1.2.3. Возникновение Солнечной системы

Сейчас общепринято, что элементы, составляющие в настоящее время Солнечную систему и нашу Землю, в большинстве своем возникли в результате ядерных реакций в звездах. Исключение составляют Н (полагают, что он существует с момента образования Вселенной), Не и нескольких легких элементов (D, Li, Ве, В), которые образовались из Н во время Большого взрыва (Озима, 1990).

Поскольку скорость распада большинства тяжелых элементов хорошо известна, можно рассчитать точный возраст веществ, содержащих долгоживущие изотопы. Так был установлен возраст нашей Солнечной системы ~ 5 млрд. лет. Так как масса Солнца недостаточна для образования тяжелых элементов, следует полагать, что Солнечная система образовалась на месте взрыва сверхновой звезды. Гравитационные силы собрали рассеянное вещество. Большая часть его сконцентрировалась в виде Солнца, достаточно горячего для начала процесса ядерного синтеза. Планеты Солнечной системы образовались, по-видимому, из дискообразного облака горячих газов, остатков взрыва сверхновой звезды. Сконденсировавшиеся пары образовали твердые частицы, объединившиеся в небольшие тела (планетезимали), в результате срастания которых возникли плотные внутренние планеты (от Меркурия до Марса). Крупные внешние планеты, будучи более удалены от Солнца, состоят из газов меньшей плотности, конденсация которых происходила при гораздо более низких температурах.

Практически все атомы нашей системы сконцентрированы в Солнце, где сосредоточено более 99,9 % массы всего вещества системы. С точки зрения химического состава Солнечной системы в целом, Земля состоит главным образом из кислорода и нелетучих элементов (таких как Fе, Мg, Si), причем доля последних « 0,1 % от общего числа атомов Солнечной системы (Озима, 1990).

Большинство элементов образовались до формирования Солнечной системы, во время взрыва Сверхновой, но некоторые появились после, при распаде радиоактивных изотопов. Например, установлено, что практически весь (более 99 %) аргон, который составляет около 1 % земной атмосферы, возник в результате реакции распада ⁴⁰К —> ⁴⁰Аr в недрах Земли после ее формирования и впоследствии улетучился. Все остальные элементы, кроме радиогенных², уже существовали до возникновения Солнечной системы.

Контрольные вопросы

1. Что изучает химия окружающей среды?

2. Какие элементы образовались во время Большого взрыва?

3. Приведите примеры ядерных превращений в звездах разной массы.

4. В результате каких процессов образовалась Солнечная система?

Глава 2. История области действия химии окружающей среды

2.1. Возникновение и история Земли

2.1.1. Образование Земли

Образование Земли было связано с аккумуляцией вещества солнечного газа. Относительно способа аккумуляции единого мнения не существует. В настоящее время имеются три главные гипотезы (Войткевич, 1988).

Гомогенная аккумуляция. Современное оболочечное строение Земли возникло лишь в ходе разогревания, частичного плавления и дифференциации первично гомогенного земного вещества.

Гетерогенная аккумуляция. Сначала возникло металлическое ядро, затем на него осели поздние конденсаты в виде силикатов, образовавшие мощную мантию.

Частично гетерогенная аккумуляция. Наибольшая разница в составе существовала лишь между центральными частями планеты и ее поверхностными слоями. Первоначально между ядром и мантией не было резких границ, установившихся позже.

Большая часть планетарного вещества сгруппировалась 4,56 - 4,7 млрд. лет назад. Масса планеты продолжала нарастать и через некоторое время стала достаточной для удержания атмосферы (4,4 млрд. лет назад).

Старейшие породы на Земле - цирконы западной Австралии, возраст которых около 4,1-4,3 млрд. лет. Тепло, выделяемое сначала благодаря процессу аккреции, а затем и радиоактивному распаду, расплавило сердцевину планеты и дало начало геотермальному циклу. Это вызвало дифференциацию элементов, впервые объясненную В. М. Гольдшидтом.

Первичная дифференциация элементов осуществлялась по их химическому сродству к железу, что естественно, поскольку железо составляет 35 % массы Земли.

В. М. Гольдшмидт разделил элементы на 4 группы:

1. Сидерофилы - восстанавливаются железом;

2. Литофилы - не восстанавливаются железом и склонны к образованию окислов;

3. Халькофилы - элементы не восстанавливающиеся железом и образуют сульфиды;

4. Атмофилы- элементы, улетучившиеся в атмосферу.

Сидерофильные элементы в ходе дифференциации образовали земное ядро. Ионы сидерофилов (11 элементов) имеют оболочку из 8-18 электронов. Редокс потенциал их равен или выше, чем у железа. Fе, Со, Ni, Ru, Rh, Рd, Оs, Ir, Рt, Мо, W, Rе, Аu, Gе, Sn составляют большую часть полиметаллических руд.

Литофильные элементы (их 54) образовали земную кору и верхнюю мантию. Образуют ионы с 8-электронной оболочкой. Li,Na, К, Rb, Сs, Ве, Мg, Са, Sr, Ва, В, Аl, Sс, У, редкоземельные элементы, Si, Ti, Zr, Hf, Тh, Р, V, Nb, Та, Сr, U, F, С1, Вг, I, Мn входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы.

Халькофильные элементы (их 19) обладают сродством к сере, селену, теллуру, они сосредоточились в нижней мантии. Имеют оболочку из 18 электронов. Сu, Аg, Zn, Сd, Нg, Ga, Tl, Аs, Sb, Вi, S, Sе, Те образуют многочисленную группу сульфидных и теллуридных минералов. Они могут встречаться в самородном состоянии.

Инертные газы (Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn) относятся к атмофильной группе. Их атомы (кроме Не) имеют 8-электронную оболочкой.

В настоящее время выделяют еще и биофилы. Биофильные элементы - это так называемые элементы жизни. Они делятся на макробиогенные (Н, С, N, О, С1, Вr, S, Р, Nа, К, Мg, Са) и микробиогенные (V, Мn, Fе, Со, Сu, Zn, В, Si, Мо, F).

Современная биогеохимическая классификация элементов приведена в табл. 1.

Таблица 1

Биогеохимическая классификация элементов

Литофильные	Li, Na, К, Rb, Сs, Li, Na, К, Rb, Сs, Ве, Мg, Са, Sr, Ва, В, Аl, Sс, У, O, F, Si, Cl, Mn, V, Ge, Br, Mo, I, La, Ac, Th, U, Ln
Халькофильные	Сu, Аg, Zn, Сd, Нg, Ga, Tl, Аs, Sb, Вi, S, Sе, Те, Fe, Co, Ni, Mo, Rh, Pd, In, Pb
Сидерофильные	С, Р, Fе, Со, Ni, Ge, Mo, Ru, Rh, Pb, Sn, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Au
Атмофильные	Н, С, N, O, Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn
Биофильные	Н, С, N, О, С1, Вr, S, Р, Nа, К, Мg, Са, V, Мn, Fе, Со, Сu, Zn, В, Si, Мо, F, I