Химические элементы литосферы. Геохимические группы элементов по В.И. Вернадскому

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химические элементы литосферы. Геохимические группы элементов по В.И. Вернадскому

Геохимические группы элементов по Вернадскому.

Химические элементы представлены в земной коре неравномерно, некоторые из них можно обнаружить в составе почти каждой горной породы, другие встречаются редко и не образуют самостоятельных минералов, а чаще всего присутствуют в горных породах в рассеянном или растворенном состоянии. Американский ученый, геохимик, Кларк впервые установил средний химический состав земной коры.

По предложению А.Е. Ферсмана среднее содержание получило название "кларк" данного элемента. В литосфере наиболее распространен О - 47% её веса, за ним идут Si - 29,5%; Al - 8,05%; Fe - 4,65%; Ca - 2,96%. На их долю приходится свыше 92% веса литосферы.

Если же к ним прибавить еще Na - 2,5%; K - 2,5%; Mg - 1,65%, то эти восемь элементов составят более 99%. Все остальные элементы образуют менее 1% земной коры. Многие из них - Ti, Mn, Cr, V, Co, S, P, F, Cl и другие играют исключительно важную роль в образовании горных пород, месторождений полезных ископаемых и в жизненных процессах, протекающих в биосфере. Сочетаясь в разных пропорциях, они формируют все внешние оболочки Земли, обусловливают жизнь на нашей планете.

В солнечном спектре в настоящее время обнаружено 67 элементов. Среди них большую часть занимают H и He, за ними идут O, Fe, N, Mg и другие. Имеются основания считать, что в солнечном спектре присутствуют все элементы ПС, однако часть из них не улавливается современными средствами изучения.

Кларки элементов позволяют выделить главные, или типоморфные элементы, то есть элементы, определяющие геохимические особенности процессов миграции их в земной коре и ландшафтах, и второстепенные. К первым относятся элементы, обладающие высокими кларками и накапливающиеся в месторождениях. Типоморфные элементы активно участвуют в геохимической миграции, они являются основными в процессах минералообразования.

В результате изучения кларков горных пород установлено, что содержание большинства химических элементов в главных типах горных пород значительно колеблется. При этом наблюдается следующая тенденция: содержание многих групп элементов связано с концентрацией в породе SiO2 - кварца, одного из наиболее распространенных минералов земной коры. Например, в ультраосновных породах, содержащих менее 45% кварца, калия в 1000 раз меньше, чем в кислых породах, где кварца более 65%.

Изверженные магматические породы отличаются высоким содержанием Fe, Ca, Mg и несколько меньшим - S, K, Na. В осадочных породах по сравнению с изверженными высокое количество С, S, Cl, B и других элементов. химический земной кларк

По сравнению с осадочными породами почвы характеризуются повышенным содержанием Si, P, S, N, I, Br, меньшим содержанием Na, Mg, Cl, Sr, которые выносятся в процессе выветривания и почвообразования. В составе почв большую роль играют различные микроэлементы.

В.И. Вернадский по участию элементов в минеральных соединениях, химических и радиохимических процессах земной коры, разделяет их на следующие геохимические группы: благородные (инертные) газы, благородные (инертные) металлы, циклические (миграционные) элементы, рассеянные элементы, элементы сильнорадиоактивные и элементы редкоземельные.

I - He, Ne, Ar, Kr, Xe - характеризуются как не принимающие участия в главных химических реакциях земной коры и только в исключительных случаях дающие соединения с другими элементами. Образование инертных газов связано с разложением ядер атомов U, Th. Таким образом, они являются продуктами геохимических процессов, постоянно протекающих в биосфере и космосе.

II - Pt, Os, Ir (иридий), Pd, Rh, Au в земной коре в самородном состоянии или в форме интерметаллических сплавов, а также с примесью некоторых других элементов, образуются сложным пневматическим и магматическим путем в термодинамических условиях, резко отличающихся от условий биосферы. Характеризуются сильной химической стойкостью и мало изменяются в течение геологического времени. В водных растворах эти металлы находятся в рассеянном состоянии или связаны с явлением сорбции.

III - Ag, Br, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, O, C, N, S, P, H, Cl и другие составляют свыше 99% всей массы горных пород земной коры, участвуют в многочисленных круговых химических процессах (циклах) и являются основной частью атмосферы, гидросферы и живого вещества. Для циклических элементов характерны многочисленных химически обратимые процессы, играющие важную геохимическую роль в миграции элементов в земной коре, их рассеянии и концентрации.

Циклические элементы образуют оксиды, гидроксиды, силикаты, алюмосиликаты, карбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты и другие минеральные соединения. С ними связаны главные массы рудных и нерудных месторождений полезных ископаемых магматического, метаморфического и осадочного происхождения.

IV - Li, Sc, Br, Ga, Rb, Cs, Y, Nb, In, Ta, I и другие - большей частью не образуют самостоятельных минералов, часть их входит в кристаллические решетки распространенных минералов, часть находится в растворах. Тем не менее все рассеянные элементы являются важной составной частью литосферы, гидросферы, биосферы. Некоторые из них (Li, I) в значительных количествах концентрируются живым веществом.

V - U, Ac, Th. Уран и торий дают соединения, входящие в обратимые циклы, аналогичные круговым процессам циклических элементов. Однако часть их атомов теряется в ходе круговых процессов и обратно не возвращается: изменение их дает начало другим элементам, в числе которых важнейшими являются Pb и He.

Некоторые радиоактивные ротоны, например N15, C14, H3 образуются на Земле в результате ядерных реакций, в частности путем взаимодействия космических и геохимических процессов.

VI - Редкоземельные: цериевая и иттриевая.

Классификация элементов литосферы по Гольдшмидту, Ферсману.

Гольдшмидт выделяет геохимические группы элементов: атмофильные, биофильные, литофильные, халькофильные, сидерофильные. В основу этой классификации положены признаки участия элементов в составе минералов, организмов, атмосферы, способность образовывать соединения с кислородом, серой и другими элементами. Среди атмофильных элементов (N, H, C, O, инертные газы) господствующее положение занимает азот - главный элемент атмосферы. Литофильные элементы - основные компоненты горных пород и силикатных минералов. Они отличаются большой энергией окисления, элементы с меньшей энергией окисления, обладающие сильным сродством к сере, образуют халькофильные соединения. Такие соединения характерны для вещественного состава минералов класса сульфидов и метеоритов.

Элементы, хорошо соединяющиеся с железом и имеющие меньшее сродство к сере и кислороду, являются сидерофильными. Многие сидерофильные элементы в природе находятся в самородном состоянии, из химических соединений широко известны мышьяковистые металлы, Pt, Co, Ni и др.

В группу биофильных элементов входят С, Н, O, N, P, S, Cl, I, Br, K, Fe, Cu, Mn и др. Они участвуют в строении биоорганического вещества или накапливаются в биосфере в форме биолитов (угля, нефти, сланцев, торфа и др).

Другие геохимические классификации элементов Ферсман А.Е.. Совокупность химических элементов, встречающихся в геохимически обособленных областях, он назвал естественными геохимическими ассоциациями. Образование определенных геохимических ассоциаций - результат сложного взаимодействия различных природных явления: космических, геохимических, геологических. Эти явления определяют закономерности как первичного накопления, так и последующей миграции элементов в процессе изменения земной коры. Согласно Ферсману, основные группировки элементов соответствуют четырем главным типам геохимических процессов: процессам поверхностного, магматических кислого и основного характера и процессам жильных эманаций (вкраплений). Ассоциации геохимических элементов больших групп он назвал типическими геохимическими ассоциациями.

Группы элементов по их участию в образовании различных пород разделяются:

1) Элементы тяжелых глубинных пород (Ru, Rh, Pd, Os, Sr, Pt);

2) Элементы гранитов (Si, Ti, Ir, Ht, Ta и др.);

3) Элементы земной поверхности, воды и воздуха (инертные газы, Cl, Br, I и др.);

4) Элементы рудных жил (S, Se, Pb, Ge, As).

Заварницкий А.Н. в развернутой ПС он выделил отдельные поля элементов, характеризующие нахождение элементов в земной коре в зависимости от положения в ПС. Все главные элементы горных пород расположены в левой части таблицы, а группы типичных металлогенных элементов - в ее правой половине. В верхней части сосредоточены преимущественно легкие неметаллические элементы, образующие в природе простые или комплексные анионы. Вместе с водородом они играют огромную роль в миграции и концентрации химических элементов в земной коре. При кристаллизации из расплавов и растворов элементы группируются в вещества в зависимости от размера и строения ионов. В горных породах образуются 2 основные группы ассоциации элементов: ассоциации в состоянии рассеяния и ассоциации в состоянии концентрации.

Свойствами, способствующими образованию состояния концентрации или рассеяния, являются химическое сродство между элементами; их растворимость и удельный вес; энергия кристаллической решетки минералов; летучесть соединений; геохимические условия среды кристаллизации; коллоидные процессы обмена; сорбция; относительная концентрация элементов в данной геохимической системе и т.д.

Миграция, рассеяние и концентрация элементов в земной коре.

"Сейчас мы знаем, что все живет, все течет, все изменяется во времени и пространстве и среди природы самым подвижным, постоянно ищущим новых путей является атом, первый кирпичик, из которого строятся самые замечательные постройки мира, который ищет покоя и равновесия, покорный основным законам природы. Ищет, но не находит и не найдет никогда, так как в природе нет покоя, а есть только вечная материя в вечном движении" А.Е. Ферсман "Занимательная геохимия".

И в странствии атомов и элементов, в их сочетаниях в живой и неживой материи природы, в формах нахождения элементов в различных, материальных телах, в непрерывном круговороте энергии и вещества в земной коре и космосе есть закономерности. Миграция, концентрация и рассеяние элементов в земной коре связаны с движением атомов в жидких и газообразных подвижных системах (расплавах, растворах, атмосфере), меньше - в твердых минеральных массах. В природе миграция элементов осуществляется в атомной, ионной или молекулярной форме. Её обусловливают постоянное и непрерывное действие различных физико-химических сил, жизнедеятельность организмов, разнообразная деятельность человека и прочие факторы, вызывающие разрушение горных пород, перемещение элементов во времени и пространстве. Миграционная способность химических элементов зависит от физико-химической и геохимической среды, состава и концентрации элементов, изменения температуры и давления и т.д. При прочих равных условиях миграционная способность выше у атомов, образующих легколетучие, растворимые и легкоплавкие соединения, и ниже у атомов, образующих труднорастворимые, тугоплавкие и более инертные химические соединения. Миграция химических элементов в земной коре, согласно В.И. Вернадскому, есть определенная работа, и она неизбежно должна быть проявлением какой-то энергии. Миграция происходит при образовании различных химических соединений, переносе их в движущихся жидкостях, газах, твердых телах, при дыхании, питании, метаболизме организмов и т.д. Характерная черта миграции химических равновесий - направленный переход из одного энергетического состояния в другое, обусловленный большой совокупностью различных факторов и процессов. А.Е. Ферсман выделил следующие энергетические факторы миграции элементов (в космических масштабах): энергию тяготения, определяющую гравитационную дифференциацию атомов согласно атомным массам; энергию перемещения растворов и распределения химического вещества; внутриатомную-радиоактивную энергию, связанную с распадом ядра; лучистую (световое давление, фотохимизм); электромагнитную энергию, связанную с наружными электронами (процессы химические, электрохимические, явления кристаллизации, отчасти капиллярные и др.); тепловую, связанную с молекулярным и тепловым движением (диффузия, изменение агрегатного состояния вещества, преодоление сил, препятствующих движению); физико-химическую энергию живого вещества.

Подвижность элементов литосферы и формы их превращения.

В.И. Вернадский выделил четыре основные формы нахождения химических элементов в земной коре: горные породы и минералы (в т.ч. природные воды и газы), магмы, рассеянное вещество, живое вещество. В первой группе можно выделить ряд видов, различающихся особым состоянием атомов и элементов в физико-химических системах равновесий. Одни элементы существуют в виде самостоятельных минералов, другие - в виде простых и комплексных ионов в магматических расплавах и т.д. Водные растворы и газовые смеси в свою очередь могут быть представлены молекулярным, атомным и диссоциированно-ионным состоянием химических элементов. Это определяется физико-химическими условиями и процессами миграции.

В живом веществе химические элементы могут быть в виде сложных органических и металлоорганических соединений и в виде минералов в элементарной форме. Здесь они находятся в малых количествах и получили название микроэлементов и ультрамикроэлементов. Микроэлементы участвуют во всех жизненных процессах организмов, оказывая на них положительное и отрицательное влияние.

Форма рассеяния характерна для многих химических элементов и для подавляющей массы земного вещества. Важнейшими факторами, вызывающими состояние рассеяния, являются растворимость, летучесть, коллоидные процессы обмена, процессы кристаллизации минералов и др. Различают также подвижные и инертные формы нахождения химических элементов в земной коре. В первом случае элементы легко переходят в раствор, во втором трудно подвергаются переходу в подвижное состояние.

Подвижность элементов определяет их миграционную способность в природе. Важнейшая форма существования элементов в земной коре - самостоятельные минеральные виды. Установлено более 2000. Согласно кристаллографу и минерологу А.К. Болдыреву, все минералы по степени распространения делятся на 5 групп:

1. очень распространены в горных породах (полевые шпаты, кварц, слюда, кальций и др.);

2. распространенные во многих горных породах в незначительных количествах (апатит, лейцит и др.);

3. средне распространенные - непородообразующие, представленные в составе руд (пирит, халькопирит, галенит, ильменит);

4. редкие (самородное серебро, витерит, минералы бериллия, тантала и др.);

5. очень редкие (криолит, германит, рейперит).

Главнейшими минералообразующими элементами литосферы являются первые 14 элементов таблицы Менделеева. Hf, Rb, In, Re не образуют самостоятельных минералов, другие образуют их только в особо благоприятных случаях. Так, кислород участвует в строении 1750 собственных минералов, кремний - 800, водород - 400, сера - 360, Fe и Ca - 290, Cu, Pb, K, Na - 160, V - 36, Zn, Cs, La - 60, Be - 24, платиноиды - 20, Hg - 16, Mo - 9, Cd, Ge, Te - 3, Sc - 2.

Показать превращения!

Фосфор - фосфид - фосфин - фосфорная кислота - -гидро, -дигидро-, ортофосфаты - фосфорная кислота - Р 2О 5 - фосфор.

Железо - сульфид железа - Fe2+ Fe(OH)2 Fe(OH)3 > Fe2(SO4)3 > Fe(OH)3 Fe2O3 железо.

Размещено на Allbest.ru