Распространенность элементов - кларки земной коры. Логарифмическая кривая Кларков. Закон кратности четырем, закон шести. Миграция атомов

После долгой полувековой работы геохимия овладела новым числом — повой константой мира.

А. Е. Ферсман

Исследования в области распространенности элементов А. Е. Ферсман начал в 1907 г., много внимания уделял ей в курсе геохимии в Народном университете им. А. Л. Шанявского (1912), посвятил этой проблеме книгу «Химические элементы Земли и Космоса» (1923), подробно с новых позиций осветил ее в первом (1933) и третьем (1937) томах «Геохимии». Термин «кларк» был предложен А. Е. Ферсманом в 1923 г. Позднее (1937) ученый дал ему следующее определение: «Кларком мы называем количество данного элемента в определенной химической системе космоса (земной коре, метеоритах, атмосферах Солнца, звезд определенного типа и т. д.), выраженное в процентах общего числа атомов данной системы (или его веса) » *.

В 1933 г. А. Е. Ферсман высчитал новые кларки земной коры, построил «логарифмическую кривую кларков», которая отражала зависимость атомных кларков земной коры от порядкового номера элементов в периодической системе Д. И. Менделеева. Учитывая большие различия между четными и нечетными элементами, А. Е. Ферсман построил две самостоятельные кривые для каждой группы атомов. Кларки в общем оказались периодической функцией порядкового номера. Кривая имела ряд верхних (О, Si, Ca, Fe и т. д.) и нижних (Не, Ne, Кг, Хе) пиков. Соединив пики, А. Е. Ферсман получил две линии, которые ограничили пояс расположения кларков всех известных элементов. Пояс плавно понижался с увеличением порядкового номера. Это отражало одну из основных геохимических закономерностей, установленную еще Д. И. Менделеевым: с ростом атомной массы уменьшается распространенность элементов.

Середину пояса А. Е. Ферсман принял за основную ось, которая отвечала каким-то средним величинам распространенности элементов. Выше средней линии расположились элементы избыточные, а ниже — «дефицитные».

Подобные логарифмические кривые А. Е. Ферсман построил для земной коры, метеоритов, атмосферы Солнца и горячих звезд. Естественно, что наиболее полными были данные для земной коры.

Анализ кривых позволил А. Е. Ферсману привести в строгую систему закономерности распространенности элементов, уточнить некоторые из них, дать глубокий анализ причин различий в кларках. Одновременно с П. Н. Чирвинским он рассчитал средний элементарный состав Земли.

В первом томе «Геохимии» рассмотрены кларки космических тел (Солнца, звезд, туманностей), Земли в целом, земной коры и отдельных ее частей: литосферы, гидросферы, атмосферы, стратосферы. Ферсман остановился на кларках почв и живого вещества, промышленности. «Самой замечательной и наиболее резко выраженной чертой кривых кларков» А. Е. Ферсман считал преобладание на Земле и в космосе четных элементов над нечетными. Это положение, впервые сформулированное итальянским ученым Г. Оддо (1914 г.) и американским В. Гаркинсом (1915—1928 гг.), А. Е. Ферсман предложил именовать законом четности (закон Гаркинса). На логарифмической кривой кларков закон четности выражен очень отчетливо: кривая кларков нечетных элементов расположена ниже кривой четных.

По А. Е. Ферсману, данная особенность распространенности элементов зависит от строения атомного ядра и является «выражением первичной устойчивости атомных ядер». В значительно более слабой степени закон четности связан с электронным строением атомов, с их периодическими свойствами.

Г. Оддо в 1914 г. обратил внимание на широкое распространение в природе химических элементов, атомная масса которых кратна четырем. В дальнейшем этот закон был детально изучен В. Гаркинсом и А. Е. Ферсманом. Последний назвал его законом кратности четырем.

Действительно, атомы, построенные по типу 4q, имеют наибольшие кларки (С, О, Mg, Si, S, Ca, Ti, Cr, Fe и т. д.). А. Е. Ферсман подчеркивал, что закон четырех распространяется не только на атомы в целом, но и на их изотопы. Как для закона четности, так и для закона четырех не характерна связь с периодичностью свойств элементов; данный закон определяется свойствами атомных ядер. Следуя за В. Гаркинсом, А. Е. Ферсман разделил все типы атомных ядер на четыре группы: 4q\ 4д+1; 4д+2; 4д+3. Он показал преобладание в земной коре типов 4q и 4д+3 при крайне незначительном распространении 4д+1 и 4#+2.

Особенно характерен тип 4q для кристаллизации основных и ультраосновных пород. В ходе магматической дифференциации количество атомов этого типа уменьшается и, например, в пегматитах относительно возрастает количество нечетных элементов.

Следующий закон распространенности (закон шести) был обоснован Р. Зондером и А. Е. Ферсманом. Этот закон заключается в том, что на кривой кларков явственно обозначается периодичность, кратная шести,— начиная с гелия, каждый шестой элемент отмечен высокими кларками.

He/6\0/6\si/6\ca/6\Fe/6‘4r/6'2\sn/6\Ba

2 8 14 20 26 38 50 56

В меньшей степени закон шести распространяется на нижние пики, т. е. на дефицитные элементы. Но все же и здесь намечается периодичность, кратная шести (реже восьми).

Be Ne Ar Cr Zn

4\H\^V'24\^3(V

6 8 6 6 6

Kr

A. E. Ферсман показал, что верхние пики кларков по закону шести в общем антибатны потенциалу ионизации. В отличие от первых двух законов распространенности данный закон связан со строением наружных электронных оболочек атомов, с периодичностью их химических свойств. Распределение элементов по закону шести является следствием миграции атомов.

Глубокий анализ проблемы кларков позволил А. Е. Ферсману вскрыть неточность основного геохимического закона В. М. Гольдшмидта, согласно которому абсолютные количества элементов, т. е. кларки, зависят от ядра, а распределение элементов — от наружных электронов. А. Е. Ферсман предположил, что гипотетическое первичное распределение элементов в космосе (до начала процессов дифференциации) характеризовалось первичными Кларками, зависящими только от свойств атомного ядра, т. е. подчинялось закону В. М. Гольдшмидта. Однако эти кларки, отмечал А. Е. Ферсман, пока неизвестны, так как ни одна из областей космоса не дает в чистом виде первичных соотношений кларков.

Сильно влияют на распространенность элементов процессы миграции, зависящие от строения электронных оболочек атомов. И все же свойства ядра в большинстве геохимических систем имеют решающее значение: «Первичные соотношения кларков очень резко и очень долго сохраняются в общем типе природных процессов, и лишь крайние дифференциаты первичных металлических сульфидных расплавов и газовые оболочки холодных космических тел далеко отходят от этой первичной схемы, подчиняясь всецело законам менделеевских процессов дифференциации. Как ни могучи и грандиозны процессы перемещения и перегруппировки элементов на основе законов менделеевской системы, все же основным фоном, на котором они разыгрываются, основной точкой, к которой они прилагаются, как могучий рычаг космохимических процессов, является «первичный кларк», связанный с ядром и устойчивостью его строения» 2.

Таким образом, по А. Е. Ферсману, кларки различных природных систем, с одной стороны, являются функцией строения атомного ядра (в основном законы четности четырех), а с другой — результатом миграции атомов, определяемой строением электронной оболочки (закон шести и в некоторой степени закон четности). «Кларк, — указывал А. Е. Ферсман,— есть количественное соотношение элементов для определенного пространственного, термодинамического, исторически сложившегося энергетического уровня, например для отдельных геосфер» 3. В одной из своих работ ученый писал, что кларк есть функция времени и места. А. Е. Ферсман специально остановился на причинах редкости элементов. Некоторых мало в земной коре в связи с тем, что их ядра малоустойчивы или недолговечны или их мало в космосе. Например, редки малоустойчивые дефицитные элементы начала периодической системы — Li, Be, В, а также элементы ее конца в связи с большой величиной заряда ядра — Та, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Bi, Th, U. Редки радиоактивные элементы с неустойчивыми ядрами — Po, Rn, Ra, Ас, Th, Pa, U.

Причиной редкости может быть и то, что элемент выделился раньше из многофазной системы (т. е. вне доступной нам земной коры). К данной группе А. Е. Ферсман отнес сидерофилы — Ge, W, Mo, Ni, Go, Pt и платиноиды, халь- кофилы — Se и Те, As, Sb, Bi, некоторые тяжелые металлы — Au.

Наконец, редкость может быть обусловлена рассеянием элемента, неспособностью давать концентрации. Сюда относятся благородные газы — Не, Ne, Ar, Kr, Хе и ряд нечетных элементов с низкими эками, образующих простые или комплексные ионы, — Li, Be, В, F, V, Ga, Br, Rb, Nb и др.

Учение о кларках А. Е. Ферсман считал одним из основных разделов геохимии. Он подчеркивал практическое значение этой проблемы.

К содержанию книги: Биография и книги Ферсмана