Распространенность элементов
Одна из важнейших задач геохимии - определение распространенности химических элементов в земной коре. Собственно, с этих исследований во многом и началась геохимия как наука.
Долгое время распространенность различных простых веществ невольно связывалась с их практическим применением. С этой точки зрения должны были бы считаться распространенными все металлы древности.
Впервые попытался оценить средний химический состав земной коры в 1815 г. английский минералог В. Филлипс на примере, правда, всего лишь 10 элементов. В общем он правильно определил количественную последовательность распространенности их и показал, что в неорганической природе резко преобладают кислород и оксиды кремния, алюминия и железа, подобно тому как в живой природе “царствует” четверка элементов-органогенов: кислород, водород, углерод и азот. Открытие и изучение новых минералов, обнаружение в природе новых химических элементов закладывали все новые и новые “кирпичики” в фундамент будущего здания геохимии. То была эпоха накопления сведений. Затем наступило время обобщений. И здесь мы снова назовем имя Ф. Кларка. Современное название величин, характеризующих распространенность элементов, - кларки. Американский геохимик проделал титаническую работу. Он проанализировал данные по химическому составу большого количества минералов и горных пород: этих данных было более 5000. В 1889 г. Ф.Кларк опубликовал первую сводную таблицу среднего химического состава земной коры. Это было лишь начало. Спустя 20 лет появился гораздо более капитальный труд, в котором Ф. Кларк обобщил работы почти 1000 исследователей. В этом справочнике можно было найти данные о составе горных пород,, почв и вод. Вскоре Ф. Кларк с помощью геолога Г. Вашингтона произвел классический расчет среднего содержания химических элементов в условном слое земной коры толщиной 16км. Полученные данные для наиболее распространенных элементов q тех пор изменялись в незначительной степени. Вот для примера небольшая таблица.
ФИЗИЧЕСКАЯ РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ
| O | Si | Al | Fe | Ca | Na | K | Mg | Ti | H | P | Mn | F | S | Sr | Ba | C | Cl | Cr | Zr | Rb | V | Ni | Zn | N | Ce | Cu | Y | Li | Nd | Nb | Co | La | Ga | Pb |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 |
СОСТАВ ЛИТОСФЕРЫ (в % от массы земной коры)
| 1. O 46,60 | 8. Mg 2,09 | 15. Sr 0,045 | 22. V 0,0110 | 29. Li 0,0030 |
| 2. Si 27,72 | 9. Ti 0,44 | 16. Ba 0,040 | 23. Ni 0,0080 | 30. Nd 0,0024 |
| 3. Al 8,13 | 10. H 0,140 | 17. C 0,032 | 24. Zn 0,0065 | 31. Nb 0,0024 |
| 4. Fe 5,00 | 11. P 0,118 | 18. Cl 0,020 | 25. N 0,0046 | 32. Co 0,0023 |
| 5. Ca 3,63 | 12. Mn 0,100 | 19. Cr 0,0200 | 26. Ce 0,0046 | 33. La 0,0018 |
| 6. Na 2,83 | 13. F 0,070 | 20. Zr 0,0160 | 27. Cu 0,0045 | 34. Ga 0,0015 |
| 7. K 2,59 | 14. S 0,052 | 21. Rb 0,0120 | 28. Y 0,0040 | 35. Pb 0,0015 |
КЛАРКИ ЭЛЕМЕНТОВ (в % от массы земной коры)
| 1. O 49,50 | 8. Mg 1,95 | 15. S 0,048 | 22. Ni 0,015 | 29. Ce 0,0043 |
| 2. Si 25,80 | 9. H 0,88 | 16. N 0,030 | 23. Sr 0,014 | 30. Co 0,0037 |
| 3. Al 7,57 | 10. Ti 0,410 | 17. Rb 0,029 | 24. V 0,014 | 31. Sn 0,0035 |
| 4. Fe 4,70 | 11. Cl 0,190 | 18. F 0,028 | 25. Sn 0,012 | 32. Y 0,0026 |
| 5. Ca 3,38 | 12. P 0,090 | 19. Ba 0,026 | 26. Cu 0,010 | 33. Nd 0,0022 |
| 6. Na 2,63 | 13. C 0,087 | 20. Zn 0,021 | 27. W 0,0064 | 34. Nb 0,0019 |
| 7. K 2,41 | 14. Mn 0,085 | 21. Cr 0,019 | 28. Li 0,0060 | 35. Pb 0,0018 |
В сумме эти числа дают около 98%. Следовательно, на долю всех остальных элементов, существующих на Земле, приходится немногим более 2%. Словом, геохимия констатирует крайне неравномерное распределение химических элементов в земной коре.
А есть ли возможность оценить состав земного шара в целом, а не только его тонкой поверхностной “кожуры”? В принципе такая возможность - во многом, конечно, теоретическая - существует. Она требует учета большого количества физических и химических данных, и прежде всего выбора определенной гипотезы о внутреннем строении Земли. Например, можно предположить, что мантия и кора содержат вещество, состав которого в среднем близок к составу метеоритов. Одна из попыток рассчитать средний химический состав земного шара принадлежит американскому исследователю, Б. Мэйсону.
Вот предложенная им последовательность химических элементов (в % от массы): железо - 38,8, кислород - 27,17, кремний - 13,84, магний - 11,25, сера - 2,74, никель - 2,70, алюминий - 1,07, кальций - 1,07, натрий - 0,51, кобальт - 0,20. Такова первая десятка наиболее распространенных элементов земного шара.
Сравните эти числа с теми, что приведены в табличке.
Но вернемся снова к земной коре. Если выписать величины кларков химических элементов в соответствии с их порядковыми номерами в периодической системе, то обнаруживаются любопытные закономерности. Оказывается, все наиболее распространенные элементы располагаются в верхней части менделеевской таблицы: все те, что приведены в таблице, имеют сравнительно небольшие порядковые номера. Кларки элементов, расположенных за железом, колеблются в интервале Ю^-Ю"1^/). Но в общем среднее содержание элементов изменяется по мере увеличения зарядов ядер их атомов. Наиболее редкие радиоактивные элементы, кроме тория и урана, являются родоначальниками радиоактивных семейств (их кларки 1,3•10~3 и 2,5•10-4% соответственно). Все же другие природные радиоактивные элементы являются как бы вторичными продуктами радиоактивных последовательных превращений тория и урана. Если оценить суммарные “ресурсы” протактиния, радия, актиния, Франция, радона, астата, то в шестнадцатикилометровой толще земной коры их окажется немногим более 1 млн. т. Объясняется такой диссонанс просто. Торий и уран имеют очень большие периоды полураспада. Продукты их превращений, напротив, отнюдь не долгоживущи и потому не успевают накапливаться в сколь-нибудь ощутимых количествах. Впрочем, вопросы, связанные с поведением в земной коре радиоактивных элементов, изучает ядерная геохимия.
Широко распространено понятие редкие элементы, но достаточно четкого определения оно не имеет.
Обычно к этой геохимической группе элементов относят те, кларк которых имеет порядок 10. Однако такое представление довольно условно, в чем можно убедиться на следующем примере. Возьмем химический элемент германий с порядковым номером 32, один из той знаменитой “троицы” элементов, которые были предсказаны Д. И. Менделеевым. Его кларк превышает 10°/o, т.е. его на Земле значительно больше, чем многих металлов и неметаллов, открытых задолго до него. Случайно ли то, что германий был обнаружен только в 1886 г.? Если вспомнить историю, то он был выделен немецким химиком К. Винклером из очень редкого минерала аргиродита. Этот минерал-представитель крайне немногочисленной группы собственных минералов германия, т.е. таких, в которые он входит в качестве составной .части. Основные же запасы германия буквально распылены, рассеяны по многим другим минералам и рудам различных элементов. Германий и некоторые его геохимические “сородичи” (скандий, галлий, рубидий, цезий, индий, гафний, рений и др.) получили наименование рассеянных. Если обратиться к хронологии открытия химических элементов, то выяснится, что рассеянные элементы стали известны далеко не в первую очередь. Химический анализ должен был приобрести значительно большую “остроту зрения”, чтобы “разглядеть” незначительные примеси рассеянных элементов среди большой массы “обычных” веществ. Огромную роль здесь сыграл спектральный анализ, открытый в 1859-1860 гг.
Поддержите сайт, поставте на нас ссылку. | |
| Пример ссылки | Код ссылки |
| Мир химии | |
| Выбрать другой баннер... | |
