Геохімія

Є виникло в глибині століть вислів: "Перш ніж вважати зірки, подивися під ноги". По-науковому його можна перефразувати так: "Вивчаючи зірки і галактики, не менше уваги варто приділяти земних надр ", І не тільки з тією метою, щоб виявити в них нові корисні копалини. А також і для того, щоб детально розібратися в тому, як вони, ці самі земні надра, формувалися протягом мільярдів років і які закономірності керували і керують їх формуванням. Нашу планету часто іменують гігантської хімічною лабораторією. Ми б уточнили: фізико-хімічної, тому що спостерігається нині розподіл та склад тисяч гірських порід та мінералів - це результат дії багатьох і фізичних, і хімічних процесів. Вони повинні бути об'єктом дослідження декількох наукових дисциплін. Серед таких дисциплін перше місце, безумовно, належить геохімії.

Що ж це за наука? Якщо ми напишемо таке "рівняння": "геохімія = геологія + хімія", воно, звичайно, буде справедливим, але тільки частково. Геохімія часто розглядають як деяку гібридну наукову область, що виникла на кордоні геології та хімії.

Але це, мабуть, дуже приблизне уявлення, хоча і стало загальноприйнятим. Можна навіть висловити злегка крамольну думку, що сам термін "геохімія", можливо, виник, зокрема, тому, що в арсеналі наукових понять не знайшлося більш підходящого. Він з'явився в останній чверті XIX ст., І, швидше за за все, його вперше використав один з перших професійних геохімік-американський учений - Ф. Кларк.

Кларк міркував так: кожна гірська порода, будь-який мінерал-своєрідна хімічна система. Під. дією різних агентів в ній відбуваються різні хімічні зміни. У результаті виникає система, більш стійка. Предмет геохімії полягає в вивченні цих змін.

Видатний російський і радянський вчений В. І. Вернадський по праву вважається одним з засновників сучасної геохімії. У 1927 р. він так розшифрував її зміст: "Геохімія науково вивчає хімічні елементи, тобто атоми земної кори і, наскільки можливо, всієї планети. Вона вивчає їх історію, їх розподіл і рух у просторі-часу, їх генетичні ну, нашій планеті співвідношення ".

Ось тут доречно зазначити, що ми зовсім не так добре знаємо планету Земля. Мабуть, зоряні світи та інші астрономічні об'єкти або будова і властивості атомних ядер є менш загадковими. Інший найбільший радянський геохімік - А. Е. Ферсман одного разу дуже тонко зауважив, що якби земну кулю був завбільшки з кавун, то наше проникнення в глиб його вимірювався б десятими частками міліметра. Нещодавно надглибока свердловина на Кольському півострові в Росії досягла одіннадцатікілометровой глибини, і, чим глибше проникає свердло бура, тим більш несподіваними виявляються результати дослідження. Земна кора має товщину близько 30 км під континентами і близько 5 км під океаном. Нижче межі земної кори розташовується багато в чому ще загадковий шар Мохо, названий так на честь сербського геохімік Мохоровичича. Нижче шару Мохо до глибини 2900 км розташовується мантія. І нарешті, в середині, в центрі планети Земля, знаходиться ядро. Але приводу будови мантії і тим більше ядра, а також їх хі-мічного складу існують лише в тій чи іншій мірі обгрунтовані припущення. Тому-то експериментальна геохімія поки виявляється досить "поверхневої" наукою.

Зупинимося на визначенні В. І. Вернадського, що сучасна геохімія вивчає історію атомів хімічних елементів Землі, точніше сказати, земної кори. Сфера земної кори дуже невелика, на її частку припадає лише 0,5% від загальної маси планети (на частку мантії-68, 1%, на частку ядра-31,4 %).

Коли говорять про значення періодичного закону Д. І. Менделєєва, обов'язково згадують, що він мав і має важливе значення для розвитку геохімії. У самому * справі, сучасна геохімія, якщо вона покликана вивчати історію атомів хімічних елементів, немислима без періодичної системи і 'теоретичних уявлень про будову атомів.

Ще в середині 20-х років найбільший геохімік з Норвегії В. Гольдшмідт запропонував геохімічну класифікацію: елементів, що спирається на менделєєвськая таблицю. Він зв'язав її також з закономірностями побудови зовнішніх електронних оболонок атомів і іонів. В основних рисах ця класифікація збереглася і в наші дні.

Відповідно з нею всі хімічні елементи розбиваються на чотири геохімічні групи.

Самая численна з них - перший, що включає 54 елемента, тобто більше половини елементів, що існують у природі. Вони називаються літофіл'нимі, тобто дослівно в перекладі з грецької яетра. означає "камнелюбівие". Вони складають основу більшості гірських порід і легко утворюють кисень мінерали. З точки зору будови атомів літофільние елементи мають характерний загальна ознака: на зовнішньої електронної оболонці їх іонів міститься 8 електронів. Ці елементи в вільному стані в земній корі існувати не можуть. Близько 95% земної кори складається із з'єднань літофільних елементів. Які ж, нарешті, це елементи? Лужні і лужноземельні метали, галогени, алюміній, кремній, вуглець, титан, рідкоземельні елементи, торій, уран та ін

Наступна за чисельності-група халькофільних елементів ( "меднолюбівих" в перекладі з грецької). Їх дев'ятнадцять, і свою назву вони отримали в зв'язку з певними властивостями міді, на яку вони схожі в своєму геохімічному поведінці. Ці елементи виразно виявляють схильність утворювати природні з'єднання із сіркою і її аналогами по групі періодичної таблиці Д.І. Менделєєва - селеном і телуром. На зовнішній оболонці катіонів халькофільних елементів міститься 18 електронів. До халькофілам належать такі елементи, як мідь, срібло, золото, цинк, ртуть, германій, свинець, сірка; деякі з них зустрічаються в природі у вільному вигляді.

Сідерофіл'них (або "железолюбівих") елементів одинадцять. Багато хто з них зустрічаються в самородному стані. Це елементи VIII групи періодичної системи Д. І. Менделєєва: сімейство заліза і сімейство платинових металів, а також молібден і реній. На зовнішній оболонці їх іонів міститься від 9 до 17 електронів.

Всього 8 простих речовин, що складають земну атмосферу, відноситься до атмофільним. елементам (водень, азот, кисень і благородні гази). Їх атоми або іони містять на зовнішній оболонці 2 або 8 електронів.

Ця геохімічна класифікація елементів надає велику допомогу при вивченні складних процесів хімічної диференціації різних речовин і з'єднань в товщі земної кори і в метеоритах. Вона пояснює розподіл окремих елементів по різних шарів Землі. Можна провести аналогію з плавкою шихти в доменної печі. При доменній плавці вгору видаляються гази, зверху розплаву спливає шлак, під шлаком накопичуються сульфідні з'єднання, а в нижній частині домни утворюється металеве залізо. Ми бачимо, що відбувається як би виразне поділ елементів па чотири геохімічні групи. Нагорі - газова фаза (атмофіли), нижче - шлаки, скупчення різних оксидів (літофіли), ще нижче -- сульфіди (халькофіли) і, нарешті, в самому низу - металеве залізо (сідерофіли).

Вчені вважають, що на зорі свого утворення планета Земля була холодною і лише з часом що становить її речовина розплавилося під впливом гравітаційного стиснення та теплоти розпаду радіоактивних елементів. Земля стала являти собою щось на зразок гігантської доменної печі. На її "дні" - в самому центрі планети-осідали розплавлені залізо, кобальт і нікель, типові сідерофільние елементи. Від центру до поверхні розташовувалися "сульфіди" і "шлаки", що становлять мантію і земну кору. До складу земної атмосфери увійшли виділялися в ході цієї гігантської плавки гази - атмофіли. Потім почався процес охолодження, виникла "Земна твердь", з'явилися водойми. Ймовірно, життя на Землі могло виникнути лише тоді, коли утворилася земна кора і з'явилася гідросфера - водна оболонка Землі.

У процесі розподілу і складу яких входить у завдання геохімії. Тут вона тісно пов'язана з геологією. У XX столітті виникла ще одна наукова дисципліна на стику наук - біогеохімія. Засновником її був В. І. Вернадський. Вона вивчає геохімічні процеси, пов'язані з живою речовиною. Живі організми відіграють величезну роль у міграції атомів. Результатом діяльності живих організмів є утворення ще однієї оболонки Землі-біосфери. І нарешті, назвемо ще гідрохімії - хімію гідросфери: вона теж складова частина геохімії. Кожна з цих геохімічних "гілок" своїми методами вивчає історію атомів хімічних елементів. Існуюча модель земної кулі "земна кора - мантія -- ядро "нині загальноприйнятою. Більш-менш встановилися подання щодо складу цих сфер Землі. Правда, досягнення експериментальної геохімії в останнім часом трохи похитнули сформовані уявлення. При бурінні свердловини на Кольському півострові з'ясувалося, що температура земних надр зростає з глибиною швидше, ніж це передбачалося; дещо іншими виявилися склад і будову порід, що залягають на великих глибинах.

А що ж очікує вчених далі в міру проникнення в ще більші земні глибини?

У міру віддалення від поверхні Землі збільшується стиснення, якому піддається речовина. Розрахунки показують, що в земному ядрі тиск повинен сягати 3 млн. атм. При такому колосальний постійно діючому тиску дуже багато речовини як би металлізіруются, переходять у металеву стан. З'являлася навіть гіпотеза, що ядро нашої планети складається з ... металевого водню. (До речі, не так давно в США вченим вдалося отримати водень в металевому стані.) Все це дуже проблематично, але якщо вважати, що Земля має железонікелькобальтовое ядро, то властивості цих металів в умовах колосальних тисків повинні бути незвичайними. За таких стиснення можуть спостерігатися і ще більш дивні явища: може змінюватися електронна структура атомів хімічних елементів, перш за все зовнішні електронні оболонки.

Кожен з вас без праці зобразить будову атома калію. У нього 19 електронів: дві на К-оболонці, вісім на L-оболонці, а також вісім на М-оболонці і один електрон на зовнішній N-оболонці. Але, як відомо, М-оболонка залишається ще не заповнена і має в своєму розпорядженні десятьма "вакантними" місцями. Теоретики припускають, що при надвисоких тисках єдиний електрон із зовнішньої оболонки атома калію може бути переміщений на одне з вільних місць в попередній недобудованої оболонці. Утворюється незвичайний атом: він має заряд ядра такий же, як у калію, ядро атома залишається незмінним, але електронна конфігурація перебудовується. У ній замість чотирьох оболонок виявляється три, розподіл електронів в якій 2-8-9. Якби такий "неокалій" вдалося якимось чином приготувати в лабораторії і зберегти його в такому незвичайному стані, то, очевидно, властивості його виявилися б дуже своєрідними. Адже хімічні властивості елементів залежать насамперед від будови зовнішніх електронних оболонок їхніх атомів. Цілком допустимо і підтверджується розрахунками, що на великих глибинах такого роду електронні перебудови реальні і там дійсно можуть існувати атоми різних хімічних елементів з незвичайними електронними конфігураціями. Тому зараз вже можна говорити про нову області геохімічної науки - геохімії високих тисків.

Багато задач вирішує сучасна геохімія. Особливо велика її роль в пошуках корисних копалин. Але не менш важливо і одне з її теоретичних значень - створення найважливіших узагальнень щодо еволюції речовини Землі в зв'язку з еволюцією атомів в космосі. Адже хімічний склад нашої планети-це своєрідне відображення давно протікаючих космічних процесів, в тому числі освіти хімічних елементів в зірках. Геохімічна історія атомів на Землі тісно пов'язана з його історією космічної, яку вивчає наука космохімія.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://chemistry.narod.ru/