Odakle su došli atomi? Struktura atoma, izotopi, distribucija vodonika, kiseonika, sumpora i azota u zemljinoj kori Područja primene vodonika

V.I. Vernadsky je nazvao različita stanja atoma u čvrstoj materiji zemljine kore oblicima pojavljivanja elemenata. U današnje vrijeme geohemičari uspješno koriste ideju ovih oblika za rješavanje praktičnih problema prilikom traženja mineralnih naslaga.
Kao što već znamo, pri dovoljno visokoj koncentraciji, atomi formiraju kristalne kemijske strukture sa strogo uređenim rasporedom. Pri vrlo niskoj koncentraciji hemijskog elementa, njegovi atomi ne mogu formirati nezavisna jedinjenja. Ako polumjeri ovih atoma odgovaraju postojećim kristalno-hemijskim strukturama, onda atomi mogu ući u njih prema zakonima izomorfizma. Ako takva korespondencija ne postoji, atomi ostaju u čvrstoj kristalnoj tvari u neuređenom, raspršenom stanju. Kristalna i raspršena stanja su dva najvažnija oblika atoma u zemljinoj kori. Prevladavanje jednog ili drugog oblika zavisi od Clarke vrijednosti elementa.
Osam hemijskih elemenata sadržanih u zemljinoj kori u količinama većim od 1% naziva se glavnim. Postoji toliko mnogo atoma ovih elemenata da je većina njih u uređenom stanju u kristalnoj tvari. Njima možete dodati manje elemente sadržane u desetinkama procenta. Sve ostale hemijske elemente, od kojih je svaki prisutan u zemljinoj kori u količinama manjim od 0,1%, treba nazvati retkim. Ponašaju se drugačije. Neki od njih su u stanju da se koncentrišu na određenim mestima i formiraju brojne samostalne minerale. Drugi su manje-više ravnomjerno raspoređeni u zemljinoj kori, rijetko ili čak uopće ne formirajući minerale. Stoga sovjetski geohemičar A. A. Beus predlaže da se manje uobičajeni kemijski elementi podijele na mineralogene, odnosno one koji tvore minerale, i dispergirane, koji ih ne tvore.
Strogo govoreći, atomi svih hemijskih elemenata prisutni su u dispergovanom stanju. Međutim, postoje oni koji se uopće ne javljaju u obliku nezavisnih spojeva i u potpunosti se nalaze u obliku izomorfne nečistoće ili u dispergiranom stanju. To uključuje rubidijum, većinu elemenata retkih zemalja, hafnij, indijum, renijum, sve plemenite gasove, sve radioaktivne elemente osim uranijuma i torija.
Trenutno, elementi u tragovima označavaju rijetke elemente koji su u nemineraloškom obliku, odnosno uključeni u sastav minerala u obliku tako beznačajne nečistoće da se ne mogu odraziti u kemijskoj formuli. Prema proračunima V.I. Vernadskog, u 1 cm3 čvrste materije zemljine kore nalazi se sljedeći broj atoma u disperznom stanju: litij - 10, brom - 1018, itrijum - 10", galijum - 1018, itd.

Do sada, govoreći o atomskoj teoriji, o tome kako se iz nekoliko vrsta atoma povezanih međusobno u različitim redoslijedom, dobivaju potpuno različite tvari, nikada nismo postavljali "djetinjasto" pitanje - odakle su sami atomi došli? Zašto ima mnogo atoma nekih elemenata, a vrlo malo drugih, a oni su vrlo neravnomjerno raspoređeni? Na primjer, samo jedan element (kiseonik) čini polovinu zemljine kore. Tri elementa (kiseonik, silicijum i aluminijum) ukupno čine već 85%, a ako im dodamo gvožđe, kalijum, natrijum, kalijum, magnezijum i titan, već dobijamo 99,5% zemljine kore. Udio nekoliko desetina ostalih elemenata čini samo 0,5%. Najrjeđi metal na Zemlji je renijum, a zlata i platine nema toliko, zbog čega su tako skupi. Evo još jednog primjera: ima oko hiljadu puta više atoma željeza u zemljinoj kori nego atoma bakra, hiljadu puta više atoma bakra nego atoma srebra i stotinu puta više srebra od renijuma.
Raspodjela elemenata na Suncu je potpuno drugačija: ima najviše vodonika (70%) i helijuma (28%), a svih ostalih elemenata - samo 2%. u tome. Žašto je to? U antičko doba i srednjem vijeku nisu se postavljala pitanja o porijeklu atoma, jer su vjerovali da su uvijek postojali u nepromijenjenom obliku i količini (a prema biblijskoj tradiciji, stvoreni su od Boga jednog dana stvaranja) . Čak i kada je atomska teorija pobijedila i hemija se počela brzo razvijati, a D.I. Mendeljejev stvorio svoj poznati sistem elemenata, pitanje porijekla atoma i dalje se smatralo neozbiljnim. Naravno, povremeno se neki od naučnika ohrabrio i predložio svoju teoriju. Kao što je već rečeno. 1815. William Prout je predložio da svi elementi potiču od atoma najlakšeg elementa, vodonika. Kao što je Prout napisao, vodonik je sama „primarna materija“ starogrčkih filozofa. koji je kroz "kondenzaciju" dao sve ostale elemente.
U 20. veku, trudom astronoma i teorijskih fizičara, stvorena je naučna teorija o poreklu atoma, koja je uopšteno odgovorila na pitanje porekla hemijskih elemenata. Na vrlo pojednostavljen način, ova teorija izgleda ovako. U početku je sva materija bila koncentrisana u jednoj tački sa neverovatno velikom gustinom (K)*"g/cm") i temperaturom (1027 K). Ovi brojevi su toliko veliki da za njih nema imena. Prije otprilike 10 milijardi godina, kao rezultat takozvanog Velikog praska, ovo super gusto i supervruće mjesto počelo je brzo da se širi. Fizičari imaju prilično dobru ideju o tome kako su se događaji odvijali 0,01 sekundu nakon eksplozije. Teorija onoga što se ranije dogodilo bila je mnogo slabije razvijena, jer su u zgrudku materije koji je postojao u to vrijeme slabo ispunjeni (i što ranije, to gore) sada poznati fizički zakoni. Štaviše, pitanje šta se dogodilo prije Velikog praska u suštini nikada nije razmatrano, jer samo vrijeme tada nije postojalo! Uostalom, ako nema materijalnog svijeta, tj. nema događaja, odakle onda dolazi vrijeme? Ko ili šta će to odbrojati? Dakle, stvar je počela brzo da se raspada i hladi. Što je temperatura niža, to je veća mogućnost za formiranje različitih struktura (npr. na sobnoj temperaturi mogu postojati milioni različitih organskih jedinjenja, na +500°C - samo nekoliko, a iznad +1000°C, verovatno nema organskih jedinjenja). supstance mogu postojati – sve se one raspadaju na sastavne dijelove na visokim temperaturama). Prema naučnicima, 3 minute nakon eksplozije, kada je temperatura pala na milijardu stepeni, započeo je proces nukleosinteze (ova riječ dolazi od latinskog nucleus - "jezgro" i grčkog "sinteza" - "spoj, kombinacija"), tj. proces povezivanja protona i neutrona u jezgra raznih elemenata. Pored protona - jezgra vodika, pojavile su se i jezgre helijuma; ova jezgra još nisu mogla vezati elektrone i formirati agome jer je temperatura bila previsoka. Primordijalni univerzum se sastojao od vodonika (otprilike 75%) i helijuma, sa malom količinom sljedećeg najzastupljenijeg elementa, litijuma (ima tri protona u svom jezgru). Ovaj sastav se nije mijenjao otprilike 500 hiljada godina. Univerzum se nastavio širiti, hladiti i postajati sve rijeđi. Kada je temperatura pala na +3000 °C, elektroni su se mogli spojiti s jezgrama, što je dovelo do stvaranja stabilnih atoma vodika i helijuma.
Činilo bi se da će se svemir, koji se sastoji od vodonika i helijuma, nastaviti širiti i hladiti do beskonačnosti. Ali tada bi postojali ne samo drugi elementi, već i galaksije, zvezde, a takođe i ti i ja. Beskonačno širenje Univerzuma suprotstavljeno je silama univerzalne gravitacije (gravitacije). Gravitaciono sabijanje materije u različitim dijelovima razrijeđenog Univerzuma praćeno je opetovanim jakim zagrijavanjem - započela je faza masovnog formiranja zvijezda, koja je trajala oko 100 miliona godina u onim područjima svemira koji se sastoje od plina i prašine gdje je temperatura dostizala 10 miliona stupnjeva, proces termonuklearne fuzije helijuma započeo je fuzijom jezgri vodika, praćeno oslobađanjem ogromne količine energije, koja je zračila u okolni prostor: tako je zasvijetlila nova zvijezda U njemu je bilo dovoljno vodonika, kompresiju zvijezde pod utjecajem gravitacije suprotstavilo je zračenje, koje je "pritisnulo" iznutra zbog "sagorijevanja" vodonika naelektrisane protone sprečava sila Kulonove odbijanja, tako da naša svetiljka ima još mnogo godina života.
Kada se opskrba vodoničnim gorivom završi, sinteza helijuma postepeno prestaje, a zajedno s njom nestaje i snažno zračenje. Gravitacijske sile ponovo komprimiraju zvijezdu, temperatura raste i postaje moguće da se jezgra helijuma stapaju jedno s drugim i formiraju jezgra ugljika (6 protona) i kisika (8 protona u jezgri). Ovi nuklearni procesi su također praćeni oslobađanjem energije. Ali prije ili kasnije, zalihe helijuma će nestati. I tada počinje treća faza kompresije zvijezde gravitacijskim silama. A onda sve zavisi od mase zvezde u ovoj fazi. Ako masa nije jako velika (kao naše Sunce), onda efekat povećanja temperature kako se zvijezda skuplja neće biti dovoljan da dopusti ugljiku i kisiku da uđu u daljnje reakcije nuklearne fuzije; takva zvijezda postaje takozvani bijeli patuljak. Teži elementi su "fabricirani" u zvijezdama koje astronomi nazivaju crvenim divovima - njihova masa je nekoliko puta veća od Sunčeve. U tim zvijezdama se odvijaju reakcije sinteze težih elemenata iz ugljika i kisika. Kao što su astronomi slikovito rekli, zvijezde su nuklearne vatre, čiji su pepeo teški kemijski elementi.
33
2- 1822
Energija oslobođena u ovoj fazi života zvijezde uvelike "naduvava" vanjske slojeve crvenog diva; kad bi naše Sunce postalo takva zvijezda. Zemlja bi završila unutar ove džinovske lopte - nije baš prijatna perspektiva za sve na zemlji. Zvezdani vetar.
“disanje” sa površine crvenih divova, nosi u svemir hemijske elemente koje sintetiziraju ovi divovi, koji formiraju magline (mnoge od njih su vidljive kroz teleskop). Crveni divovi žive relativno kratko - stotine puta manje od Sunca. Ako masa takve zvijezde premašuje masu Sunca za 10 puta, tada nastaju uslovi (temperatura reda milijarde stepeni) za sintezu elemenata do željeza. Yalro željezo je najstabilnije od svih jezgara. To znači da reakcije sinteze elemenata koji su lakši od željeza oslobađaju energiju, dok je za sintezu težih elemenata potrebna energija. Sa utroškom energije javljaju se i reakcije razgradnje gvožđa na lakše elemente. Stoga se kod zvijezda koje su dostigle „gvozdenu“ fazu razvoja dešavaju dramatični procesi: umjesto oslobađanja energije, ona se apsorbira, što je praćeno brzim smanjenjem temperature i kompresijom na vrlo mali volumen; astronomi ovaj proces nazivaju gravitacijskim kolapsom (od latinske riječi collapsus - "oslabljen, pao"; nije bez razloga što liječnici to nazivaju naglim padom krvnog tlaka, što je vrlo opasno za ljude). Prilikom gravitacionog kolapsa nastaje ogroman broj neutrona koji zbog nedostatka naboja lako prodiru u jezgra svih postojećih elemenata. Jezgra prezasićena neutronima prolaze kroz posebnu transformaciju (naziva se beta raspad), tokom koje se iz neutrona formira proton; kao rezultat, iz jezgra datog elementa se dobija sljedeći element, u čijem jezgru već postoji još jedan proton. Naučnici su naučili da reprodukuju takve procese u zemaljskim uslovima; dobro poznat primjer je sinteza izotopa plutonijum-239, kada se prirodni uranijum (92 protona, 146 neutrona) ozrači neutronima, njegovo jezgro zarobi jedan neutron i formira se veštački element neptunijum (93 protona, 146 neutrona). ), a iz njega i onaj vrlo smrtonosni plutonijum (94 protona, 145 neutrona), koji se koristi u atomskim bombama. U zvijezdama koje prolaze kroz gravitacijski kolaps, kao rezultat hvatanja neutrona i kasnijih beta raspada, formiraju se stotine različitih jezgara svih mogućih izotopa kemijskih elemenata. Kolaps zvijezde završava se grandioznom eksplozijom, praćenom izbacivanjem ogromne mase materije u svemir - formira se supernova. Izbačena tvar, koja sadrži sve elemente iz periodnog sistema (a naše tijelo sadrži te iste atome!), raspršuje se okolo brzinom do 10.000 km/s. a mali ostatak materije iz mrtve zvijezde se komprimuje (kolapsira) da bi se formirala super-gusta neutronska zvijezda ili čak crna rupa. Povremeno, takve zvijezde buknu na našem nebu, a ako se bljesak dogodi nedaleko, supernova zasjaji sve druge zvijezde po sjaju i nije iznenađujuće: sjaj supernove može premašiti sjaj cijele galaksije koja se sastoji od jedne. milijarda zvijezda Jedna od ovih “novih zvijezda, prema kineskim kronikama, planula je 1054. godine. Sada se na ovom mjestu nalazi čuvena Rakova maglina u sazviježđu Bika, a u njenom centru se brzo okreće (30 okretaja u sekundi!) ) neutronske zvijezde, a ne za sintezu novih elemenata), takve su zvijezde do sada pale samo u udaljenim galaksijama...
Kao rezultat "sagorevanja" zvijezda i eksplozije supernova, mnogi poznati hemijski elementi pronađeni su u svemiru. Ostaci supernova u obliku maglina koje se šire, "zagrijane" radioaktivnim transformacijama, sudaraju se jedni s drugima, kondenziraju u guste formacije, iz kojih pod utjecajem gravitacijskih sila nastaju zvijezde nove generacije. Ove zvijezde (uključujući naše Sunce) sadrže primjesu teških elemenata od samog početka svog postojanja; isti elementi sadržani su u oblacima plina i prašine koji okružuju ove zvijezde, od kojih se formiraju planete. Dakle, elementi koji čine sve stvari oko nas, uključujući i naše tijelo, rođeni su kao rezultat grandioznih kosmičkih procesa...
Zašto je formirano mnogo nekih elemenata, a malo drugih? Ispostavlja se da u procesu nukleosinteze najvjerojatnije nastaju jezgre koje se sastoje od malog parnog broja neutrona i neutrona. Teška jezgra, "preplavljena" protonima i neutronima, manje su stabilna i manje ih je u Univerzumu. Postoji opšte pravilo: što je jezgro veće naelektrisanje, što je teže, to je manje takvih jezgara u Univerzumu. Međutim, ovo pravilo se ne poštuje uvijek. Na primjer, u zemljinoj kori postoji nekoliko lakih jezgara litijuma (3 protona, 3 neutrona), bora (5 protona i 5 ili b neutrona). Pretpostavlja se da se ova jezgra, iz više razloga, ne mogu formirati u dubinama zvijezda, te se pod utjecajem kosmičkih zraka „odcjepljuju“ od težih jezgara nakupljenih u međuzvjezdanom prostoru. Dakle, odnos različitih elemenata na Zemlji je eho turbulentnih procesa u svemiru koji su se dogodili prije više milijardi godina, u kasnijim fazama razvoja Univerzuma.

Elementarni sastav žive materije i OM fosilnih goriva

Fosilna goriva sadrže iste elemente kao i supstanca živih organizama, dakle elementi jesu ugljenik, vodonik, kiseonik, azot, sumpor i fosfor zove se ili biogeni, biofilni ili organogeni.

Vodik, ugljik, kisik i dušik čine više od 99% i masu i broj atoma koji čine sve žive organizme. Osim njih, mogu se koncentrirati u značajnim količinama u živim organizmima.

lo 20-22 hemijska elementa. 12 elemenata čini 99,29%, ostatak 0,71%

Rasprostranjenost u svemiru: H, He, C, N.

Do 50% - C, do 20% - O, do 8% - H, 10-15% - N, 2-6% - P, 1% - S, 1% - K, ½% - Mg i Ca, 0,2% - Fe, u tragovima - Na, Mn, Cu, Zn.

Atomska struktura, izotopi, distribucija vodika, kiseonika, sumpora i azota u zemljinoj kori

VODIK - glavni element kosmosa, najčešći element Univerzuma . Chem el-t grupa 1, atomski broj 1, atomska masa 1,0079. U savremenim izdanjima periodnog sistema, H se takođe nalazi u grupi VII iznad F, pošto su neka svojstva H slična svojstvima halogena. Poznata su tri stabilna izotopa H su protij 1 H - P (99,985%), deuterijum 2 H - D (0,015%) i jedan radioaktivni tricijum 3 H - T, T 1/2 = 12,262 godine. Još jedan je veštački dobijen - četvrti izuzetno nestabilan izotop - 4 H. U razdvajanju P i D u prirodnim uslovima, isparavanje igra glavnu ulogu, međutim, masa voda svetskog okeana je toliko velika da je sadržaj deuterijuma u njemu se malo menja. U tropskim zemljama sadržaj deuterija u padavinama je veći nego u polarnoj zoni. U slobodnom stanju, H je bezbojni gas, bez ukusa i mirisa, najlakši od svih gasova, 14,4 puta lakši od vazduha. H postaje tečan na -252,6°C, čvrst na -259,1°C. H je odličan redukcijski agens. Gori u O sa nesvjetlećim plamenom, stvarajući vodu. U zemljinoj kori, H je mnogo manji nego u zvezdama i Suncu. Njegova težina klarka u zemljinoj kori iznosi 1%. U prirodnim hemijskim jedinjenjima H oblici jonski, kovalentni I vodonične veze . Vodikove veze igraju važnu ulogu u biopolimerima (ugljikohidrati, alkoholi, proteini, nukleinske kiseline) i određuju svojstva i strukturu kerogen geopolimera i GI molekula. Pod određenim uslovima, H atom je sposoban da se kombinuje istovremeno sa dva druga atoma. Po pravilu, sa jednim od njih stvara jaku kovalentnu vezu, a sa drugim slabu, zbog čega se naziva vodoničnu vezu.

KISENIK - Najčešći element zemljine kore, čini 49,13% mase. O ima redni broj 8, nalazi se u periodu 2, grupa VI, atomska masa 15,9994. Poznata su tri stabilna izotopa O - 16 O (99,759%), 17 O (0,0371%), 18 O (0,2039%). Nema dugovječnih radioaktivnih izotopa O. Vještački radioaktivni izotop 15 O (T 1/2 = 122 sekunde). Za geološke rekonstrukcije koristi se omjer izotopa 18 O/16 O, koji u prirodnim objektima varira za 10% od 1/475 do 1/525. Polarni led ima najniži izotopski koeficijent, najveći je CO 2 atmosfera. Kada upoređujete izotopski sastav, koristite vrijednost d 18 O, koji se izračunava po formuli: d 18 O‰= . Iza standard Pretpostavlja se prosječan odnos ovih izotopa u okeanskoj vodi. Varijacije u izotopskom sastavu O u vodi određene su temperaturom na kojoj dolazi do stvaranja specifičnih minerala. Što je niži T, to će frakcioniranje izotopa biti intenzivnije. Vjeruje se da se izotopski sastav okeana nije promijenio u posljednjih 500 miliona godina. Glavni faktor koji određuje pomak izotopa (varijacije u izotopskom sastavu u prirodi) je kinetički efekat, određen temperaturom reakcije. O pod normalnim uslovima, gas je nevidljiv, bez ukusa i mirisa. U reakcijama sa velikom većinom atoma, O igra ulogu oksidacijsko sredstvo. Samo u reakciji sa F postoji oksidant dijalotropne modifikacije . Prvo - molekularni kiseonik - O 2 Druga modifikacija - ozon – O 3, nastaje pod uticajem električnih pražnjenja u vazduhu i čistom O, u radioaktivnim procesima, i delovanjem ultraljubičastih zraka na obični O. U prirodi O 3 se stalno formira pod uticajem UV zraka u gornjim slojevima atmosfere. Na visini od oko 30-50 km nalazi se „ozonski ekran“ koji blokira većinu UV zraka, štiteći organizme biosfere od destruktivnog djelovanja ovih zraka. Pri niskim koncentracijama O 3 prijatan, osvježavajući miris, ali ako je u zraku više od 1% O 3, veoma je otrovan .

NITROGEN - koncentrisan u biosferi: dominira u atmosferi (75,31% po težini, 78,7% po zapremini), au zemljinoj kori težina klarka - 0,045%. Hemijski element grupe V, period 2, atomski broj 7, atomska masa 14,0067. Poznata su tri izotopa N - dva stabilnih 14 N (99,635%) i 15 N (0,365%) i radioaktivan 13 N, T 1/2 = 10,08 min. Opće širenje vrijednosti omjera 15 N/ 14 N mala . Ulja su obogaćena izotopom 15N, dok su prateći prirodni plinovi njime osiromašeni. Uljni škriljac je takođe obogaćen teškim izotopom N 2 je bezbojni gas, bez ukusa i mirisa. N za razliku od O ne podržava disanje, mješavina N c O je najprihvatljiviji za disanje većine stanovnika naše planete. N je hemijski neaktivan. Dio je životnih supstanci svih organizama. Niska hemijska aktivnost dušika određena je strukturom njegove molekule. Kao i većina plinova, osim inertnih, molekula N sastoji se od dva atoma. 3 valentna elektrona vanjske ljuske svakog atoma učestvuju u formiranju veze između njih, formirajući trostruka kovalentna hemijska veza koji daje najstabilniji svih poznatih dvoatomskih molekula. “Formalna” valencija je od -3 do +5, “prava” 3. Stvarajući jake kovalentne veze sa O, H i C, dio je kompleksnih jona: -, -, +, koji daju lako rastvorljive soli.

SUMPOR – el-t ZK, u plaštu (ultrabazičnim stijenama) je 5 puta manji nego u litosferi. Clark u ZK - 0,1%. Hemijski el-t grupe VI, 3 perioda, atomski broj 16, atomska masa 32.06. Visoko elektronegativan, pokazuje nemetalna svojstva. U jedinjenjima vodonika i kisika nalazi se u raznim ionima. Arr. Mnoge soli koje sadrže sumpor su slabo rastvorljive u vodi. S može imati valencije: (-2), (0), (+4), (+6), od kojih su prva i zadnja najkarakterističnija. Karakteristične su i jonske i kovalentne veze. Od primarnog značaja za prirodne procese je kompleksni jon - 2 S - nemetal, hemijski aktivan element. S ne stupa u interakciju samo sa Au i Pt. Od neorganskih jedinjenja, pored sulfata, sulfida i H2SO4, najčešći oksidi na Zemlji su SO 2 – gas koji jako zagađuje atmosferu, i SO 3 (čvrsta materija), kao i sumporovodik. Osnovno S karakteriše tri alotropne varijante : S rombični (najstabilniji), S monoklinski (ciklični molekul - osmočlani prsten S 8) i plastični S 6 - to su linearni lanci od šest atoma. U prirodi su poznata 4 stabilna izotopa S: 32 S (95,02%), 34 S (4,21%), 33 S (0,75%), 36 S (0,02%). Vještački radioaktivni izotop 35 S sa T 1/2 = 8,72 dana. S se uzima kao standard troilite(FeS) sa meteorita Diablo Canyon (32 S/ 34 S = 22,22) Reakcije oksidacije i redukcije mogu uzrokovati razmjenu izotopa, izraženu kao pomak izotopa. U prirodi - bakterijski, ali je moguće i termički. U prirodi je do danas postojala jasna podjela S zemljine kore u 2 grupe - biogene sulfidi i gasovi obogaćeni lakim izotopom 32 S, i sulfati, uključen u soli okeanske vode drevnih evaporita, gips koji sadrži 34 S. Plinovi koji prate nalazišta nafte razlikuju se po izotopskom sastavu i značajno se razlikuju od ulja.

Za geohemiju je važno razjasniti princip distribucije hemijskih elemenata u zemljinoj kori. Zašto se neki od njih često nalaze u prirodi, drugi mnogo rjeđe, a treći se čak smatraju „muzejskim raritetima“?

Moćan alat za objašnjenje mnogih geohemijskih fenomena je periodični zakon D.I. Mendeljejev. Konkretno, uz njegovu pomoć može se istražiti pitanje rasprostranjenosti hemijskih elemenata u zemljinoj kori.

Po prvi put vezu između geohemijskih svojstava elemenata i njihovog položaja u Periodnom sistemu hemijskih elemenata pokazao je D.I. Mendeljejev, V.I. Vernadsky i A.E. Fersman.

Pravila (zakoni) geohemije

Mendeljejevljevo pravilo

Godine 1869, radeći na periodičnom zakonu, D.I. Mendeljejev je formulisao pravilo: “ Elementi s malom atomskom težinom općenito su zastupljeniji od elemenata s većom atomskom težinom(vidi Dodatak 1, Periodični sistem hemijskih elemenata). Kasnije, otkrićem strukture atoma, pokazalo se da je za hemijske elemente male atomske mase broj protona približno jednak broju neutrona u jezgri njihovih atoma, odnosno omjeru ova dva količine jednake ili bliske jedinici: za kiseonik = 1,0; za aluminijum

Za manje uobičajene elemente, neutroni prevladavaju u jezgrama atoma i odnos njihovog broja prema broju protona je znatno veći od jedinice: za radij; za uranijum = 1,59.

„Pravilo Mendeljejeva“ je dalje razvijeno u radovima danskog fizičara Nielsa Bora i ruskog hemičara, akademika Akademije nauka SSSR Viktora Ivanoviča Spicina.

Viktor Ivanovič Spicin (1902-1988)

Oddoovo pravilo

Godine 1914., talijanski hemičar Giuseppe Oddo formulirao je drugačije pravilo: “ Atomske težine najčešćih elemenata izražene su brojevima koji su višestruki od četiri ili neznatno odstupaju od takvih brojeva" Kasnije je ovo pravilo dobilo određenu interpretaciju u svjetlu novih podataka o strukturi atoma: nuklearna struktura koja se sastoji od dva protona i dva neutrona je posebno jaka.

Garkinsovo pravilo

Godine 1917. američki fizikalni hemičar William Draper Garkins (Harkins) skrenuo je pažnju na činjenicu da hemijski elementi s parnim atomskim (rednim) brojevima rasprostranjeni su u prirodi nekoliko puta više nego njihovi susjedni elementi s neparnim brojevima. Proračuni su potvrdili zapažanje: od prvih 28 elemenata periodnog sistema, 14 parnih čini 86%, a neparnih samo 13,6% mase zemljine kore.

U ovom slučaju, objašnjenje može biti činjenica da hemijski elementi sa neparnim atomskim brojem sadrže čestice koje nisu vezane u helione i stoga su manje stabilne.

Postoje mnogi izuzeci od Harkinsovog pravila: na primjer, čak i plemeniti plinovi su izuzetno slabo raspoređeni, a neparni aluminij Al je rašireniji od čak i magnezijuma Mg. Međutim, postoje sugestije da se ovo pravilo ne odnosi toliko na zemljinu koru koliko na cijeli globus. Iako još nema pouzdanih podataka o sastavu dubokih slojeva zemaljske kugle, neke informacije upućuju na to da je količina magnezija u cijeloj Zemljinoj kugli dvostruko veća od aluminija. Količina helijuma He u svemiru je mnogo puta veća od njegovih zemaljskih rezervi. Ovo je možda najčešći hemijski element u svemiru.

Fersmanovo pravilo

A.E. Fersman je jasno pokazao zavisnost obilja hemijskih elemenata u zemljinoj kori od njihovog atomskog (rednog) broja. Ova zavisnost postaje posebno očigledna ako nacrtate graf u koordinatama: atomski broj - logaritam atomskog klarka. Grafikon pokazuje jasan trend: atomski klark se smanjuje sa povećanjem atomskog broja hemijskih elemenata.

Rice. . Rasprostranjenost hemijskih elemenata u zemljinoj kori

Rice. 5. Obilje hemijskih elemenata u Univerzumu

(log C – logaritmi atomskih klarka prema Fersmanu)

(podaci o broju atoma odnose se na 10 6 atoma silicija)

Puna kriva – čak i Z vrijednosti,

tačkasta – neparne Z vrijednosti

Međutim, postoje neka odstupanja od ovog pravila: neki hemijski elementi značajno premašuju očekivane vrednosti abundance (kisik O, silicijum Si, kalcijum Ca, gvožđe Fe, barijum Ba), dok drugi (litijum Li, berilijum Be, bor B) su mnogo rjeđi nego što bi se očekivalo na osnovu Fersmanovog pravila. Takvi hemijski elementi se nazivaju respektivno suvišan I oskudni.

Formulacija osnovnog zakona geohemije data je na str.

Trenutno je poznato 88 prirodnih elemenata, od kojih su tri četvrtine metali. Da li je to puno ili malo?

Teško je dati precizan odgovor, a može postojati i nekoliko mišljenja o ovom pitanju.

Ali od ovog uznemirujuće malog broja atoma SVE je stvoreno. Razlog za ogromnu raznolikost prirode je to što atomi mogu biti raspoređeni na različite načine.

Za razliku od pantalona koje se mogu nositi samo na jednom mjestu.” Raspodjela elemenata na našoj planeti je veoma „nepravedna“.

Samo jedan od njih, kiseonik, čini polovinu zemljine kore. Ako uzmemo tri najčešća elementa - kiseonik, silicijum i aluminijum, onda će oni ukupno dati već 85%, a ako dodamo gvožđe, kalcijum, natrijum, kalijum, magnezijum i titan, već ćemo dobiti 99,5% zemaljskih kora.

Udio desetina ostalih elemenata čini samo 0,5%. Ili drugi primjer: ima oko hiljadu puta više atoma željeza u zemljinoj kori nego atoma bakra, hiljadu puta više atoma bakra nego atoma srebra i stotinu puta više srebra od najrjeđeg elementa na Zemlji - renija. Raspodjela elemenata na Suncu je potpuno drugačija: sadrži najviše vodonika (70%) i helijuma (28%), a samo 2% svih ostalih elemenata. Ako uzmemo cijeli vidljivi Univerzum, tada u njemu u još većoj mjeri prevladava vodonik.

Dakle, do sredine 19. veka, kada je počeo da radi divni ruski naučnik Dmitrij Ivanovič Mendeljejev (1834-1907), već je bilo poznato više od 60 hemijskih elemenata. Hemičari su akumulirali mnogo informacija o hemijskim elementima i o brojnim spojevima koje oni formiraju, kao io laboratorijskim metodama pomoću kojih se neke supstance mogu pretvoriti u druge.

Ispostavilo se da je Lukrecije, koji je živeo pre 20 vekova, bio u pravu: kao što se različite reči sastoje od različitih slova, tako su različite supstance „sastavljene“ od različitih elemenata. I što je zanimljivo: broj slova u abecedi i broj najvažnijih elemenata su približno isti: nekoliko desetina.

Ali da bismo razumjeli koliko elemenata postoji u prirodi, bilo je potrebno razumjeti kako su sami atomi strukturirani i kako se tačno razlikuju jedni od drugih.

I tu su bili potrebni napori i hemičara i fizičara.

Uostalom, ni sada se niko neće preduzeti da predvidi koji će element biti poslednji!

Do početka 20. vijeka, hemičari su već otkrili 85 hemijskih elemenata, od kojih su većina bili metali.

U svakodnevnom životu srećemo samo mali dio njih.

To je gvožđe u iglama i ekserima, aluminijum i bakar u žicama, olovo u izolaciji kablova, volfram i molibden u sijalicama sa žarnom niti (spirala je od volframa, a kuke zalemljene u staklo na koje je spirala okačena su od molibden), vodik ili helijum u balonima, srebro, zlato u nakitu, živa u termometru, kalaj u limenci, hrom i nikal u sjajnim (hromiranim ili niklovanim) metalnim proizvodima, sumpor u proizvodima za suzbijanje biljnih štetočina, cink i ugljenik u električnim baterijama - to su, možda je to sve. U muzeju se možete diviti prekrasnim (i vrlo skupim) jubilarnim i prigodnim kovanicama od platine i paladijuma.

Istina, treba napomenuti da se mnoge od navedenih jednostavnih supstanci ne mogu nazvati čistim s gledišta hemičara, u pravilu sadrže mnogo nečistoća, na primjer, "željezni" nokat nije napravljen od čistog željeza; ali od niskougljičnog čelika koji sadrži malu količinu ugljika.

Često se povlači analogija između hemijskih elemenata (sve supstance su izgrađene od njih) i slova abecede (od njih se prave tekstovi).

Koliko slova ima u abecedi?

Zavisi koji. U latinici ima 26 slova, u savremenom ruskom 33 (bilo ih je više u staroruskom), 38 u mađarskom, samo 12 slova u havajskom alfabetu i 74 slova u kambodžanskom jeziku! Koliko je elemenata poznato?

Ako ne uzmete u obzir nestabilne (radioaktivne) elemente, onda 81. Zanimljivo je da fizičari prikupljaju otprilike isti broj svojih "elemenata" - elementarnih čestica od kojih je izgrađen cijeli svijet, uključujući hemijske elemente. Važnost različitih hemijskih elemenata za ljude je daleko od jednake.

Kao što rusko pismo ima rijetka slova, tako i svijet elemenata ima svoje rijetkosti.

Inače, ljudsko tijelo je gotovo 100% sastavljeno od samo 12 elemenata! Detaljnije informacije o prosječnom sadržaju različitih elemenata u ljudskom tijelu težine 70 kg nalaze se u tabeli.

Elementi su raspoređeni u opadajućem redosledu njihovog broja u telu, a odabrano ih je onoliko koliko ima 33 slova u ruskoj abecedi. Treba napomenuti da tabela prikazuje prosečne podatke. Uostalom, sadržaj mnogih elemenata (posebno onih sadržanih u mikroskopskim količinama) uvelike ovisi o tome gdje čovjek živi, ​​šta jede, kakvu vodu pije i s kim radi.

Dakle, osoba koja radi u preduzeću gdje se koristi živa može imati desetine puta više ovog elementa u svom tijelu nego članovi njegove porodice. Osim toga, mikroelementi su često vrlo neravnomjerno raspoređeni u tijelu.

Na primjer, nekih elemenata ima više u koštanom tkivu, drugih - u mišićnom tkivu. Najveći dio željeza koncentriran je u hemoglobinu u krvi, a muškarci ga imaju više nego žene.

Selena ima više u mrežnjači, joda - u štitnoj žlezdi, fluora - u zubnoj caklini.

Takođe treba imati na umu da je uloga mnogih elemenata u tragovima, poput nikla, u živom organizmu nepoznata, pa je moguće da se radi jednostavno o nečistoći.

Kiseonik 45,5 kg Ugljik 12,6 kg Vodik 7 kg Azot 2,1 kg Kalcijum 1,4 kg Fosfor 700 g Kalijum 260 g Sumpor 175 g Natrijum 100 g Klor 100 g Magnezijum 30 g Gvožđe 4,2 g Flug.2 g 680 mg stroncijum 320 mg Brom 260 mg Olovo 120 mg Bakar 70 mg Aluminijum 60 mg Kadmijum 50 mg Bor 50 mg Barijum 22 mg Arsen 18 mg Jod 16 mg Kalaj 14 mg Selen 14 mg Kobalt 14 mg Živa 13 mg Mangan 17 mg U Nimum 17 mg u knjizi "Elementi svemira" američkog naučnika Glena Seaborga (učestvovao je u otkrivanju mnogih umjetnih elemenata, jedan od njih je čak i nazvan po njemu) nalazi se smiješna slika. Na fotografiji se vidi sredovečni muškarac u beloj košulji i kravatu, a na stolu ispred njega gomila tegli i nekoliko posuda sa gasovima.

Natpis glasi: "Čuveni hemičar Bernard Harvey je ovdje prikazan u dvije različite verzije - jedna u svom normalnom stanju, a druga podijeljena na sastavne elemente."