3 Распределения химических элементов в земной коре

Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в миллиарды миллиардов раз (n∙10 – n∙10^-16). Обычные представления, почерпнутые из повседневного опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, Zn и Cu широко распространены в быту и технике, а Zr для нас – “редкий элемент”. Вместе с тем Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Cu. “Редкость” Zr объясняется трудностью его извлечения из руд, которая была полностью преодолена только в середине ХХ века, когда разработали технологию эффективного получения этого элемента. Он стал широко использоваться в промышленности. Мы еще только привыкаем к нему, а с Cu человечество познакомилось тысячелетия назад в “бронзовый век” (бронза – сплав Cu с разными металлами).

Когда был установлен средний состав земной коры, естественно, возник вопрос – в чем причина столь неравномерной распространенности элементов, почему одних много, а других мало? Эту причину стали искать в особенностях строения атомов. Напомним, что атомы состоят из ядра и электронной оболочки, причем электроны, наиболее удаленные от ядра, определяют химические свойства элемента. Естественно, возникло предположение, что кларки элементов связаны с их химическими свойствами, т.е. зависят от строения внешних электронных орбит атомов (числа валентных электронов и т.д.). Однако оказалось, что это не так. Например, щелочные металлы – Li, Na, K, Rb, Cs, Fr в химическом отношении близки друг другу – одновалентны (на внешней орбите один электрон), образуют едкие щелочи, легкорастворимые соли и т.д. Кларки же их резко различны: Na и К в земной коре много (2,50 %), Rb мало (1,5∙10^-2), Li еще меньше (3,2∙10^-3), Cs очень редок (3,7∙10^-4), а Fr отсутствует и был получен искусственно. Аналогично резко различны кларки у таких химически близких элементов, как галогены (F, Cl, Br, J, At), у Si (29,5) и Ge (1,4∙10^-4), Ba (6,5∙10^-2) и Ra (2∙10^-10). С другой стороны, разные элементы имеют близкие кларки – металл Mn (0,1) и типичный неметалл Р (0,093), щелочной металл Rb (1,5∙10^-2) и Cl (1,7∙10^-2). Поэтому кларки не зависят от химических свойств элементов или, точнее, в основном не зависят. Тогда мысль исследователей обратилась к другой части атома – его ядру, состоящему из протонов и нейтронов. Выявилось, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. После Fe (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком. Эта закономерность была отмечена еще Менделеевым, который писал в 1869 г., что “распространеннейшие в природе простые тела имеют малый атомный вес...”. Другую особенность распространенности элементов установили итальянский ученый Оддо и американский – Гаркинс, которые отметили, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, т.е. у которых атомные ядра содержат четное число протонов и нейтронов. Среди соседних элементов у четных кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для первых по распространенности 9 элементов кларки четных составляют в сумме 86,43, а кларки нечетных – лишь 13,03 %.

Итак в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это O, Mg, Si, Ca и т.д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4. Поскольку речь идет о среднем составе, понятно, что эта закономерность не зависит от геологических процессов, определяющих образование гранитов, базальтов, известняков и других пород, отдельных типов вод. То есть распространенность химических элементов в основном связана не с земными, а с космическими причинами – она унаследована Землей от космической стадии, когда еще до образования планеты, т.е. свыше 4,5 млрд. лет назад, существовало протопланетное облако с температурой в десятки миллионов градусов. В этом облаке не было атомов и тем более молекул, вещество представляло собой плазму, т.е. полностью ионизированный газ, состоящий из электронов, протонов, нейтронов. При понижении температуры в плазме синтезировались ядра атомов, в первую очередь легких, содержащих четное число протонов и нейтронов.

В отличие от Земли главным элементом космоса является Н, взаимодействие ядер которого в центральных частях звезд при температурах в десятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер Не. Поэтому Вселенная в основном имеет водородногелиевый состав. Синтез более тяжелых ядер имел подчиненное значение – распространенность их в звездах (в том числе на Солнце) много меньше, чем Н и Не. Наибольшее значение опять-таки имел синтез легких ядер, особенно четных (содержащих четное число протонов и нейтронов), – О с атомной массой 16, Са с атомной массой 20 и т.д. Синтез тяжелых ядер, включающих большое число протонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра часто оказывались неустойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть этих ядер не полностью разрушилась и дожила до наших дней. Сейчас, как и миллиарды лет назад, они превращаются в ядра более легких элементов. Это явление радиоактивности было открыто в самом конце ХХ в. в Париже Пьером и Марией Кюри. Помимо Ra радиоактивность характерна для U, Th, K, Rb, Re и некоторых других элементов. Содержание их в земной коре миллиарды лет назад было выше, чем сейчас. Некоторые тяжелые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на Земле мы не знаем соответствующих элементов. Они были получены искусственно, часть открыта в звездах. Это Tc (№ 43), At (№ 85), Cm (№ 96), Bk (№ 97), Cf (№ 98) и др. трансурановые элементы.

Таким образом, главная закономерность распространенности элементов – преобладание легких атомов. Она связана со строением атомных ядер, их устойчивостью, ядерным синтезом в центральных частях звезд.

Звездная материя, прежде чем превратиться в земное вещество, прошла длительную историю, дифференциацию, в которой важную роль играли химические свойства элементов, определяемые электронным строением атомов. Поэтому твердая земная кора по составу сильно отличается от звезд и, в частности, от Солнца. Если Солнце, как и другие звезды, состоит из Н и Не с незначительной примесью других элементов, то Земля почти утратила свой “космический” Не, который, будучи легким и инертным элементом, улетучился в мировое пространство. Утеряна и часть Н, в то время как другая часть его атомов соединилась с О и образовала воду – гидросферу планеты. Более тяжелых элементов в звездах меньше, но именно они образуют основную массу Земли. Это в первую очередь легкие элементы начала периодической системы. Самых тяжелых мало и на Земли.

Различная распространенность химических элементов в земной коре определяет различия их поведения в природе и лаборатории. Так, хорошо известна химическая близость S и Se, входящих в VI группу периодической системы. Оба элемента поливалентны (S^2-, S⁰, S⁴⁺, S⁶⁺, Se^2-, Se⁰, Se⁴⁺, Se⁶⁺), образуют соединения-аналоги – сероводород Н₂S и селеноводород Н₂Se, сульфиды и селениды, сульфаты (соли Н₂SО₄) и селенаты (соли Н₂SеО₄). Вместе с тем в земной коре, биосфере и ландшафтах роль обоих элементов резко различна, что объясняется сравнительно высоким кларком S (4,7∙10^-2 %) и очень низким Se (5∙10^-6). Действительно, S – ведущий элемент многих процессов, Se – нет. Сероводород играет огромную роль в земной коре, обуславливая накопление пирита в осадках, формирование месторождений Pb, Zn, Cu, Cd и других металлов. Селеноводород не имеет существенного значения. Для S характерна минеральная форма нахождения, для Se – неминеральная и т.д. Иначе говоря, геохимия S и Se имеет меньше общих черт, чем их химия. То же можно сказать о Na и Cs, Ca и Ra, Si и Ge.

Способность к минералообразованию, количество самостоятельных минеральных видов, с одной стороны, зависит от химических свойств элемента, а с другой – от его кларка (у Са кларк 2,96 и известно 385 минералов, а у его химического аналога Ra нет ни одного собственного минерала, у К (2,50) 106 минералов, а у Rb (0,015) – 0, у S (0,047) – 369, у Se (5∙10^-6) – 37 и т.д.).

Е. М. Квятковский элементы с большой способностью к минералообразованию назвал минералофильными (U, S, Se и др.), а с малой – минералофобными (Ga, Ra, Sc, In, TI, TR и др.).

В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в земной коре, но все же их содержание в почвах, водах, организмах, как правило, отличается от кларка, хотя порядок величин нередко сохраняется. Средние содержания (кларки) элементов в атмосфере, гидросфере и организмах существенно отличаются от литосферы.