Геохимийн исэлдэлт ба ангижралын процесс гэж юу вэ?
Геохимийн салбарт эрдэс бодис, чулуулаг, гүний ус, тэр ч байтугай гол мөрөн, далай дахь ууссан элементүүдэд тохиолддог олон өөрчлөлт нь электрон дамжуулалттай холбоотой химийн урвалуудаас хамаардаг. Энэхүү электрон дамжуулалтыг зохицуулдаг хамгийн үндсэн хоёр процесс бол исэлдэлт ба бууралт (ихэвчлэн исэлдэлтийн урвал гэж нэрлэдэг) юм. Исэлдэлтийн бууралтыг ойлгох нь чухал юм, учир нь эдгээр процессууд нь эрдэс бодисын тогтвортой байдал, металлын хөдөлгөөн, усны чанар, хүдрийн үүсэл, тэр ч байтугай хүрээлэн буй орчны шим тэжээлийн динамикийг тодорхойлдог. Энэ нийтлэлд геохимийн хүрээнд исэлдэлт ба бууралт гэж юу болох, тэдгээр нь хэрхэн ажилладаг, яагаад дэлхийн системд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг талаар авч үзэх болно.
Исэлдэлт ба бууралтыг ойлгох нь
Энгийнээр хэлбэл, исэлдэлт гэдэг нь электрон алдах үйл явц, харин бууралт гэдэг нь электрон авах үйл явц юм. Эдгээр хоёр үйл явц үргэлж хосоороо явагддаг: хэрэв бодис электроноо алдвал (исэлдвэл), өөр бодис эдгээр электроныг хүлээн авах ёстой (буурна). Тиймээс исэлдэн ангижрах урвал нь хоёр химийн зүйлийн хооронд электрон солилцох урвал юм.
Геохимийн практикт исэлдэлт ба ангижрал нь ихэвчлэн элементийн исэлдэлтийн тооны өөрчлөлттэй холбоотой байдаг. Исэлдэлтийн тоо нэмэгдэхэд элемент исэлддэг; исэлдэлтийн тоо буурахад ангижрдаг.
Энгийн жишээ:
– Төмөр (II) эсвэл Fe²⁺ нь Төмөр (III) эсвэл Fe³⁺ болж исэлдэж (электроноо алдаж) болно.
– Эсрэгээрээ, Fe³⁺-г Fe²⁺ болгон бууруулж болно (электрон хүлээн авах).
Байгалийн систем дэх исэлдэлтээс ангижрах нь: Зөвхөн "хүчилтөрөгчтэй урвалд орох" биш
"Исэлдэлт" гэсэн нэр томъёо нь хүчилтөрөгчтэй урвалд орсноос үүдэлтэй боловч геохимийн хувьд исэлдэлт гэдэг нь үргэлж "O₂-тай урвалд орох" гэсэн үг биш юм. Нитрат (NO₃⁻), сульфат (SO₄²⁻), эсвэл электрон хүлээн авах чадвартай зарим эрдэс бодис зэрэг бусад янз бүрийн исэлдүүлэгчидтэй харьцсанаас исэлдэлт үүсч болно.
Үүнтэй адилаар, бууралт нь үргэлж "хүчилтөрөгчийн алдагдал"-тай холбоотой байдаггүй. Бусад бодисуудад бууруулагч нөлөө үзүүлдэг органик материал, устөрөгчийн сульфид (H₂S), эсвэл төмрийн (II) ионууд зэрэг янз бүрийн бууруулагч бодисуудаар электрон нэмэх замаар бууралт үүсч болно.
Геохимид яагаад исэлдэн ангижрах урвал чухал вэ?
Исэлдэн ангижрах урвалууд нь хүрээлэн буй орчны хими, геологийн олон талыг хянадаг "хөдөлгүүрүүд" бөгөөд үүнд:
1. Элементүүд болон хүнд металлуудын хөдөлгөөн
Олон металл (жишээлбэл, Fe, Mn, As, U, Cr) нь исэлдүүлэх болон ангижруулах нөхцөлд өөр өөр уусах чадвартай байдаг. Исэлдүүлэх нөхцөлд зарим металлууд нь уусдаггүй исэл/гидроксидын эрдэс бодис үүсгэдэг; ангижруулах нөхцөлд зарим нь илүү уусдаг бөгөөд гүний усны урсгалаар амархан тээвэрлэгддэг.
2. Ашигт малтмалын үүсэл ба элэгдэл
Пирит (FeS₂) зэрэг сульфидын эрдэс бодисууд нь ус болон хүчилтөрөгчтэй харьцах үед исэлдэж, сульфат болон хүчиллэг үүсгэдэг. Энэ нь чулуулгийн элэгдлийн гол үйл явц бөгөөд хүчиллэг уурхайн ус зайлуулах зэрэг хүрээлэн буй орчны асуудлын эх үүсвэр юм.
3. Газрын доорхи болон гадаргын усны чанар
Исэлдэн ангижрах нөхцөл нь усанд ууссан төмөр, манган, аммиак, сульфид эсвэл нитрат болон ууссан хүчилтөрөгч агуулагдаж байгаа эсэхэд нөлөөлдөг. Исэлдэн ангижрах өөрчлөлт нь усны амт, өнгө, үнэр, хэрэглээний аюулгүй байдлыг өөрчилж болно.
4. Биогеохимийн мөчлөгүүд
Нүүрстөрөгч, азот, хүхэр, төмрийн мөчлөг нь ихэвчлэн бичил биетний зуучлалаар явагддаг исэлдэн ангижрах урвалаас ихээхэн хамаардаг.
Гол ойлголт: Исэлдэн ангижрах потенциал (Eh)
Геохимийн хувьд орчны исэлдэлтийн буюу бууралтын нөхцлийг ихэвчлэн Eh (исэлдэн ангижрах потенциал) гэж илэрхийлдэг бөгөөд ихэвчлэн вольт (V) эсвэл милливольт (mV) нэгжээр илэрхийлдэг.
– Өндөр Eh → илүү исэлдэлтийн орчин (O₂ гэх мэт олон исэлдүүлэгч бодисууд байдаг).
– Бага Eh → илүү бууруулагч орчин (хамгийн бага хүчилтөрөгч, давамгайлсан бууруулагч бодис, жишээлбэл, органик бодис).
Eh нь дангаараа оршдоггүй. Энэ нь рН, температур, уусмалын химийн найрлагатай холбоотой. Тиймээс геохимичид тодорхой нөхцөлд элементийн тогтвортой химийн хэлбэрийг урьдчилан таамаглахын тулд Eh-pH диаграмм (Пурбей диаграмм)-ыг ихэвчлэн ашигладаг - жишээлбэл, төмөр нь ууссан Fe²⁺, Fe³⁺ эсвэл гематит, гетит зэрэг эрдэс бодис хэлбэрээр тогтвортой байх эсэх.
Геохимийн чухал исэлдэн ангижрах процессуудын жишээнүүд
1. Пиритийн исэлдэлт ба хүчиллэг уурхайн ус зайлуулах суваг
Пирит (FeS₂) нь тунамал чулуулаг болон уул уурхайн бүсэд түгээмэл тохиолддог сульфидын эрдэс юм. Пирит нь хүчилтөрөгч болон усанд өртөхөд исэлдэж, сульфат болон устөрөгчийн ион (H⁺) үүсгэж, хүчиллэгжүүлэлт үүсгэдэг.
Ерөнхийдөө (хялбаршуулсан) урвал нь дараахь зүйлийг үүсгэж болно.
– сульфатын ион (SO₄²⁻)
– Fe²⁺/Fe³⁺
– H⁺ (рН-ийг бууруулдаг)
Нөлөөлөл нь маш чухал: бага рН нь бусад металлуудыг (Al, Mn, Zn, Cu) уусгаж, гол мөрнийг бохирдуулж, экосистемд хор хөнөөл учруулдаг.
2. Сульфатын ангижруулалт ба сульфидын үүсэлт
Хүчилтөрөгч багатай (хүчилтөрөгчгүй) тунамал орчинд сульфат бууруулагч бактери нь сульфатыг электрон хүлээн авагч болгон ашиглаж, сульфид (H₂S) үүсгэдэг. Энэ үйл явц нь намаг, нуурын ёроол эсвэл органик бодисоор баялаг далайн тунадасд түгээмэл байдаг.
Үр дүн:
– H₂S-ээс "ялзарсан өндөг" үнэр гарч ирнэ
– сульфидууд Fe²⁺-тай урвалд орж FeS эсвэл пирит (FeS₂) зэрэг эрдэс бодис үүсгэж, хүхэр болон төмрийг хатуу хэлбэрт оруулж чаддаг.
3. Газрын доорх усанд төмөр ба манганы хувирал
Уусмал хүчилтөрөгч багатай гүний усанд төмөр, манган нь илүү уусдаг Fe²⁺ ба Mn²⁺ хэлбэрээр оршдог. Энэ усыг гадаргуу дээр шахаж хүчилтөрөгчтэй холбогдох үед:
– Fe²⁺ нь Fe³⁺ болж исэлдэж, улаавтар хүрэн тунадас үүсгэдэг (төмрийн исэл/гидроксид)
– Mn²⁺ хар тунадас үүсгэж болно (манганы исэл)
Энэ нь зарим худаг яагаад анхандаа тунгалаг ус гаргадаг ч дараа нь өнгө нь өөрчлөгдөж, толбо үлдээдэгийг тайлбарлаж байна.
4. Азотын исэлдэлт: Нитрат, Нитрит ба Аммони
Хөрс ба усны системд:
– Исэлдэлтийн нөхцөлд азот нь ихэвчлэн нитрат (NO₃⁻) хэлбэрээр тогтвортой байдаг.
– Бууруулах нөхцөлд нитратыг денитрификжүүлэлтээр N₂ хий болгон бууруулж (агаар мандалд ялгардаг) эсвэл аммони (NH₄⁺) болж хувирдаг.
Энэ нь хөдөө аж ахуй болон гүний усны бохирдолд чухал ач холбогдолтой: нитрат нь уусдаг бөгөөд хөдөлгөөнтэй байдаг бол аммони нь хөрсний тодорхой хэсгүүдтэй илүү холбоотой байдаг.
Геохимийн исэлдэн ангижрах урвалд бичил биетний үүрэг
Байгаль дахь олон исэлдэн ангижрах урвалууд нь бичил биетнүүдээр огцом хурдасдаг. Тэд исэлдэн ангижрах урвалыг энергийн эх үүсвэр болгон ашигладаг, жишээлбэл:
– төмрийн исэлдүүлэгч бактери (Fe²⁺-г Fe³⁺ болгон хувиргах)
– төмрийг бууруулдаг бактери (Fe³⁺-г Fe²⁺ болгон хувиргадаг)
– сульфат бууруулагч бактери (SO₄²⁻ → H₂S)
– нитрификжүүлэгч ба денитрификжүүлэгч бактери (азотын хувиргалт)
Эдгээр бичил биетний нөлөө нь тунадас эсвэл гүний усны исэлдэн ангижрах нөхцөлийг хурдан өөрчлөхөд хүргэдэг, ялангуяа электрон донор болох органик материалын нөөц байгаа тохиолдолд.
Дүгнэлт
Геохимийн исэлдэлт ба ангижралын процессууд нь дэлхийн хүрээлэн буй орчин дахь олон элементийн химийн хэлбэр, уусах чадвар, хөдөлгөөнийг хянадаг электрон солилцооны урвалууд юм. Исэлдэлтийн нөхцөл (ихэвчлэн Eh-ээр хэмжигддэг) нь хүрээлэн буй орчин нь исэл, сульфид эсвэл тодорхой элементийн ууссан хэлбэрийг тогтворжуулах хандлагатай эсэхийг тодорхойлдог. Исэлдэлтийн урвал нь эрдэс бодисын өгөршил, хүдрийн үүсэл, газрын доорх усны чанар, бохирдол, нүүрстөрөгч, азот, хүхэр, төмөр, манган зэрэг биогеохимийн мөчлөгт гол үүрэг гүйцэтгэдэг. Исэлдэлтийн урвалыг ойлгосноор бид байгаль дахь геохимийн өөрчлөлтийг илүү сайн урьдчилан таамаглаж, байгаль орчны менежментийн стратеги боловсруулах боломжтой - жишээлбэл, хүчиллэг уурхайн ус зайлуулахаас урьдчилан сэргийлэх, бохирдуулагчийг хянах эсвэл усны чанарыг сайжруулах.
Хэрэв та хүсвэл би Eh-pH диаграммын энгийн жишээ, исэлдэлтийн тоог тооцоолох жишээ бодлого, эсвэл Индонезийн тохиолдлуудад (жишээлбэл, хүчиллэг нүүрсний уурхайн ус зайлуулах суваг, хүлэрт намаг, эсвэл гүний усны хүнцлийн бохирдол) илүү анхаарлаа хандуулсан нийтлэлийн хувилбарыг нэмж болно.
