Главная > Наука > Геохимическая «Бухгалтерия»

Геохимическая «Бухгалтерия»

Раньше считали, что чем шире применяется на практике химический элемент, тем больше его в земных недрах. Издавна известны железо, золото, серебро, медь, ртуть, сера. Люди познакомились с ними так рано потому, что эти элементы или встречаются на Земле в самородном состоянии (в свободном виде, т.е. в виде простых веществ), или же их (например, олово и свинец) было легко выделить из природных соединений.

Современное понятие «химический элемент» начало складываться лишь около двух столетий назад. Геохимия как новая область знаний стала зарождаться только тогда, когда было открыто достаточно большое число элементов.
Изучение химического состава десятков и сотен минералов позволяло, говоря языком экономистов, «набрать статистику», сделать самую предварительную «прикидку», какие элементы встречаются чаще, а какие — реже.

Пожалуй, первым дерзнул дать оценку состава земной коры малоизвестный английский минералог XIX в. В. Фил липе. Правда, он отобрал лишь десять элементов, которые чаще других встречаются в природе. Однако попадание в цель было довольно удачным. В неорганической природе, полагал Фи л липе, существенно преобладают кислород, кремний, алюминий и железо, а в живой природе царствует четвёрка элементов — «органогенов» (т.е. тех, которые являются главными составными частями органических веществ): кислород, водород, углерод и азот.

Подсчёты Филлипса не вызвали интереса. Многие учёные считали, что следует изучать особенности химического состава минералов и горных пород, а не определять какие-то никому не нужные — с их точки зрения — отвлечённые цифры. С подобным непониманием столкнулся на первых порах главный химик Геологической службы США Фрэнк Кларк, когда в 70-х гг. XIX в. он начал долголетнюю работу по оценке содержания элементов в земной коре. Только со временем стало ясно, что он совершил настоящий научный подвиг.

Кларк сам проводил немного химических анализов — он занимался статистикой, обобщением полученных ранее данных. Ход рассуждений его был прост: чем больше распространены те или иные горные породы, тем чаще отбираются их образцы и, следовательно, тем больше проводится их анализов. Если тщательно обработать полученные результаты, то можно составить представление об элементном составе земной коры. Не всей, конечно, а её верхней части. Кларк условно ограничил глубину её простирания шестнадцатью километрами. Из такой «толщины» исходят и в современных расчётах.

За 20 лет Кларк обобщил исследования более тысячи учёных и результаты более 5 тыс. анализов.
И вот к каким выводам он пришёл. Если оценивать среднее содержание элементов в процентах от массы земной коры, то наиболее распространёнными оказываются следующие: кислород (47,00%), кремний (29,5%), алюминий (8,05%), железо (4,65%), кальций (2,96%), натрий (2,50%), калий (2,50%) и магний (1,87%). Это — современные данные, но они в незначительной степени отличаются от кларковских.

В сумме все эти числа дают 99,03%. Следовательно, на долю всех прочих элементов приходится менее 1%. Отсюда следует важнейшее заключение: химические элементы в земной коре встречаются крайне неравномерно. И ещё: все перечисленные элементы располагаются в верхней части периодической системы; из них наибольший порядковый номер — 26 — имеет железо.

Забегая немного вперёд, зададимся вопросом: существует ли возможность оценить состав земного шара в целом, а не только его «кожуры»? Ведь никакой «статистикой» по отношению к мантии и ядру мы не располагаем. Тем не менее американский исследователь Б. Мэйсон предпринял попытку такой оценки, основываясь на существующих гипотезах о внутреннем строении Земли. По Мэйсону, в первую десятку наиболее распространённых элементов нашей планеты в целом вошли железо (38,8%), кислород (27,17%), кремний (13,84%), магний (11,25%), сера (2,74%), никель (2,7%), алюминий (1,07%), кальций (1,07%), натрий (0,51%) и кобальт (0,2%).

«Жар холодных числ» основательно подогрел интерес к количественной геохимии. Содержание химических элементов в земной коре стало такой же важной их характеристикой, как порядковый номер и атомный вес. В 1933 г. Ферсман предложил называть эти величины кларками.

Немногие учёные удостаивались такой чести — навечно сохранить своё имя в названии той или иной количественной величины.
Многие существенные закономерности химии Земли позволяет выявить и понять анализ клар-ков. Да и не только Земли: ведь и в Солнечной системе, и во всей Вселенной «живут» и находятся в постоянном развитии те же самые химические элементы, которые составляют нашу планету.

Обратите теперь внимание на таблицу Менделеева, в которой под символами элементов проставлены их кларки. Картина довольно пёстрая, но разобраться в ней не так уж и сложно. Внимательный читатель увидит, что содержание элементов в земной коре уменьшается при движении от начала таблицы к её концу. Конечно, не всё тут так просто, но общее впечатление достаточно верное.
Мы можем совершить путешествие по периодической системе элементов, взглянув на неё глазами геохимика.

Сначала познакомимся с элементами, которых меньше всего. Обратим внимание на самую правую колонку таблицы Менделеева. Она состоит из так называемых благородных (или инертных) газов, которые вместе с кислородом, азотом и водородом входят в состав земной атмосферы. Это гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Под символами этих элементов (за исключением радона) кларки даже не проставлены. И не случайно: благородные газы (и то не все) с большим трудом вступают в химические взаимодействия. Это объясняется особенностями строения их атомов. Немногим более 30 лет прошло с тех пор, как в лабораторных условиях удалось получить химические соединения ксенона и криптона. В природе же благородные газы совершенно не способны соединяться с другими элементами и входить в состав минералов и горных пород, потому и не могут задерживаться в них. Более того, они постоянно рассеивались, улетучиваясь из атмосферы Земли в космическое пространство. Лишь аргон имеет своеобразный источник пополнения: он постоянно образуется из калия благодаря радиоактивному распаду одного из его изотопов (т.е. разновидностей атомов с одинаковым числом протонов и различными числами нейтронов). Поэтому содержание аргона в 100 раз больше, чем всех остальных инертных газов вместе взятых.

А вот другая область «геохимических редкостей» — радиоактивные элементы: у них все изотопы нестабильны и распадаются, превращаясь в конце концов в изотопы свинца. Это элементы, находящиеся в конце периодической системы, начиная с полония (порядковый номер 84). Следующий за ним астат вообще на Земле отсутствует (он был получен искусственно в результате ядерных реакций). Идём дальше: радон (радиоактивный инертный газ), франций, радий, актиний, протактиний... Посмотрите, как ничтожно малы их кларки!

Объяснение этому простое. Первоначальные «запасы» полония, радона, радия, актиния, протактиния, которые имелись на планете в далёкие времена её образования, давным-давно «съедены» радиоактивностью. Те же их количества, которые мы ныне обнаруживаем в земных минералах, имеют вторичное происхождение. Они постоянно воспроизводятся благодаря радиоактивному распаду урана и тория. Торий и уран отличаются от прочих элементов конца периодической системы несравненно большей продолжительностью своей жизни, которая измеряется миллиардами лет. Поэтому «первозданные» уран и торий сохранились на Земле. И их открывали в природных минералах как обычные стабильные элементы. По кларкам они принадлежат к элементам средней распространённости. А вот тех вторичных радиоактивных элементов, которые из них образовались, в 16-километровой толще земной коры ничтожно мало — немногим более 1 млн т.

Геохимики широко пользуются понятием «редкие элементы». Обычно к ним относят те, чей кларк имеет порядок 105%. Однако это понятие не очень строгое. Наглядный пример: германий, элемент с порядковым номером 32, один из тех, которые были предсказаны Менделеевым. Кларк германия составляет 104%, что позволяет отнести его к элементам-«середнякам». Между тем он был открыт только в 1886 г., гораздо позже, чем очень многие куда менее распространённые его «собратья». Ирония судьбы или закономерность? Позвольте сделать маленький экскурс в историю. Немецкий химик Клеменс Винклер извлёк германий из очень редкого минерала аргиродита. Лишь позже выяснилось, что аргиродит — представитель весьма немногочисленных собственных минералов германия, таких, в которые он входит в качестве главной составной части. В основном же германий буквально распылён, рассеян по минералам и рудам различных элементов. Те элементы, которые фактически не имеют собственных минералов, получили название рассеянных. К их числу помимо германия принадлежат скандий, галлий, рубидий, цезий, индий, гафний и некоторые другие.

Постоянная ссылка на страницу: http://pochemy.net/?n=1067