Ежесекундно на Земле вспыхивает в среднем 100 молний. И хотя каждая вспышка длится всего доли секунды, их общая электрическая мощность дости­гает 4 млрд. киловатт. Резкое повыше­ние температуры в канале молнии — до 20 000 °С — приводит к разрушению молекул азота и кислорода с образова­нием оксида азота NO. Последний за­тем окисляется атмосферным кислоро­дом в диоксид: 2NO+О₂=2NO₂, который в свою очередь, реагируя при избытке кислорода с атмосферной вла­гой, превращается в азотную кислоту: 4NO₂+2Н₂О+О₂=4HNO₃. В резуль­тате этих процессов ежедневно обра­зуется примерно 2 млн. тонн HNO₃ (или более 700 млн. тонн в год), и в виде сла­бого раствора выпадает на землю с дождями. Это количество «небесной» азотной кислоты интересно сравнить с её промышленным производством, к слову, одним из самых крупнотоннаж­ных. Оказывается, здесь человек дале­ко отстаёт от природы: мировое произ­водство азотной кислоты составляет около 30 млн. тонн в год.

Благодаря расщеплению молекул азота молниями на каждый гектар зем­ной поверхности, включая горы и пус­тыни, моря и океаны, ежегодно выпа­дает около 15 кг азотной кислоты. В почве, а частично и в атмосфере, она переходит в соли — нитраты, которые являются прекрасными азотными удоб­рениями и необходимы для роста рас­тений.

Организмам для жизни нужны вещества и элементы в определённых соотношениях. Например, когда растёт картофель, ему тре­буются азот, фосфор и калий в соотношении 9:4:16. Именно в таких пропорциях (с не­которыми вариациями) он и будет поглощать элементы из почвы. Если, допустим, соотношение доступных азо­та, фосфора и калия в почве 20 : 4 :20, то лишние азот и калий останутся в земле, а картофель вырастет ровно настолько, на­сколько ему хватит фосфора. И даже если залить поле азотны­ми удобрениями, урожай не поднимется. Чтобы урожай увели­чился, а азот и калий поглотились, нужно внести фосфорные удобрения, т. е. тот элемент, который находится в относительном недостатке.

На такую зависимость роста урожая от количества удобрений впервые обратил внимание немецкий химик Юстус Либих. В 1840 г. он сформулировал следующий принцип: «Рост организма ограни­чивается тем ресурсом, который находится в относительном недостатке (лимитирующим ресурсом)». Этот принцип получил на­звание закона Либиха, или «бочки Либиха» (по аналогии с бочкой, уровень воды в которой не может быть выше, чем высота самой низкой рейки). Закон Либиха помогает рассчитать оптимальное ко­личество удобрений, которые нужно вносить под ту или иную сель­скохозяйственную культуру. Этот же принцип позволяет предска­зать, что с увеличением стока соединений азота и фосфора в океаны (где эти соединения являются лимитирующим ресурсом) воз­растёт и поглощение углекислого газа океанскими организмами.

Биосфера состоит из живых организ­мов. Те организмы, которые прожива­ют в одной местности, связаны меж­ду собой многочисленными связями и формируют устойчивые сообщест­ва — биоценозы. Вместе с территори­ей обитания биоценозы образуют эко­системы. Именно по экосистемам и путешествуют элементы и вещества.

Живым организмам нужны энер­гия и строительный материал. Кроме того, и организмы, и экосистемы вы­нуждены поддерживать внутренние условия постоянными, даже если внешние сильно меняются, т. е. под­держивать гомеостаз.

Например, где бы ни жил человек и какую бы пищу он ни ел, концен­трация хлорида натрия в его крови будет постоянной. В организме чело­века всегда находится около 4—5 г железа, независимо от того, вегетарианец он или питается исключительно мясной пищей.

В организмах и экосистемах есть специальные механизмы, которые позволяют им получать из окружаю­щей среды нужные элементы и пре­пятствуют поглощению вредных ли­бо выводят вредные элементы, если уж они в организм попали. Так, все растения накапливают в первую оче­редь азот, фосфор и калий, тепло­кровные животные — железо и хлор, водоросли — медь. А такие элементы, как алюминий, титан, хром, организ­мами практически не поглощаются.

Элементы присутствуют в окружаю­щей среде не сами по себе, а в виде соединений, которые ещё называют химическими формами. Некоторые

Род проходит, и род прихо­дит, а земля пребывает вовеки. Восходит солнце, и заходит солнце, и спешит к месту своему, где оно восходит. Идет ветер к югу, и переходит к северу, кру­жится, кружится на ходу своем, и возвращается ветер на круги свои. Все реки те­кут в море, но море не пере­полняется: к тому месту, от­куда реки текут, они возвра­щаются, чтобы опять течь.

Устье реки, где речная вода смешивается с морской, в результате чего многие элементы переходят в другие формы, — мощный геохимический барьер. Река Колвица. Мурманская область.

Вещество на Земле не стоит на мес­те — оно постоянно перемещается. Масштабы потоков поражают своей грандиозностью. Так, за одну минуту

с поверхности океана испаряется 40 млн. тонн воды! Чтобы перевезти та­кую массу, не хватит всех цистерн, ко­торые курсируют по железным дорогам России. Потоки расплавленной магмы в земных недрах вызывают из­вержения вулканов, землетрясения и даже движение целых континентов. Потоки воды захватывают множест­во веществ, перемещая их на огром­ные расстояния. Одна только река Волга каждый год выносит в Каспий­ское море около 50 тыс. тонн раство­рённых солей, а это не менее десяти железнодорожных составов.

Из-за различий в свойствах ве­ществ они перемещаются по плане­те с разными скоростями, иными словами, отличаются по своей мигра­ционной способности. А из-за неод­нородности Земли миграционная способность одного и того же эле­мента неодинакова для разных облас­тей. В некоторых случаях это приво­дит к концентрированию отдельных элементов. Например, в ртутных ру­дах содержание ртути иногда превы­шает кларк в 100 тыс. раз!

Благородный берилл 3ВеО•Аl₂О₃•6SiO₂ принадлежит к числу популяр­ных драгоценных камней. Чистый, не содержащий примесей берилл бес­цветный, однако такие камни встречаются в природе крайне редко и не ис­пользуются в ювелирном деле. Наиболее распространены окрашенные бериллы. Их окраска обусловлена тем, что часть атомов бериллия и алю­миния в кристаллической решётке минерала замешена ионами переход­ных металлов. В зависимости от цвета различают несколько типов берил­лов, имеющих особые тривиальные названия.

Изумруд (смарагд) — это ярко-зелёный берилл. Эту окраску ему при­дают ионы хрома (Сr³⁺), которые частично замешают ионы алюминия (Аl³⁺) в кристаллической решётке минерала. Чем больше в изумруде ионов хро­ма, тем глубже, интенсивнее становится окраска. Обычно изумруды юве­лирного качества представляют собой мелкие кристаллы. Однако быва­ют и исключения. Самый крупный в мире изумруд, найденный в ЮАР на руднике Сомерсет, имел размер 14х35 см и массу 24 000 карат (4,8 кг). Увы, люди не пощадили это чудо, созданное природой: торговцы распи­лили камень на несколько частей.

Аквамарином называют берилл небесно-голубого, зеленовато-голубо­го или синего цвета (цвета морской воды: aqua marina — «морская во­да»). Считается, что окраска этого камня связана с частичным замеще­нием ионов бериллия и алюминия ионами железа (иона Fe²⁺ вместо Ве²⁺ и иона Fe³⁺ вместо Al³⁺). Гораздо реже в природе находят бериллы розо­вого и даже красного цвета (воробьевиты, их окраска связана с ионами марганца), а также оранжевые, жёлтые и лимонно-жёлтые (гелиодоры, жёл­тый цвет им придают ионы железа).

Кристалл кварца SiO₂ построен из кремнекислородных тетраэдров [SiO₄], которые расположены по спирали во­круг центральной оси (поэтому разли­чают левовращающие и правовращаю­щие кристаллы — т. е. кристаллы, которые вращают плоскость поляриза­ции света на определённый угол влево и вправо). Кварц встречается в приро­де не только в виде кварцевого песка, но и в виде красивых камней (найдены

кристаллы кварца весом более тонны), многие из которых издревле использо­вались человеком.

Горный хрусталь — это кристаллы бесцветного прозрачного кварца, по­хожие на бриллианты. Согласно древ­нему поверью, горный хрусталь обра­зуется под действием сильного холода. Недаром это слово происходит от гре­ческого «кристаллос» — «лёд».

Иногда в кварцитовой породе уда­ётся найти камень гораздо более лёгкий, чем его собратья. Если аккурат-

но распилить его на части, внутри обнаружится полость, поверхность ко­торой покрыта сросшимися друг с дру­гом необычайно красивыми фиолето­выми кристаллами — аметистами.

Окраска этих камней связана с час­тичным замещением ионов Si⁴⁺ в кри­сталлической решётке кварца на ионы Fe³⁺ (избыточный заряд компенсирует­ся ионами щелочных металлов или во­дорода). К сожалению, под действием солнечного света окраска аметистов становится более бледной.

Александрит — одна из разновидностей минерала хризоберилла ВеАl₂О₄. Многие века этому камню приписывали магиче­ские свойства: в Изборнике Святослава (1073 г.) его советуют носить на теле, что­бы уберечься от порчи и проказы.

Александрит является настоящим хамелеоном из-за своих необычных оптических свойств: в зависимости от освещения его окраска изменяется от изумрудно-зелёной (при дневном свете) до фиолетово-красной (при свете электрической лампы). Цвет кам­ня обусловлен примесями, в первую очередь ионов хрома Сr³⁺. Крупные кристаллы александрита редко встречаются в природе: кристалл размером 6х3 см уже считается выдающейся находкой.

Базальт состоит из тугоплавких мине­ралов, которые раньше других кри­сталлизуются при застывании. Поэто­му базальт, как правило, залегает на большой глубине, хотя иногда при разрушении верхних слоёв земной коры оказывается на поверхности.

Обычно базальт чёрного или тём­но-коричневого цвета. Механически он весьма однороден, а химически — очень стоек. Хотя составляющие базальт минералы (силикаты и алюмо­силикаты) считаются тугоплавкими по сравнению с другими, температу­ра плавления этой породы около 1250 °С — меньше, чем у железа. По­этому базальт используют как сырьё для каменного литья. Из литого базаль­та изготовляют химически стойкие ёмкости. Из него же делают минераль­ную вату — очень хороший теплоизолятор. Пятисантиметровая панель из такой ваты по тепло- и звукоизолиру­ющим свойствам равноценна кир­пичной стене метровой толщины.

Базальт.

Каолинит Al₂[Si₂O₅](OH)₄— основной глинистый минерал. Его кристалличе­ская решётка состоит из отдельных слоёв, связанных между собой водо­родными связями. Смешанный с во­дой каолинит становится пластичным-, в пространство между слоями проникает вода, и слои начинают скользить друг по другу.

Белую глину, или каолин (горную породу, образованную каолинитом), используют как сырьё для изготов­ления фарфора и фаянса. Мощные пласты каолина располагаются в Под­московье. Село Гжель, где эта глина выходит на поверхность, издавна сла­вилось своими керамическими изде­лиями (гжельская керамика).

Мел, мрамор и известняк с химической точки зрения одно и то же вещество — карбонат кальция, а точнее, одна из его кристаллических модификаций — кальцит.

Мел — это мягкая горная порода, ко­торую легко истереть в порошок. Мел используется в качестве белого пигмен­та в лакокрасочной и резиновой про­мышленности, в производстве порт­ландцемента, как пишущий материал.

Известняк обладает большей твёрдо­стью: издавна его использовали как материал для каменных сооружений. Большинство храмов великокняже­ской Москвы было построено из мячковского известняка, который добыва­ли у села Мячково на Москве-реке и на специальных судах доставляли к месту постройки. Недаром Москву в старину называли белокаменной. В настоящее время известняк служит ценным материалом при производст­ве цемента, в металлургии в качестве флюса (флюсом в металлургии называ­ют вещества, вводимые в шихту для связывания примесей, например Р₂О₅, SiO₂, в легкоплавкие шлаки,) и в хими­ческой промышленности при произ­водстве соды, хлорной извести, карби­да кальция.

При гниении растений в почву переходят составные части древесины — целлюлоза и лигнин. Многочисленные бактерии и некоторые грибы разла­гают полимерные молекулы целлюлозы до более коротких олигосахаридов, которые усваиваются растениями. Если бы не «старания» растительных и микроорганизмов, все леса были бы завалены отмершими, но не разложившимися стволами деревьев.

Лигнин — это разветвлённый полимер, содержащий ароматические звенья. Частично он усваивается бакте­риями, частично — превращается в гуминовые кислоты. Гуминовые кислоты возникают в процессе гумифика­ции — неполного разложения органических остатков. Дальнейшее окисление этих веществ до СО₂ и Н₂О в при­роде затруднено из-за отсутствия специфических фермен­тов, поэтому они накапливаются в почве.