Страница 18 из 83
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!
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.
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 и давлений, известняки уплотняются, меняют свою структуру и превращаются в мрамор. Это уже метаморфическая порода («метаморфоза» означает «превращение»). Поднятые над морем массивы известняков снова подвергаются атаке воды, углекислого газа, тепла — начинается новый цикл бесконечного путешествия кальция. Вот почему иногда говорят о круговороте кальция в природе.
Но вспомним, что путешествие кальция началось с разрушения алюмосиликатов, причем кальций не возвращается снова в такие соединения. А это значит, процесс идет необратимо, и то, что мы называем циклом, кругом, круговоротом, — достояние лишь определенного геологического периода.
Кальций, кроме того, играет огромную роль в круговороте углерода: 99,82 процента углерода земной коры содержится в осадочных породах, то есть в значительной степени связано именно с кальцием.
Представим себе, что жизнедеятельность растений и животных, горение и другие процессы не возобновляли бы в атмосфере запасы углекислого газа. Тогда потребовалось бы всего 1800 лет, чтобы весь наличный CO2 был бы связан кальцием и другими металлами.
Ну, а что же «бедные родственники» кальция — барий и стронций? Их судьба похожа на судьбу кальция. Эти элементы тоже в виде сульфатов и карбонатов попадают в воду и затем в осадочные породы. В общих чертах они путешествуют по тем же «маршрутам», что и их вездесущий родственник.
Когда человек, не довольствуясь уже готовыми дарами природы, начал строить каменные жилища сам, по-видимому, в качестве строительного материала он использовал прежде всего известняк. Ведь его много, он достаточно прочен и в то же время легче поддается обработке, чем другие твердые породы.
Из известняковых плит сложены знаменитые египетские пирамиды. Наши южные города — такие, как Одесса, Евпатория, — строились из известняка. А Москва — ведь она потому и называлась белокаменной, что стены ее слагались из подмосковных известняков!
Сооружения древних времен возводились без применения каких-либо веществ, скрепляющих, «склеивающих» камни друг с другом. Прочность кладки обеспечивалась идеальной подгонкой, пришлифовкой камней. Трудно себе даже представить, какую титаническую работу приходилось при этом проделывать. Готовить вяжущие материалы люди научились гораздо позже. И в этом им снова пришел на помощь кальций.
Если природный гипс CaSO4·2H2O нагреть до 150 градусов, то часть его кристаллизационной воды удаляется. Получившийся гидрат с меньшим содержанием воды 2CaSO4·2H2O может «возвратить» себе потерянную воду. Практически такой «жженый», как его называют, гипс, или алебастр, размешивают с водой и полученную массу используют в качестве вяжущего материала для штукатурных работ и т. д. По мере того как вода «возвращается» в молекулу кристаллогидрата, происходит затвердевание массы.
Если нагреть гипс выше 500 градусов, он полностью обезвоживается и теряет способность присоединять воду обратно. За это его и называют «мертвым» гипсом. Если же продолжать нагревание, доводя температуру до 1000 градусов и более, то получается новый вяжущий материал — так называемый гидравлический гипс. Это уже более сложное вещество: прокаливание при такой высокой температуре ведет не только к полной потере воды, но и к частичной потере серного ангидрида, который был связан в молекуле гораздо прочнее, чем кристаллизационная вода. Теперь образуется соль, в которой количество основного окисла CaO превышает количество кислотного окисла SO3. Нормальная соль CaSO4 превратилась в основную, состав которой выражается приближенной формулой xCaSO4·yCaO.