Ядро планеты Земли. (Описание процессов ядерного распада и синтеза в ядре планеты)

Разное состояние атомов в твердом веществе земной коры В. И. Вернадский назвал формами нахождения элементов. В наше время представление об этих формах успешно используется геохимиками для решения практических задач при поисках месторождений полезных ископаемых.
Как нам уже известно, при достаточно большой концентрации атомы образуют кристаллохимические структуры со строго упорядоченным расположением. При очень низкой концентрации химического элемента его атомы не могут образовывать самостоятельные соединения. Если величина радиусов этих атомов соответствует имеющимся кристаллохимическим структурам, то атомы могут в них войти по законам изоморфизма. Если же такого соответствия нет, атомы остаются в твердом кристаллическом веществе в неупорядоченном рассеянном состоянии. Кристаллическое и рассеянное состояния являются двумя важнейшими формами нахождения атомов в земной коре. Преобладание той или другой формы зависит от значения кларка элемента.
Восемь химических элементов, содержащихся в земной коре в количестве более 1%, называются главными. Атомов этих элементов так много, что их большая часть находится в упорядоченном состоянии в кристаллическом веществе. К ним можно добавить второстепенные элементы, содержащиеся в количестве десятых долей процента. Все другие химические элементы, каждый из которых присутствует в земной коре в количестве меньше 0,1%, следует называть малораспространенными. Они ведут себя неодинаково. Одни из них способны концентрироваться в отдельных местах и образуют многочисленные самостоятельные минералы. Другие более или менее равномерно рассеяны в земной коре, редко или даже совсем не образуют минералов. Поэтому советский геохимик А. А. Беус предлагает подразделять малораспространенные химические элементы на минералогенные, т. е. образующие минералы, и рассеянные, их не образующие.
Строго говоря, атомы всех химических элементов имеются в рассеянном состоянии. Однако есть такие, которые совершенно не встречаются в виде самостоятельных соединений и полностью находятся в виде изоморфной примеси или в рассеянном состоянии. К ним относятся рубидий, большая часть редкоземельных элементов, гафний, индий, рений, все благородные газы, все радиоактивные элементы, кроме урана и тория.
В настоящее время под рассеянными элементами подразумевают малораспространенные элементы, находящиеся в неминералогической форме, т. е. входящие в состав минералов в виде такой незначительной примеси, что не могут быть отражены в химической формуле. Согласно подсчетам В. И. Вернадского, в 1 см3 твердого вещества земной коры присутствует такое числа атомов в рассеянном состоянии: лития.— .10й, брома — 1018, иттрия — 10", галлия — 1018 и т. д.

Элементный состав живого вещества и ОВ горючих ископаемых

Горючие ископаемые содержат в своем составе те же элементы, что и вещество живых организмов, поэтому элементы - углерод, водород, кислород, азот, серу и фосфор называют или биогенными, или биофильными, или органогенными .

На долю водорода, углерода, кислорода и азота приходится более 99% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Кроме них в значительных количествах в живых организмах могут концентрироваться еще око

ло 20-22 химических элементов. 12 элементов составляют 99,29 %, остальные 0,71%

Распространенность в космосе: Н, Не, С, N.

До 50% - C, до 20% - O, до 8% - H, 10-15% - N, 2-6% - P, 1% - S, 1% - K, ½% - Mg и Ca, 0,2% - Fe, в следовых количествах – Na, Mn, Cu, Zn.

Строение атома, изотопы, распространение в земной коре водорода, кислорода, серы и азота

ВОДОРОД - главный эл-т космоса, самый распространенный элемент Вселенной. Хим эл-т 1 группы, атомный номер 1, атомная масса 1,0079 . В современных изданиях таблицы Менделеева H располагают также в VII группе над F, так как некоторые св-ва H похожи на свойства галогенов. Известны три изотопа H. Два стабильные - это протий 1 Н – Р (99,985%), дейтерий 2 Н - D (0,015%), и один радиоактивный - тритий 3 Н - Т, Т 1/2 =12,262 лет. Искусственно получен еще один - четвертый крайне неустойчивый изотоп - 4 Н. В разделении Р и D в природных условиях основную роль играет испарение, однако, масса вод мирового океана так велика, что содержание дейтерия в нем изменяется слабо. В тропических странах содержание дейтерия в атмосферных осадках выше, чем в полярной зоне. В свободном состоянии H - бесцветный газ, без вкуса и запаха, самый легкий из всех газов, в 14,4 раза легче воздуха. H становится жидким при -252,6°С, твердым при -259,1°С. H - прекрасный восстановитель. Горит в O несветящимся пламенем, образуя воду. В земной коре H намного меньше, чем в звездах и на Солнце. Его весовой кларк в земной коре 1%. В природных химических соединениях Н образует ионные, ковалентные и водородные связи . Водородные связи играют важную роль в биополимерах (углеводах, спиртах, белках, нуклеиновых кислотах), определяют свойства и строение геополимеров керогена и молекул ГИ. При определенных условиях атом Н способен соединиться одновременно с двумя другими атомами. Как правило, с одним из них он образует прочную ковалентную связь, а с другим - слабую, она и получила название водородной связи .

КИСЛОРОД - Самый распространенный элемент земной коры, составляет в ней по массе 49,13%. O имеет порядковый номер 8, находится во 2 периоде, VI группе, атомная масса 15,9994. Известны три стабильных изотопа O - 16 О (99,759%), 17 О (0,0371%), 18 О (0,2039%). Долгоживущие радиоактивные изотопы O отсутствуют. Искусственный радиоактивный изотоп 15 О (Т 1/2 = 122 секунды). Применяется для геологических реконструкций соотношение изотопов 18 О/ 16 О, которое в природных объектах изменяется на 10% от 1/475 до 1/525. Наиболее низкий изотопный коэффициент имеют полюсные льды, наиболее высокий - СО 2 атмосферы. При сравнении изотопного состава пользуются величиной d 18 О , которое вычисляется по формуле: d 18 О ‰= . За стандарт принято среднее соотношение этих изотопов в океанической воде. Вариации изотопного состава O в гп, воде определяются температурой, при которой протекает процесс образования конкретных минералов. Чем ниже T, тем интенсивнее будет фракционирование изотопов. Полагают, что изотопный состав O океана за последние 500 млн. лет не менялся. Главным фактором, определяющим изотопный сдвиг (вариации изотопного состава в природе), является кинетический эффект, определяемый температурой прохождения реакций. O при обычных условиях газ, невидим, безвкусен, лишен запаха. В реакциях с подавляющим большинством атомов O выступает в роли окислителя . Лишь в реакции с F окислителем является F. O существует в двухаллотропных модификациях . Первая - молекулярный кислород - О 2 Вторая модификация – озон – О 3 , обр под действием электрических разрядов в воздухе и чистом O, в радиоактивных процессах, действием на обычный O ультрафиолетовых лучей. В природе О 3 образуется постоянно под действием УФ лучей в верхних слоях атмосферы. На высоте около 30-50 км существует «озоновый экран», задерживающий основную массу УФ лучей, защищая организмы биосферы от губительного действия этих лучей. При малых концентрациях у О 3 приятный, освежающий запах, но если в воздухе более 1% О 3 , он весьма токсичен.

АЗОТ - концентрируется в биосфере: он преобладает в атмосфере (75,31% по весу, 78,7% по объему), а в земной коре его весовой кларк - 0,045 %. Химический элемент V группы, 2 периода атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Известны три изотопа N - два стабильных 14 N (99,635%) и 15 N (0,365 %) и радиоактивный 13 N , Т 1/2 = 10,08 мин. Общий разброс значений отношений 15 N/ 14 N невелик. Нефти обогащены изотопом 15 N, а сопутствующие природные газы обеднены им. Горючие сланцы также обогащены тяжелым изотопом.N 2 бесцветный газ, без вкуса и запаха.N в отличие от О не поддерживает дыхания, смесь N с О наиболее приемлема для дыхания большинства обитателей нашей планеты. N химически неактивен. Он входит в состав ЖВ всех организмов. Малая химическая активность азота определяется строением его молекулы. Как и у большинства газов, кроме инертных, молекула N состоит из двух атомов. В образовании связи между ними участвуют по 3 валентных электрона внешней оболочки каждого атома, образуется тройная ковалентная химическая связь , которая дает самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. «Формальная» валентность от -3 до +5, «истинная» валентность 3. Образуя прочные ковалентные связи с O,H и C, он входит в состав комплексных ионов: - , - , + , которые дают легко растворимые соли.

СЕРА – эл-т ЗК, в мантии (ультраосновные породы) ее в 5 раз меньше, чем в литосфере. Кларк в ЗК - 0,1%. Хим эл-т VI группы,3 периода, атомный номер 16, атомная масса 32,06. Высоко электроотрицательный эл-т, проявляет неметаллические свойства. В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов. Обр кислоты и соли. Многие серосодерж соли малорастворимы в воде. S может обладать валентностями: (-2), (0), (+4), (+6), из них наиболее характерны первая и последняя. Характерны как ионные, так и ковалентнные связи. Основное значение для природных процессов имеет комплексный ион - 2 S - неметалл, хим активный элемент. Лишь с Au и Pt S не взаимодействует. Из неорг соединений кроме сульфатов, сульфидов и H2SO4 на Земле распространены оксиды SO 2 - газ, сильно загрязняющий атмосферу, и SO 3 (твердое вещество), а также сероводород. Для элементарной S характерно три аллотроп-ные разновидности : S ромбическая (наиболее устойчивая), S моноклинная (циклическая молекула - восьмичленное кольцо S 8) и пластическая S 6 - это линейные цепочки из шести атомов. В природе известны 4 стабильных изотопа S: 32 S (95,02%), 34 S (4,21%), 33 S (0,75%), 36 S (0,02%). Искусственный радиоактивный изотоп 35 S c Т 1/2 = 8,72 дня. За стандарт принята S троилита (FeS) из метеорита Каньона Диабло (32 S/ 34 S= 22,22) Реакции окисления и восстановления могут вызывать изотопный обмен, выражающийся в изотопном сдвиге. В природе - бактериальным путем, но возможен и термический. В природе к настоящему времени произошло четкое разделение S земной коры на 2 группы - биогенных сульфидов и газов, обогащенных легким изотопом 32 S, и сульфатов , входящих в соли океанической воды древних эвапоритов, гипсов, содержащих 34 S. Газы, сопутствующие нефтяным залежам, варьируют по изотопному составу и заметно отличаются от нефтей.

Ответы на вопросы,

выносимых на экзамен по дисциплине «Физико-химические процессы в окружающей среде» для студентов III курса специальности «Экологический менеджмент и аудит в промышленности»

Распространенность атомов в окружающей среде. Кларки элементов.

Кларк элемента – числовая оценка среднего содержания элемента в земной коре, гидросфере, атмосфере, Земле в целом, различных типах горных пород, космических объектах и др. Кларк элемента может быть выражен в единицах массы (%, г/т), либо в атомных %. Введен Ферсманом, назван в честь Франка Унглизорта, американского геохимика.

Количественную распространенность химических элементов в земной коре впервые установил Кларк. В земную кору он включил также гидросферу и атмосферу. Однако масса гидросферы составляет несколько %, а атмосфера – сотые доли % от массы твердой земной коры, поэтому числа Кларка отражают в основном состав твердой земной коры. Так, в 1889 году были рассчитаны кларки для 10 элементов, в 1924 – для 50 элементов.

Современные радиометрические, нейтронно-активационные атомно-адсорбционные и другие методы анализа позволяют с большой точностью и чувствительностью определить содержание химических элементов в горных породах и минералах. Представления о кларках изменились. Н-р: Ge в 1898 году Фокс считал кларк равный п *10 -10 %. Ge был плохо изучен не имел практического значения. В 1924 году для него кларк был рассчитан как п*10 -9 % (Кларк и Г. Вашингтон). Позже Ge был обнаружен в углях, и его кларк возрос до 0,п%. Ge применяют в радиотехнике, поиск германиевого сырья, детальное изучение геохимии Ge показали, что Ge не так уж редок в земной коре, его кларк в литосфере составляет 1,4*10 -4 %, почти такой же как у Sn, As, его намного больше в земной коре чем Au, Pt, Ag.

Распространенность атомов в ос

Вернадский ввел положение о рассеянном состоянии химических элементов, и оно подтвердилось. Все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточности чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или другого элемента в изучаемой среде. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов именуется законом Кларка-Вернадского.

Исходя из кларков элементов в твердой земной коре (про Виноградову) почти ½ твердая земная кора состоит из О, т.е Земная кора - это «кислородная сфера», кислородное вещество.

Кларки большинства элементов не превышают 0,01-0,0001% - это редкие элементы. Если эти элементы обладают слабой способностью к концентрированию, они называются резкими рассеянными (Br, In, Ra, I, Hf).

Н-р: Для U и Br значения кларков составляют ≈ 2,5*10 -4 , 2,1* 10-4 соответственно, но U просто редкий элемент, т.к. известны его месторождения, а Br – редкий рассеянный, т.к. он не концентрируется в земной коре. Микроэлементы – элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (≈ 0,01% и менее). Так, Al – микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.

Классификация элементов по Вернадскому.

В земной коре родственные по периодической системе элементы ведут себя неодинаково – мигрируют в земную кору по-разному. Вернадский учитывал самые важные моменты истории элементов в земной коре. Главное значение предовалось таким явлениям и процессам как радиоактивность, обратимость и необратимость миграции. Способность давать минералы. Вернадский выделил 6 групп элементов:

благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe) – 5 элементов;

благородные металлы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) – 7 элементов;

циклические элементы (участвующие в сложных круговоротах) – 44 элемента;

рассеянные элементы – 11 элементов;

сильно радиоактивные элементы (Po, Ra, Rn, Ac, Th, Pa, U) – 7 элементов;

элементы редких земель – 15 элементов.

Элементы 3 группы по массе преобладают в земной коре из них в основном состоят горные породы, воды, организмы.

Представления из повседневного опыта не совпадают с реальными данными. Так, Zn, Cu широко распространены в быту и технике, а Zr (цирконий) и Ti для нас редкие элементы. Хотя Zr в земной коре в 4 раза больше чем Cu, а Ti – в 95 раз. «Редкость» этих элементов объясняется трудностью их извлечения из руд.

Химические элементы вступают во взаимодействия друг с другом не пропорционально их массам, а в соответствии с количеством атомов. Поэтому кларки могут быть рассчитаны не только в массовых %, но и в % от числа атомов, т.е. с учетом атомных масс (Чирвинский, Ферсман). При этом кларки тяжелых элементов уменьшаются, а легких – увеличиваются.

Расчет на число атомов дает более контрастную картину распространенности химических элементов – еще большее преобладание кислорода и редкость тяжелых элементов.

Когда был установлен средний состав земной коры, возник вопрос о причине неравномерности распространения элементов. Это стаи связывать с особенностями строения атомов.

Рассмотрим связь значения кларков с химическими свойствами элементов.

Так щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr химическом отношении близки друг к другу – один валентный электрон, но значения кларков отличаются – Na и K - ≈ 2,5; Rb - 1,5*10 -2 ; Li - 3,2*10 -3 ;Cs – 3,7*10 -4 ;Fr – искусственный элемент. Резко различаются значения кларков для F и Cl, Br и I, Si (29,5) и Ge (1,4*10 -4), Ba (6,5*10 -2) и Ra (2*10 -10).

С другой стороны, различные в химическом отношении элементы имеют близкие кларки – Mn (0,1) и P (0,093), Rb (1,5*10 -2) и Cl (1,7*10 -2).

Ферсман построил график зависимости значений атомных кларков для четных и нечетных элементов Периодической системы от порядкового номера элемента. Выяснилось, что с усложнением строения атомного ядра (утяжеления) кларки элементов уменьшаются. Однако эти зависимости (кривые) получились ломаными.

Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию, которая плавно понижалась по мере возрастания порядкового номера элемента. Элементы расположенные выше средней линии, образующие пики, ученый назвал избыточными (O, Si, Fe и др.), а расположенные ниже линии – дефицитными (инертные газы и др.). Из полученной зависимости следует, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки Периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. Действительно, после Fe (№26) нет ни одного распространенного элемента.

Далее Оддо (итальянский ученый) и Гаркинсом (американский ученый) в 1925-28 гг. была установлена другая особенности распространенности элементов. В Земной коре преобладают элементы с четным порядковым номером и атомными массами. Среди соседних элементов у четных элементов кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для 9 наиболее распространенных элементов (8 O, 14 Si, 13 Al, 26 Fe, 20 Ca, 11 Na, 19 K, 12 Mg, 22 Ti) массовые кларки четных составляют в сумме 86,43% , а нечетных – 13,05%.Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4, это – O, Mg, Si, Ca.

По данным исследований Ферсмана, ядра типа 4q (q –целое число) составляют 86,3% земной коры. Менее распространены ядра типа 4q +3 (12,7%) и совсем мало ядра типа 4q+1 и 4q+2 (1%).

Среди четных элементов, начиная с He, наибольшими кларками обладают каждый шестой: O (№8), Si(№14), Ca (№20), Fe (№26). Для нечетных элементов – аналогичное правило (начиная с Н) – N (№7), Al (№13), K (№19), Mg (№25).

Итак, в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов.

С течением времени кларки изменились. Так в результате радиоактивного распада стало меньше U и Th, но больше Pb. В изменении значений кларков элементов сыграли роль и такие процессы как диссипация газов, выпадение метеоритов.

Основные тенденции химических изменений в земной коре. Большой круговорот вещества в земной коре.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ. Вещество земной коры находится в непрерывном движении, вызванном разнообразными причинами, связанными с физ.-хим. свойствами вещества, планетными, геологическими, географическими и биол. условиями земли. Это движение неизменно и непрерывно происходит в течение геологического времени-не менее полутора и по-видимому не более трех млрд. лет. В последние годы выросла новая наука геологического цикла - геохимия, имеющая задачей изучение хим. элементов, строящих нашу планету. Основным предметом ее изучения являются движения хим. элементов вещества земли, какими бы причинами эти движения ни были вызваны. Эти движения элементов называются миграциями хим. элементов. Среди миграций есть такие, во время которых хим. элемент через больший или меньший промежуток времени неизбежно возвращается в начальное исходное состояние; история таких хим. элементов в земной коре может быть сведена т. о. к обратимому процессу и представлена в форме кругового процесса, круговорота. Этого рода миграции характерны не для всех элементов, но для значительного их числа, в том числе для огромного большинства хим. элементов, строящих растительные или животные организмы и окружающую нас среду-океаны и воды, горные породы и воздух. Для таких элементов в круговороте веществ находится вся или подавляющая масса их атомов, у других лишь ничтожная их часть охвачена круговоротами. Несомненно, что большая часть вещества земной коры до глубины в 20-25 км охвачена круговоротами. Для следующих хим. элементов круговые процессы являются характерными и господствующими среди их миграций (цифра указывает на порядковое число). Н, Ве4, В5, С«, N7, 08, Р9, Nan,Mg12,Aha, Sii4,Pi5, Sie, Cli7, K19, Ca2o, Ti22, V23, Cr24, Mn25, Fe2e, Co27, Ni28, Cu29, Zn30, Ge32, As33,Se34, Sr38,Mo42, Ag47,Cd48, Sn50, Sb51, Te62, Ba56) W74, Au79,Hg80,T]81,Pb82,Bi83. Эти элементы могут быть на этом основании отделены от других элементов как элементы циклические или органогенные. Т.о. круговороты характеризуют 42 элемента из 92 входящих в Менделеевскую систему элементов, причем в это число входят самые обычные господствующие земные элементы.

Остановимся на К. первого рода, заключающих биогенные миграции. Эти К. захватывают биосферу (т. е. атмосферу, гидросферу, кору выветривания). Под гидросферой они захватывают подходящую к океаническому дну базальтовую оболочку. Под сушей они в последовательности углубления обнимают толщу осадочных пород (стратосферу), метаморфическую и гранитную оболочки и входят в базальтовую оболочку. Из земных глубин, лежащих за базальтовой оболочкой, вещество земли не попадает в наблюдаемые К. Оно не попадает в них также сверху из-за пределов верхних частей стратосферы. Т. о. круговороты хим. элементов являются поверхностными явлениями, идущими в атмосфере до высот в 15-20 км (не выше), а в литосфере-не глубже 15-20 км. Всякий К., для того чтобы он мог постоянно возобновляться, требует притока внешней энергии. Известны два главных и несомнен. источника такой энергии: 1) космическая энергия-излучения солнца (от нее почти всецело зависит биогенная миграция) и 2) атомная энергия, связанная с радиоактивным распадом элементов "78 ряда урана, тория, калия, рубидия. С меньшей степенью точности можно выделить энергию механическую, связанную с движением (благодаря тяготению) земных масс, и вероятно космическую энергию, проникающую сверху (лучи Гесса).

Круговороты, захватывающие несколько земных оболочек, идут медленно, с остановками и могут быть замечены только в геологическом времени. Часто они охватывают несколько геолог, периодов. Они вызываются геолог, смещениями суши и океана. Части К. могут идти быстро (напр. биогенная миграция).

Химический состав земной коры был определен по результатам анализа много­численных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.

В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15-20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.

Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элемен­тов, из них 8 составляют 97,2-98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) -75 % массы Земли.

Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее час­то встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в нед­рах Земли, приводит к образованию самых разнообразных со­единений. Химические элементы, которых больше всего в лито­сфере, входят в состав многих минералов (из них в основном со­стоят разные породы).

Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кисло­род, водород, кремний и алюминий являются основными компо­нентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).

Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами. Это однородные химичес­кие вещества земной коры, которые образовались вследствие сложных физико-химических или биохимических процессов, например каменная соль (NaCl), гипс (CaS04*2H20), ортоклаз (K2Al2Si6016).

В природе химические элементы принимают неодинаковое участие в образовании разных минералов. Например, кремний (Si) входит в состав более 600 минералов, а также очень распро­странен в форме окисей. Сера образует до 600 соединений, каль­ций-300, магний -200, марганец-150, бор - 80, калий - до 75, соединений лития известно только 10, а йода - еще меньше.

Среди наиболее известных минералов в земной коре преобладает большая группа полевых шпатов с тремя основными элементами - К, Na и Са. В почвообразующих породах и продук­тах их выветривания полевые шпаты занимают основное положе­ние. Полевые шпаты постепенно выветриваются (распадаются) и обогащают почву на К, Na, Са, Mg, Fe и другие зольные вещест­ва, а также микроэлементы.

Кла́рковое число́ - числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле, космических телах, геохимических или космохимических системах и др., по отношению к общей массе этой системы. Выражается в % или г/кг.

Виды кларков

Различают весовые (в %, в г/т или в г/г) и атомные (в % от числа атомов) кларки. Обобщение данных по химическому составу различных горных пород, слагающих земную кору, с учётом их распространения до глубин 16 км впервые было сделано американским учёным Ф. У. Кларком (1889). Полученные им числа процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впоследствии несколько уточнённые А. Е. Ферсманом, по предложению последнего были названы числами Кларка или кларками.

Строение молекулы . Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.

Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых с спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.

Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей. Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.

Ионы. В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном.

Кристаллическая решётка моделирует расположение положительных ионов внутри кристалла однородного металлического вещества.

Известно, что в твёрдом состоянии все металлы являются кристаллами. Ионы всех металлов расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. В расплавленных и испарённых (газообразных) металлах упорядоченное расположение ионов отсутствует, но электронный газ по-прежнему остаётся между ионами.

Изото́пы - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число. Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа. Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Для геохимии важно выяснить принцип распространения химических элементов в земной коре. Почему одни из них часто встречаются в природе, другие значительно реже, а третьи вообще представляют собой «музейные редкости»?

Мощным инструментом для объяснения многих геохи­мических явлений служит Периодический закон Д.И. Мен­делеева. В частности с его помощью может быть исследован вопрос о распространённости химических элементов в зем­ной коре.

Впервые связь геохимических свойств элементов с по­ложением их в Периодической системе химических элементов показали Д.И. Мен­делеев, В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман.

Правила (законы) геохимии

Правило Менделеева

В 1869 году, работая над периодическим законом, Д.И. Менделеев сформулировал правило: «Элементы с малым атомным весом в общем более распространены, чем элемен­ты с большим атомным весом » (см. приложение 1, Периодическую систему химических элементов). Позднее, с раскрытием строения атома было показано, что у химических элементов с малой атомной массой число протонов приблизительно равно числу нейтронов в ядрах их атомов, то есть отношение этих двух величин равно или близко к единице: для кислорода = 1,0; для алюминия

У менее распространённых элементов в ядрах атомов преобладают нейтроны и отношение их числа к числу протонов существенно больше единицы: для радия ; для урана = 1,59.

Дальнейшее развитие «правило Менделеева» нашло в работах датского физика Нильса Бора и российского химика, академика АН СССР Виктора Ивановича Спицына.

Виктор Иванович Спицын (1902-1988)

Правило Оддо

В 1914 году итальянский химик Джузеппе Оддо сформулиро­вал другое правило: «Атомные веса наиболее распростра­нённых элементов выражаются числами, кратными четырём, или мало отклоняются от таких чисел ». Позднее это правило получило некоторую трактовку в свете новых данных о строении атомов: ядерная конструкция, состоящая из двух протонов и двух нейтронов обладает особой проч­ностью.

Правило Гаркинса

В 1917 году американский физикохимик Уильям Дрепер Гаркинс (Харкинс) обратил внимание на то, что химические элементы с чётными атомными (порядковыми) номерами распространены в природе в несколько раз больше, чем со­седние с ними элементы с нечётными номерами. Подсчёты подтвердили наблюдение: из первых 28 элементов перио­дической системы 14 чётных составляют до 86 %, а нечёт­ные - только 13,6 % от массы земной коры.

В этом случае объяснением может служить тот факт, что химические элементы с нечётными значениями атомного номера содержат частицы, не связанные в гелионы, а потому являются менее стабильными.

Из правила Гаркинса имеется много исключений: так, чётные благордные газы распространены крайне слабо, а нечётный алюминий Al обгоняет по распространению чётный магний Mg. Однако есть предположения, что это правило распространяется не столько на земную кору, сколько на весь земной шар. Хотя достоверных данных о составе глубинных слоёв земного шара пока нет, но некоторые сведения позволяют предполагать, что количество магния в целом в зем­ном шаре вдвое больше, чем алюминия. Количество же гелия He в космическом пространстве во много раз превосхо­дит его земные запасы. Это едва ли не самый распространённый химический элемент Вселенной.

Правило Ферсмана

А.Е. Ферсман наглядно показал зависимость распространённости химических элементов в земной коре от их атомного (порядкового) номера. Эта зависимость становится особо очевидной, если построить график в координатах: атомный номер - лога­рифм атомного кларка. На графике прослеживается чёткая тенденция: атомные кларки понижаются с увели­чением атомных номеров химических элементов.

Рис. . Распространённость химических элементов в земной коре

Рис. 5. Распространённость химических элементов во Вселенной

(lg C – логарифмы атомных кларков по Ферсману)

(данные о количестве атомов отнесены к 10 6 атомов кремния)

Сплошная кривая – чётные значения Z,

пунктирная – нечётные значения Z

Однако имеются и некоторые отклонения от этого пра­вила: часть химических элементов значительно превосходит ожидаемые значения распространённости (кислород O, кремний Si, кальций Ca, железо Fe, барий Ba), а другие (литий Li, бериллий Be, бор B) встречаются много реже, чем следовало ожидать, исходя из правила Ферсмана. Такие химические элементы называются соответственно избыточными и дефицитными .

Формулировка основного закона геохимии дана на с.