Распространенность химических элементов в Земле и ее оболочках.

Химические элементы в природе распространены крайне неравномерно. Первичная распространенность элементов на Земле представляет собой одну из проблем геохимии (и космохимии). Однако основная закономерность не вызывает споров: Вселенная состоит из одних и тех же элементов таблицы Менделеева. Качественный состав элементов, таким образом, известен, а вот количественный состав элементов в земной коре, в Земле в целом пока еще окончательно не определен.

В 1889 г. вышла первая работа Ф.У. Кларка, где он подсчитал количество в земной коре 10 элементов. В 1924 г. в соавторстве с Г. Вашингтоном вышла вторая работа Кларка, в которой были вычислены средние содержания уже 50 элементов.

В 1923 г. А.Е. Ферсман предложил термин кларк - количество данного химического элемента в определенной космохимической или геологической системе, выраженное в процентах от общего числа или объема атомов (атомные и объемные кларки) данной системы или ее веса (массы) - весовые кларки. Вычислением кларков занимались Г. Вашингтон, В.М. Гольдшмидт, Г. Хевеши, Ида и Вальтер Ноддаки (в 1925 г. открыли Re), В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов, В. Аренс, Д. Костер (в 1923 г. Костер и Хевеши открыли Hf) и др.

В 1898 г. И. Фогт в минералах и горных породах определил кларки металлов Mn, Ni, Со, Сг по отношению их к Fe, кларк которого уже был известен. Для оценки содержания цветных металлов (Си, Zn, Pb и др.) он использовал их цены на мировом рынке и потребление промышленностью.

Закономерности распространения элементов на Земле:

1. В целом распространенность элементов падает от начала к концу таблицы Менделеева, но не плавно, а скачками с «пиками» и «провалами». Элементы выше средней линии (в пиках) Ферсман назвал избыточными, а расположенные в провалах - дефицитными.

2. Преобладают легкие атомы; средний атомный вес земной коры 17,25.

3. По весовым кларкам наиболее распространенными элементами земной коры являются следующие (по А.Е. Ферсману):

0 - 49,13	Na – 2,40	C – 0,35	F – 0,08	Zr – 0,025
Si - 26,00	К – 2,35	Cl – 0,20	Ba – 0,05	V– 0,020
А1 - 7,45	Mg – 2,35	P – 0,12	N – 0,04	Ni – 0,020
Fe - 4,20	Н – 1,00	S – 0,10	Sr – 0,035	Zn– 0,020
Са – 3,25	Ti – 0,61	Mn – 0,10	Cr – 0,030	Cu – 0,010

Эти 25 элементов составляют 99,95% массы земной коры; из них первые 9 элементов составляют целые проценты.

4. Кислород - абсолютно преобладающий элемент.

5. После Fe (№ 26) нет ни одного широко распространенного элемента; с Си (№ 29) начинается «область малых величин».

6. Очень легкие элементы (Be, С, N) характеризуются низкой распространенностью. Из тяжелых элементов (ат. вес >119) повышенной распространенностью обладают Ва, La, Се, Nd, Gd, Pb, находящиеся на «пиках» логарифмической кривой).

7. Четные элементы распространены шире нечетных в 5 - 10 раз (закон Оддо - Гаркинса). Для первых по распространенности 9 элементов: весовые кларки четных элементов (О, Si, Fe, Са, Mg) составляют 85,54%, а кларки нечетных (А1, К, Na, Н) лишь 13,02%.

8. Широко распространены элементы, атомный вес которых делится на 4 без остатка (гелио группы) - закон Ферсмана кратности четырем. Такие элементы (О, Si, Са, Mg, Ti и др.).

9. Отмечается периодичность в распространенности: через 6 номеров следует более распространенный элемент О, Si, Са, Fe.

10. Элементы, имеющие числа протонов или нейтронов, равные 2, 8,20, 28, 50, 82 и 126, названные магическими или дважды магическими (с четным числом и протонов, и нейтронов) - самые распространенные.

Наши бытовые представления о распространенности элементов не всегда совпадают с реальными цифрами. Например, Zn и Си известны каждому и считаются распространенными, тогда как Zr и Ti в быту менее известны. Однако циркония в земной коре почти в 4 раза больше, чем меди, а титана - в 95 раз; свинца меньше, чем галлия; скандия больше, чем серебра и пр.

О составе и содержании элементов в какой-то конкретной горной породе можно судить по средним содержаниям химических элементов (кларкам) в главных типах пород (изверженных и осадочных).

 

Закон Гольдшмидта. Внутренние и внешние факторы миграции.

КЛАРКИ ЭЛЕМЕНТОВ— система усреднённых содержаний, характеризующих распространённость химических элементов в крупной геохимической системе (в земной коре, литосфере,атмосфере, гидросфере, биосфере, на Земле в целом или в космосе). Выражается в массовых, объёмных, атомных процентах (%), промилле (‰), миллионных частях (г/т) или по отношению к содержанию одного из элементов, наиболее распространённого, например кремния. Средние содержания ряда ведущих элементов в земной коре исследовались с 1815 английским учёным У. Филлипсом.

Основной геохимический закон В.М.Гольдшмидта. Согласно этому закону кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция – от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов. Это глубокое обобщение нуждается в некоторых коррективах: кларки земной коры зависят не только от строения атомного ядра, но и от химических свойств (строения электронных оболочек), т.к. сама кора является продуктом миграции – выплавления базальтов из мантии и других процессов. Все же важнейшие закономерности кларков зависят от строения атомных ядер (кислорода много, золота мало и т.д.). С другой стороны, и миграция элементов зависит не только от химических свойств, но и от кларков, которые во многом определяют содержание элементов в растворах и расплавах, их способность к осаждению, минералообразованию и т.д. Поэтому миграция элементов определяется как его химическими свойствами, так и величиной кларка.

 

Перемещения химических элементов на поверхности Земли и в ее недрах, которые приводят к рассеянию или концентрации, называются миграцией.

Миграция - одна из основных проблем геохимии. Как считает А.Е. Ферсман, «процессы миграции связаны со стремлением атомов к некоторому энергетическому равновесию и направлены в сторону поисков состояния с наименьшими запасами свободной энергии».

Миграция элементов может происходить в виде водных растворов, расплавов и газов, а также механическим путем (обломки пород) и подчиняется законам движения вещества в этих физических состояниях (жидком, твердом и газообразном). Миграция приводит к перемещению вещества, к изменению первоначальных концентраций и в итоге – к рассеянию или повторной концентрации, но уже в другой области земной коры.

Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние факторы миграции определяются строением атомов. От них зависит способность элементов давать летучие, растворимые или инертные формы. К ним относятся:

· электростатические свойства ионов:

- ионный потенциал – отношение заряда иона к его радиусу,

- энергетический коэффициент ионов);

· свойства связи соединений, включая строение кристаллической решетки (определяют способность соединения противостоять разрушению);

· химические свойства соединений (это уже с учётом условий среды – например, более высокой устойчивости кислородных соединений в большинстве гипергенных обстановок);

· гравитационные свойства атомов (проявляются при кристаллизации, седиментации, выветривании);

· радиоактивные свойства.

Внешние факторы миграции - ландшафтно-геохимические условия, определяющие поведение элементов в различных химических (окислительно-восстановительных, щёлочно-кислотных) обстановках:

· температура (в целом повышение ускоряет физико-химическую миграцию, а для некоторых видов миграции, например, биогенной, нужны определённые диапазоны температур);

· давление (повышение давления в равновесной системе приводит к изменению системы в сторону уменьшения объёма);

· степень электролитической диссоциации (зависит от соотношения свойств растворителя и растворяемого вещества, температуры раствора и его концентрации);

· концентрация водородных ионов, определяющая кислотность-щёлочность среды (pH);

· окислительно-восстановительный потенциал;

· поверхностные силы коллоидных систем (определяют масштабы селективной сорбционности);

· комплексы типоморфных ионов в почвах и водах (что такое типоморфные ионы – будет рассмотрено далее);

· геоморфологические факторы (рельеф);

· радиационные характеристики среды;

· жизнедеятельность организмов и техногенез – наиболее сложные по механизму влияния.

Результат миграции – это рассеяние и концентрация химических элементов.

 

 

Понятие о кларке вещества.

Кларки химических элементов - числа, выражающие среднее содержание элементов в литосфере, земном ядре, Земле в целом, атмосфере, гидросфере, живых организмах, породах Луны, атмосфере Солнца, звезд и т. д. Различают кларки химических элементов массовые (в %, г/т и др.) и атомные (в % от числа атомов). Для литосферы и океана кларки химических элементов установлены на основе вычисления среднего из анализов мн. тысяч образцов горных пород и вод. По А. А. Беусу (1981), 12 главных кларков (в % по массе) в литосфере (без осадочной оболочки): О 46,1; Si 26,7; Аl 8,1; Fe 6,0; Mg 3,0; Mn 0,09; Ca 5,0; Na 2,3; К 1,6; Ti 0,6; P 0,09; H 0,11; прочие 0,3. В земном ядре преобладают Fe (ок. 80%) и Ni (ок. 8%); в Земле в целом (на основе разл. допущений) - Fe (35%), О (30%), Si (15%), Mg (13%); в космосе - Н и Не. Элементы с кларками менее 0,01-0,001% наз. редкими, если при этом они обладают слабой способностью к концентрации - редкими рассеянными, напр. кларки U и Вr в литосфере соотв. равны 2,5.10-4 и 2,1.10-4%, но U - редкий элемент (известно 104 минерала, содержащих U), а Вr - редкий рассеянный (известен лишь один его собственный минерал). При анализе величин атомных кларки химических элементов выявляется еще большее преобладание кислорода и др. легких элементов.

По закону Кларка-Вернадского (о всеобщем рассеянии хим. элементов), в любом объекте прир. системы находятся все известные на Земле элементы. В литосфере и Земле в целом преобладают легкие атомы (включая Fe), в земной коре - элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, особенно с массами, кратными 4 (в них преобладают изотопы с массой, кратной 4). наиб. высокие кларки у элементов, атомные ядра к-рых содержат четное число протонов и нейтронов.

Согласно основному геохим. закону (В. Гольдшмидт), кларки химических элементов зависят от строения атомного ядра, а распределение элементов, связанное с их миграцией, - от строения электронных оболочек, определяющих хим. св-ва атомов. Однако это верно только для космоса в целом. Миграция элементов также зависит от кларков, к-рые во многом определяют содержание элементов в р-рах, расплавах, их способность к минералообразованию, осаждению.

Термин "кларк" предложен А. Е. Ферсманом в 1923, назван в честь амер. геохимика Ф. У. Кларка. В США и др. западных странах используют термин "распространенность хим. элементов".

 

Закон Кларка-Вернадского.

Кларки химических элементов - числа, выражающие среднее содержание элементов в литосфере, земном ядре, Земле в целом, атмосфере, гидросфере, живых организмах, породах Луны, атмосфере Солнца, звезд и т. д.

Гениальную мысль высказал В.И. Вернадский о рассеянии, о «всюдности» элементов: все элементы есть везде, всюду; в каждой песчинке или капле, как в микрокосме отражается общий состав космоса. Такое представление о всеобщем рассеянии химических элементов Н.И. Сафронов предложил назвать законом Кларка - Вернадского. По закону Кларка-Вернадского (о всеобщем рассеянии хим. элементов), в любом объекте прир. системы находятся все известные на Земле элементы

В литосфере и Земле в целом преобладают легкие атомы (включая Fe), в земной коре - элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, особенно с массами, кратными 4 (в них преобладают изотопы с массой, кратной 4). Наиболее высокие кларки у элементов, атомные ядра которых содержат четное число протонов и нейтронов.