Внутренние факторы миграции элементов

Внутренние факторы определяют распространенность элементов в Солнечной системе и ее планетах, в т. ч. на Земле. Они включают ядерно-физические характеристики элементов: заряд ядра, его симметрия, строение и соотношение электронных оболочек.

Масса и заряды ядер отражают условия, происходившие во время образования элементов и последующего их радиоактивного распада. Отсюда действует закон геохимии - чем меньше заряд и масса ядра, тем более он распространен. Исключение составляют мало распространенные литий и бериллий, которые служили ядерным горючим при образовании элементов 15-20 млрд. лет назад (нуклеогенезе).

Верхняя оболочка Земли на 98,6 % состоит из легких макроэлементов Si, Al, Fe, Ca Mg, K, Na, O, Н, Ti, С, Cl, остальное приходится на относительно тяжелые микроэлементы (рис. 2.1). Такое разделение сделано, исходя из средних содержаний элементов в Земной коре и Земле в целом. Средние содержания элементов в земной коре и горных породах получили названия кларков Соотношение элементов на Земле для условий жизни является оптимальным.

Таблица 2.1

Кларки главных элементов, слагающих земную кору,

(по В.Гольдшмиту)

Элементы		Кларки, %
	по массе	по объему	Атомные
Si Al Fe Mg Ca Na K	46,60 27,72 8,13 5,00 2,09 3,63 2,83 2,59	91,96 0,80 0,77 0,68 0,56 1,48 1,60 2,14	62,55 21,22 6,47 1,92 1,84 1,94 2,64 1,42

Рис. 2.1. Гистограмма распространенности (кларков) элементов в земной коре (по А.Е.Ферсману)

Координационное число - параметр, по которому определяютодно из возможных внутренних строений соединений ионов по их кристаллической устойчивости (рис. 2. 2). Например, если взять 4 шара, из них можно построить куб, октаэдр или два тетраэдра.

Рис. 2.2. Иллюстрация к понятию координационного числа (по Уильяму, Деннену,1960)..

Размеры атомных и ионных радиусов определяют возможность образования кислот, щелочей, амфотеров, комплексных соединений и явление изоморфизма - способность элементов замещать друг друга в кристаллических соединениях. Чем меньше размер атомного радиуса, тем более проявлены металлические катионные свойства элементов (рис. 2.3). Размеры и заряд ядра определяют строение их электронных облаков и валентность ионов.

Рис. 2.3. Относительные размеры ионных радиусов и обычные валентности ионов (по Г.В.Войткевич и др.,1990)

.

По соотношению валентности и ионных радиусов элементы отчетливо разделяются по своим химическим свойствам (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Типы элементов по химическим свойствам относительно валентности и ионного радиуса.

Симметрия ядер определяется четным или нечетный порядковым номером элемента, который отражает соотношение протонов и нейтронов. Элементы с симметричными ядрами и соответственно четными порядковыми номерами больше распространены, поскольку они более устойчивы при ядерно-физических процессах. Это хорошо иллюстрируется космической распространенностью атомов (рис. 2.5). В этом отношении действует закон геохимии - элементы с четными ядрами более распространены.

Строение электронных оболочек атомов определяет их химическую активность, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные свойства элементов, что известно из курса общей химии.

Соотношение электронных облаков в соединениях определяют разные связи:

- металлическую, когда электронные облака общие;

- ковалентную, при которой электронные облака существенно перекрыты, что характерно для сульфидов, например пирита;

- ионную, при которой электронные облака перекрыты незначительно, что свойственно легко растворяющимися солям, например, галиту;

- вандерваальсовскую или молекулярную, которая определяется лишь кулоновскими силами, что характерно, например, для гексагональной кристаллической решетки льда.

Рис. 2.5. Космическая распространенность элементов по А.Е.Ферсману.

Отмеченные соотношения определяют растворение, расплавление, металлические, кристаллические, газообразные формы и свойства веществ.

Разнообразие ядерно-физических свойств элементов определяет геохимический закон об их повсеместном распространении, но в разных содержаниях.

В совокупности с внешними факторами они определяют миграцию, осаждение, рассеяние или концентрацию элементов.

Близкие химические и физические свойства элементов и слагающих их соединений определили часто встречающиеся в породах земной коры ассоциации элементов, которые в геохимии получили названия типов элементов. Так, элементы, дающие устойчивые соединения с кислородом называются оксифильными (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, U, Th, Sn, W, P и др.).Они также названы литофильными, поскольку главным образом слагают земную кору. Phileỏ по гречески означает сродство или материнскую любовь.Элементы с электронным строением, как у железа, и легко дающие интерметаллические сплавы с ним, названы сидерофильными (Fe, Mn, Ti, Cr, V и др.).Элементы, у которых строение электронных оболочек аналогично меди и образующие сульфиды, объединены в халькофильную группу (Cu, Pb, Zn, Bi, Sb, Hg, Сo, Ni, Mo и др.). Элементы, слагающие соединения с галоидами, названы галофильными (Сl, F, Na, K, Mg, B, J, Br), газообразные соединения – атмофильными (O, H, C, He, Ar, Kr, Rn, Tn).

Большинство легких литофильных элементов и часть миркоэлементов, используются живыми организмами, поэтому их назвали органо- или биофильными (O, N, C, H, S и P, Si, Cu, Fe, V, Mo, Se, Ni, Cr, Sr, REE, Li и др.). Большинство тяжелых микроэлементов, включая благородные, редкие, радиоактивные и рассеянные металлы и металлоиды, являются токсичными. При этом степень токсичности более значительна у хорошо растворимых элементов (Be, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Te, Ra, Ag, Ca, U, Hg, Pb, Sb, Bi, Ba, B) и менее, слагающих плохо растворимые в водных растворах соединения (Ti, Hf, Zr, W, Nb, Ta, Ga, La, Os, Ru, Rh, Th). К особо опасным для жизни относят ряд тяжелых и радиоактивных элементов, включая искусственные радионуклиды (Pb, Hg, Cd, Tl, Jr, Pt, Au, Bi, 210Po, Fr, Ra, Ac, Ku, Pu ).