Определение науки геохимия. Периодический закон Д.И. Менделеева. Геохимические классификации элементов

Введение

Геохимия как научная дисциплина является одной из важнейших в общем цикле курсов в системе подготовки специалистов – горных инженеров и, в первую очередь, геологов и гидрогеологов. Цель данной дисциплины – дать основы знаний закономерностей распространения и особенностей поведения различных химических элементов в природе. В целом курс геохимии в рамках данного учебника включает в себя такие проблемы как:

- распространенность химических элементов в космосе, солнечной системе, планете Земля и ее отдельных слоях (геосферах);

- геохимическая классификация элементов и формы их накопления в природе;

- физико-химическая характеристика геологических процессов;

- факторы миграции элементов различных геологических условиях;

- закономерности поведения химических элементов в магматических, метаморфических, гидротермальных и гипергенных процессах;

- использование основных достижений геохимии в задачах прикладного характера.

Даже простой перечень основных проблем показывает сколь важна геохимия для дальнейшего изучения целого ряда геологических дисциплин: литологии, литогеохимии, петрофизики, минералогии, геологии и геохимии нефти и газа и др. В этой связи в настоящем учебнике особое внимание обращается на те элементы, которые наиболее тесно связаны с основными геологическими явлениями и процессами, являющимися главными объектами внимания геологов – будущих научных работников и производственников. Такими объектами в первую очередь являются различные горные породы, флюиды (вода, нефть, газ), концентрированное и рассеянное органическое вещество. В целях более глубокого усвоения основных проблем геохимии все ее разделы размещаются в учебнике в определенной последовательности. Последовательность построена на принципах: от общего к частному и обоснование общих положений на основе частных. Именно в этой связи заметное место в данном изложении занимают вопросы геохимии отдельных элементов, особенно входящих в состав природных горючих ископаемых (углерод, водород, сера, кислород, азот и др.).

Изучение истории атомов в земной коре, а точнее на планете Земля и окружающем ее космическом пространстве, возможно лишь на основе знаний о свойствах этих атомов. Современная геохимия учитывает такое фундаментальное положение, как зависимость распространенности элементов от устойчивости ядер их атомов, а также связь химических свойств и перемещения (миграции) атомов с характером их внешних электронных орбит. Именно поэтому в геохимии получил широкое распространение углубленный геохимический анализ периодической таблицы Д.И. Менделеева. Таблица позволяет дать геохимическую классификацию элементов (объединение в особые группы элементов с близкими геохимическими свойствами), что является основой для разработки способов и приемов решения широкого круга поисковых задач. Этому способствуют и возможности определения тех ионов, которые способны изоморфно замещать друг друга в кристаллических решетках и, таким образом, давать ответы на вопрос о естественных (природных) ассоциациях элементов в минералах. Как это подчеркивает А.А. Сауков в своем замечательном во многих отношениях учебнике – «Геохимия» (впервые опубликован в 1950 г.), изучение каких-то районов и массивов горных пород позволяет уже в полевых условиях по совокупности обнаруженных минералов определять и фиксировать в таблице Д.И. Менделеева наиболее для объекта химические элементы. Отсюда важнейшее геохимическое положение: учитывая выработанные наукой представления о е с т е с т в е н н ы х г р у п п а х э л е м е н т о в, можно предполагать наличие других элементов, которые должны сопутствовать уже известным элементам и, следовательно, обоснованно и целенаправленно вести поиски. С учетом этих важнейших особенностей в настоящем учебнике уделяется определенное внимание как самому периодическому закону (таблице) Д.И. Менделеева, так и геохимическим классификациям элементов.

В различных разделах настоящего учебника (они являются основой лекций читаемых автором на протяжении уже более 20 лет в Тюменском индустриальном институте, затем Тюменском государственном нефтегазовом университете) излагаются различные материалы по геохимии в краткой и по-возможности максимально доступной форме, но позволяющих при этом понять и усвоить наиболее важные проблемы современной геохимии. На протяжении всех лет лекционных занятий автором широко использовались материалы таких известных учебников и монографий, как Б.А. Гаврусевич. Основы общей геохимии. – Изд-во «Недра», М., 1968; В.Ф. Барабанов. Геохимия. - Изд-во «Недра», Л., 1985; Г.В. Войткевич, А.Е. Мирошников, А.С. Поваренных, В.Г. Прохоров. Краткий справочник по геохимии. – Изд-во «Недра», М., 1977 и др. Однако наибольший объем геохимических материалов, их систематизация и интерпретация заимствован из учебника А.А. Саукова. Геохимия. – Изд-во «Наука», М., 1966. По нашему мнению, несмотря на большой период времени, прошедший с момента издания этого учебника, он представляет собой исключительно ценное учебное пособие и существенно отличается от практически всех других работ этого направления полнотой и детальностью приводимых материалов и, что очень немаловажно, простотой изложения. Талантливый педагог сумел создать учебник по которому еще долгие годы будут обучаться будущие специалисты – геологи. В процессе подготовки данного учебника мы стремились сохранить основные свойства сауковского наследия, дополняя их самыми современнейшими сведениями из области отечественных и зарубежных достижений геохимии.

Определение науки геохимия. Периодический закон Д.И. Менделеева. Геохимические классификации элементов

1.1. Геохимия изучает историю атомов в Земной коре и, следовательно, важнейшая ее задача: изучить свойства атомов. Установлено, что распространенность элементов в пространстве и времени есть функция свойств атомов: а) относительные количества элементов на Земле и в космосе определяется устойчивостью ядер их атомов, а б) химические свойства и перемещение (миграция) связаны с характером внешних электронных орбит атомов.

Более или менее хорошо изучена верхняя часть Земной коры, мощностью 15-20 км. Широко используется космос и в этом смысле геохимия – часть космохимии.

Геохимия – наука, как теоретическая, так и прикладная.

Геохимия близка минералогии и петрографии. Но…….. минералогия изучает молекулы, т.е. комплексы атомов, петрография комплекс молекул, а геохимия историю отдельных атомов.

__________________________________________________________________

М.В. Ломоносов. Намного раньше К. Вернера обратил внимание на то, что разные рудные жилы несут разные минералы, объяснил генезис ряда природных тел: торфа, каменного угля, нефти (как продуктов переработки отмерших организмов).

В.И. Севергин. В основах минералогии (1798г) впервые ввел понятие – смежность минералов (сейчас это парагенезис).

Слово геохимия введено в 1838 г, но оно стало наиболее полным тогда, когда появилась периодическая система элементов Менделеева Д.И.

Крупные успехи геохимии: а) исследования Ф. Кларка и В.И. Вернадского (1880 г) по количественному составу земной коры и других геосфер Земли; б) создание методов: химических, спектральных, рентгенохимических, радиохимических, полярографических, люминисцентных и др.

Выделяются три основных направления, три школы:

1. Изучение количественного химического состава планеты и

её отдельных частей (связано с именами КЛАРКА, Ноддат, Гевеша, Панета и др.)

2. Познание метаморфизма горных пород, объяснение распределе-

ния химических элементов между минералами, породами (Гольдшмидт В.М. и др.).

3. Поведение элементо в различных условиях (ВернадскийВ.И.,

Ферсман А.Е.). В отличие от 1 и 2 направлений в зоне уделяется особое внимание практическим выводам: поиск месторождений полезных ИСКОПАЕМЫХ.

Идеи В.И. Вернадского были подхвачены и развиты Докучаевым (почвоведение), Глинкой (его ученик, химия), Левинсон-Лессингом (петрограф), Белянкиным. Вернадский В.И. – создатель биогеохимии.

1.2. Периодическая система элементов

В 1868 г. (иногда приводится 1869 г) Д.И. Менделеев установил период закон-связь свойств химических элементов с их атомным весом. Но в 1914г. было установлено, что более точно свойства связаны с зарядами ядер атомов элементов.

Суть закона в том, что свойства химических элементов изменяются периодически, в зависимости от атомного порядкового числа элементов. Меняются как химические свойства (валентность, способность вступать в химические реакции, образуя соединения последних), так и физические свойства (оптические, потенциал ионизации, радиусы атомов, окраска ионов, t⁰C плавления, уд. вес и т.д.). Периодичность есть даже в распространенности элементов: элементы четных номеров преобладают над нечетными. Более распространены элементы четных подгрупп.

Атом чрезвычайно сложная система (не отвечает своему названию): уже к середине 20-го века было доказано существование таких частиц в атоме как протон, позитрон, электрон, нейтрон, нейтрино и др.

Массы частиц: протон и нейтрон – 1,67?10^-24v; электрон и позитрон – 9,106?10^-28v; нейтрино – меньше массы электрон.

Заряд частиц: протон: +4,8024?10^-10 электростатических единиц

электрон: -4,8024?10^-10 -«-

позитрон: +4,8024?10^-10 -«-

нейтрон: 0

нейтрино: 0.

Атом состоит из 2-х частей – положительное ядро и отрицательная оболочка из электронов.

В ядре – протоны, нейтроны, в оболочках только электроны. Все другие частицы обр. только в процессе ядерных превращений.

Самый простой атом – атом водорода: его масса – сумма массы протона и электрона. Плотность протона и нейтрона в миллиарды раз > плотности воды. 1см³ вещества с плотностью ядра весил бы 140 млн.т.

У атомов элементов имеется несколько оболочек, но сколько бы ни было на последней всегда 8, и хим. свойства атомов зависят от прочности связи именно этих внешних или валентных электронов. Атомы – окислители принимают электроны от других атомов и становятся анионами (О, Сl, F и др.), атомы – восстановители отдают свои электроны и становятся катионами (Na, K, Ca, Fe и др.). Способность атомов отдавать или присоединять электроны, т.е. переходить в ионы для геохимии исключительно важна, т.к. в природе мы имеем дело главным образом с ионами, а не с нейтральными атомами.

1.3. Классификация элементов

Существуют различные геохимические классификации. Например А.Е. Ферсман: он горизонтальной линией между 3 и 5 периодами разделил таблицу на две части: верхнюю – элементы наиболее широко распространены в земной коре (слева – металлоиды, справа – металлы), нижнюю – халькофильные металлы, дающие соединения с серой, селеном, теллуром.

Классификация В. Гольдшмидта – предложена в 1924 г.: все элементы таблицы Д.И. Менделеева разделяются на 4 группы – атмофильные, литофильные, халькофильные и сидерофильные (табл. 1). Особо выделялись биофильные элементы. Позднее эта классификация изменена и дополнена Е. Савецки-Кардошем (сидерофильные, сульфато-халькофильные, оксихалькофильные, литофильные, пегматитофильные, Седиментофильные, атмофильные).

Классификация В.И. Вернадского основана на: а) отсутствии или присутствии в истории элемента химических или радиохимических процессов; б) характере процессов (обратимость или необратимость); в) присутствии или отсутствии в истории элементов их химических соединений как молекул, состоящих из нескольких атомов. Классификация имеет такой вид: I группа – благородные газы; II – благородные металлы; III – циклические элементы; IV – рассеянные элементы; V – элементы сильно радиоактивные; VI – элементы редких земель (табл. 2).

Классификация А.Н. Заварицкого: всю таблицу Д.И. Менделеева он разделил на части – 10 блоков, образующих такие группы (классы) элементов (табл. 3):

1. Инертные газы (Не-Rn);

2. Элементы горных пород (Na, Mg, Al, Si, K, Ca и др.)

3. Магматические эманации (В, F, P, Cl, S и др.).

4. Группа железа (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni).

5. Редкие элементы (Sc, Nb,Ta и др.).

6. Радиоактив. элементы (Ra, Tn, U и др.).

7. Элементы металл. рудные (Сu, Zn, Sn, Hg, Ag, Au и др.).

8. Элементы металлогенные (Аs, Sb, Bi, Se и др.).

9. Группа платины;

Таблица 1