Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

После полувековой работы геохимия овладела новым числом — новой константой мира

А.Е. ФЕРСМАН

Периодическая система Д.И. Менделеева включает в себя 109 элементов, но в природе, в том числе в ландшафте, известны лишь 89, т.к. №№ 43, 85, 87 и 93 — 109 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 О велико, а Аи и Pt мало. Закономерности в распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже XX 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. Кларки гранитов и других самых распространенных кислых изверженных пород установлены достаточно точно, много данных о кларках базальтов и других основных пород, глин, известняков и прочих осадочных пород. Сложнее вопрос о среднем составе земной коры, так как до сих пор точно не известно соотношение между отдельными группами горных пород, особенно под океанами. А.П. Виноградов условно принял, что земная кора на 2/3 состоит из кислых изверженных пород и 1/3 из основных, и на этой основе рассчитал кларки земной коры.

За 100 лет после опубликования первых чисел Кларка проделана гигантская работа, установлены кларки большинства элементов. Проблемой распространенности химических элементов в различных сферах и оболочках Земли занимались многие крупные геохимики. Но еще точно не известны кларки Pt и платиноидов, инертных газов, некоторых других элементов. Все же главная особенность распространенности элементов установлена — это огромная контрастность кларков (1.2).

Так, почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента — О (кларк 47%). Иначе говоря, земная кора — это "кислородная сфера", кислородное вещество. На втором месте стоит Si (29,5), на третьем — А1 (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 80 элементов 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 2,1.10-4%), но U просто редкий элемент, так как известно много урановых минералов, разнообразные его месторождения, а Вг — редкий рассеянный, так как он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента. В геохимии употребляется также термин "микроэлементы", под которыми понимаются элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (порядка 0,01% и менее). Так, А1 — микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.

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

В начале XX столетия В.И. Вернадский пришел к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов, о том, что "все элементы есть везде". В 1909 г. на XII 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, Не, иттроцеровой группы и т.д. приводит нас к одинаковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы; они собраны в состоянии величайшего рассеяния...". Итак, 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 элементов Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского.

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, К, Rb, Cs, Fr в химическом отношении близки друг 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), Cs очень редок (3,7.10-4), a Fr отсутствует и был получен искусственно. Аналогично резко различны кларки у таких химически близких элементов, как галогены (F, С1, Br, J, At), у Si (29,5) и Ge (1,4.10"4), Ва (6,5.10"2) и Ra (2.10"10). С другой стороны, разные элементы имеют близкие кларки — металл Мп (0,1) и типичный неметалл Р (0,093), щелочной металл Rb (1,5.10-2) и С1 (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%. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это О, Mg, Si, Са и т.д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4.

Итак, кларки элементов в основном связаны со строением атомного ядра — в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов.

 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 протопла- нетное 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 водород, 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), — Ос 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 XX в. в Париже Пьером и Марией Кюри. Помимо Ra радиоактивность характерна для U, Th, К, Rb, Re 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 Тс (№ 43), At (№ 85), Cm (№ 96), Bk (№ 97), Cf (№ 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.

Что такое Кларк - это среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов