Химические реакции в природе и лаборатории. Кларки элементов и распространенность элементов в природе. Щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий и цезий. Принцип торможения

Законы химии едины для реакций, протекающих как в природе, так и в колбах, на лабораторном столе химика. Однако условия реализации этих реакций часто различны, что порождает и различие в походе к исследованию химика и геохимика, отличие «химического» мышления от «геохимического». Все, что мы рассказали о кларках элементов, позволяет разобраться в этом интересном вопросе.

Распространенность элементов в природе часто не актуальна для химика, для которого источником реактивов является отдел снабжения, обеспечивающий лабораторию необходимыми препаратами. Поэтому если химик сравнивает свойства какой-либо группы родственных элементов, он вполне может располагать равными их количествами.

Допустим, что необходимо изучить щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий и цезий. С этой целью исследователь из банок с реактивами может взять эквивалентное количество их солей — LiCl, NaCl, КС1, RtjCl ir CsCl. Ц итоге эксперимента будет установлено, что в химическом отношении щелочные металлы имеют много общих свойств: они одновалентны, их хлориды и многие другие соли легкорастворимы, гидраты окислов представляют собой сильные щелочи и т. д. Все это цозволило объединить щелочные металлы в характернейшую группу периодической системы.

Иное положение в геохимии: в природе эти элементы никогда не присутствуют в одинаковых количествах, концентрации их в водах различны, и главная причина — различия кларков. У натрия и калия они высоки (2,50%), у рубидия много меньше (1,5 • 10" ), у лития еще меньше (3,2  10~3), цезий наиболее редок (3,7 • Ю-4). В результате хеохимия распространенных и редких щелочных металлов различна. Натрий и калий при определенных условиях господствуют в водах (особенно натрий — главный металл Мирового океана, многих соляных озер). При испарении вод выпадают соли натрия, местами слагающие целые пласты и горы. Соляное озеро Баскунчак в Прикаспийской низменности уже много лет снабжает народное хозяйство превосходной поваренной солью. Гора Ходжа Мумын в Южном Таджикистане сложена в основном поваренной солью, ее высота превышает 1 км. Залежи каменной соли известны в Донбассе, Западном Казахстане и других местах. Подземные натриевые рассолы открыты в Сибири, европейской части СССР, Средней Азии.

Для калия, хотя и в меньшей степени, чем для натрия, тоже известны скопления его солей — осадки морей геологического прошлого. В Приуралье (г. Соликамск) и в Белоруссии (г. Солигорск) открыты мощные толщи калийных солей, используемые в качестве удобрений.

В химическом отношении цезий похож на натрий и особенно на калий. Однако его кларк низок (3,7-10"4%) ! и содержание в океане крайне мало (3,7-10-8%). Цезий никогда не насыщает воды, и мы не знаем растворимых минералов этого металла, аналогичных NaCl или Na2SOt (но в лаборатории можно получить реактивы — CsCl и CsiS04). Не известны и залежи цезиевых солей. Таким образом, геохнмпй цезия и натрия менее сходна, Чем пХ химия, и причина состоит в резко различной распространенности элементов, различиях кларков. Химия фтора, хлора, брома и йода (галогенов) более сходпа, чем их геохимия, и причина во многом <£пять-таки связана с различиями кларков. То же можно сказать о сере и селене, кальции и радии, кремнии и германии — элементах, относящихся к одной группе периодической системы. Следовательно, контрастность кларков определяет многие особенности поведения элементов в природе.

Контрастность кларков определяет еще одну важную особенность геохимии природпых вод: как правило, в них одни элементы дефицитны относительно других, их содержание в водах не обеспечивает все возможные реакции. Дефицитны почти все редкие элементы, многие распространенные. Например, свободный кислород дефицитен в земных глубинах, и там не реализуются многие реакции окисления. В подземных водах часто дефицитны H2S, С02. В результате в природных водах протекают далеко не все теоретически возможные реакции. Отсюда следует предложенный автором принцип торможения химических реакций.

Применительно к природным водам он формулируется следующим образом: если в водах не хватает реагентов для реализации всех возможных реакций, то в них будут протекать лишь те реакции, для которых характерно максимальное химическое сродство между элементами. Эти реакции, расходуя «на себя» дифицитные реагенты, будут препятствовать реализации реакций с меньшим сродством (часто с меньшим тепловым эффектом) 9. Дефицит реагентов определяет особенности многих природных процессов, их отличие от лабораторных реакций.

 Принцип торможения давно уже используется в аналитической химии, при 'так называемом дробном осаждении. Если к раствору, содержащему равные концентрации С1~ и J~, добавлять по каплям AgNC>3 (дефицитный реагент), то сначала осаждается чистый AgJ, так как растворимость его ниже. Следовательно, осаждение AgCl «тормозится» осаждением AgJ (при отсутствии в растворе ионов J- стало бы осаждаться AgCl). По мере израсходования ионов J~ концентрация ионов Agt в растворе будет расти, и наступит такой момент, когда все ионы J~ будут связаны в осадке, начнется осаждеиие чистого AgCl.

К содержанию книги: Геохимия природных вод