ГЕОХИМИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕМНИЙ Четырехвалентный ион

ГЕОХИМИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

КРЕМНИЙ • Четырехвалентный ион кремния — главный катион литосферы. • В сочетании с анионом кислорода он дает целый ряд кристаллохимических структур, которые являются основой едва ли не всех породообразующих минералов.

• Природный кремний состоит из трех стабильных изотопов: • (92, 27%), • (4, 68%) • (3, 05%). • В процессе геохимического круговорота наблюдается небольшое смещение изотопных отношений кремния. Отношение изотопов колеблется в природных образованиях от 29, 37 до 30, 10. Среди магматических пород изотоп накапливается преимущественно в кислых породах, меньше его в основных.

• Кремний относится к главным химическим элементам космоса. Его средняя галактическая распространенность по сравнению с водородом оценивается отношением H/Si = 35 000 : 1. • В солнечной атмосфере Si занимает восьмое место. • Относительно высокая космическая распространенность кремния связана с ведущим значением изотопа как изотопа четного, возникающего, по данным астрофизики, в условиях звездной эволюции в процессе Не «сгорания» в термоядерных реакциях в красных гигантах. • Для образования изотопа необходимо объединение семи ядер гелия 7 Не → , что, вероятно, достигается путем последовательного присоединения гелионов к изотопу по схеме

• Для оценки относительного распространения кремния в различных природных телах В. Гольдшмидт предложил сравнивать его с распространенностью железа как мало летучего элемента и занимающего одно из ведущих мест в геохимии и космохимии. • По современным данным, распространенность кремния по сравнению с железом представляется в следующем виде (табл. ).

Таблица Распространенность кремния в сравнении с железом

• Данные таблицы указывают на резкую обогащенность кремнием верхних частей нашей планеты. • В целом Земля по сравнению с железом обеднена кремнием (если учесть их космическое соотношение). Даже в основных и ультраосновных породах кремния меньше, чем в солнечном веществе.

• Кремний образует повышенные концентрации в каменных (силикатных) метеоритах. • Подавляющее количество кремния метеоритов находится в виде кислородных соединений — преимущественно силикатов: оливинов, пироксенов. Очень редко в метеоритах кремний образует минерал муассанит Si. C (наблюдался в железном метеорите Каньон Диабло).

• Геохимические свойства кремния связаны с характером его внеш ней электронной оболочки, построенной по типу и состоящей из четырех электронов. • Эти электроны атом кремния легко теряет в процессе окисления и переходит в четырехзарядный катион • Ион кремния приобретает 8 электронную конфигурацию и становится типичным литофильным (оксифильным) элементом. • В сочетании с анионами кислорода кремний образует устойчивые комплексные анионы в виде тетраэдров. • Комбинация тетраэдров создает все известное разнообразие окислов кремния и радикалов силикатных минералов.

• В условиях земной коры кремний образует 500 минеральных видов, большая часть которых представлена силикатами. • Силикаты выступают как главные составные части изверженных горных пород, а также подавляющей части метаморфических (за исключением мраморов и кристаллических известняков) и глинистых осадочных пород. • Исключительно велико значение в химии земной коры окиси кремния Si 02, которая выступает в разных полиморфных модификациях. • Кроме давно известных кварца, тридимита и кристобаллита, получены новые модификации: коэсит, китит и стишовит, характерные для высоких давлений.

• Наиболее чистая природная разновидность кварца — горный хрусталь. • Окрашенные разновидности кварца представлены морионом (черный), раухтопазом (дымчатый), аметистом (фиолетовый), цитрином (желтый). • В природе широко распространены скрытокристаллические формы кремнезема — халцедон, агат, яшма, кремень, а также аморфные — опал, гейзерит.

• Комбинация кремнекислородных тетраэдров постепенно усложняется по мере остывания магмы и понижения ее температуры. • Падение температуры в процессе магматической эволюции сопровождается возрастанием процентного содержания воды и других летучих компонентов в жидкой фазе.

• Усложняющим фактором является замещение алюминием части кремния в кислородных тетраэдрах, которое способствует возрастанию отрицательного заряда. • Вода, определяющая присутствие водородных ионов в магме и контролирующая вхождение гидроксильиых ионов в амфиболы и слюды, также усложняет заключительные этапы кристаллизации магмы: образуются ювенильные гидротермальные растворы, несущие растворенный кремнезем, который в дальнейшем отлагается в виде кварцевых жил различного типа и вызывает окварцевание вмещающих пород, часто в больших масштабах. • Кварц выступает в качестве главного породообразующего минерала во многих рудных жилах.

• Кремневые отложения из гидротермальных магматогенных растворов бывают представлены аморфным водным гелем (опал). Он может отлагаться в вулканических районах, но в этих случаях горячая вода может быть атмосферного происхождения, нагретая на глубинах. • В магматических процессах иногда играют видную роль фтористые соединения кремния Si. F 4, выступая как летучие компоненты. Но они оказываются неустойчивыми и более или менее быстро превращаются в силикаты, содержащие изоморфную примесь фтора, например топаз Al 2 S 04(F, OH)2.

• На поверхности Земли коренные магматические породы, сложенные преимущественно силикатами, подвергаются выветриванию, которое в той или иной степени сопровождается выносом кремнезема. В коре выветривания наиболее устойчивой формой кремнезема остается кварц. • В ходе седиментации в результате преимущественно механической дифференциации он создает огромные толщи песков и песчаников. • Кремнезем разложившихся силикатов в аморфной форме представляет собой наиболее подвижную форму кремнезема земной коры, переходящую в раствор в природных водах. • По Б. Б. Полынову, Si 02 силикатов относится к подвижным компонентам в миграционных рядах главных породообразующих элементов. • Вся геохимическая история кремния в гипергенной зоне связана с деятельностью воды.

• Кремнезем в воде в принципе более растворим, чем это считалось раньше. • Так, при 0° в воде растворяется 50 80 х 10 4 % аморфного кремнезема Si 02, при 25°С – 100 140 х10 4%, при 100°С – 360 400 х 10 4%. • Растворы с такими концентрациями находятся в равновесии с кремневыми гелями или с коллоидами кремнезема. • Другие формы кремнезема (кварц, тридимит, кристобаллит и др. ) имеют более низкую растворимость. • В воде кремнезем находится в растворе в форме молекулы ортосиликатной кислоты H 2 Si 04. • При р. Н > 9 растворимость его резко возрастает в связи с диссоциацией H 4 Si 04 на ионы. • Если насыщенный раствор охлаждается, то избыток кремнезема относительно равновесной величины может оставаться во взвешенном состоянии в виде коллоида, не осаждаясь. • В кислых растворах этот коллоид весьма устойчив.

• Реакции растворения и полимеризации аморфного кремнезема протекают довольно медленно. • Это определяет длительность существования в природных условиях неравновесных растворов кремнезема с последующей его миграцией. Коллоиды Si 02 несут отрицательный заряд. Коагуляция коллоидного кремнезема происходит тогда, когда электролиты нейтрализуют заряд его частиц. • Кремнезем из истинных растворов может осаждаться при реакции с катионами, например с , а также благодаря деятельности живых организмов, строящих кремневые скелеты.