земной коре
В почвах
В организмах
O
47,2
55,0
70,0
Si
27,6
20,0
0,15
Al
8,8
7,0
2·10-2
Fe
5,0
2,0
2·10-2
Ca
3,5
2,0
0,5
Na
2,64
1,0
2·10-2
K
2,5
1,0
7·10-2
Ti
0,6
0,4
8·10-4
H
0,15
5,0
10,5
C
0,10
5,0
18,0
Mn
9·10-2
6·10-2
7·10-3
P
7,8·10-2
8·10-2
7·10-2
S
5·10-2
4·10-2
5·10-2
Cl
4,8·10-2
0,1
4·10-2
Sr
4·10-2
2·10-2
1·10-3
Ba
3,9·10-2
1·10-2
1·10-4
Rb
3·10-2
1·10-3
5·10-5
F
2,7·10-2
1·10-2
8·10-5
N
2,3·10-2
0,1
0,3
Cu
1·10-2
5·10-4
1·10-4
Ni
1·10-2
3·10-3
5·10-5
Li
6,5·10-3
1·10-3
1·10-4
Zn
5·10-3
1·10-3
3·10-4
Pb
1,6·10-3
1·10-5
-
Mo
1,5·10-3
1·10-5
2·10-5
Co
1·10-3
3·10-4
1·10-5
B
3·10-4
8·10-4
1·10-3
Br
1,5·10-4
5·10-4
8·10-5
Se
6·10-5
1·10-6
-
J
3·10-5
1·10-4
1·10-5
Ra
1·10-10
1·10-12
2·10-13