18. Розсіяний та концентрований стан хімічних елементів в природі.

Елементи, які мають і низькі кларки і малу спроможність до концентрації, розсіяні в земній корі, і у всіх породах, грунтах і мінералах зустрічаються в незначних кількостях. Такі елементи називаються рідкісними розсіяними; їхня роль в системах (ландшафті) і процесах завжди другорядна (Ra, Sc, Cd, In, Hf, Ga і ін.).

Розповсюджені хімічні елементи, що визначають істотні і характерні риси даної системи (процесу), називаються типоморфними. В ландшафті такими елементами є Ca, H (точніше водневий іон), Fe, S, Cl та інші елементи. Це дозволяє говорити про кальцієві (Ca), кислі (H⁺), глеєві (Fe²⁺) та інші ландшафти (наприклад, кальцієва і кисла тайга).

21. Ізоморфізм - це властивість атомів і іонів хімічних елементів заміщати один одного в кристалічних гратках за умови близькості розмірів складаючих кристалічну гратку одиниць (атоми, іони і їхні групи) і тотожності знаку (але не величини) заряду.

Для іонних і іонно-ковалентних граток розрізняють два види ізоморфізму: ізовалентний і гетеровалентний. При ізовалентному ізоморфізмі взаємозаміщуються іони, що мають однаковий заряд (валентність), при гетеровалентному - різні заряди. Залучення іону у заміщення відбувається таким чином, щоб сумарний електростатичний баланс гратки мінералу залишився незмінним. Ступінь, в якій атоми різних елементів можуть заміщати один одного, визначається типом структури, близькою відповідністю іонних радіусів і температурою утворення речовини. Суттєве значення для атомних заміщень має розмір іону, оскільки іон, який заміщує , повинен зайняти в кристалі місце, не викликаючи помітних порушень у структурі.

Спроможність ізоморфного заміщення в різних елементів різна. Можна говорити про нормальну ізоморфію, коли обидва елементи кількісно приблизно рівноцінні, і про ендокриптію, коли елемент, що заміщає, маскується в гратці головного (германій - у силікатах, індій - у цинкових обманках тощо).

Можливість взаємного заміщення елементів визначається близькістю властивостей іонів, обумовлених будовою їх зовнішньої електронної оболонки, подібністю типів з’єднань і кристалічної подоби структури гратки. Розрізняють два випадки ізоморфного заміщення:

1) взаємне заміщення одного елемента іншим у межах до 100% - досконалий або повний ізоморфізм;

2) часткове заміщення одного елемента іншим у межах від 0,01 до декількох відсотків - не Прикладами досконалого ізовалентного ізоморфізму можуть служити Та⁵⁺ (r =0,68) і Nb⁵⁺ (r= 0,69) у мінеральному ряду колумбіт - танталіт; Mg²⁺ - Fe²⁺ і Fe²⁺ - Mn²⁺ - у групах олівінів, піроксенів, амфіболів. Прикладами часткового ізовалентного ізоморфізму є Zr⁴⁺ (r= 0,87) і Hf⁴⁺ (0,86) у цирконах; K⁺ (1,33) і Rb⁺ (1,49) у польових шпатах і слюдах; Mg²⁺ (0,78) і Ni²⁺ (0,78) в олівінах.

досконалий, або частковий, ізоморфізм.

22. Ізоморфне заміщення залежить від ряду зовнішніх чинників: концентрації іонів, температури і тиску. У умовах високих температур ізоморфне заміщення компонентів відбувається в більш широких межах. Ця властивість підвищення можливостей атомних заміщень із підвищенням температури дозволяє використовувати дані про утримання ізоморфних елементів у мінералах для визначення температури їх утворення (геологічна термометрія). Мінерали, що виділяються в широкому інтервалі температур, більш багаті ізоморфними домішками на початку кристалізації і значно бідніші - у кінцевих. Високотемпературні генерації мінералів більш багаті домішками, чим низькотемпературні. Це явище А.Е.Ферсман назвав явищем самоочистки, або автолізії. Прикладом можуть бути з’єднання урану. У високотемпературних пегматитах вони містять ThO₂ і Тh₂О₃, у пневматолітових утвореннях мінерали урану істотно збіднені торієм, а в настуранах гідротермальних утворень вони майже не містять торію і рідкісних земель.

23. Фактична сукупність відомостей щодо процесів міграції утворюють окремий особливий розділ геохімії - геохімію процесів міграції, окремими напрямками якого є: геохімія магматичних, гідротермальних, гіпергенних, техногенних процесів тощо.

Види міграції доцільно виділяти по видам руху матерії. Таким чином основними видами міграції є: 1) механічна; 2) фізико-хімічна; 3) біогенна; 4) техногенна;

Аналіз процесів міграції повинен задовольняти наступні 3 позиції:

• вивчення змін речовини;

• вивчення змін енергії;

• вивчення змін інформації (аналіз геохімічних процесів з інформаційних позицій, утвердився впродовж останніх десятиріч, адже нині інформація трактується як одне з фундаментальних понять того ж рангу що й речовина, енергія, простір, час).

Системами є Земля в цілому, земна кора, гідросфера, атмосфера, артезіанський та річковий басейн, грунт, кора вивітрювання, живий організм, ландшафт тощо. Для систем характерні наявність протилежних за впливами процесів які зв’язують компоненти системи в єдине ціле. При системних дослідженнях в геохімії велике значення мають методи загальної теорії систем, теорії інформації, кібернетики. Для багатьох систем (аналогічно до біологічних та соціальних) характерні нелінійні співвідношення (незначний за інтенсивністю сигнал призводить до суттєвих, навіть катастрофічних, змін в системі).

В геохімії вивчаються системи 4 основних типів:

1. абіогенні системи, для яких характерні виключно механічні та фізико-хімічні процеси міграції (магматичні, гідротермальні системи, тощо);

2. біогенні системи - живі організми та їх асоціації (біоценози);

3. біокосні системи - для яких характерне взаємопроникнення живих організмів та неорганічної ("косної" за Вернадським) матерії. В цих системах (біосфера, гідросфера, ландшафти, кори вивітрювання, грунти тощо) наявні і механічна і фізико-хімічна міграція але біогенна має визначальне значення.

4. техногенні системи - в них провідне значення має техногенна міграція, хоча наявні і всі інші види міграції (промислові підприємства, міста, агроландшафти, транспортні магістралі тощо).

Геохімія вивчає ті ж системи що й інші науки про Землю, специфіка її в тому що вона вивчає їх (системи) на атомарному рівні. В геохімії систем виокремились самостійні наукові напрямки: геохімія рудних родовищ, океану, ландшафту тощо.

В результаті міграції в системах формується геохімічна зональність: система розчленовується на хімічно відмінні частини - геохімічні зони, підзони, горизонти тощо.

24. Геохимическая классификация элементов, подразделяет химические элементы по признаку их геохимического сходства, т. е. по признаку их совместной концентрации в определённых природных системах. В основе Геохимической классификации элементов лежит периодический закон Д.И. Менделеева.

В предложенной В. М. Гольдшмидтом Геохимической классификации элементов выделяют 4 группы, в соответствии с устойчивостью различных типов их соединений в природе: литофильные, халькофильные, сидеросильные, атмофильные.

Литофильные (от греч. «литос» — камень и «фил» — люблю (имею склонность)) — элементы горных пород. С точки зрения строения атомов литофильные элементы имеют характерный общий признак: на внешней оболочке их ионов, располагаются по 8 электронов (в ряду Li — по два). Большинство этих элементов входит в состав силикатов, т.к. для них наиболее характерны соединения с кислородом. В природе встречаются также в виде окислов, галогенидов, фосфатов, сульфатов, карбонатов. Около 95% земной коры состоит из соединений литофильных элементов. Эти элементы трудно восстанавливаются до элементарного состояния. Преимущественно парамагнитны. К ним относятся 54 элемента (т. е. более половины элементов, существующих в природе): щелочные и щёлочноземельные, В,  Al, Sc, лантаноиды и актиноиды (Ac, Th, Pa,U), С, Si, Ti, Zr, Hf, P,V, Nb, Та, О, Cr, W, галогены и марганец.

Халькофильные(от греч. «халькос»- медь) — элементы сульфидных руд. Свое название они получили в связи с определенными свойствами меди, на которую они похожи в своем геохимическом поведении. На внешней оболочке их катионов располагаются 18 электронов (S2—,Se2—, Те2— по 8 электронов). В природе встречаются в виде сульфидов, сульфосолей, теллуридов, селенидов, т.к. проявляют склонность образовывать природные соединения с серой и ее аналогами по группе менделеевской таблицы — селеном и теллуром. В простом (самородном) состоянии в природе встречаются Au, Ag, Cu, As, S, Bi и некоторые др. Преимущественно диамагнитны, располагаются на восходящих участках кривой атомных объёмов. Zn, Cd, Hg, Ca, In,Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, S, Se, Те.

Сидерофильные(от греч. «сидерос» — железо) — элементы с достраивающейся электронной оболочкой. Сюда относятся все элементы VIII гр. периодической системы: семейство железа и семейство платиновых металлов, а также молибден и рений — всего 11 элементов. Располагаются в минимумах кривой атомных объёмов, ферромагнитны и парамагнитны. В природе находятся преимущественно в элементарном состоянии, железо как в виде окислов и силикатов, так и в виде сульфидов, реже арсенидов и в самородном состоянии.

Атмофильные (от греч. «атмос»— пар, испарение) — элементы атмосферы. К этой группе относятся все инертные газы (от Не до Rn), азот и водород — всего 8 элементов. В природе для них характерно газообразное состояние. Большинство из них имеет атомы с заполненной электронной внешней оболочкой, располагаются в верхних частях кривой атомных объёмов; преимущественно диамагнитны. Для большинства характерно нахождение в природе в элементарном состоянии.

Геохимическая классификация элементов В. М. Гольдшмидта построена с учётом положения элементов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, типа электронного строения атомов и ионов, специфичности проявления сродства к тем или иным анионам, положения данного элемента на кривой атомных объёмов. Данная геохимическая классификация элементов помогает при изучении сложнейших процессов химической дифференциации различных веществ и соединений в толще земной коры и в метеоритах. Она объясняет распределение отдельных элементов по различным слоям Земли.

Другие наиболее известные Геохимические классификации элементов были предложены русскими геологами В. И. Вернадским (1927), А. Е. Ферсманом (1932) и А. Н. Заварицким (1950).

Классификация В.И. Вернадского (1927 г.) построена на присутствие или отсутствие в истории данного химического элемента химических и радиохимических процессов, обратимости или необратимости этих процессов, а также на присутствие или отсутствие в земной коре их химических соединений или молекул, состоящих из нескольких атомов. Согласно этим признакам, В. И. Вернадский выделил шесть геохимических групп:

• благородные газы,

• благородные металлы,

• циклические элементы,

• рассеянные элементы,

• элементы сильнорадиоактивные

• элементы редких земель.

Принцип классификации А.Е. Ферсмана (1932 г.) основан на развернутой таблице Д.И. Менделеева. А.Е. Ферсман выделил элементы, создающие концентрации в определенных магматических горных породах: кислых, средних и ультраосновных магм и сульфидных месторождений. В итоге было получено пять самостоятельных групп: благородные газы, металлы обычного поля, металлоиды обычного поля, элементы нижнего кислого поля и элементы сульфидного поля.

Классификация А. И. Заварицкого (1950 г.), как и принцип классификации А.Е. Ферсмана, также основана на развернутой таблице Д. И. Менделеева, но более детально по отношению к последней, и объединяет элементы, геохимически особенно близкие. По А. Н. Заварицкому, все элементы делится на 10 групп:

• благородные газы,

• элементы горных пород,

• элементы магматических аномалий,

• радиоактивные элементы,

• редкие элементы,

• элементы группы железа,

• элементы группы платины,

• металлические элементы,

• металлоидные элементы,

• галоидные элементы.