Связь распространённости химических элементов с положением их в периодической системе и устойчивость атомов элементов

Для геохимии важно выяснить принцип распространения химических элементов в земной коре. Почему одни из них часто встречаются в природе, другие значительно реже, а третьи вообще представляют собой «музейные редкости»?

Мощным инструментом для объяснения многих геохи­мических явлений служит Периодический закон Д.И. Мен­делеева. В частности с его помощью может быть исследован вопрос о распространённости химических элементов в зем­ной коре.

Впервые связь геохимических свойств элементов с по­ложением их в Периодической системе химических элементов показали Д.И. Мен­делеев, В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман.

Правила (законы) геохимии

Правило Менделеева

В 1869 году, работая над периодическим законом, Д.И. Менделеев сформулировал правило: «Элементы с малым атомным весом в общем более распространены, чем элемен­ты с большим атомным весом» (см. приложение 1, Периодическую систему химических элементов). Позднее, с раскрытием строения атома было показано, что у химических элементов с малой атомной массой число протонов приблизительно равно числу нейтронов в ядрах их атомов, то есть отношение этих двух величин равно или близко к единице: для кислорода = 1,0; для алюминия

У менее распространённых элементов в ядрах атомов преобладают нейтроны и отношение их числа к числу протонов существенно больше единицы: для радия ; для урана = 1,59.

Дальнейшее развитие «правило Менделеева» нашло в работах датского физика Нильса Бора и российского химика, академика АН СССР Виктора Ивановича Спицына.

Виктор Иванович Спицын (1902-1988)

Правило Оддо

В 1914 году итальянский химик Джузеппе Оддо сформулиро­вал другое правило: «Атомные веса наиболее распростра­нённых элементов выражаются числами, кратными четырём, или мало отклоняются от таких чисел». Позднее это правило получило некоторую трактовку в свете новых данных о строении атомов: ядерная конструкция, состоящая из двух протонов и двух нейтронов [2р + 2n = Не²⁺ (альфа-частица, гелион] обладает особой проч­ностью.

Правило Гаркинса

В 1917 году американский физикохимик Уильям Дрепер Гаркинс (Харкинс) обратил внимание на то, что химические элементы с чётными атомными (порядковыми) номерами распространены в природе в несколько раз больше, чем со­седние с ними элементы с нечётными номерами. Подсчёты подтвердили наблюдение: из первых 28 элементов перио­дической системы 14 чётных составляют до 86 %, а нечёт­ные — только 13,6 % от массы земной коры.

В этом случае объяснением может служить тот факт, что химические элементы с нечётными значениями атомного номера содержат частицы, не связанные в гелионы, а потому являются менее стабильными.

Из правила Гаркинса имеется много исключений: так, чётные благордные газы распространены крайне слабо, а нечётный алюминий Al обгоняет по распространению чётный магний Mg. Однако есть предположения, что это правило распространяется не столько на земную кору, сколько на весь земной шар. Хотя достоверных данных о составе глубинных слоёв земного шара пока нет, но некоторые сведения позволяют предполагать, что количество магния в целом в зем­ном шаре вдвое больше, чем алюминия. Количество же гелия He в космическом пространстве во много раз превосхо­дит его земные запасы. Это едва ли не самый распространённый химический элемент Вселенной.

Правило Ферсмана

А.Е. Ферсман наглядно показал зависимость распространённости химических элементов в земной коре от их атомного (порядкового) номера. Эта зависимость становится особо очевидной, если построить график в координатах: атомный номер — лога­рифм атомного кларка. На графике прослеживается чёткая тенденция: атомные кларки понижаются с увели­чением атомных номеров химических элементов.

Рис. . Распространённость химических элементов в земной коре

(lg C – логарифмы атомных кларков по Ферсману)

Рис. 5. Распространённость химических элементов во Вселенной

(lg C – логарифмы атомных кларков по Ферсману)

(данные о количестве атомов отнесены к 10⁶ атомов кремния)

Сплошная кривая – чётные значения Z,

пунктирная – нечётные значения Z

Однако имеются и некоторые отклонения от этого пра­вила: часть химических элементов значительно превосходит ожидаемые значения распространённости (кислород O, кремний Si, кальций Ca, железо Fe, барий Ba), а другие (литий Li, бериллий Be, бор B) встречаются много реже, чем следовало ожидать, исходя из правила Ферсмана. Такие химические элементы называются соответственно избыточными и дефицитными.

Формулировка основного закона геохимии дана на с .