ПЛАН 1 Понятие о кларке вещества 2 Закон

ПЛАН: 1. Понятие о кларке вещества. 2. Закон Кларка-Вернадского. 3. Распределения химических элементов в земной коре.

Современная периодическая система Д. И. Менделеева включает в себя 114 элементов, но в природе, в том числе в ландшафте, известны лишь 89, т. к. №№ 43 (Tc - технеций), 85 (At - астат), 87 (Fr - франций) и 93 – 114 получены искусственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределения элементов миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содержание кислорода велико, а золота и платина мало. Закономерности в распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже ХХ в. В честь американского химика Ф. Кларка, посвятившего более 40 лет решению данной проблемы, А. Е. Ферсман предложил в 1923 году среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть кларком.

Главная особенность распространенности элементов установлена – это огромная контрастность кларков. Так, почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента кислорода. 1. О (кларк 47 %). 2. Si (29, 5), 3. Al (8, 05). В сумме они составляют 84, 55%. Если к этому числу добавить Fe (4, 65), Са (2, 96), Na (2, 50), К (2, 50), Mg (1, 87), Ti (0, 45), то получим 99, 48 %, т. е. практически почти всю земную кору.

Остальные элементы занимают менее 1 %. Кларки большинства элементов не превышают 0, 01 – 0, 0001 %. Это редкие (U, Sn, Mo и др. ) и редкие рассеянные (Br, In, Ra, J, Hf, Re, Sc и др. ) элементы. Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2, 5. 10 -4 и 2, 1. 104 %), но U просто редкий элемент, так как известно много урановых минералов, разнообразные его месторождения, а Br – редкий рассеянный, так как он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента. Систематизированная коллекция урановых минералов и руд Бром как примесь существует в составе бромаргирита

В геохимии употребляется также термин “микроэлементы”, под которыми понимаются элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (порядка 0, 01 % и менее). Так, Al — микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.

В начале ХХ столетия В. И. Вернадский пришел к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов, о том, что “все элементы есть везде”. В 1909 г. на ХII съезде русских естествоиспытателей и врачей он говорил: “В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те же элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с улучшением и уточнением методов исследования. При их улучшении мы находим Na, Li, Sr там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в меньших пробах, чем делали раньше. История Ni, V, Au, U, He, иттроцеровой группы и т. д. приводит нас к одинаковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы; они собраны в состоянии величайшего рассеяния. . . ”.

все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе. Это положение о всеобщем рассеянии химических Итак, элементов Н. И. Сафронов предложил именовать законом Кларка. Вернадского.

Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в миллиарды миллиардов раз (n∙ 10 – n∙ 10 -16). Обычные представления, почерпнутые из повседневного опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, Zn и Cu широко распространены в быту и технике, а Zr для нас – “редкий элемент”. Вместе с тем Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Cu. “Редкость” Zr объясняется трудностью его извлечения из руд, которая была полностью преодолена только в середине ХХ века, когда разработали технологию эффективного получения этого элемента. Он стал широко использоваться в промышленности. Мы еще только привыкаем к нему, а с Cu человечество познакомилось тысячелетия назад в “бронзовый век” (бронза – сплав Cu с разными металлами). цирконий бронза

Когда был установлен средний состав земной коры, естественно, возник вопрос – в чем причина столь неравномерной распространенности элементов, почему одних много, а других мало? Эту причину стали искать в особенностях строения атомов. Напомним, что атомы состоят из ядра и электронной оболочки, причем электроны, наиболее удаленные от ядра, определяют химические свойства элемента. Естественно, возникло предположение, что кларки элементов связаны с их химическими свойствами, т. е. зависят от строения внешних электронных орбит атомов (числа валентных электронов и т. д. ). Однако оказалось, что это не так.

Например, щелочные металлы – Li, Na, K, Rb, Cs, Fr в химическом отношении близки другу – одновалентны (на внешней орбите один электрон), образуют едкие щелочи, легкорастворимые соли и т. д. Кларки же их резко различны: Na и К в земной коре много (2, 50 %), Rb мало (1, 5∙ 10 -2), Li еще меньше (3, 2∙ 10 -3), s очень редок (3, 7∙ 10 -4), а Fr отсутствует и был получен искусственно. Аналогично резко различны кларки у таких химически близких элементов, как галогены (F, Cl, Br, J, At), у Si (29, 5) и Ge (1, 4∙ 10 -4), Ba (6, 5∙ 10 -2) и Ra (2∙ 10 -10). С другой стороны, разные элементы имеют близкие кларки – металл Mn (0, 1) и типичный неметалл Р (0, 093), щелочной металл Rb (1, 5∙ 10 -2) и Cl (1, 7∙ 10 -2).

Поэтому кларки не зависят от химических свойств элементов или, точнее, в основном не зависят. Тогда мысль исследователей обратилась к другой части атома – его ядру, состоящему из протонов и нейтронов. Выявилось, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. После Fe (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком. Эта закономерность была отмечена еще Менделеевым, который писал в 1869 г. , что “распространеннейшие в природе простые тела имеют малый атомный вес. . . ”. Другую особенность распространенности элементов установили итальянский ученый Оддо и американский – Гаркинс, которые отметили, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, т. е. у которых атомные ядра содержат четное число протонов и нейтронов.

Среди соседних элементов у четных кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для первых по распространенности 9 элементов кларки четных составляют в сумме 86, 43, а кларки нечетных – лишь 13, 03 %. Итак в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это O, Mg, Si, Ca и т. д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4. Поскольку речь идет о среднем составе, понятно, что эта закономерность не зависит от геологических процессов, определяющих образование гранитов, базальтов, известняков и других пород, отдельных типов вод.

То есть распространенность химических элементов в основном связана не с земными, а с космическими причинами – она унаследована Землей от космической стадии, когда еще до образования планеты, т. е. свыше 4, 5 млрд. лет назад, существовало протопланетное облако с температурой в десятки миллионов градусов. В этом облаке не было атомов и тем более молекул, вещество представляло собой плазму, т. е. полностью ионизированный газ, состоящий из электронов, протонов, нейтронов. При понижении температуры в плазме синтезировались ядра атомов, в первую очередь легких, содержащих четное число протонов и нейтронов.

В отличие от Земли главным элементом космоса является Н, взаимодействие ядер которого в центральных частях звезд при температурах в десятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер Не. Поэтому Вселенная в основном имеет водородногелиевый состав.

Синтез более тяжелых ядер имел подчиненное значение – распространенность их в звездах (в том числе на Солнце) много меньше, чем Н и Не. Наибольшее значение опять-таки имел синтез легких ядер, особенно четных (содержащих четное число протонов и нейтронов), – О с атомной массой 16, Са с атомной массой 20 и т. д. Синтез тяжелых ядер, включающих большое число протонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра часто оказывались неустойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть этих ядер не полностью разрушилась и дожила до наших дней. Сейчас, как и миллиарды лет назад, они превращаются в ядра более легких элементов. Это явление радиоактивности было открыто в самом конце ХХ в. в Париже Пьером и Марией Кюри.

Помимо Ra (радия) радиоактивность характерна для U (урана), Th (тория), K (калия), Rb (рубидия), Re (рения) и некоторых других элементов. Содержание их в земной коре миллиарды лет назад было выше, чем сейчас. Некоторые тяжелые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на Земле мы не знаем соответствующих элементов. Они были получены искусственно, часть открыта в звездах. Это Tc (технеций, № 43), At (астат, № 85), Cm (кюрий, № 96), Bk (берклий, № 97), Cf (калифорний, № 98) и др. трансурановые элементы. Таким образом, главная закономерность распространенности элементов – преобладание легких атомов. Она связана со строением атомных ядер, их устойчивостью, ядерным синтезом в центральных частях звезд.

Звездная материя, прежде чем превратиться в земное вещество, прошла длительную историю, дифференциацию, в которой важную роль играли химические свойства элементов, определяемые электронным строением атомов. Поэтому твердая земная кора по составу сильно отличается от звезд и, в частности, от Солнца. Если Солнце, как и другие звезды, состоит из Н и Не с незначительной примесью других элементов, то Земля почти утратила свой “космический” Не, который, будучи легким и инертным элементом, улетучился в мировое пространство. Утеряна и часть Н, в то время как другая часть его атомов соединилась с О и образовала воду – гидросферу планеты. Более тяжелых элементов в звездах меньше, но именно они образуют основную массу Земли. Это в первую очередь легкие элементы начала периодической системы. Самых тяжелых мало и на Земли.

Различная распространенность химических элементов в земной коре определяет различия их поведения в природе и лаборатории. Так, хорошо известна химическая близость S и Se, входящих в VI группу периодической системы. Оба элемента поливалентны (S 2 -, S 0, S 4+, S 6+, Se 2 -, Se 0, Se 4+, Se 6+), образуют соединения-аналоги – сероводород Н 2 S и селеноводород Н 2 Se, сульфиды и селениды, сульфаты (соли Н 2 SО 4) и селенаты (соли Н 2 Sе. О 4). Вместе с тем в земной коре, биосфере и ландшафтах роль обоих элементов резко различна, что объясняется сравнительно высоким кларком S (4, 7∙ 10 -2 %) и очень низким Se (5∙ 10 -6). Действительно, S – ведущий элемент многих процессов, Se – нет. Сероводород играет огромную роль в земной коре, обуславливая накопление пирита в осадках, формирование месторождений Pb, Zn, Cu, Cd и других металлов. Селеноводород не имеет существенного значения. Для S характерна минеральная форма нахождения, для Se – неминеральная и т. д. Иначе говоря, геохимия S и Se имеет меньше общих черт, чем их химия. То же можно сказать о Na и Cs, Ca и Ra, Si и Ge.

Способность к минералообразованию, количество самостоятельных минеральных видов, с одной стороны, зависит от химических свойств элемента, а с другой – от его кларка. У Са кларк 2, 96 и известно 385 минералов, а у его химического аналога Ra нет ни одного собственного минерала, у К кларк 2, 50 и 106 минералов, у Rb кларк 0, 015 – минералов нет у S кларк 0, 04 – минералов 369 Se кларк 5∙ 10 -6 – минералов 37 и т. д.

Е. М. Квятковский элементы с большой способностью к минералообразованию назвал минералофильными (уран, сера, селен и др. ), а с малой – минералофобными (галий, радий, скандий, индий, титан, торий и др. ). В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в земной коре, но все же их содержание в почвах, водах, организмах, как правило, отличается от кларка, хотя порядок величин нередко сохраняется. Средние содержания (кларки) элементов в атмосфере, гидросфере и организмах существенно отличаются от литосферы.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!