Оценка состава Земли. Весовые и атомные кларки
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Физической и органической химии»
Реферат
по химии
Тема: Оценка состава Земли. Весовые и атомные Кларки
Курган, 2011
Содержание
Введение
. Количественная оценка распределения химических элементов
. Весовые и атомные кларки
.Закономерности в распределении кларков
.Процессы образование химических элементов
.Оценка состава Земли
. Кларки элементов для земной коры
Выводы
Список литературы
Введение
Легко ли установить химический состав земной коры? Такая титаническая работа непосильна не только одному человеку, но и целому поколению. Для решения этой задачи требовались усилия многих и многих ученых, представителей разных наук. Особенно важное значение имели химические исследования.
Один из классиков естествознания, наш замечательный соотечественник М.В. Ломоносов ясно представлял многие геохимические проблемы и подчеркивал ведущую роль химии в познании недр Земли. Эту идею он настойчиво развивал в своих научных трудах, таких, как «Слово о пользе Химии» (1751 г.), «Слово о разделении металлов от трясения земли» (1757 г.) и в обширном трактате «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.).
В 1813 г. немецкий химик И. Деберейнер обратил внимание на преобладание в земной коре элементов с небольшими атомными массами. В 1815 г. английский минералог Филлипс впервые произвел подсчеты содержания 10 химических элементов в земной коре.
Французский геолог Эли де Бомон в 1847 г. сделал попытку объяснить образование химического состава земной коры в связи с вулканической деятельностью.
Но эти ориентировочные расчеты не привлекли внимания ученых и не нашли отражения ни в научных сводках, ни в учебниках. Это хорошо понимали многие ученые. В одном из первых учебников геологии, переведенных в России, известный геолог К. Фохт писал о том, что химическая сторона геологии еще слишком мало разработана, а изучение ее находится еще в младенчестве.
В конце XIX в. главный химик Геологической службы США Ф. Кларк начал свою многолетнюю работу по определению химического состава земной коры на основании статистического обобщения данных анализов.
Он рассуждал следующим образом: чем более распространен какой-либо тип горных пород, тем в большем количестве отбираются образцы этих пород, тем чаще выполняются их анализы. Суммируя все имеющиеся анализы, можно получить представление о составе верхней части земной коры. Эту верхнюю часть Ф. Кларк условно ограничил глубиной 10 миль (16 км). Более сорока лет работал ученый над этой проблемой и несколько раз (с 1908 по 1924 г.) публиковал все более подробные сведения о содержании химических элементов и других природных образований в земной коре.
Положения, из которых исходил Ф. Кларк, были не абсолютно правильны. Одна формальная статистика не может дать исчерпывающий ответ на сложный вопрос о составе земной коры. Строение земной коры в начале нашего века еще не было изучено настолько, чтобы это можно было учесть при расчетах.
Последние цифры Кларка, опубликованные в 1924 г., базировались на внушительном фактическом материале - более 5000 химических анализов. Но все пробы были отобраны на суше и, следовательно, могли характеризовать не земную кору в целом, а лишь ее континентальный тип.
Тем не менее работы американского ученого открыли новый этап изучения Земли - исследования по оценке количественной распространенности химических элементов в земной коре и других объектах,
Ф. Кларк установил, что в составе земной коры преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод был неоднократно подтвержден другими исследователями. В конце XIX в. стало научным фактом, что земная кора состоит из восьми элементов, которые составляют более 99% ее массы и среди которых на первом месте стоят кислород и кремний. Правда, представления об этом кремнекислородиом веществе носили несколько отвлеченный характер.
В 1912 г. немецкий физик Лауэ обнаружил явление дифракции рентгеновских лучей, пропускаемых через кристалл. Это происходит в силу того, что длина волн этих лучей близка к расстоянию между атомами в кристаллическом веществе. Было установлено, что в кристалле атомы располагаются на строго определенных расстояниях между собой. Таким образом появилась возможность определить межатомные расстояния и так называемый эффективный радиус атома. Величина радиуса очень мала и измеряется стомиллионными долями сантиметра или нанометрами (нм) - миллиардными долями метра. Рентгеноструктурные исследования позволили обнаружить, что минералы, слагающие земную кору, состоят из расположенных в определенном порядке и бесконечно повторяющихся атомов или ионов. Хотя химический состав минералов мы пишем в виде молекулярной формулы, но в действительности молекул как обособленных материальных частиц в природных кристаллах обычно не существует. Таким образом, необходимость в молекулярной теории состава силикатов отпала, а вместе с тем исчезла потребность в умозрительном конструировании гипотетических кремниевых кислот.
Согласно концепции Гольдшмидта, ионы ведут себя как жесткие сферы (твердые шары). Поэтому радиус каждого конкретного иона рассматривается как постоянная величина. Измерив расстояния между ионами в кристаллическом веществе земной коры и зная размер хотя бы одного иона, можно определить ионные радиусы всех химических элементов.
В 1923 г. были установлены размеры ионов кислорода и фтора, а затем рассчитаны ионные радиусы других элементов. В дальнейшем их величина неоднократно уточнялась. Особенность ионных радиусов заключается в том, что радиусы отрицательно заряженных ионов (анионов) значительно больше радиусов положительно заряженных ионов (катионов). Это особенно контрастно проявляется у элементов, способных образовывать как анионы, так и катионы.
Представим себе анионы в виде крупных шаров, а катионы - в виде мелких. Тогда моделью структуры ионно-кристаллического вещества будет пространство, заполненное плотно прилегающими большими шарами-анионами, между которыми должны размещаться мелкие шарики-катионы.
А теперь вспомним, что впервые установил Ф. Кларк и затем подтвердили другие ученые: кислород является основным, преобладающим химическим элементом земной коры. Поразительная, почти парадоксальная картина обнаруживается при пересчете данных о содержании элементов, исходя из взглядов В.М. Гольдшмидта об ионных радиусах. Если учесть относительно крупные размеры анионов кислорода по сравнению с небольшой величиной катионов кремния, то земная кора предстанет перед нами в виде сплошного кислородного каркаса, в пустотах которого располагаются мелкие катионы кремния и некоторых других элементов. Нашу планету охватывает прочный кремнекислородный панцирь. Этот вывод интересен не только своей неожиданностью, но и тем, что он дает ключ к пониманию закономерностей формирования химического состава земной коры. По представлениям В. Гольдшмидта, каркас кислородных анионов играет роль своеобразного геохимического фильтра, который допускает внутрь только положительно заряженные ионы определенного размера.
1. Количественная оценка распределения химических элементов
Можно ли дать количественную оценку перераспределению химических элементов между природными объектами? Конечно, можно, если известно содержание элементов в сравниваемых объектах. Поэтому для геохимии особо важное значение имеет определение среднего содержания химических элементов в разных природных образованиях, прежде всего в земной коре. Мы уже говорили, что первым, кто занялся этой трудоемкой работой, был Ф. Кларк. Вначале его стремление установить средние данные содержания химических элементов не нашло понимания. Многим ученым казалось, что это совершенно ненужное дело. Они считали, что надо изучать особенности химического состава конкретных минералов и горных пород, а не определять какие-то абстрактные цифры. Но идеи Ф. Кларка вскоре получили поддержку в научных центрах, где зарождались основы геохимии: в столичном университете Норвегии и в Московском университете в России.
Внимание Ф. Кларка в основном было сосредоточено на главных десяти химических элементах, слагающих земную кору. В дальнейшем круг элементов был расширен, но для большей части элементов подсчеты средних содержаний встречали большие трудности. Во-первых, это касалось металлов и, во-вторых, малораспространенных химических элементов.
В Норвегии давно сложилась сильная научная школа минералогов, химиков и металлургов, длительное время настойчиво изучавших руды железа, меди, никеля, свинца и цинка. Крупный норвежский минералог Иоганн Фогт преимущественно интересовался распространением рудных металлов. Он определил соотношение между железом и некоторыми другими металлами (никелем, марганцем, кобальтом). На этом основании, используя данные Ф. Кларка о содержании железа, И. Фогт рассчитал среднее содержание рудных металлов в земной коре. Для расчета содержания цинка, свинца, олова и некоторых других металлов он оригинально использовал экономико-статистические сведения. Эти данные были напечатаны в 1899 г. в статье «Об относительном распространении элементов».
Оставалась большая группа элементов, которые с трудом определялись методами химического анализа. На кафедре минералогии Московского университета под руководством В. И. Вернадского был использован спектроскопический анализ для определения элементов, содержащихся в незначительном количестве. В результате всех этих усилий ко второму десятилетию XX в. накопился достаточный фактический материал, чтобы получить общее представление о содержании и распространении химических элементов в земной коре, атмосфере, природных водах и даже в различных космических телах.
2. Весовые и атомные кларки
Различают кларки весовые (массовые), атомные и объемные. Весовые кларки - это средние массовые содержания элементов, выраженные в процентах или в граммах на грамм породы. Атомные кларки выражают процентные количества числа атомов элементов.
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.
3. Закономерности в распределении кларков
Трудно переоценить значение этого химического показателя. На первый взгляд может показаться, что здравый смысл и жизненный опыт позволяют достаточно обоснованно судить о том, насколько редки те или иные химические элементы. Кто не знает, что золото значительно более редкий металл, чем железо? Но даже самое беглое знакомство со значениями клерков показывает, что мы имеем во многом неверное представление о редкости и распространенности химических элементов. Никто не считает медь чем-то редким. В то же время такой металл, как титан, нам мало знаком. Можно ожидать, что в земной коре его меньше, чем меди, но в действительности кларк титана в 100 раз больше кларка меди. А разве не удивительно, что кларк галлия, которого никто из нас не видел, в 300 раз больше ртути, которая нам с детских лет знакома благодаря термометрам?
Естественно возникает вопрос: а есть ли вообще какие-либо закономерности в распределении кларков? Оказывается, есть. Еще в XIX в. химики обратили внимание на то, что легкие элементы более распространены, чем тяжелые.
В 1869 г. Д.И. Менделеев указал, чтo наиболее распространенные химические элементы имеют малую атомную массу. Если кларки элементов расположить не в порядке убывания их значения, а согласно таблице Д. И. Менделеева, по возрастанию номеров элементов, то это легко заметить. Масса атома обусловлена массой его ядра, т. е. числом нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в его состав. Можно сказать, что кларки химических элементов, как правило, уменьшаются по мере усложнения строения ядра, с увеличением числа нуклонов. Правда, есть исключения из этой общей закономерности.
В 1914 г. итальянский физик Дж. Оддо обратил внимание на то, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четной атомной массой. Более подробно это явление было изучено американским ученым У. Гаркинсом. Оно получило название правила Оддо - Гаркинса. Правило гласит: из двух соседних элементов таблицы Д.И. Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно больше.
Это можно легко заметить на примере восьми главных элементов, образующих 99% массы земной коры. Из них четные элементы составляют 86%, а нечетные - всего 13%. Объяснить, чем обусловлены общие закономерности кларков и отклонения от них, невозможно на основании данных только об одной земной коре. Для этого необходимо привлечь сведения о распределении химических элементов в солнечной системе и всей вселенной. По этому поводу А.Е. Ферсман еще в 30-х годах писал: «Значение кларков вышло за пределы частной геохимической задачи - оно играет огромную роль в понимании геохимии космоса...».
Распространение химических элементов в космосе
Вещества Солнца и звезд пока недоступны для непосредственного химического анализа. Тем не менее, о составе наружных оболочек звезд мы знаем значительно больше, чем о внутренних частях нашей планеты. Более ста лет назад немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен открыли метод спектрального анализа. Это позволило приступить к исследованию состава небесных тел. Вскоре были сделаны интересные открытия.
Французский астроном О. Жансен в 1868 г. при изучении спектра солнечной атмосферы обнаружил химический элемент, неизвестный на Земле. Этот элемент был назван в честь Солнца гелием (по-греч. «Солнце» - Гелиос). На Земле этот элемент был обнаружен почти тридцать лет спустя.
Изучение спектров звезд, начатое в прошлом веке, позволило ученым установить распространение химических элементов в космосе. Оказалось, что вселенная состоит в основном из водорода (75%) и гелия (24%). Все остальные химические элементы в сумме составляют около 1%. Сюда относятся все элементы, известные на Земле, и даже такие, которые получены искусственно.
Изучение состава доступной нашим наблюдениям части вселенной (галактики) позволяет сделать вывод, что главные закономерности изменения кларков химических элементов связаны со строением ядер и с процессами их образования.
4. Процессы образование химических элементов
химический элемент кларк гелий
Наиболее распространенной термоядерной реакцией является превращение водорода в гелий. Преобразование ядер водорода в ядра гелия сопровождается выделением огромной энергии. По мнению американского ученого О. Струве, весь свет, который исходит от звезд, возникает в результате этого процесса.
Литий, бериллий и бор образуются иначе - в магнитных полях огромной интенсивности под воздействием быстро движущихся электронов. Такие условия предполагаются в «звездных пятнах» или при образовании сверхновых звезд. Эти элементы очень неустойчивы под воздействием ядер водорода. Поэтому при термоядерных реакциях они «сгорают», превращаясь в гелий.
В результате этого значения кларков лития, бериллия и бора малы не только для земной коры, но и для всей нашей галактики. Процесс термоядерного разрушения этих элементов может быть использован для определения относительной молодости звезд. Например, по содержанию лития, по степени его «выгорания» ученые судят о возрасте звезды.
Синтез ядер не останавливается на образовании гелия. Этот элемент может «сгорать» с образованием ядер углерода, кислорода, неона, которые в результате захвата ядер гелия преобразуются в ядра магния, кремния, серы, аргона и кальция. Эти реакции происходят только в наиболее массивных звездах. Образование более тяжелых ядер, содержащих большое число нуклонов, может происходить при последовательном захвате нейтронов. Особую группу составляют самые тяжелые и наиболее сложно устроенные ядра.
Таким образом, синтез ядер происходит как за счет усложнения более просто устроенных ядер атомов легких химических элементов, так и в результате распада тяжелых ядер. Расчеты показали, что энергетически выгодно образование не легких и не тяжелых ядер, а отвечающих средним порядковым номерам таблицы Д.И. Менделеева. С этим связывают высокий кларк железа (№ 26).
Происходит ли сейчас образование атомов всех химических элементов, вернее, их ядер? На этот вопрос пока нет однозначного ответа. Одни ученые считают, что ядра возникли в особых условиях колоссального сгущения вещества при чрезвычайно сильном возрастании давления и температуры. По их мнению, произошла космическая катастрофа невероятной мощности, а химические элементы представляют собой «золу космического ядерного пожара». Другие ученые думают, что синтез ядер атомов химических элементов осуществлялся неоднократно в результате резкого возрастания интенсивности ядерных процессов, например при вспышках (взрывах) сверхновых звезд.
5. Оценка состава Земли
Хотя мы все время говорим о химических элементах, но следует твердо помнить, что земная кора сложена не разобщенными атомами, а их определенными химическими соединениями.
Минералы - природные химические соединения. Несколько тысячелетий люди изучают минералы, и не из любопытства, а для удовлетворения насущных потребностей. Известно около 3000 минералов, широко распространены 400-500. Почему так мало? Небольшое число природных химических соединений вызывает удивление.
Уже сейчас человек может синтезировать значительно больше искусственных соединений, и число их все возрастает. Но между лабораторией и природой есть большое различие. В лаборатории мы можем создавать любые соединения, создавая нужные соотношения и концентрации химических элементов. В природе соотношения элементов строго лимитированы их кларками. Чем больше содержится химического элемента в земной коре, тем больше может быть минералов, в состав которых он входит. Для образования многих соединений, которые мы синтезируем, в земной коре просто не хватает химических элементов.
Если не учитывать кислорода, который входит в состав 1364 минеральных видов, то наибольшее число минералов образует кремний. Известно 432 природных химических соединения этого элемента. Активными минералообразователями также являются остальные шесть элементов: Al, Fe, Са, Mg, К, Na, составляющие вместе с кислородом и кремнием более 99% массы земной коры.
Конечно, на образование природных химических соединений оказывают большое влияние и многие другие факторы, в первую очередь химические свойства элементов. Так, например, атомы элементов VIII группы таблицы Д.И. Менделеева не образуют соединений в силу строения наружных электронных оболочек.
Одни элементы распределены в земной коре более или менее равномерно, другие способны накапливаться на отдельных участках. Если низкокларковый элемент достаточно сильно концентрируется на небольшом участке, то здесь возможно образование его химических соединений. Поэтому минералов группы сульфидов тяжелых металлов (ZnS, PbS и др.), составляющих ничтожную часть земной коры - 0,2% по массе, столько же, сколько и минералов группы оксидов, суммарная масса которых в земной коре в 100 раз больше.
6. Кларки элементов для земной коры
Номер ЭлементКларк, масс.% 1.<#"justify">Главная геохимическая особенность земной коры - необычайно высокий кларк кислорода. Ничего подобного не обнаружено ни на Солнце, ни на других звездах. Объяснение этого замечательного явления связано не со строением ядра кислорода, а со способностью этого элемента образовывать очень прочные связи с кремнием, алюминием и некоторыми другими элементами. В свою очередь кремний и алюминий накапливаются в земной коре благодаря их способности образовывать легкоплавкие соединения со щелочами. В итоге была выплавлена и закреплена на поверхности нашей планеты уникальная твердая кремнекислородная оболочка.
Мы уже говорили о низких кларках благородных газов. Это явление объясняется их неспособностью связываться в химические соединения и закрепляться на планете. Поэтому происходит их диссипация - рассеивание в космос из атмосферы Земли.
Но содержание одного из благородных газов - аргона систематически пополняется за счет самопроизвольно протекающей реакции превращения радиоактивного изотопа калия. При этом около 12% этого изотопа превращается в аргон, а около 88% - в кальций. В результате содержание аргона примерно в 100 раз больше, чем это можно ожидать по аналогии с другими благородными газами.
Выводы
Таковы современные представления о распространении химических элементов в доступной нашим наблюдениям части вселенной. Имеющиеся данные подтверждают вывод о том, что распространение атомов в природе определяется строением их ядер. Но это справедливо лишь для очень крупных космических систем, таких, как галактика, солнечная система. В более мелких природных телах, например в отдельных оболочках нашей планеты, могут быть отклонения.
Закономерности распространения химических элементов во всей галактике в значительной мере сохранены и унаследованы земной корой. Но в процессе ее образования произошла существенная пересортировка атомов, что нашло выражение в особых и неповторимых значениях кларков каменной оболочки нашей планеты.
Список литературы
1. Ронов А.Б., Ярошевский А.А. Новая модель химического состава земной коры // Геохимия. - 1976. - №12. - С. 1763-1795.
. Новоженов В.А. Концепции современного естествознания,2001. - С.182-189.
. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. - М.: Недра, 1977. - 183 с.