Кларки химических элементов

Кларки элементов, числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле в целом, космических телах и др. геохимических или космохимических системах. Различают весовые (%, в г/т или в г/г) и атомные (в % от числа атомов) кларки. Обобщение данных по химическому составу различных горных пород, слагающих земную кору, с учётом их распространения до глубин 16 км впервые было сделано американским учёным Ф. У. Кларком (1889г.). Полученные им цифры процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впоследствии несколько уточненные А. Е. Ферсманом, по предложению последнего были названы числами Кларка или кларками. Значения кларков почти всех химических элементов можно найти в справочниках, например, «Справочник по геохимии» (Войткевич, 1969).

Преобладают элементы малых порядковых номеров: 15 наиболее распространённых элементов, кларки которых выше 100 г/м, обладают порядковыми номерами до 26 (Fe). Элементы с чётными порядковыми номерами слагают 87% массы земной коры, а с нечётными - только 13%. Средний химический состав Земли в целом рассчитывался на основании данных о содержании элементов в метеоритах. Так как кларки элементов служат эталоном сравнения пониженных или повышенных концентраций химических элементов в месторождениях полезных ископаемых, горных породах или целых регионах, знание их важно при поисках и промышленной оценке месторождений полезных ископаемых; они позволяют также судить о нарушении обычных отношений между сходными элементами (хлор - бром, ниобий - тантал) и тем самым указывают на различные физико-химические факторы, нарушившие эти равновесные отношения.

Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло боле 100 лет. За это время была проделана гигантская работа, и общая картина распространенности элементов в земной коре выявилась достаточно отчетливо. Подтвердилось предположение Вернадского о рассеянном состоянии всех химических элементов. Для йода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия рассеянное состояние является основным, так как они не образуют собственных минералов. Только для кислорода, кремния, алюминия, железа, натрия, калия, магния главная форма нахождения – минералы.

Положение о всеобщем рассеянии химических элементов именуется законом Кларка-Вернадского (Вернадский, 1934; Перельман, 1979).

Современные методы анализа и приборы позволили уточнить содержание элементов в земной коре. Половина земной коры состоит из кислорода. Таким образом, земная кора – это «кислородная сфера». На втором месте кремний, далее алюминий. Если к ним добавить железо, кальций, калий, натрий, магний, титан, то получится 99,48%, т.е.практически вся земная кора. На остальные 80 элементов приходится менее 1%. Элементы, содержание которых не превышает 0,01-0,0001%, называют редкими. Если редкие элементы не образуют собственных минералов, их называют «редкими рассеянными» (Br, In, Ra, U, Se и др.)

Рассеянные элементы, группа химических элементов (Rb, Cd, Cs, Sc, Ga, In, Tl, Ge, Hf, V, Se, Te, Re), встречающихся в природе главным образом в виде примеси в различных минералах и извлекаемых попутно из руд др. металлов или полезных ископаемых...

В 1923 году В.М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии: общая распространенность элемента зависит от свойств его атомного ядра, а характер распространения – от свойств наружной электронной оболочки его атома.

А.Е. Ферсман получил график зависимости атомных кларков от заряда ядра для четных и нечетных элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Он выяснил, что с усложнением атомного ядра, увеличением его

массы кларки элементов уменьшаются, но эти кривые оказались немонотонными. Легкие атомы (занимающие места в начале периодической системы) более распространены. Их ядра содержат небольшое число нуклонов (протонов и нейтронов). Действительно, после железа (Z = 26) нет ни одного распространенного элемента. На это указывал еще Д. И. Менделеев. В 1869 г. одновременно с периодическим законом он сформулировал правило: элементы с малыми атомными весами в общем более распространены, чем тяжелые элементы.

Распространенность элементов с четными порядковыми номерами больше соседних с нечетными номерами. Лёгкие элементы Li, Be, B находятся в дефиците, т. к. «сгорают» в реакциях с протонами. Ядра элементов конца Менделеевской системы имеют огромный избыток нейтронов и потому неустойчивы. Эти элементы претерпевают радиоактивный распад (U, Th, Ra и др.) и спонтанное деление (U, Th, некоторые актиниды).

Другая закономерность была установлена в 1914 г. Г.Оддо (Италия) и В. Гаркинсоном (США) в 1915-1928 гг. Они заметили, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными

массами. Среди соседних элементов у четных кларки всегда выше, чем у нечетных (рис.1.5).

Рис. 1.5. Логарифмы кларков элементов по А.Е Ферсману (Войткевич, 1977)

Таким образом, распространенность элементов в земной коре связана преимущественно со строением атомного ядра. В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Причина этого лежит в звездной стадии существования земной материи. Свыше 4,5 млрд лет назад вещество нашей планеты было нагрето до десятков миллионов градусов. При таких температурах ни атомы, ни молекулы существовать не могут, и вещество представляло собой раскаленную плазму со свободными электронами и ядрами. В плазме протекали ядерные реакции – из протонов и нейтронов образовывались ядра химических элементов. Вероятнее всего образование наиболее устойчивых ядер, а такими являются ядра, содержащие небольшое и четное количество протонов и нейтронов. Ядра же, переполненные протонами и нейтронами, неустойчивы и распадаются. Таковы уран, торий, радий и другие радиоактивные элементы, распадающиеся с образованием свинца и гелия.

Дата добавления: 2014-01-07