Раздел II минералогия

2.1 Основы геохимии

Один из основателей геохимии академик В. И. Вернадский так определяет задачи этой науки: «Геохимия научно изучает химические элементы, т. е. атомы земной коры, и насколько возможно - всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве - времени, их генетические на нашей планете соотношения» (Избр. соч., т. I, Очерки геохимии, стр. 14. Изд. АН СССР, 1954). Иначе говоря, геохимия изучает закономерности распределения химических элементов в различных оболочках Земли, в горных породах и рудах, изучает поведение элементов в геологических процессах, ведущих к образованию горных пород и руд, выясняет условия концентрации, рассеяния и миграции элементов при различных физико-химических условиях среды. Отсюда мы видим теснейшую связь геохимии с химией, в частности с физической химией и кристаллохимией: Поскольку геохимия изучает распределение химических элементов, она могла возникнуть только после установления научных представлений о химическом элементе, о строении атома.

Геохимия смогла стать самостоятельной научной дисциплиной только после таких гениальных обобщений, как создание в 1869 г, Д. И. Менделеевым (1834—1907) периодической системы элементов. Как известно, периодическая система химических элементов выражает изменение периодических свойств элементов, многие из которых были предсказаны и впоследствии блестяще подтверждены, из нее и вытекают основные геохимические законы. По существу, геохимия как наука зародилась в начале нашего века и ее по праву считают наукой XX столетия. Первоначально она возникла как отрасль геологической, точнее минералогической науки. Кристаллография, ми­нералогия и петрография теснейшим образом связаны с геохимией и являются ее основой; все эти дисциплины объединяются в едином геохимическом направлении в геологии, и границу между ними в ряде случаев провести очень трудно.

Ниже приводится рассмотрение лишь некоторых общих вопросов геохимии, касающихся оболочек Земли и их состава, особенностей распределения химических элементов и роли изотопов в геохимии.

Периодическая система элементов д. И. Менделеева и строение атома

Поскольку геохимия изучает историю химических элементов в земной коре, то, естественно, в первую очередь нужно знать свойства этих химических элементов. Только хорошо изучив эти свойства, можно понять поведение химических элементов. Как уже укалывалось выше, в 1869 г. Д. И. Менделеев создал периодическую систему элементов, которая связывала химические свойства элементов с их атомным весом расположив химические элементы в порядке возрастания атомных весов, Д. И. Менделеев установил, что некоторые их свойства, закономерно изменяются в этом же направлении, а через некоторое число элементов наблюдается повторение этих свойств. Так была установлена последовательность, и периодичность свойств химических элементов. Эти закономерности отображены Д. И. Менделеевым в виде таблицы, которая и называется периодической системой (или таблицей) химических элементов. Периодичность выражается в закономерном изменении химических и физических свойств элементов (валентности, способности вступать в соединения с другими, радиусов ионов, удельных весов и др.). «Величие закона Менделеева,— писал академик А. Е. Ферсман¹,— заключается в том, что он не представляет застывшей формы, ортодоксальной схемы, а обладает внутренней способностью к эволюционному развитию. Новые факты и новые научные течения не опрокидывают его, не заменяют его новым законом, а неизменно уточняют его форму, расширяют его содержание, вкладывают в его формулировку новые толкования, дополняя и углубляя его гениальный смысл». Справедливость этих слов А. Е. Ферсмана особенно наглядно выступает в наши дни, когда строение атомов представляется нам гораздо более сложным, чем когда-либо раньше. В настоящее время периодический закон Д. И. Менделеева можно сформулировать так: химические свойства элементов являются периодической функцией атомного номера (или заряда ядра).

Начало XX столетия ознаменовалось важными достижениями науки. Была установлена природа электричества и света. В 1901 г. немецкий физик Макс Планк сделал предположение, что энергия в атоме излучается не непрерывно, а определенными порциями, или «квантами».

Английский физик Д. И. Томсон в 1897 г. открыл электрон, а в 1903 г. им была предложена первая модель атома. Атом Томсона имел форму шара и состоял из отрицательно заряженных электронов, помещенных в «облако положительного электричества».

Теория атома была завершена в основном к тридцатым годам нашего столетия. В современном ее виде она предполагает вращение электронов по определенным стационарным орбитам вокруг ядра, причем тяжелое ядро несет в себе почти всю массу атома (более 99,9%). На основании квантовой теории датский физик Нильс Бор построил модель атома и сделал следующие допущения: 1) электрон вращается вокруг ядра не по любым, а по строго определенным орбитам. При движении по ним он не получает энергии, 2) излучение и поглощение энергии атомом происходит при переходе электронов с одной орбиты на другую.

Структура атома характеризуется состоянием электрона, который определяется четырьмя квантовыми числами n, l, m_b, m_s. Главное квантовое число n имеет значения от 1 до 7. Ближайшая к ядру орбита называется оболочкой К (n - 1), следующая L-оболочка (n = 2), затем имеются М-, N-, 0-, Р- и Q-оболочки. Максимальное число электронов (Nе) находящихся в каждой оболочке, подчиняется следующему правилу: Ne = 2n², где n - главное квантовое число (номер оболочки). В соответствии с этим максимальное число электронов на К-оболочке равно 2, на L-оболочке - 8, на M - 18, на N - 32 и т. д.

l - второе квантовое число, показывающее вращение орбиты электрона вокруг ядра; m_b- магнитный момент электрона; m_s - спин электрона.

В XX в. слово «атом» перестало отвечать своему старому значению (неделимый». К началу тридцатых годов было установлено, что атом состоит из нескольких элементарных частиц протона, электрона, нейтрона и фотона. Протон и нейтрон располагаются в ядрах атомов, они образуют нуклон-дублет, т.е. пару частиц со сходными свойствами и близкой величиной массы. Протон, или ядро атома водорода, имеет положительный заряд, нейтрон не имеет заряда. Электрон заряжен отрицательно, по массе он в 1836,1 уступает протону и в 1838,6 - нейтрону.

Фотон (световой квант, -квант) - строительный материал электромагнитного поля. В отличие от протона, нейтрон; и электрона, которые могут быть и неподвижными, фотон находится в вечном движении. Он движется со скоростью света и только вследствие своего движения обладает массой (согласно А. Эйнштейну, Е = mс²).

К настоящему времени известны 32 элементарные частицы - кирпичики мироздания. Элементарные частицы - это те составные частицы, из которых построен атом или которые имеют более простое строение, чем атом. Свойства их удивительны. Одни из них являются стабильными (протон, электрон, нейтрон, фотон и др.) другие самопроизвольно превращаются в другие частицы (их большинство) причем время жизни их исчисляется от миллиардных долей секунды до нескольких минут. Взаимопревращаемость элементарных частиц является их важнейшим свойством. Примером может служить взаимопревращаемость нейтрона и протона:

n ↔ p + e^-

нейтрон протон электрон

Взаимодействие позитрона и электрона идет с образованием двух гамма-квантов:

е⁺ + e ↔ 2-кванта

позитрон электрон

Одни частицы могут существовать лишь в движении и летят со скоростью света, скорости других частиц меньше скорости света (скорость может быть и равна нулю - состояние покоя).

У каждой частицы есть в природе античастица, которая имеет противоположный знак заряда, например электрон е^- и позитрон е⁺. Поэтому наблюдается своеобразная симметрия между противоположно заряженными элементарными частицами.

Но в настоящее время и эти «элементарные» частицы перестали быть простейшими. В 1955 г. было экспериментально доказано, что внутри протона есть твердое ядро. Это ядро в 10 раз меньше протона и имеет электрическую природу. В последние годы подобная «сердцевина» обнаружена и в другой элементарной частице - нейтроне.

Таким образом, мы теперь видим, что не только понятие слова «атом» («неделимый») приобрело существенно иное значение со временем, но и понятие «элементарные частицы» также сильно изменяется по мере развития науки. В средневековье «элементами» назывались огонь и вода, земля и воздух, потом этим словом стали называть элементы таблицы Менделеева, потом элементарные частицы, из которых состоит атом. А теперь и они оказываются уже не элементарными, т. е. простейшими, а составными.