Геохимия как наука Объекты изучения геохимии. Связь геохимии с другими науками

Геохимия – наука, изучающая историю атомов химических элементов и их поведение в различных природных физико-химических процессах. Объект изучения – атом химического элемента. Геохимия изучает историю атомов химических элементов в земной коре, в глубоких частях нашей планеты, в космическом пространстве и космических телах. Земля отдает в пространство легкие элементы (водород, гелий и др.) и получает более тяжелые элементы в виде космической пыли, метеоритов и т.д.

По содержанию геохимия делится на следующие части:

1. Общая (теоретическая) геохимия – решает две проблемы:

• закономерности распределения атомов химических элементов в природных объектах, космических телах (космохимия);

• закономерности поведения атомов химических элементов в природных процессах.

2. Прикладная геохимия – изучает следующие вопросы:

• распределение атомов химических элементов в небольших объектах;

• геохимия отдельных элементов;

• поисковая геохимия.

Геохимия исследует химические элементы на глубине до 20 км. Геохимия связана со многими науками (минералогия, кристаллография, петрография, учение о МПИ, математикой, физикой, химией, астрономией, биолого-почвенными дисциплинами).

Общий закон геохимии (А.Н. Заварицкий): «Распространенность атомов химических элементов в природе зависит от их строения и определяется устойчивостью их ядер, а движение атомов химических элементов определяется особенностями строения электронных оболочек».

В строении атома принимают участие около 40 элементарных частиц, из которых три являются основными: протон, нейтрон, электрон. Электроны находятся на орбитах вокруг атомного ядра. Радиус атомов около м. Радиус атомного ядра – м.

Атом – электрически нейтральная частица. Но он может отдавать или принимать электроны на своих орбитах. При этом атом становится заряженным – ионом. Ион, который отдает свои электроны, становится положительно заряженным и называется катионом; ион, получивший электрон, несет отрицательный заряд и называется анионом.

Ядро атома состоит из ядерных частиц – нуклонов. Это протоны и нейтроны . Массовое число атома A равно сумме протонов и нейтронов:

Выделяют следующие нуклиды:

Изотопы – ядра, у которых одинкаовое число и разные числа и . Изотопы находятся в одной клетке таблицы Менделеева и обладают одинаковыми химическими свойствами.

Изобары – ядра, у которых одинаково число и разны числа и . Изобары находятся в разных клетках таблицы Менделеева и имеют разные химические свойства.

Изотоны – ядра, у которых одинаковое число и разные числа и Изотоны находятся в разных клетках таблицы Менделеева и обладают разными химическими свойствами.

Таблица 1.

Изотопы					Изобары					Изотоны
	92	234	142	ar		18	40	22			16	36
	92	235	143	K		19		21			17	37
	92	238	146	Ca		20		20			18	38	20

Соотношение числа протонов к числу нейтронов в начале и конце таблицы Менделеева различно. Для первых элементов это соотношение составляет 1:1. В середине и конце – 2:3.

В настоящее время среди химических элементов известно 286 стабильных и долгоживущих радиоактивных изотопов, а всего в природных процессах известно 340 стабильных изотопов и 162 изобара. В геохимии для решения геологических задач используют радиоактивные и стабильные изотопы. В тех случая, когда отношение Z:N отличается от оптимального, ядра являются радиоактивными. Таким образом радиоактивность – переход к оптимальному соотношению нуклонов.

Электроны, входящие в состав атомов, располагаются на орбитах, при этом, электроны на внешних орбитах могут самопроизвольно переходить на внутренние орбиты. Такой переход сопровождается выделением энергии. Обратный переход называется рекомбинацией и всегда требует затрат внешней энергии.

Атомы химических элементов взаимодействуют друг с другом и образуют различные типы химической связи: ионная (электроны с внешней орбиты одного атома переходят на внешнюю орбиту другого атома), ковалентная полярная (взаимодействуют атомы разных химических элементов с образование общего электронного ассиметричного облака) и неполярная (взаимодействуют атомы одного химического элемента, образуется общая внешняя электронное облако), молекулярная (взаимодействие молекул – слабая связь (например, лед), металлическая.

В природе распространены промежуточные типы связи: ионно-ковалентная (например, донорно-акцепторная связь – электроны попеременно вращаются то у одного, то у другого ядра).

Для определения типа химической связи используется электроотрицательность химических элементов, т.е. энергия, с которой атом притягивает валентные электроны другого атома. Чем больше разница электроотрицательности элементов, тем более характерен ионный тип связи; чем меньше – тем более характерен ковалентный тип связи. В природе ионный тип связи характерен для галоидов; существенно ковалентная – для сульфидов; ионно-ковалентный тип связи характерен для окислов и силикатов.

Геохимичская классификация химических элементов

Все классификации основаны на таблице Менделеева. Каждая классификация должна отвечать двум требованиям:

должна характризовать повдение химического элемента в природных физико-химических процессах;

должна определять ассоциацию химических элементов.

Существует несколько классификаций, наиболее ранние из них: Вернадского В.И., Ферсмана А.Е., Заварицкого А.Н., Гольдшмидта В.М., Садецки-Кардоша Э. Наиболее часто используются классификации двух последних авторов.

Классификация Гольдшмидта

1. Атмофилы – H, He, N, Xe, N.

2. Литофилы – характерно сродство к кислороду, легко образуют кислородные соединения – Na, K, Ca, Mg, Si, Al и др.

3. Халькофилы – обладают сродством к сере – Cu, Pb, Zn, As, Hg, Bi, Sb, Au и др.

4. Сидерофилы – обладают сродством к мышьяку, образуя арсениды, встречаются в самородном состоянии – Fe, Pt, Os, Ir, Co, Ni, V и др.

5. Биофилы – элементы всех четырех групп, участвующие в органических веществах.

Классификация Садецки-Кардоша (развитие теории Гольдшмидта):

1. Атмофилы.

2. Литофилы (в меньшем объеме).

3. Сидерофилы.

4. Оксихалькофилы – образуют содинения и с S, и с O – Sn, As, Bi, Pb.

5. Сульфохалькофилы (кислородные соединения мало характерны) – Cu, Zn, Hg.

6. Пегматофилы – Nb, Na, U, Th, W и др.

7. Сдиментофилы – C, B, Cl, F, Br, I.

8. Биофилы.

Отнесение элементов к определенной группе не является однозначным. Часто при изменении физико-химических условий поведение элементов является и типичный сидерофильный элемент проявляет свойство литофильных.

Все метеориты могут быть подразделены на два типа: каменные и железные, а также промежуточный тип – переходного состава. В соответствии с этим выделяются следующие виды метеоритов:

Железные (сидериты)

Различаются по кристаллохимической структуре и разному соотношению железа и никеля.

гексаэдриты;

октаэдриты;

атакситы – состоят из зернистого агрегата железа, лишены структурных линий.

Железокаменные (сидеролиты):

На 50% состоят из железоникелевого компонента и силикатов.

палласиты (ближе к железным метеоритам по составу);

мезосидериты (ближе к каменным метеоритам по составу).

Каменные (аэролиты):

состоят из силикатов с примесью металлического железа и сульфидов.

хондриты – наиболее распространенные, состоят из округлых хондр (менее 1 см), сложенных Ol, Py, Pl, стеклом, цементируются веществом того же состава, никогда не встречались в земных образцах;

ахондриты – по химическому составу близки к хондритам, но не имеют хондр.

Для метеоритов характерны многие минералы известные на Земле. В них обнаружено 56 земных минералов. Также в них есть неземные ольдгалит CaS, шреберзит (Fe,Ni,Co)3P, лауренсит FeCl2. Наибольшим распространением в метеоритах пользуется O, Fe, Mg, Si, S, Ca, Ni, Al.

Химический состав метеоритов близок к составу литосферы, однако, в них повышено содержание Fe, Ni, Mg, понижено содержание Si, Al, Na, Ca.