Кларки концентраций элементов

Периодическая система элементов, как основа геохимических классификаций

Рис. 2.5. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева

Основой практически всех геохимических классификаций является Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева, где атомы по их химическим свойствам разбиты на группы и ряды, и которая, поэтому может рассматриваться как наиболее ранний вариант не только химической и, но и геохимической классификации.

Используя строение электронных оболочек, обуславливающее химические свойства элементов, положение элементов на кривой атомных объёмов, химическое «сродство» к тем или иным конкретным элементам, т.е. преимущественную склонность именно с этими определёнными элементами образовывать соединения (может измеряться значениями энергии образования определённых типов их соединений, например, оксидных) В.М. Гольдшмидт создал в 1924 году одну из наиболее широко применяемых классификаций. В ней элементы подразделены на 4 группы:

Литофильные - Li, Be, B, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, I, Cs, Ba, TR, Hf, Ta, W, At, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U. Включены кислород и галогены, а также ассоциирующие с ними элементы, то есть преимущественно образующие кислородные и галоидные соединения.

Рис. 2.6. Периодическая система и геохимическая классификация химических элементов: 1 - атмофильные, 2 - литофильные, 3 - халькофильные, 4 - сидерофильные.

Последние – это те, которые расположены на пиках и нисходящих участках кривых атомных объёмов, а также имеют максимальные величины энергии образования оксидных соединений. Построены на модели атома благородных газов, наружная оболочка из 8 электронов (2 и 6р). Сродство к О,F, Cl.

Халькофильные (или тиофильные, «любящие» серу) – S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po). Те, которые ассоциируют преимущественно с медью и серой. Это – сера и её аналоги (селен, теллур), а также элементы, преимущественно склонные образовывать не оксидные, а сульфидные соединения. Для последних характерны 18-электронные внешние оболочки катионов, расположение на восходящих участках кривых атомных объёмов. Величины энергии образования кислородных соединений низкие. Некоторые способны существовать в самородном виде. Построены на модели атома благородных газов, наружная оболочка из 18 электронов (2s, 6p и 10d) за исключением Se, S, Te, As, Sb.

Сидерофильные - Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt. Ассоциируют с железом. Все принадлежат к элементам с достраивающимися d-оболочками. Занимают промежуточное положение между лито- и халькофильными: минимумы на кривой атомных объёмов, промежуточные значения энергии образования кислородных соединений. В равной мере распространены и в оксидных, и в сульфидных ассоциациях. Ионы переходного типа с числом электронов в наружной оболочке от 8 до 18.

Атмофильные – все инертные газы, N, H. Все являются газами, свойственно по преимуществу атомарное или молекулярное (вне соединений) состояние (видимость того, что Н представляет исключение, связана с тем, что атомарный водород теряется, рассеиваясь в космическом пространстве).

Неправомерным является дополнение этой классификации группой биофильных элементов.

Исходя из периодической системы различными исследователями предпринимались неоднократные попытки геохимической классификации элементов, которая давала бы возможность по положению элементов в периодической системе объяснить поведение его в природных процессах и его естественные ассоциации с другими элементами.

Классификация В.И. Вернадского основана на следующих признаках:

1. Присутствие или отсутствие в истории данного химического элемента химических и радиоактивных процессов;

2. Характер этих процессов – обратимость или необратимость;

3. Присутствие или отсутствие в истории химических элементов в Земной коре их химических соединений или молекул, состоящих из нескольких атомов.

Согласно этим признакам В.И. Вернадский элементы на 6 геохимических групп, которые представлены в табл. 2.2.

Таблица2.2

Геохимические группы элементов. По В.И. Вернадскому

Номер группы	Групппа	Элементы	%
I	Благородные газы	He, Ne, Ar, Kr, Xe	5 5.44
II	Благородные металлы	Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au	7 7.66
III	Циклические элементы	H, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Sr, Mo, Ag, Cd, Ba, (Be, Cr, Ge, Zr, Sn, Sb, Te, Hf, W, Re, Hg, Tl, Pb, Bi	44 47.82
IV	Рассеянные элементы	Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, J, Cs, Ta	11 11.95
V	Элементы сильно радиоактивные	Po, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U	7 7.61
VI	Элементы редких земель	La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tu, Yb, Lu	15 16.30

1. Благородные газы. Соединения с другими атомами образуют исключительно редко, поэтому в природных химических процессах значительного участия не принимают.

2. Благородные металлы. Соединения редки. Преимущественно присутствуют в форме сплавов, и образуются в основном в глубинных процессах (магматических, гидротермальных).

3. Циклические элементы. Наиболее многочисленная группа и преобладающая по массе. Для каждого элемента характерен определённый круг химических соединений, возникающих и распадающихся в ходе природных процессов. Таким образом, каждый элемент проходит цепочку превращений, в конечном счёте возвращаясь к исходной форме нахождения – и далее. Циклы не являются полностью обратимыми, так как часть элементов постоянно выходит из круговорота (и часть так же снова в него вовлекается).

4. Рассеянные элементы. Безусловно, господствуют рассеянные атомы, не образующие химических соединений. Незначительная доля может участвовать в образовании самостоятельных минеральных соединений (большинство – в глубинных процессах, а J и Br – в гипергенных).

5. Редкоземельные элементы. Тяготеют к рассеянным. Основная черта – совместная миграция.

6. Радиоактивные элементы - Po, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U. Основная специфика в том, что в геохимическом процессе происходит постоянное превращение одних элементов в другие, что делает процессы их химической миграции наиболее сложными.

Элементы условности данной классификации:

· наличие химических элементов, занимающих промежуточное положение между группами, т.е. способных вести себя в миграционных процессах двояко; в этих случаях для отнесения такого элемента к одной из двух возможных групп «решающим аргументом будет история главной по весу части атомов или наиболее яркие черты их геохимической истории» (наличие доли субъективизма в таком критерии очевидно).

· выделение в особую группу радиоактивных элементов не учитывает разной устойчивости изотопов; у ряда элементов существенной является доля как стабильных, так и нестабильных изотопов, и, естественно, геохимическая история соответствующих долей общего числа атомов данного элемента будет различной (K, Rb, Sm, Re и др.). Сейчас, в связи с процессами радиогенного загрязнения, необходимо учитывать и миграцию искусственных радиоактивных изотопов.

Кроме упомянутых геохимических классификаций существуют и многие другие (Н.А. Солодова, А.Н. Заварицкого и др.), но они, как правило, носят либо слишком общий, либо слишком частный характер и в современной геохимии используются мало.

В природе существуют механизмы, позволяющие обеспечивать формирование повышенных концентраций тех или иных элементов, в результате чего их содержание в каких-то участках могут многократно превышать кларковые. Поэтому кроме кларка элемента нужно учитывать и величину его концентрации в сравнении с кларковым содержанием.

Для этого введено понятие «кларк концентрации» (или «коэффициент концентрации»). Последний термин более корректен, так как понятие кларка введено именно для средних содержаний, и лучше для характеристики содержаний повышенных такой же термин не использовать. Но всё же в литературе вы часто можете встретить именно термин «кларк концентрации».

Коэффициент концентрации (КК) – это соотношение содержания химического элемента в данном конкретном природном вещественном агрегате (горной породе и т.п.) к его кларку.

На этом основании элементы с низкими кларками подразделяются на две уже известные вам качественно различные группы. Те, для распределения которых не характерны высокие значениями КК, называются рассеянными (Rb, Ga, Re, Cd и др.). Способные формировать повышенные концентрации с высокими значениями КК – редкими (Sn, Be и др.).

Различиями в достигаемых величинах КК обусловлена разная роль тех или иных элементов в истории материально-технической деятельности человечества (с древности известные металлы с низкими кларками Au, Cu, Sn, Pb, Hg, Ag … - и более распространённые Al, Zr…).

Большую роль в процессах концентрации и рассеяния элементов в земной коре играет изоморфизм.

Дата добавления: 2014-01-07