Распространённость элементов в природе

Значение Периодического закона.

Периодическая система химических элементов занимает огромное место в развитии не только химии, но и естествознания в целом. Закономерности периодической системы содействовали разработке теории строения атомов, а эта последняя решающим образом помогла создать периодическую систему в её современном виде. Периодическая система элементов помогает решению многих задач химии, таких, например, как синтез веществ с заранее заданными свойствами пли разработка новых полупроводниковых материалов и различных катализаторов.

Великий русский учёный Д. И. Менделеев открыл один из фундаментальных законов природы - периодический закон элементов, на основании которого им была построена периодическая система элементов. Закон и система носят имя Менделеева. Имя Д. И. Менделеева вошло в историю науки. Естественно, что периодическая система элементов за последующие годы получила дальнейшее развитие. Было, как уже говорилось, установлено, что основной величиной для каждого элемента системы Менделеева является порядковый номер, значение которого, как мы теперь знаем, есть электрический заряд ядра атома элемента. Однако, Д.И. Менделеев не знал этого. До конца жизни он искренне полагал, что атомы являются неделимыми частицами, и не верил в сложное строение атомов. Поэтому, многие вопросы остались без ответов.
В частности, Периодический закон не давал ответа на вопрос, почему первый период состоит всего из двух элементов, второй, третий – из восьми, а четвёртый и пятый включают в себя десять. Сегодня мы знаем, что в шестом периоде - 14 элементов.

Руководствуясь в качестве основополагающего признака атомной массой, Д.И. Менделеев всё же поставил в своей системе более тяжёлый аргон перед калием, который легче аргона на одну атомную единицу массы. Причина периодического изменения химических свойств не была установлена.

Ответы на поставленные вопросы могли дать только новые исследования строения атома, проводимые в те годы физиками.

Одной из важных индивидуальных характеристик каждого элемента является спектр света, испускаемого в известных условиях его атомами. (Детально спектроскопию мы обсудим на следующей лекции.) Изучая с помощью спектрального анализа состав звёзд и небесных туманностей, мы убеждаемся в одном из самых поразительных свойств химических элементов — в их повсеместности: во всём мире мы не находим никаких других эле­ментов, кроме тех, которые встречаются на Земле и на Солнце. То же подтверждает анализ метеоритов, падающих на землю, исследование состава космического потока отдельных атомов бомбардирующих нашу атмосферу на больших высотах. Распространённость элементов во Вселенной далеко не одинакова: наиболее часты атомы водорода (их около 90% от общего числа атомов), затем идет гелий (его около 10% от общего числа атомов космоса). Атомы кислорода, азота, углерода и неона в сумме составляют около 0,2%; для железа, кремния и магния имеем в сумме 0,01 %, а для суммы всех остальных элементов — не более 0,003% от общего числа атомов.

Все эти данные являются усреднёнными: на некоторых звёз­дах и планетах, в частности на Земле, наблюдаются уклонения от указанного среднего состава.

В процессе формирования Земли произошло изменение косми­ческих количественных взаимоотношений. Прежде всего, имело место неодинаковое распределение элементов во внутренних ча­стях земного шара и в его поверхностном слое. Кроме того, про­изошёл уход с Земли в мировое пространство атомов, неспособ­ных химически связаться и образовать малолетучие соединения. Так, Земля потеряла значительную часть своих атомов инертных газов: гелия, неона, аргона, криптона и ксенона. Далее, на Земле наблюдается большой дефицит водорода, который в зна­чительном количестве покинул и продолжает покидать нашу пла­нету; осталась лишь некоторая часть первоначального водорода в виде соединений менее летучих, чем свободный водород (глав­ным образом, вода); некоторые учёные полагают, что заметная часть водорода пришла на землю с Солнца вместе с косми­ческими, частицами. Планеты более крупные, расположенные дальше, чем Земля, по отношению к Солнцу, удержали водорода больше (Юпитер, Сатурн); напротив, планеты более мелкие (Меркурий, Марс) имеют водорода мало (даже в виде соедине­ний).

Что касается кислорода, то благодаря способности образовы­вать устойчивые и нелетучие даже при достаточно высоких тем­пературах соединения, его убыль на Земле была значительно меньше. Это обстоятельство в сочетании с уже упомянутой довольно большой распространённостью кислорода в космосе и обусловило исключительное значение этого элемента на Земле и в особенности в верхних ее слоях (атмосфере, океане, поверхност­ной земной коре или литосфере).

В табл. 2 приведено содержание элементов для наружной, хорошо изученной части твердой земной коры (литосферы) в весовых и атомных процентах (атомные проценты — это доля атомов данного элемента от общего числа атомов, принятого за 100). Таблица эта характеризует слой толщи­ной примерно 15—20 км, т. е. ту часть земной коры, которая оказалась доступной для химического изучения вследствие суще­ствования естественных трещин, опусканий, поднятий и в резуль­тате обнажения глубинных пород после размыва вышележащих слоев; ряд проб для анализа получен с помощью глубоких буро­вых скважин.

Как видно из таблицы, состав поверхностного слоя земной коры резко отличается от среднего состава мировой материи. В особенности много в нём кислорода, кремния, алюминия, натрия, железа и магния. 99% литосферы составляют O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H.

Таблица 2

Содержание элементов в поверхностном слое земной коры.

элементы	Весовые %	Атомные %	«Место» Ат%
водород	0,15	3,2
гелий	3●10^-7	2•10^-6
углерод	0,03	0,06
азот	0,0046	0,006
кислород	46,6
неон	7●10^-9	6●10^-9
натрий	2,83	2,5
магний	2,09	1,9
алюминий	8,13	6,3
кремний	27,72
железо	5,0	1,9
кальций	3,4

Слои земной коры, лежащие более глубоко, имеют, насколько мы можем предполагать, состав, резко отличающийся от приведённого в табл. 2.

Если кроме массы и состава поверхностной части коры учесть массу и состав морской воды, значительно более богатой водородом (около 11 % весовых), то в среднем поверхностный слой земного шара оказывается содержащим по весу около 1 % водорода. Водород имеет атомы, построенные проще, чем атомы всех остальных элементов (по числу протонов и электронов), и стоит первым по порядку в системе элементов (отсюда идёт и название «протий», означающее по-русски «первый»). Водород, кроме того, является самым распространённым элементом в мире, да и на Земле его достаточно (он входит в состав воды и органических веществ). Свободного газообразного водорода в земной атмосфере очень мало (около 1 см³ в 1 м³ воздуха или 10^-4% по объёму). Главным сырьём для искусственного получения свободного газообразного водорода, состоящего из двухатомных молекул Н₂, служит, конечно, вода; на втором месте стоят природные углеводороды, составляющие нефть и частично входящие в состав каменного угля.

В жизни растений и животных исключительно важную роль играют углерод, водород, кремний, калий, кальций, магний, железо, натрий.

Дата добавления: 2014-01-07