Электронная структура и размеры атомов в кристаллах: ионные, атомные и ковалентные радиусы. Типы химической связи и координация атомов

24. Оболочки Земли, распространенность элементов в земной коре, гипотезы о химическом и фазовом составе мантии и ядра.

Вернадский

говорил:
"В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости
наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление
микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосме,
отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те элементы, какие
наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с
улучшением и утончением методов исследования. При их улучшении мы находим
натрий, литий, стронций там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в
меньших пробах, чем делали раньше".
В 80-е гг. XIX в. проблемами определения среднего состава земной коры много занимался Ф.У. Кларк –
руководитель химической лаборатории американского геологического комитета в Вашингтоне. Отобрав 880
наиболее точных анализов горных пород, он в 1889 г. определил среднее содержание 10 химических элементов в твердой земной коре. Кларк получил следующие результаты (%):
Кислород 46,28 Магний 2,77
Кремний 28,02 Калий 2,47
Алюминий 8,14 Натрий 2,43
Железо 5,58 Титан 0,33
Кальций 3,27 Фосфор 0,10

Кларк трактовал геохимию как совокупность сведений о химическом составе земной коры. Продолжая исследования, он увеличивал точность определений, количество анализов и число элементов. В сводке среднего содержания элементов в земной коре, опубликованной в 1924 г., были приведены данные уже о 50 элементах. Учитывая заслуги Кларка в развитии геохимии и исследованиях распространенности элементов, Ферсман в 1923 г. предложил обозначить среднее содержание химического элемента в земной коре, на Земле в целом, а также на планетах и в космосе термином "кларк". По предложению Вернадского в таблицах кларков приводятся значения массовых (весовых) и атомных кларков. Смысл введения атомных кларков состоит в следующем. Пусть имеется геологическая система, состоящая из водорода и фтора, и на один атом водорода приходится один атом фтора. Если определить атомные кларки, то они будут

одинаковы для обоих элементов. Но, если определить вклад водорода и фтора в массу системы, то окажется, что в соответствии с величинами атомных масс водорода и фтора от общей суммы 1H + 19F = 20HF водород составит только 5%, а фтор – 95%. Таким образом массовые и атомные кларки могут значительно различаться. Для перевода массовых кларков в атомные надо значение массового кларка каждого элемента разделить на атомную массу и сумму этих величин считать за 100%. Тогда доля в этой сумме величины
содержания каждого элемента будет соответствовать его атомному кларку. Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло более 100 лет. За это время была проделана гигантская работа, и общая картина распространенности элементов в земной коре выявилась достаточно отчетливо. Прежде всего 332
подтвердилось гениальное предположение Вернадского о рассеянном состоянии всех химических элементов. Для иода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия и некоторых других редких элементов рассеянное состояние является основным, так как они не образуют или почти не образуют собственных минералов. Только для кислорода, кремния, алюминия, железа, натрия, калия, магния главная форма
нахождения – собственные минералы. Положение о всеобщем рассеянии химических элементов советский геохимик Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского. Современные методы анализа и приборы позволили уточнить содержание элементов в земной коре (табл. 1.3).
Как видно из таблицы, половина земной коры состоит из кислорода. Таким образом, земная кора – это "кислородная сфера". На втором месте стоит кремний (кларк 29,5), на третьем – алюминий (8,05). Если к ним добавить железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,50), натрий (2,50), магний (1,87), титан (0,45), то получится 99,48%, т. е. практически вся земная кора.
На остальные 80 элементов приходится менее 1%.
Элементы, содержание которых не превышает 0,01-0,0001%, называют редкими. Если редкие элементы не образуют собственных минералов, то их называют "редкими рассеянными" (Br, In, Ra, U, Re, Hf, Se и др.).
Так, у урана и брома кларки почти одинаковы (2,5.10-4 и 2,1.10-4), но уран – редкий элемент, т. к. известно 104 урановых минерала и урановые месторождения, а бром – рассеянный (имеет лишь один минерал).
В геохимии есть еще понятие "микроэлементы", которое означает элементы, содержащиеся в малых количествах (>0,01%) в данной системе. Так, алюминий – микроэлемент в живом организме и макроэлемент в силикатных породах. Таким образом, распространенность элементов в земной коре связана преимущественно со строением атомного ядра. В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным
числом протонов и нейтронов. Причина этого лежит в звездной стадии существования земной материи. Свыше 4,5 млрд лет назад вещество нашей планеты было нагрето до десятков миллионов градусов. При таких температурах ни атомы, ни молекулы существовать не могут, и вещество представляло собой раскаленную плазму со свободными электронами и ядрами. В плазме протекали ядерные реакции – из протонов и нейтронов образовывались ядра химических элементов. Вероятнее всего образование наиболее
устойчивых ядер, а такими являются ядра, содержащие небольшое и четное количество протонов и нейтронов. Ядра же, переполненные протонами и нейтронами, неустойчивы и распадаются. Таковы уран, торий, радий и другие радиоактивные элементы, распадающиеся с образованием свинца и гелия. Но и среди легких элементов не все обладают высокими кларками. Например, бериллий имеет порядковый номер 4, а его кларк 3,8.10-4%. Еще меньше кларк гелия, хотя в космосе он занимает второе место по распространенности (после водорода). Мало лития (3,2.10- 3%), бора (1,2.10-3%), углерода (2,3.10-2%). Это объясняется тем, что названные атомы в центральных частях звезд являются ядерным горючим и уничтожаются в ходе ядерных реакций.


26. Геохимия гидросферы
Гидросфера – совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова. Вода – основа гидросферы – одно из самых распространенных химических соединений на Земле. Это единственное вещество, которое в природных условиях на поверхности нашей планеты встречается в твердом, жидком и газообразном состоянии. Она является главной составной частью живых организмов.
Основную часть воды на Земле составляют океаны, покрывающие 2/3 поверхности Земли. Несмотря на кажущееся изобилие воды, лишь ничтожная часть ее пригодна для питья. Бóльшая часть пресной воды на Земле сосредоточена в ледниках Антарктиды, Гренландии и Арктики, а также в подземных запасах, пока малодоступных для человека.
Источник воды при образовании гидросферы до сих пор неясен. Возможно, это были метеориты или кометы, обогащенные водяным паром. В любом случае, когда поверхность Земли остыла до 100° С, водяной пар, выделяющийся из мантии, должен был сконденсироваться. Это произошло около 3,8 млрд. лет назад, когда образовались океаны.
Средний состав гидросферы=среднему составу морской воды. Воды морей и океанов содержат, в среднем, 3,5% или 35‰ растворенных веществ. В основном это соли – хлориды и сульфаты натрия и магния, которые находятся в морской воде в виде ионов. Относительные концентрации основных ионов морской воды во всех океанах Земли отличаются удивительным постоянством. Главные ионы Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^–. Помимо ионов, морская вода содержит растворенные газы и органические соединения. pH морской воды = 8,1.
Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения, пористые или раздробленные породы, образуя подземные воды. Остальная вода течет по поверхности в виде рек или вновь испаряется в атмосферу. Вода, стекающая по поверхности суши, захватывает многие химические вещества. Речные воды содержат ионы, нейтральные молекулы, взвешенные частицы и существенно отличаются по составу от вод Мирового океана. Солей здесь намного меньше.