Напишем:


✔ Реферат от 200 руб., от 4 часов
✔ Контрольную от 200 руб., от 4 часов
✔ Курсовую от 500 руб., от 1 дня
✔ Решим задачу от 20 руб., от 4 часов
✔ Дипломную работу от 3000 руб., от 3-х дней
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

 

География

для школьников и студентов

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Кларки химических элементов.

Любые студенческие работы по приятным ценам. Постоянным клиентам - скидки! Оставьте заявку и мы ответим Вам по стоимости работ в течении 30 минут!

 Периодическая система Д.И. Менделеева включает в себя 109 элементов, но в природе, в том числе в ландшафте, известно лишь 89, т.к. №№ 43, 85, 87 и 93-109 получены искусственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их перемещением – миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределения химических элементов только миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содержание кислорода велико, а золота и платины мало. Очевидно, существует какая-то закономерность распространенности химических элементов. которая может быть выявлена лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен в 1889 г. В честь американского геохимика Ф.У.Кларка, посвятившего более 40 лет решению данной проблемы, А.Е. Ферсман предложил в 1923 г. среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть кларком. Кларки литосферы неоднократно проверялись различными методами, и средний химический состав части литосферы доступной для исследования установлен достаточно точно. Но еще точно не известны кларки платины и платиноидов, инертных газов и некоторых других элементов. Все же главная особенность распространения химических элементов установлена – это огромная контрастность кларков. Величины кларков литосферы различаются в миллиарды раз: от 47 % для кислорода до 7х10-8

для рения (еще ниже содержание радия, протактиния и некоторых других элементов). Контрастность распространения химических элементов станет особенно наглядной, если расположить все элементы в ряд по их кларкам. Тогда окажется, что почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента – кислорода (кларк 47 %). Иначе говоря, земная кора – это «кислородная сфера», кислородное вещество. На втором месте стоит кремний (29,5 %), на третьем – алюминий (8,05). В сумме они составляют 84,55 % твердой земной коры. Если к этому числу добавить еще железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,5), натрий (2,5), магний (1,87), титан (0,45), то получим 99,48 %, т.е. практически почти всю земную кору. На долю остальных 80 % элементов приходится менее 1 % массы литосферы.

Различают кларки весовые (в процентах массы на 100 частей или в граммах на тонну), атомные (в процентах от общего количества атомов), объемные (в процентах от общего объема электростатических полей атомов).

В каждой сфере Земли можно выделить несколько наиболее распространенных химических элементов. Основную массу литосферы, как уже отмечалось выше, составляют три элемента (кислород, кремний и алюминий), живых организмов – три (кислород (кларк весовой 70 %), углерод (18 %), водород (10,5 %), гидросферы – два (кислород (85,77 %) и  водород (10,73 %), атмосферы – два (азот (75,31 %) и кислород (23, 01%). На долю всех остальных химических элементов приходится в земной коре 0,97 %, в живых организмах – 1,5 %, в гидросфере – 3,5 %, в атмосфере – 1,68 %.

Закономерности распространения химических элементов в ландшафтах нашли отражение в периодической системе Д.И.Менделеева. Наиболее распространены те элементы, которые имеют небольшие порядковые номера. Например, первые 26 элементов таблицы составляют 99,74 %. Преобладают элементы с четными порядковыми номерами (86  %).

В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в литосфере, но в нем большую роль играют углерод, водород, азот, хлор, поступающие главным образом из атмосферы и гидросферы. Понятие «кларк» нельзя применять при характеристики среднего содержания элементов в пределах отдельного региона или массива (например, Кавказских гор, Беларуси и т.д.). В таком случае используются понятия «среднее содержание» или «фон».

Все элементы по величине среднего содержания в земной коре делятся на основные, редкие и рассеянные. Основные элементы (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний, водород, кларк их больше единицы) широко распространены в породах, иногда концентрируются в месторождении. Элементы с низкими кларками (примерно менее 0,01-0,001 %) называются редкими. Например, медь, цинк, молибден, кобальт, ванадий, вольфрам и др. Некоторые из них концентрируются в земной коре. Например, на участках медных, цинковых и свинцовых месторождений медь, цинк, свинец могут быть главными элементами ландшафта. Элементы, которые обладают и низкими кларками и малой способностью к концентрации, рассеяны в земной коре и во всех породах почвах и минералах встречаются в ничтожных количествах. Такие элементы называются редкими рассеянными. Их роль всегда в ландшафте второстепенна (кадмий, радий, скандий, галлий, индий, гафний и др.).

А.И.Перельман, рассматривая поведение химических элементов, выделяет типоморфные (ведущие), или геохимические диктаторы, т.е. химические элементы, определяющие существенные и характерные черты данного ландшафта. Число их невелико. К ним относятся кальций, водород, железо, сера, хлор и другие элементы. Это позволяет говорить о кальциевых, кислых и прочих ландшафтах (например, кальциевая и кислая тайга).

Различия в кларках приводят к тому, что химическое сходство элементов отнюдь не означает их «геохимическое сходство». Так, например, у натрия кларк высокий (2,5), поэтому его много в ландшафтах. Солончаки, соляные озера – это «натриевые ландшафты», т.к. натрий определяет геохимическое своеобразие ландшафта, физико-химические условия среды, т.е. является типоморфным. Цезий в химическом отношении похож на натрий, но его кларк мал (3,7х10-4) и влияние на геохимические особенности ландшафта невелико. Он не определяет физико-химических условий среды и мигрирует в той обстановке, которая создана типоморфными элементами. Если бы у цезия кларк был, как у натрия, то его роль в ландшафте была бы так же велика, он был бы типоморфным. Следовательно, химические элементы с низкими клаками не могут быть типоморфными из-за малых концентраций в системах – они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают типоморфные элементы. Именно различия в кларках определяют ведущую роль натрия и подчиненную лития, цезия, рубидия. Редкие элементы в местах их концентрации становятся ведущими, например, в месторождениях урана, молибдена и т.д. Но ведущее значение элемента зависит не только от от его кларка и концентрации в данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. Один и тот же элемент в разных системах может быть и ведущим и второстепенным. Например, железо имеет ведущее значение в таежных болотах, но его роль не велика в пустынях. Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, натрий и хлор энергично выщелачиваются во влажных тропиках из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах и солончаках, где натрий и хлор мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими. Из сказанного следует, предложенный А.И. Перельманом,  принцип подвижных компонентов: геохимическая особенность ландшафта определяется элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися в данном ландшафте.

В начале 20 века (на 12 съезде русских естествоиспытателей и врачей в 1909 г.) В.И.Вернадский пришел к выводу о всеобщем распространении химических элементов, о том, что «все элементы есть везде». «В каждой капле и пылинке живого вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы… История никеля, золота, урана, гелия и т.д. приводит нас к одинаковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы. Они собраны в состоянии величайшего рассеяния…» таким образом, все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов Н.И.Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского.

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 – литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций в химическом отношении близки друг к другу – одновалентны (на внешней орбите один электрон), образуют едкие щелочи, легкорастворимые соли и т.д. Кларки же их резко различны: натрия и калия в земной коре много (2,5 %), рубидия мало (1,5х10-2), лития еще меньше, цезий очень редок, а франций отсутствует и был получен искусственно. Аналогично резко различны кларки и других химически близких  элементов. Поэтому кларки не зависят от химических свойств элементов или, точнее, в основном не зависят. Тогда мысль исследователей обратилась к другой части атома – к ядру, состоящему их протонов и нейтронов. Выявилось, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. После железа (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком. Эта закономерность была отмечена еще в 1869 Д.И.Менделеевым. Другую особенность распространенности элементов установил 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. Для первых по распространенности 9 элементов кларки четных составляют в сумме 86,43 %, а кларки нечетных – только 13,03 %. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это кислород, магний, кремний, кальций и т.д. среди атомов одного и того элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4.

В отличие от Земли главным элементом космоса является водород, взаимодействие ядер которого в центральных частях звезд при температурах в десятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер гелия. Поэтому Вселенная в основном имеет водородно-гелиевый состав. Синтез более тяжелых ядер имел подчиненное значение – распространенность их в звездах (в том числе на Солнце) много меньше, чем водорода и гелия. Наибольшее значение опять-таки имел синтез легких ядер, особенно четных (кислорода, кальция 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 20 в. в Париже Пьером и Марией Кюри. Помимо радия радиоактивность характерна для урана, калия, рубидия, рения, тория и др. 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 технеций (№ 43), астат (№ 85), кюрий (№ 96), берклий (№ 97), калифорний (№ 98) и другие трансурановые элементы.

Звездная материя, прежде чем превратится в земное вещество, прошла значительную 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 водорода и гелия с незначительной примесью других элементов, то Земля почти утратила свой космический гелий, который, будучи легким и инертным элементом, улетучился в мировое пространство. Утеряна и часть водорода, в то время как другая часть его атомов соединилась с кислородом 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 Земле.

Чем больше кларк элемента, тем при сходных химических свойствах выше его содержание в природных водах, а следовательно, и большая вероятность образования насыщенных растворах, осаждения минералов. Редкие и особенно редкие рассеянные элементы, как правило, не насыщают природные воды, в связи с чем число их минералов невелико. Например, для кальция известно 385 минералов (кларк 2,96), а его химический аналог радий (кларк около 10-10) не образует ни одного собственного минерала. Аналогично калий (2,5) образует 106 минералов, а рубидий (0,015) – 0, сера (0,047) – 368, а ее аналог Se (5х10-6) – 37 и т.д.

При образовании минералов редкие катионы обычно связываются с распространенными анионами, редкие анионы с распространенными катионами. Поэтому в ландшафтах известны сульфаты, карбонаты, фосфаты, редких металлов и селенаты, ванадаты, арсенаты распространенных катионов (CaSeO4, Na2SeO4, PbSeO4, (UO2)3(PO4)2 и т.д.). Образование  минералов из редких катионов и анионов маловероятно. Например, CaCrO4  известен, а SrCrO4  -  нет, так как концентрация соответствующих ионов не достигает состояния насыщенного раствора.

Таким образом, способность к минералообразованию, количество самостоятельных минеральных видов зависит, с одной стороны, от химических свойств элемента, а с другой, от его кларка. Низкие кларки многих элементов – одна из причин ограниченности числа минералов. Это определяет важное отличие природных реакций от лабораторных.

Е.М.Квятковский элементы с большой способностью к минералообразованию назвал минералофильными (уран, сера, селен и др.), а с малой минералофобными (галий, радий, скандий, индий 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.

 

Counter