Классификация хим. Элементов
Классификация Гольдшмидта. В. М. Гольдшмидт сравнил дифференциацию элементов вещества планеты с выплавкой металла из руд, когда на дно металлургической печи опускается тяжелый металл с плотностью около 7, а на поверхность всплывает легкий силикатный шлак (аналог земной коры). Между ним и располагается слой «штейна» — сульфида Fe с примесью сульфидов других металлов (аналог мантии). Распределение элементов по земным оболочкам, по Гольдшмидту, зависело от их атомных объемов — чем меньше объем, тем при большем давлении и набольшей глубине от поверхности Земли могут находится ХЭ. В ядре Земли должны быть самые маленькие по объему атомы.
Если определить пространственные размеры атомов (объем), то можно построить зависимость объема от номера ХЭ в таблице Менделеева (рис. 2). Оказалось, что ХЭ, занимающие минимумы на кривой атомных объемов, дают с плавы с Fe, в ходе дифференциации они образовали земное ядро (сидерофильные элементы). Элементы, занимающие максимумы на кривой и расположенные на нисходящих ее частях, обладают большим сродством к кислороду. При дифференциации они образовали земную кору и верхнюю мантию (литофильные элементы). Элементы с высоким сродством к S, Se, Те (халькофильные) занимают восходящие части кривой; они сосредоточены в нижней мантии, образуют сульфидно-оксидную оболочку. Инертные газы относятся к атмофильной группе.
Гипотеза Гольдшмидта об образовании слоев Земли представляет лишь исторической интерес, но вытекающая из нее классификация элементов (опубликована в 1924 г.) сохранила свое значение до нашего времени. Классификация Гольдшмидта широко применяется в геохимии.
Рисунок 2 – Кривая атомных объемов
1 – атмофильные элементы, 2 – сидерофильные, 3 – литофильные, 4 – халькофильные
Современная классификация. В классификации учтено и строение атомов, атмофилы имеют атомы с 8-электронной оболочкой (благородные газы), литофилы (54 элемента) — образуют ионы с 8-электронной оболочкой (Na, Mg, А1, Si, К, Са и др.); халькофилы (19 элементов) имеют ионы с 18-электронной оболочкой (Cu, Zn Pb, Ag, Hg, Sb, As и др.), а ионы сидерофилов (11 элементов) — 8-, 18-электронную оболочку (Fe, Ni, Со, платиноиды и др.). Понятия «литофилы», «сидерофилы» и «халькофилы» используются в большинстве геохимических работ. Принципы этой классификации получили дальнейшее развитие в трудах Беуса, Саукова и других геохимиков (табл. 4).
Таблица 4
Особенности распространенности хэ во вселенной и зк
Согласно периодическому закону, свойства химических элементов изменяются периодически, в зависимости от атомного порядкового числа элементов. В первую очередь, это касается химических свойств элементов (их валентности, способности вступать в химические соединения с другими элементами, состава и свойств этих соединений). Однако периодичность обнаруживают и многие физические свойства элементов, в том числе их оптические спектры, потенциалы ионизации, радиусы атомов и ионов, атомные объемы, окраска ионов, температуры плавления, удельные веса и др. Эти свойства связаны со строением электронных оболочек атомов.
Известная периодичность намечается также в самой распространенности химических элементов на Земле и в метеоритах. Элементы четных порядковых номеров, как правило, преобладают над соседними с ними нечетными элементами.
Таблица 5 (по Вернадскому, 1934)
Таким образом, преобладание по весу химических элементов с четными атомными числами совершенно очевидно в пяти группах естественной классификации; в группу IV элементы с четными числами не входят.
Содержание во Вселенной химических элементов
Изучая ее, мы видим, что существует соотношение между обилием химических элементов в земной коре и строением соответствующих атомов. Уже давно проф. Г. Оддо (1914) заметил, что химические элементы, принадлежащие к четным атомным числам, содержащие ядра гелия, т. е. элементы, атомный вес которых может быть разделен на 4, сильно преобладают в земной коре. Они образуют 86,5% ее общей массы. Позже аналогичные исследования были предприняты и углублены проф. В. Гаркинсом из Чикаго. Публикации вышли за период с 1917 по 1921г.г. Гаркинс доказал, что тот же факт может быть наблюден в метеоритах, где процентный перевес элементов с четными числами еще значительнее. Он доходит до 92,22% для металлических метеоритов и 97,69% для каменистых метеоритов. Метеориты — небесные тела, независимые от земли. В них наблюдается то же огромное преобладание элементов с четным зарядом ядер.
Это очень простое наблюдение возбуждает очень важные вопросы. Одно оно уже доказывает, что химический состав тонкой поверхностной пленки пашей планеты, которая, как мы знаем, совсем не соответствует составу всей планеты, — не случайность. Сейчас доказано, что это правило выполняется во всей видимой Вселенной.
Вернадский пишет, что химический состав земной коры связан с определенным строением составляющих ее атомов и уже давно — раньше Оддо указывалось (Д. И. Менделеев), что вся главная масса вещества земной коры состоит из легких элементов (не заходит за №28 — железо). Это уникальное явление нашло свое объяснение лишь в последние годы, когда было обнаружено, что в звездах тип Солнца, выработка химических элементов происходит только до железа. Остальные более тяжелые элементы не могут быть выработаны в её недрах из-за недостаточности энергии для синтеза. Значит все более тяжелые элементы выработаны не Солнцем, а связаны с другими явлениями. Тяжелые элементы вырабатываются в момент гибели звезды. Для этого необходима ситуация, когда водородное топливо звезды полностью выработано и звезда превращается в красного гиганта, который многократно увеличивает свой диаметр. При дальнейшем остывании происходит его сжатие за счет гравитационного поля и в этот момент происходит вспышка сверхновой и происходит выброс энергии и вещества тяжелых элементов.