Ферсман: Занимательная геохимия. Химия земли

КАЛИЙ—ОСНОВА ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ

Калий — характерный щелочной элемент, занимающий довольно низкое место в Менделеевской таблице, в первой ее группе. Это типичный нечетный элемент, так как характерные его показатели нечетны: порядковый номер, то есть число электронов, из которых слагается электронная оболочка,— 19, атомный вес — 39. Он образует прочные связи лишь с одним атомом галоида, например хлора; как мы говорим, его валентность равна единице. Как нечетный элемент калий имеет с тем характеризуется значительной величиной своих заряженных частиц шарообразной формы, а это, вместе с его нечетностью, вызывает постоянное стремление к странствованию, особую подвижность его заряженных электрических клубков.

Неудивительно поэтому, что вся история калия в земле связана, так же как и судьба его друга натрия, с исключительной подвижностью и сложными превращениями.

Свыше ста минералов образует он в земной коре и входит в небольшом количестве в состав еще сотни других минеральных видов. Его среднее содержание в земной коре приближается к 2,5%. Это цифра большая, и она показывает, что калий вместе с натрием и кальцием принадлежит к элементам, преобладающим в окружающей нас природе.

В сложном геологическом прошлом нашей планеты история калия очень интересна. Она изучена детально, и мы можем сейчас нарисовать все те пути, которые проходят атомы калия, пока они снова не вернутся к началу своих странствований, завершив свой сложный жизненный круговорот.

Когда застывают в глубинах расплавленные магмы и отдельные элементы распределяются в них по своей подвижности, своей способности к странствованию, к образованию летучих газов или подвижных легкосплавных частиц,— калий принадлежит к последним. Он не выпадает в тех первых кристаллах, которые раньше других образуются в глубинах нашей Земли; мы почти не встречаем его в зеленых оливиновых глубинных породах, из которых сложены сплошные пояса земных недр. Даже в базальтовых массах, которые подстилают океаны, калия мы встречаем не больше чем 0,3%.

В ходе сложной кристаллизации расплавленных магм в верхних их частях накапливаются более подвижные атомы Земли; здесь больше мелких, сильно заряженных ионов кремния и алюминия; здесь много нечетных атомов калия и натрия и летучих соединений воды.

Из этих расплавленных остатков образуются те горные породы, которые мы называем гранитами. Они покрывают громадные участки земной поверхности, представляя собой плавающие на базальтах материки.

Таким образом, колыбелью атомов калия на Земле являются граниты и кислые лавы изверженных горных пород.

Мы знаем, как на поверхности Земли они разрушаются водой, воздухом, той угольной кислотой, которой насыщены атмосфера и вода, как внедряются в них корни растений, разъедая отдельные минералы выделяемыми ими кислотами.

Тем, кто бывал в окрестностях Ленинграда, приходилось видеть, как легко разрушаются градиты на выходах и в валунах, как выветриваются их минералы, тускнеет порода, и чистые кварцевые пески в виде дюн накапливаются как остатки от некогда мощных гранитных массивов. Разрушается при этом и полевой шпат. Вода и углекислота земной поверхности извлекают из него атомы натрия и калия, оставляя своеобразный скелет листоватого минерала и образуя сложные, породы, которые мы называем глиной.

С этого момента начинаются новые пути странствования наших двух друзей — калия и натрия. Впрочем, они друзья только до этого момента, ибо после разрушения гранита у каждого из них начинается своя собственная жизнь. Натрий легко выминается водами; его ионы не задерживаются среди образовавшихся глинистых осадков. Они выносятся ручьями и реками в большие моря и там образуют тот хлористый натрий, который мы называем поваренной солью и который является главным исходным сырьем нашей химической промышленности.

Но судьба калия иная. В морских водах мы находим его лишь в небольших количествах. В самих породах натрия и калия содержится примерно одно и то же число атомов, но из тысячи атомов калия только два доходят до морских бассейнов, а 998 остаются поглощенными в почвенном покрове, в илах, в осадках морских бассейнов, болот и рек. Почва поглощает калий, и в этом ее чудодейственная сила.

Известный русский почвовед академик К. К. Гедройц. первый разгадал геохимическую природу почвы. Он нашел в ней те частицы, которые задерживают различные металлы, в особенности калий, и доказал, что плодородие почвы во многом зависит от атомов калия, которые связаны в ней так легко и так свободно, что каждая клетка растения может эти атомы поглощать и использовать для своей жизни. И вот, поглощая эти плохо закрепленные, как бы свободно висящие на ниточках атомы калия, растение создает свои ростки.

Исследования показали, что калий вместе с натрием и кальцием легко извлекаются корнями растений.

Без калия растение жить не может. Мы еще не знаем точно, почему это так и какую роль играет калий в растительном организме, но опыты показали, что без калия растения вянут и гибнут.

Впрочем, не только растениям необходим калий,— он входит как существенная часть также и в животные организмы. Так, например, в мышцах человека калий преобладает над натрием. Особенно много калия в мозгу, печени, в сердце и почках. Можно отметить, что калий особенно важен в период роста и развития организма. У взрослого человека потребность в калии значительно уменьшается.

Один из циклов своей миграции калий начинает из почвы. Он извлекается из нее корнями растений, накапливается в их отмерших остатках, переходит частично в организм животного или человека и с перегноем вновь возвращается в почву, из которой его извлекла живая клетка.

Большая часть калия проходит именно этот путь, но отдельным атомам удается достигнуть больших океанов и вместе с другими солями обусловить соленость морской воды, хотя в ней все же атомов натрия в сорок раз больше, чем калия.

Здесь начинается второй цикл странствования атомов калия.

Когда большие области океанов начинают высыхать под влиянием движений земной коры, от них отделяются или мелководные моря, или отдельные озера, лиманы, лагуны, заливы,— образуются соляные озера вроде Сакского озера или озер у

Многолетняя пшеница на полях, удобренных солями калия, фосфора

и азота.

Евпатории на побережье Черного моря. В жаркие летние месяцы испарение воды оказывается настолько сильным, что соль из воды выпадает, выбрасывается волнами на берег и иногда накапливается на дне совершенно высохших озер в виде сверкающей белой пелены. При этом разные соли выпадают в определенной последовательности: сначала на дне кристаллизуется углекислый кальций, потом гипс (сернокислый кальций), затем хлористый натрий, то есть поваренная соль. В бассейне остается необычайно насыщенный солями рассол, который у нас на юге называется «рапой» и в котором содержатся десятки процентов различных солей и особенно солей калия и магния.

Оказывается, что калий еще более подвижен, чем натрий; проявляются свойства его больших шаровых атомов, и он продолжает свои странствования, пока еще более горячее дыхание солнца до конца не выпарит чаши озер и пока на поверхности соляных месторождений не выпадут белые и красные калиевые соли,— так образуются калиевые месторождения.

В земной коре возникают иногда крупнейшие скопления калиевых солей, которые так нужны человеку для промышленности.

Здесь уже не таинственные силы почвы, не растения определяют пути калия, не солнце южных стран накапливает его на берегах соляных озер,— здесь в промышленности сам человек является агентом нового, громадного цикла странствования его атомов.

Около ста лет тому назад один из крупнейших химиков — Юстус Либих,— наблюдая роль калия и фосфора в растениях, сказал крылатые слова: «Без этих двух элементов не может быть плодородия наших полей». Ему пришла тогда в голову фантастическая для тех времен мысль, что нужно удобрять поля, нужно искусственно вносить в них разные соли,— калий, азот, фосфор,— рассчитав, сколько их нужно для того, чтобы растение могло их использовать.

Его идея была встречена с недоверием специалистами сельского хозяйства 40—50-х годов прошлого столетия; она казалась «затеей ученого», тем более, что калиевая селитра, привозившаяся на парусных судах из Южной Америки, которую он предлагал использовать для удобрения, была чрезмерно дорога и не находила себе сбыта. Источники фосфора не были известны, а предлагавшийся Либихом размол костей давал слишком дорогие удобрения. Не знали, как использовать и калий, и только изредка, собирая золу растений, рассеивали ее по полям. У нас на Украине издавна сжигали остатки стеблей кукурузы, и полученную золу рассеивали по полям, дойдя собственным .умом, без помощи науки, до мысли о значении этой золы для урожаев.

С тех пор прошло много лет, и вопросы удобрения превратились в одну из ванснейших задач всех стран мира; плодородие почв в значительной степени стало зависеть от того, сумеет ли человек внести в них достаточное количество тех веществ, которые растения извлекли из почвы и которые человек увез с полей в виде зерна, соломы и плодов. И оказалось, что сейчас калий сделался одним из самых нужных элементов мирного труда и сельского хозяйства.

Достаточно оказать, что такие страны, как Голландия, расходовали в 1940 г. на гектар до 42 т окиси калия. Правда, в других странах эта цифра значительно меньше; в Америке вносят всего около четырех тонн на гектар.

Крупные агрохимики говорят, что мы в нашей стране должны рассеивать па полях не менее одного миллиона тонн окиси калия в год.

И перед человечеством встала задача — найти крупные месторождения калиевых солей, научиться их добывать и приготовлять из них удобрения.

Долгое время всей калиевой промышленностью мира владела Германия. В горах Гарца, на его восточных склонах, были открыты месторождения знаменитых стасфуртских солей; из северной Германии соли калия развозили по всем странам сотни тысяч поездов.

С этим не могли мириться те государства, для которых сельское хозяйство являлось жизненным нервом страны. Много лет, много сил и энергии потратила Северная Америка, пока она открыла у себя небольшое калиевое месторождение; некоторого успеха добились французы, открыв в долине Рейна калиевые залежи; пока шли поиски калия, стали использовать калиевые минералы из изверженных пород Италии. Но все это было ничтожно по сравнению с тем количеством, которое требовалось для истощенных почв.

Много лет русские исследователи стремились найти на территории нашей страны месторождения калия. Отдельные догадки не давали результатов, пока упорный труд целой школы молодых химиков под руководством академика Н- С. Курнакова не привел к открытию самых грандиозных в мире месторождений калия. Находка произошла случайно, но случайность в научной работе обычно все же связана с долгим подготовительным трудом, а «случайное открытие» почти всегда является просто последним шагом в долгой борьбе за определенную мысль, наградой за упорные, долгие поиски.

Так было и с открытием калия. Академик Курнаков изучал много десятков лет соляные озера нашей страны, и его мысль упорно искала, где в недрах земли можно найти остатки древних калиевых озер. Работая в химической лаборатории над составом соли старых соляных варниц Пермского края, Николай Семенович Курнаков заметил в некоторых случаях повышенное содержание калия.

Но есть еще одна маленькая черта у этого элемента, на которую следует обратить внимание. Любопытно то, что один из изотопов калия обладает свойствами радиоактивности, правда, в очень слабой степени, т. е. он оказывается неустойчивым,— сам по себе выделяет различные лучи и превращается в атомы другого вещества, которое при дальнейших группировках образует атомы кальция.

Долгое время это явление оставалось недоказанным, но потом оказалось, что действительно этот самый калий с атомным весом 40 играет большую роль в жизни Земли, так как при превращении неустойчивых атомов калия в атомы кальция выделяется значительное количество тепла. Наши радиологи подсчитали, что по крайней мере 20% всего тепла, которое образуется в Земле под влиянием распада атомов, относится к соединениям калия, а отсюда и огромная роль распада атомов калия в тепловом хозяйстве нашей Земли.

Понятно, что биологи и физиологи попытались выяснить значение этих свойств в проблеме жизни самого растения и высказывали мысль, что чудодейственная и непонятная пока любовь растений к калию связана с тем, что атомы калия своими

 Не нужно путать электрон-сплав с электроном — частицей отрицательного электричества; это только случайное совпадение слов.

излучениями оказывают какое-то особое влияние на жизнь и рост клетки.

Много было сделано опытов в этом направлении, но до сих пор они не привели к каким-либо определенным результатам. По всей вероятности, роль этих разлагающихся атомов калия и их излучений весьма значительна и вызывает ряд особенностей в росте и развитии живой клетки и всего организма.

 Таковы странички из геохимии калия, этого нечетного, блуждающего химического элемента. Такова история его странствования и круговорота на Земле.

О каждом химическом элементе можно рассказать такую же историю его странствований в недрах, на поверхности Земли, в промышленности, но для многих из них отдельные звенья истории ускользают пока от взоров исследователя; для многих можно написать лишь отдельние отрывки; и геохимику будущего предстоит задача — свести их в стройный, последовательный рассказ. История калия более ясна, потому что все эпохи в жизни этого важного элемента для нас очевидны.

Мы не только знаем его историю, но имеем в своих руках могучее орудие для поисков его месторождений, для технологии его использования, и еще таинственной остается для нас только его роль в живом организме,— пожалуй, самая интересная и самая важная страница его истории!