Возникновение и распространение химических элементов n Окружающий нас

Возникновение и распространение химических элементов n Окружающий нас мир состоит из атомов химических элементов, массы которых находятся в определенных соотношениях. Атомы (их ядра) образуются в результате эволюции звезд. Образование и эволюция звезд – один из важнейших процессов, происходящих во Вселенной.

Теория Большого Взрыва

Большой Взрыв n n n Начало химической эволюции Вселенной знаменовалось т. н. Большим Взрывом, завершившим более ранние этапы развития Вселенной, о которых ничего не известно. Гипотезу «Большого Взрыва» (Big Bang) разрабатывали многие исследователи (американские физики Г. Гамов, Г. Бете, Р. Альфер, 1948 г. ). 1922 — советский математик и геофизик Ал. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель, известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв. К моменту Большого Взрыва (15 -20 млрд. лет назад) вещество Вселенной было представлено исключительно элементарными частицами. После Большого Взрыва образовалась ударная волна, способствовавшая образованию флюктационных сгустков исходного рассеянного космического вещества, из которых стали формироваться первые примитивные водородно-геливые звезды. Под воздействием гравитационных сил в них стали стремительно возрастать давление и температура, что привело к запуску термоядерных реакций, в результате которых началось образование ядер атомов.

Не все явления и факты объясняются с позиций теории Большого Взрыва, но большинство из них подчиняются ей. Более или менее уверенно можно утверждать, что в истории в Вселенной имели место 2 стадии. Догалактическая стадия, на протяжении которой образовались элементарные частицы и ядра наиболее легких химических элементов, они послужили затем исходным материалом для первичных примитивных звезд. Эта стадия была универсальной и охватывала всю материю Вселенной. Она определила тот примитивный набор элементарных частиц и легких ядер, которые в дальнейшем послужили исходным строительным материалом для создания первичных галактик и звезд первого поколения. Образовывались ядра дейтерия (D), трития (H 3), гелия (He 3 и He 4). Реакции: n + p → D+γ D + D → He 3 + n → H 3 + p H + D → He 4 + n Содержание He 4 достигло почти современного значения – 30% от общей массы вещества. На долю He 3 приходилось 3*10 -6 %.

- - - n n n Галактическая стадия, характеризующаяся процессом возникновения и эволюции звезд, в которых путем термоядерных реакций создавались ядра всех известных химических элементов. Образовались в определенных соотношениях тяжелые элементы, включая трансурановые. В это время возник весь набор таблицы Менделеева. В бесчисленных галактиках путем гравитационных стяжений возникли из H-He вещества звезды, а они произвели все другие химические элементы. В 1938 г. Г. Бете и С. Вейцзеккер выдвинули теорию термоядерных реакций в звездах, приводящих к образованию H и He. Эта теория была дополнена работами М. Бербиджа, Дж. Бербиджа, В. Фаулера, Ф. Хойла (1957 г. ). Процессы ядерного синтеза по этой теории состоят из следующих стадий. 1. Превращение H в He – водородное сгорание. 2. превращение He в легкие элементы – сгорание He. 3 He 4 → C 12 + He 4 → O 16 + He 4 → Ne 20 + He 4 → Mg 24

3. α-процесс ядерного синтеза, происходящий под действием α-частиц (ядер He) Ne 20 + α → Mg 24 + α → Si 28 + α → S 32 + α → Ar 32 4. Равновесный процесс (е-процесс). Наиболее горячий, происходящий при Т 3*109 К. Возникают элементы, прилегающие к Fe. Этот процесс возможен в самых массивных звездах. 5. s-процесс нейтронного захвата, при котором происходит медленный нейтронный захват уже существующими элементами с образованием элементов до Bi 209 (висмут) включительно. 6. r-процесс быстрого нейтронного захвата с образованием тяжелых элементов, включая изотопы трансурановых элементов. 7. p-процесс – образование редких, богатых протонами ядер путем захвата протонов или позитронов. Изотопы олова 111 Sn, 112 Sn, 115 Sn.

Некоторые элементы имеют свои особенности образования. Примером могут служить литий, бериллий и бор (Li, Be, B). Они образуются в магнитных полях огромной интенсивности под воздействием быстро движущихся электронов. Такие условия возникают в «звездных пятнах» или при образовании сверхновых звезд. Эти элементы неустойчивы под воздействием ядер водорода. Поэтому при термоядерных реакциях они сгорают, превращаясь в гелий. Кларки лития, бериллия и бора малы не только для земной коры, но и для всей нашей Галактики. По содержанию этих элементов судят о возрасте звезд. Образование ядер происходит в недрах «горячих» звезд, образование электронных оболочек вокруг ядер, т. е. формирование атомов – условиях более низких температур на периферии этих звезд. Химические соединения атомов возникают на значительно удалении от поверхности звезд.

Распространенность химических элементов n n n n Распространенность химических элементов в космосе изучает космохимия, а их распространенность на Земле – геохимия и биогеохимия. Химический состав звезд: зависит от температуры, по мере ее повышения химический состав звезд упрощается. Атмосферы звезд с Т 10 000 -50 000ºС состоят из водорода, гелия и некоторых металлов в ионизированном состоянии; Т 5000 ºС – обнаруживаются также радикалы (CH, OH, NH, CH 2, C 2 и др. ); Т 3800 ºС – еще и молекулы простых соединений, например окислы. В среднем в атмосферах звезд обнаруживают на 10 000 атомов водорода 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, менее 1 атома других элементов. Начальный состав звезд близок к составу межзвездной материи (газопылевого облака), из которой возникла звезда. Существуют углеродные звезды. Они относительно холодные (2500 -6000 ºС, гиганты и сверхгиганты). В них много СО, а также присутствуют радикалы – CN и CH.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ n n n n Солнце: обнаружено 72 элемента, 60 элементов определены достаточно надежно, для остальных данные менее точны. 75% массы – водород; 24% массы – гелий; 1 -2% массы - все остальные элементы. На Солнце довольно много кислорода, углерода, азота, натрия, железа, никеля, мало лития. Бор и фтор обнаружены в соединении с водородом. Ничтожно мало радия, висмута, рения, а прометия, астата, получаемых искусственно, не обнаружено. Нет также галогенов, кроме фтора. Планеты Солнечной системы. Химический состав планет определяют дистанционными и прямыми (Земля, Луна, Венера, Марс) методами. Сначала высказывалось мнение о сходстве химического состава планет, но уже сравнение размеров и плотностей показало, что это не так.

Характеристика планет Солнечной системы Планета Средний радиус, км Масса, кг Плотность, г/см 3 Меркурий 2437 3, 304*10 23 5, 62 Венера 6050 4, 872*10 24 5, 15 Земля 6371 5, 978*10 24 5, 517 Марс 3388 6, 423*10 23 4, 00 Юпитер 69720 1, 900*10 27 1, 35 Сатурн 57900 5, 689*10 26 0, 71 Уран 24740 8, 72*10 25 1, 60 Нептун 25000 1, 03*10 26 2, 43 Плутон 2200 10 23 - 10 24 4, 00

Солнечная система

Меркурий, Венера, Земля, Марс, Луна – твердые тела, или планеты земного типа. Они образованы силиктными, алюмосиликатными, карбонатными и другими породами, составляющими их поверхностные слои – коры. Внутри находится ядро из более тяжелых элементов (Fe, Ni). Меркурий: имеет ферромагнитное ядро и обладает сильным магнитным полем. По некоторым данным, общее содержание железа в нем составляет около 58%. Атмосферы нет. Венера: имеет металлическое ядро, окруженное минеральной оболочкой. В венерианской коре много карбонатов, термическое разложение которых привело к накоплению углекислого газа в ее атмосфере (97%). Кроме него, атмосфера Венеры содержит 2% азота, 1% водяного пара, 0, 1% кислорода. Температура на поверхности Венеры около 500 ºС и давление – 100 атмосфер.

Марс: имеет металлическое ядро и минеральную силикатную оболочку. Атмосфера более разреженная, чем на Земле. Атмосферное давление – 0, 08 земного. Основные компоненты атмосферы – углекислый газ и азот. Кислорода и водяных паров в 1000 раз меньше, чем на Земле. Минералогический и химический состав марсианской коры, очевидно, сходен с земной корой. Наличие жидкой и замерзшей воды на Марсе сейчас активно обсуждается на основе последних данных, полученных со станций, работавших на поверхности Марса до последнего времени. Планеты-гаганты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун: образованы менее плотными веществами. Основу их составляют водород, гелий, метан, аммиак и некоторые другие газы. Показано наличие циановодорода, двуокиси азота, воды, сероводорода, высокомолекулярных веществ – пирен, коронен, хризен и др. Существование твердого ядра нельзя считать доказанным.

ЗЕМЛЯ ИЗ КОСМОСА

Химический состав Земли n n n Для вещества Земли характерно рассеяние практически всех химических элементов, что в свое время предположил В. И. Вернадский. Для йода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия и некоторых других редких элементов состояние рассеяния является основным, т. к. они не образуют собственных минералов. Только для кислорода, кремния, алюминия, железа, натрия, калия, магния – главная форма нахождения собственные минералы. Положение о всеобщем рассеянии химических элементов называют законом Кларка-Вернадского. Элементы, содержание которых не превышает 0, 010, 0001%, называют редкими. Если они не образуют собственных минералов, их называют редкими рассеянными.

Земная кора по А. П. Виноградову Элемент O n n P, Mn, Ba, Sr, Zr, Ni, B, Sn, Be, Mo, U, S, F, N, Cr, V, Zn, Cu, Li, Co, Pb, Br, W – 10 -3%. Ra, He, Au, Ag, Ta, Se, Hg, As, Pt, Bi, I, Sb, Ar, Cd – 10 -6%. Содержание, % 49, 13 Si 26, 0 Al 7, 45 Fe 4, 2 Ca 3, 25 Na 2, 4 K 2, 35 Mg 2, 35 H 1, 0 Ti 0, 61 Ca 0, 35 Cl 0, 2

Химический состав земной коры, Луны, метеоритов, % Элемент Земная кора Луна Метеориты O 46, 6 42 33 Si 27, 7 21 17 Al 8, 13 4, 8 1, 1 Fe 5 13 28, 6 Mg 2, 09 4, 8 13, 8 Ca 3, 63 6, 8 1, 39 Ni 0, 006 0, 02 1, 68 Na 2, 83 0, 44 0, 68 K 2, 59 0, 17 0, 1 Ti 0, 44 6 0, 08

Закономерности химического состава земной коры n n Общая распространенность элемента зависит от свойств его атомного ядра, а характер распространения – от свойств наружной электронной оболочки его атома. Так звучит основной закон геохимии, сформулированный В. М. Гольдшмидтом в 1923 г. Он установил, что кларки в основном не зависят от химических свойств элементов, но они зависят от свойств атомного ядра. Еще в 1869 г. Д. И. Менделеев одновременно с периодическим законом сформулировал правило: элементы с малыми атомными весами в общем более распространены, чем тяжелые элементы. Действительно, после железа (№ 26) нет ни одного распространенного элемента. Г. Оддо (Италия, 1914 г. ) и В. Гаркинсон (США, 1915 -1928 гг. ) показали, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами. Среди соседних элементов у четных кларки всегда выше, чем у нечетных. Для первых 9 элементов по распространенности кларки четных составляют 86, 43%, а

Особенно велики кларки тех элементов, атомная масса которых делится на 4. Ниже приведено соотношение распространенности различных изотопов: 16 O – 99, 76% 17 O – 0, 04% 18 O – 0, 2% 32 S – 55, 01% 33 S – 0, 75% 34 S – 4, 22% 36 S – 0, 02% По А. Е. Ферсману, ядра типа 4 q составляют 83, 39% земной коры. Менее распространены ядра 4 q+3 (12, 7%). Совсем мало ядер 4 q+1 и 4 q+2 (2%).

Было отмечено также, что среди четных элементов, начиная с гелия, наибольшими кларками обладает каждый шестой: кислород (№ 8), кремний (№ 14), кальций (№ 20), железо (№ 26). Для нечетных элементов существует аналогичное правило (начиная с водорода, № 1): азот (№ 7), алюминий (№ 13), калий (№ 19), марганец (№ 25). Ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонов или нейтронов, особенно устойчивы. Эти числа в геохимии называют магическими. Т. о. , распространенность химических элементов в земной коре связана преимущественно со строением атомного ядра. В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов или нейтронов. Ядра с большим количеством протонов и нейтронов неустойчивы и распадаются (уран, радий, другие радиоактивные элементы). Среди легких элементов не все обладают высокими кларками. Например, бериллий № 4, а кларк его 3, 6*10 -4%. Еще меньше кларк гелия, хотя в космосе он второй по распространенности. Мало лития, бора, углерода. Эти элементы являются ядерным горючим в центральных частях звезд и в огромном количестве уничтожаются в ходе термоядерных реакций.