Химический состав Земли

Получение сведений о химическом составе является весьма сложной задачей, так как требуются образцы вещества из разных геосфер и оболочек. Существующие данные есть обобщенный результат сведений из трех основных источников:

- прямого изучения химического состава земной коры (дают сведения для менее чем 1 % массы);

- анализа данных сейсмологии (основной недостаток -одинаковые скорости упругих волн могут быть присущи веществам разного химического состава);

- анализа химического состава внеземных объектов -Луны, метеоритов, планет (использование для данных возможно при предположении об одинаковом исходном веществе).

Изучением распространенности химических элементов на Земле занимались многие ученые, начиная еще с алхимиков (Теофраст, Плиний и др.). Но только в XVII-XIX вв. появились опытные данные о химических процессах в земной коре и их стали осмысливать с позиций, которые мы сейчас именуем геохимическими. В XVII в. Р. Бойль, изучая химию атмосферы и природных вод, и голландец X. Гюйгенс подошли к пониманию

жизни как космического явления. В XVII веке М. В. Ломоносов обосновал значение химии для геологии, дал объяснение процессам образования угля, нефти, торфа и других полезных ископаемых в своих знаменитых книгах "О слоях земных" и "О рождении металлов". А. Лавуазье заложил основы геохимии атмосферы, природных вод. Большое значение для накопления фактического материала по геохимии имели работы шведского химика И. Берцелиуса в области химического анализа горных пород, руд, минералов и вод. Он открыл торий, церий, селен, впервые получил в свободном состоянии кремний, титан, тантал, цирконий и др.

Вплотную подошли к геохимии работы, опубликованные в XIX в. немецкими учеными К. Бишофом и И. Брейтгаупом по химии земной коры. Они рассматривали химический состав земной коры и круговорот веществ в ней. В те же годы стал употребляться термин "геохимия". Его появлением наука обязана швейцарскому химику X. Шенбейну, который писал в 1842 году, что необходимо, прежде чем вести речь о настоящей геологической науке, иметь геохимию, которая должна исследовать химическую природу и происхождение масс, образующих земной шар. Но настоящее рождение геохимии как науки произошло в первой половине XX в. (1908-1911). Место рождения: кафедра минералогии Московского университета. Сделал ее наукой В. И. Вернадский (1861-1945). Минералогию Вернадский трактовал как химию соединений земной коры. Используя результаты спектрального анализа, он пришел к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов. Вернадский 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 рассе-яния. В песчинке или капле, как в микрокосме, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с улучшением и утончением методов исследования. При их улучшении мы находим натрий, литий, стронций там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в меньших пробах, чем делали раньше".

Первый курс геохимии был прочитан в 1 91 2 г. учеником Вернадского А. Е. Ферсманом (1883-1945). В 1933-1939 гг. Ферсман опубликовал четырехтомную "Геохимию" - первое систематическое изложение этой науки.

Большой вклад в геохимию внес В. М. Гольдшмидт (Норвегия). Он указал, что для вхождения химических элементов в кристаллическую решетку решающее значение имеет размер атомов или ионов. Он объяснил совместное нахождение магния и никеля, калия и свинца и тем самым заложил основы геохимии минералов. После его трудов появилась возможность предсказывать скопление элементов в земной коре и вести направленный поиск минералов в природе.

Еще в 1815 г. английский минералог В. Филиппс пытался определить среднее содержание в земной коре 1 0 химических элементов. Его работы были продолжены французами Эли де Бо-моном и А. Добрэ. Но их исследования не привлекли внимания. В 80-е гг. XIX в. проблемами определения среднего состава земной коры много занимался Ф.У. Кларк – руководитель хими-ческой лаборатории американского геологического комитета в Вашингтоне. Отобрав 880 наибо-лее точных анализов горных пород, он в 1889 г. определил среднее содержание 10 химических элементов в твердой земной коре. Кларк получил следующие результаты:

Х=99,39%

Кларк трактовал геохимию как совокупность сведений о химическом составе земной коры. Продолжая исследования, он увеличивал точность определений, количество анализов и число

элементов. В сводке среднего содержания элементов в земной коре, опубликованной в 1 924 г., были приведены данные уже о 50 элементах.

Учитывая заслуги Кларка в развитии геохимии и исследованиях распространенности элементов, Ферсман в 1 923 г. предложил обозначить среднее содержание химического элемента в земной коре, на Земле в целом, а также на планетах и в космосе термином "кларк". По предложению Вернадского в таблицах кларков приводятся значения массовых (весовых) и атомных кларков.

Смысл введения атомных кларков состоит в следующем. Пусть имеется геологическая система, состоящая из водорода и фтора, и на один атом водорода приходится один атом фтора. Если определить атомные кларки, то они будут одинаковы для обоих элементов. Но если определить вклад водорода и фтора в массу системы, то окажется, что в соответствии с величинами атомных масс водорода и фтора от общей суммы 1_H + 19_F = 20_Hf водород составит только 5%, а фтор - 95%. Таким образом массовые и атомные кларки могут значительно различаться. Для перевода массовых кларков в атомные надо значение массового кларка каждого элемента разделить на атомную массу и сумму этих величин считать за 1 00%. Тогда доля в этой сумме величины содержания каждого элемента будет соответствовать его атомному кларку.

Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло более 1 00 лет. За это время была проделана гигантская работа, и общая картина распространенности элементов в земной коре выявилась достаточно отчетливо. Прежде всего подтвердилось гениальное предположение Вернадского о рассеянном состоянии всех химических элементов. Для иода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия и некоторых других редких элементов рассеянное состояние является основным, так как они не образуют или почти не образуют собственных минералов. Только для кислорода, кремния, алюминия, железа, натрия, калия, магния главная форма нахождения -собственные минералы. Положение о всеобщем рассеянии химических элементов советский геохимик Н. И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского.

Современные методы анализа и приборы позволили уточнить содержание элементов в земной коре (табл. 1.3). Как видно из таблицы, половина земной коры состоит из кислорода. Таким образом, земная кора - это "кислородная сфера". На втором месте стоит кремний (кларк 29,5), на третьем -алюминий (8,05). Если к ним добавить железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,50), натрий (2,50), магний (1,87), титан (0,45), то получится 99,48%, т. е. практически вся земная кора. На остальные 80 элементов приходится менее 1%. Элементы, содержание которых не превышает 0,01-0,0001%, называют редкими. Если редкие элементы не образуют собственных минералов, то их называют "редкими рассеянными" (Br, In, Ra, U, Re, Hf, Se и др.). Так, у урана и брома кларки почти одинаковы (2,510^-4 и 2,1 10^-4), но уран - редкий элемент, т. к. известно 1 04 урановых минерала и урановые месторождения, а бром - рассеянный (имеет лишь один минерал).

В геохимии есть еще понятие "микроэлементы", которое означает элементы, содержащиеся в малых количествах (>0,01%) в данной системе. Так, алюминий - микроэлемент в живом организме и макроэлемент в силикатных породах.

Установлено, что кларки в основном не зависят от химических свойств элементов. А как влияет на распространенность ядро элемента? Еще в 1923 г. В. М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии: общая распространенность элемента зависит от свойств его атомного ядра, а характер распространения - от свойств наружной электронной оболочки его атома.

Ферсман получил график зависимости атомных кларков от заряда ядра для четных и нечетных элементов периодической системы Д. И. Менделеева (рис. 3.4). Он выяснил, что с усложнением атомного ядра, увеличением его массы кларки элементов уменьшаются, но эти кривые оказались немонотонными. Легкие атомы (занимающие места в начале периодической системы) более распространены. Их ядра содержат небольшое число нуклонов (протонов и нейтронов). Действительно, после железа (Z = 26) нет ни одного распространенного элемента. На это указывал еще Д. И. Менделеев. В 1 869 г. одновременно с периодическим законом он сформулировал правило: элементы с малыми атомными весами в общем более распространены, чем тяжелые элементы.

Другая закономерность была установлена в 1914 г. Г. Оддо (Италия) и В. Гаркинсоном (США) в 1915-1928 гг. Они заметили, 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 (рис. 3.4). Для первых 9 элементов по

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92

Порядковый номер элемента

Рис. 3.4. Логарифмы атомных кларков (по А.И. Ферсману)

распространенности четные кларки составляют 86,43%, а нечетные - 13,03%. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы с массовым числом, кратным 4. Такое строение Ферсман обозначил как 4q, где q -целое число. Ниже приведено соотношение распространенности различных изотопов кислорода и серы:

¹⁶O - 99,76 ³²S - 55,01

¹⁷O - 0,04 - 0,75

¹⁸O - 0,20 ³₃⁴₆S - 4,22 ³⁶S - 0,02.

По Ферсману, ядра типа 4q составляют 83,39% земной коры. Менее распространены ядра 4q+3 (12,7%). Совсем мало ядер 4q+l и 4q+2 (1%). 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, 1 26 протонов или нейтронов, особенно устойчивы. Эти числа называются магическими. Наиболее устойчивы дважды магические ядра, содержащие магические числа протонов и нейтронов (²⁰⁸Pb).

Таким образом, распространенность элементов в земной коре связана преимущественно со строением атомного ядра. В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Причина этого лежит в звездной стадии существования земной материи. Свыше 4,5 млрд лет назад вещество нашей планеты было нагрето до десятков миллионов градусов. При таких температурах ни атомы, ни молекулы существовать не могут, и вещество представляло собой раскаленную плазму со свободными электронами и ядрами. В плазме протекали ядерные реакции - из протонов и нейтронов образовывались ядра химических элементов. Вероятнее всего образование наиболее устойчивых ядер, а такими являются ядра, содержащие небольшое и четное количество протонов и нейтронов. Ядра же, переполненные протонами и нейтронами, неустойчивы и распадаются. Таковы уран, торий, радий и другие радиоактивные элементы, распадающиеся с образованием свинца и гелия. Но и среди легких элементов не все обладают высокими кларками. Например, бериллий имеет порядковый номер 4, а его кларк 3,810^-4%. Еще меньше кларк гелия, хотя в космосе он занимает второе место по распространенности (после водорода). Мало лития (3,210^-3%), бора (1,210^-3%), углерода (2,310^-2%). Это объясняется тем, что названные атомы в центральных частях звезд являются ядерным горючим и уничтожаются в ходе ядерных реакций.

В общем, химический состав Земли установлен достаточно хорошо и в целом его можно представить в виде следующей таблицы 3.3.

Ядро почти целиком состоит из металлов. Предполагается, что это в основном железо и никель. В мантии количество металлов резко уменьшается, но увеличивается количество кислорода. Этот элемент преобладает и во внешних геооболочках: земной коре, гидросфере, биосфере.

Таблица 3.3 Химический состав геосфер и оболочек Земли