Химический состав земной коры

А.Е. Ферсман

Смотрите также:

Ферсман. Рассказы о самоцветах

ФЕРСМАН. ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МИНЕРАЛОГИЯ

Ферсман. Путешествия за камнем

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Ферсман. Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

А. Качественный состав

«Геохимия изучает историю химических элементов в земной коре в отличие от минералогии, изучающей природные химические соединения, молекулы — минералы».

Вернадский 1922.

§ 1. Задача изучения химического состава земли требовала прежде всего определения границ нашей планеты, доступных нашему исследованию. Современная геохимия с достаточною определенностью выяснила, что за пределами 15— 20 километров глубины мы лишены возможности непосредственно судить о химическом составе, и, потому, она ограничила поле своих исследований теми 20 километрами, для которых в наших руках имеются вещественные объекты природных химических процессов.

Таким образом, наша атмосфера, вбды земной поверхности, определяющие гидросферу, и твердая земная кора до глубйны в 15 — 20 километров — такова та первая часть космоса, которую мы будем в дальнейшем называть просто земною корою (2).

§ 2. Из земной коры черпает минералог и химик объекты своих исследований и на ней построена и современная неорганическая химия, и сама геохимия, и весь сложный мир идей о радиоактивности.

Сейчас мы знаем, что эта земная кора построена из 88 элементов (вернее говоря типов элементов), тогда как теоретически мы ожидали бы встретить в ней 92 элементарных тела или порядковых номеров, как это сейчас принято говорить; из них № 43 и 75 являются аналогами марганца, 85 — указывает на элемент галоидного типа, 87—щелочной тяжелый металл, вероятно радиоактивный, как и предыдущий (3).

Таковы первые факты, которые нам д?ет изучение окружающей нас природы: земная кора состоит из 88 типов химических элементов (4).

§ 3. Новейшие работы Содди, Рёзерфорда и Астона (5) показывают дальнейшее осложнение вопроса. С одной стороны открывается целая большая область элементов, лишь условно укладывающихся в таблицу Менделеева и наделенных особыми свойствами превращения в новые виды атома путем излучения части заключенной в них энергии — материи. В настоящее время такими свойствами оказываются наделенными 42 различных химических атома. Эти элементы, называемые радиоактивными, образуют несколько рядов, частично при процессе распада выделяют через а-лучи атомы газа гелия, а в конечном итоге превращаются в более устойчивые тела, близкие по атомным весам к свинцу.

Привожу главные ряды:

А — Ul, UX„ UX2, UII-UY, Pa, Act., Radioact, Act. X, Act. Em, Act. A, Act. B, Act. C, Act. С1, Act. C", Act. D (попадающий в тип свинца) — 16 видов (6).

В—начинающийся от UII — Io, Ra, RaEm, RaA, RaB, RaC, RaC1, RaC", RaD, RaE, RaF 0=Po), RaG (попадающий в тип свинца), —12 видов.

С—Th., Mesoth. I, Mesoth. II, Radioth., ThorX, ThorEm, ThorA, ThorB, Th.C, ThC1, ThC", ThD (попадающий в группу свинца) — 12 видов.

D — особое положение занимают К и Rb — 2 типа.

Количественно все элементы рядов ABC связаны между собою особыми законами, из которых опытным путем выводятся времена (половины) существования отдельных элементарных тел. Таким образом, эти элементы вместе с ураном и торием распределены в згмной коре в различных количествах, причем, как< будет указано ниже, неодинаковых в различных частях коры.

Таким образом, мы намечаем вторую группу явлений, характерных для земной коры: существование в ней не менее 42 видов атомов, лишь частично отвечающих элементам Менделеевской таблицы, обладающих способностью превращения по строго определенным законам, определяющим: порядок процесса распада, количество распадающихся в единицу времени атомов и продолжительность жизни (половины жизни) каждого элементарного тела (5).

§ 4. Уже из предыдущего мы видели, что 88 химических элементов, известных в земной коре, намечают собою только типы элементов, вернее говоря, клеточки Менделеевской системы, место в которых, как сейчас оказывается, может быть занято несколькими видами атомов различных атомных весов. Таким образом тип элемента оказался определенным не атомным весом, а тою клеточкою, которую он занимает в таблице, т. е. его атомным порядковым числом с отвечающим ему определенным рентгеновским спектром.

Все виды элементов, относящиеся к одной клетке, носят название изотопов.

Таким образом сейчас оказывается, что в земной коре мы знаем 88 типов химических элементов, тогда как число видов их гораздо больше.

По опытам А стон а мы сейчас знаем изотопы нижеследующих элементов (причем в скобках поставлено число открытых изотопов): Li (2), В (2), Ne (2 или 3), Mg (3), Si (2), CI (2), Ar (2), К (2), Ca (2), Fe (2, из коих один очень слабый), Ni (2), Zn (4 или 5), Se (6), Br (2), Кг (6), Rb (2),'Sn (8), Sb (2 или 3), Xe (5 — 7), Hg (6).

Кроме того из группы радиоактивных элементов1): Т1 (3 + 1), РЬ (7 + 1), Bi (4 + 2), Ро (7), RaEm (3), Ra (4j, Ac (2), Th (6), Pa (2), U (2).

Повидимому, не дают изотопов: Н, Не, Be, С, N, О, F, Na, Р, S, As, J, Cs. Для остальных элементов у нас нет пока точных данных (7).

Таким образом оказывается, что земная кора состоит из большого количества видов атомов-изотопов, число которых должно превышать 200. Одни из них принадлежат к мало устойчивым формам материи, другие, наоборот, являются крайне устойчивыми и не радиоактивны. Наконец, особую группу элементов представляют те порядковые номера, которые не образуют изотопов.

Мы приходим к выводу: земная кора состоит из четырех типов элементов: первая группа по своему характеру вполне отвечает элементам Менделеевской системы — это преимущественно более легкие, простые (не смешанные) атомы низких порядковых чисел и атомных весов, весьма распространенные в земной коре, и, повидимому, элементы, преимущественно строющие органическую жизнь.

Вторую группу элементов (по преимуществу заключенную между порядковыми числами 12 — 60) представляют нормальные элементы, образующие ряд изотопов, встречающиеся всегда в природе в виде смесей строго определенного состава, но не обладающие видимою способностью к разложению.

Третью большую группу представляют наиболее тяжелые элементы, обладающие большою способностью к радиоактивному распаду, неустойчивые, разлагающиеся атомы земной коры.

Между третьей и второй группой заключена еще четвертая группа (между числами 57 — 71), называемая группою редких земель: все это настоящие элементы с различными, хотя и очень сходными химическими свойствами, повидимому, тесно связанные между собою по строению атома, не обладающие радиоактивностью.

§ 5. Установив таким образом наличие в земной коре около 200 изотопов с различными атомными весами, мы подходим к очень важному вопросу, что же представляют из себя те 88 встречаемых в природе химических элементов и каковы их отношения с теорией изотопов.

Рассмотрим теперь те основные ячейки, в которых имеется несколько изотопов. Их три типа, причем четвертым мы будем считать те из них, которые не дают изотопов. В одних заключаются только радиоактивные элементы, отдельные члены распада, напр., в клетке № 90 содержится сам материнский элемент торий и продукты его распада: никаких устойчивых элементов или конечных продуктов распада нет, таковы:

92 U / 91 Ра 90 Th 89 Ас 88 Ra 86 RaEm 84 Ро.

Вторую группу составляют такие клеточки Менделеевской таблицы, в которой имеются как радиоактивные элементы, так и устойчивые нерадиоактивные элементы и устойчивые конечные стадии распада. Напр., порядковое число 82, к которому относится и сам обычный свинец, и радиосвинец (RaG).

Таковы три типа; с порядковыми номерами:

83 Радиоактивные элементы промежуточные и нерадиоактивный Bi (с двумя изотопами).

82 Радиоактивные элементы промежуточные, конечные продукты распада (устойчивые) и нерадиоактивный РЬ.

81 Радиоактивные элементы промежуточные и нерадиоактивный Т1.

Третью группу представляют те порядковые числа, к которым относятся несколько различных изотопов нерадиоактивных элементов, иначе говоря, где привычные нам элементы С1,. Si и т. д. 'являются смесью нескольких изотопов. Это в сущности большинство элементарных тел.

Наконец, последнюю четвертую группу составляют элементы, занимающие совершенно самостоятельное положение, не образуя изотопов. Мы перечислили их выше, отметив пока 12 таких элементарных тел (§ 4).

Установив таким образом указанные четыре группы, перейдем к нашей проблеме, а именно, к рассмотрению того, в каком отношении находятся эти четыре группы к земной коре и какова их относительная роль.

Группа I. 7 тяжелых порядковых чисел (84, 86, 88, 89, 90, 91, 92) характеризуются сочетанием исключительно радиоактивных элементов. Взаимное отношение количеств этих изотопов определяется точно законами радиоактивного равновесия. Методами химического анализа материнские тела (U, Th) или более или менее устойчивые промежуточные (Ra) могут быть выделены, и их атомный вес аналитически определен.

В этой группе и ее распределении в природе мы оперируем с точными цифрами постольку, поскольку исходим из определенного в природе количества U и Th. Для всех остальных видов элементов, связанных с ураном и торием, формулы радиоактивного равновесия дают очень точные цифры (8).

Группа II. Гораздо сложнее вторая группа: в ней в одной клетке находятся и радиоактивные, и нерадиоактивные изотопы. Однако, опытным путем они могут быть выделены самостоятельно и каждый из них изучен порознь. Атомные веса таких элементов различны и сейчас уже определены с достаточною точностью.

Так, обыкновенный свинец — 207, 20 — 207,22 (из сернистых руд).

RaG (радиосвинец) — 206, 04 — 206, 12 (главным образом, из брёггерита).

ThD (ториосвинец) — 207, 90 (природа ториосвинца еще внушает сомнения).

Для висмута и таллия мы не имеем таких отличий. Относительное распространение указанных трех видов свинца не изучено и неизвестно, но напрашивается мысль, что обыкновенный свинец есть смесь ThD и RaG в строго определенных пропорциях.

Многочисленные аналитические работы показали, что вопрос этот, благодаря роли группы актиния, несколько сложнее, но в общем в минералах с торием атомный вес свинца приближается к 208, а в урановых к 206.

Во всяком случае в этой группе различия в атомных весах найдены в самой земной коре, и, потому, в будущем аналитик природного соединения обязательно должен будет указывать, какой свинец им найден в минерале.

Группа III обнимает собою большинство природных элементов, но как раз по отношению к ней мы встречаемся с особыми затруднениями. Оказывается, что, изучая атомный вес какого-либо природного элемента, напр., СI, и получая для него 35,46, мы в сущности получаем условное число, дающее нам константу какой-то сложной смеси из 35, 37 (и, может быть, 39). Разделить эти смеси изотопов мы можем только применением особенно тонких методов; так, для ртути, благодаря применению фракционированной дестилляции такая попытка частично удалась Bronstedt'y (1921), а для хлора, особенно в виде НС1 — лаборатории Harkins'a (1921).

Весьма интересно, что в условиях нашей земной коры мы до сих пор не находили этого разделения изотопов, хотя целый ряд весьма тонких Природных процессов фильтрации, дестилляции и диффузии не исключают возможности открытия в природе таких условий.

Специальная лаборатория Richards'а в Гарвардском университете была занята изучением атомного веса элементов, полученных из различных стран и различных месторождений. До сих пор все результаты — отрицательны (кроме одного определения Кюри хлора, извлеченного из соли в Центральной Африке). Даже хлор, полученный из солей земной поверхности и апатитов (фосфатов), по данным Gleditsch и Samdahl оказался отвечающим общепринятому весу.

В этом направлении изучены: Си, CI, Na, Са, Fe, Ni, Ag, Аи, В, Hg.

Любопытно, что даже атомные веса Fe и Ni в земных минералах и метеоритах оказываются тождественными (9).

Мы как будто бы подходим к выводу: ряд изотопов образует в земной коре закономерные смеси в определенных и неизменяемых соотношениях, и, если этот вывод будет распространен и на метеориты, то в пределах земной коры и обломков метеоров мы не будем иметь и следов таких химических процессов, кои вели бы к разъединению отдельных изотопов между собою. Этим изотопы третьей группы в геохимическом отношении отличаются от изотопов первой и второй групп.

Группа IV. Не заключает в себе изотопов, и так как, поэтому, эти элементы не приходится считать смесями, их атомные веса выражаются целыми числами (производными от Не = 4 и Н= 1,008)»).

Так:

Н Не Be С N  О

1,008 4,0 9,02 12,0 14,01 16,0 F Na Р S As J Cs

19,0 23,0 31,04 32,06 74,96 126,92 132,81

Более значительно отклонялся от нашего закона только Be, для которого проверка атомного веса (9,1) дала в 1922 г. предсказанную поправку (9,02).

§ 6. Подведем итоги сказанному: земная кора состоит из 88 типов элементов и около 200 видов. Одни из них»устойчивы и в пределах наших опытов неизменны, другие, наоборот, постоянно превращаются; одни виды существуют самостоятельно и, как таковые, в природе могут быть открыты и выделены, другие, наоборот, известны нам только в смесях, но весьма определенного состава (смеси изотопов одного и того же атомного числа); третьи, наконец, существуют в закономерных смесях, но могут быть разделены методами физико-химического анализа (смесь элементов радиоактивного распада).

§ 7. Перейдем теперь к вопросу о распространении отдельных групп элементов в земной коре.

Прежде всего отметим характер наших знаний по отношению к тем четырем большим группам, которые нами выше намечены (§ 5).

Первую группу составляют U и Th и продукты их распада. Благодаря очень многочисленным работам Strett'a, Joly, Boltwoo.d'a и других по распространению этих радиоактивных элементов, мы имеем в достаточной степени ясную картину их распределения в разных частях земной оболочки и в разных горных породах и минералах (10). Во всяком случае для изверженных пород среднее содержание в процентах определяется около 7,0. 10-  U и 1,5.10-з Th.

Таким образом, для первой группы мы обладаем весьма точными данными.

Вторую группу, составленную из изотопов Bi, Pb, Т1, мы знаем лишь условно в земной коре. Нам известны лишь грубые общие суммарные цифры содержания этих трех групп изотопов, и до сих пор еще не проведено определения их распространения по изотопам. Нет, однако, никакого сомнения, что выяснение распространения отдельных изотопов именно в этой группе вполне возможно и требует лишь детальных химических анализов с определением атомного веса тел.

Для третьей и четвертой групп мы знаем распространение элементов только по типам, т. е. по порядковым числам, и отдельные изотопы совершенно ускользают от нашего внимания, хотя их количество для случаев с двумя изотопами может быть вычислено из атомного веса по правилу смешения.

Таким образом при учете распространения элементов в земной коре мы только для небольшой части можем говорить об отдельных изотопах, а в остальной массе учитываем лишь распространение данного порядкового номера или типа Менделеевской системы.

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА