Общие понятия, классификации химических элементов

Тема 2.Общие понятия, классификации химических элементов 2.1. Земля как космическое тело Солнечной системы По современным представлениям Вселенная возникла 12–15 млрд лет назад. Теорию очень плотной и горячей Вселенной развил физик Г. Гомов. Первоначальное сингулярное состояние Вселенной было сжатое. Первичный нуклеосинтез, т. е. образование ядер легких элементов (в порядке убывания количества –Н, 4 Не, D, 3 He, Li) стал возможен через несколько минут после начала Большого Взрыва очень плотного и малого сгустка материи, а через один миллион лет началось формирование атомов химических элементов в ходе термоядерного синтеза в звездах. По информации современной теоретической физики процесс Большого Взрыва выглядит следующим образом: в начале взрыва температура 1032 по Кельвину была достигнута через 10– 43с, через одну секунду она снизилась до 10 10 К, через одну минуту – до 10 9 К, через 100 тыс. лет – до 10 4 К, через 1 млн лет – до 10 3 К. Вначале своего существования (до 300–400 тыс. лет) Вселенная представляла собой «кипящую смесь» из протонов, электронов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и вследствие продолжавшегося расширения вещества охлаждались. Остывшая плазма превратилась в нейтральный атомарный водород. В дальнейшем гравитационное сжатие и нагрев остывшей массы привело к образованию первичных звезд и галактик. Любая звезда формируется в результате коллапса и гравитационного сжатия газа и пыли. В расширяющейся и в настоящее время Вселенной обычное вещество (сочетания атомов и молекул – барионная форма) составляет 4 % от общей плотности, небарионная темная материя (скрытая масса) – 26 %, темная энергия – 72 %. Любая звезда формируется в результате коллапса и гравитационного сжатия газа и пыли. Выделяют следующие этапы эволюции звезды. 1 этап. Облако межзвездного газа и пыли под действием гравитации сжимается, уплотняется, привлекая окружающее вещество.  2 этап. Вещество постепенно сжимается с образованием протозвезды, в которой температура и давление растут, однако нет светимости. При достижении температуры 10–15 млн К начинаются ядерные реакции в центре сгустка, превращение водорода в гелий. При этом излучение приводит к светимости и выделению тепла.  3 этап. Основная стадия жизни звезды. В это время она почти не меняет температуру и светимость.   4 этап. Исчерпав запасы топлива в ядре, стареющая звезда размером Солнца расширяется и превращается в красный гигант, а большие по массе звезды (до 25 масс Солнца) – в красный сверхгигант. Температура падает. Солнце возможно поглотит ближайшие планеты. Образуется планетная туманность.  5 этап. Умирающая малая звезда сбрасывает газовую оболочку, а массивные звезды делаю это бурно, взрываясь и выделяя огромное количество энергии. Во Вселенной этот процесс зарегистрирован как взрыв Сверхновой. Газопылевые оболочки, сброшенные звездами (туманности), являются материалом для формирования новых звезд или планет.   6 этап. После сброса газовой оболочки малая звезда типа Солнца превращается в компактный объект – белый карлик, размеры которого сравнимы с Землей. Массивные звезды сжимаются до размеров 10–20 км, превращаясь в сверхплотные образования – нейтронные звезды или черные дыры. Время жизни звезд зависит от ее размера. Чем большая масса звезды, тем короче ее жизненный путь. Считается, что Солнце окажется на стадии умирающей звезды примерно через 5 млрд лет. Объекты космохимии представлены звездами (95 % массы вещества Вселенной), газовыми и пылевидными туманностями, межзвездным газом, рассеянной космической пылью, планетами, кометами, метеоритами, нейтронами, протонами, электронами, кварками. Они сгруппированы в галактики, которых насчитывается около 1500. По форме преобладают спиральные галактики (61 %), реже встречаются линзовидные (22 %), эллиптические (13 %), неправильные (4 %). В нашей галактике Млечном Пути насчитывается около 1011 звезд. Химический состав космических тел отражает сложные пути их эволюции и определяется рядом физических и химических факторов: образованием и преобразованием атомов во времени; распределением атомов под влиянием космических причин (тяготение, световое давление, электромагнитные поля и др.); физико-химическим перераспределением групп атомов, электронов, молекул. Кларки солнечной атмосферы принято относить к кларкам космоса, которые рассчитывают на 106 атомов Si или Н. В спектре солнечной атмосферы открыто более 70 элементов с преобладанием Н (70 % по массе), не (28), на долю остальных приходится 2 %. Очень мало тяжелых элементов после железа. Согласно Л. Аллерому и Дж. Россу (1976), для 13 элементов получены следующие данные: H – 106 % , He – 6,3 ·104 , O – 6,9 ·102 , C – 4,2 ·102 , N – 87, Si – 45, Mg – 40, Ne – 37, Fe – 32, S – 16, Ca – 2,2, Ni – 1,9, Ar – 1,0 %. Энергетически более выгодно образование устойчивых ядер с небольшим числом четного количества протонов и нейтронов, поэтому в космосе и на Земле преобладают элементы с небольшими атомными массами. Солнце представляет собой водородно-гелиевый раскаленный шар с плотностью 1,41 г/см3, который каждую минуту теряет путем излучения 240 млн т массы. Каждый квадратный сантиметр его поверхности излучает 375 859,48 Дж/мин. Продолжительность жизни Солнца около 10 10 лет. Отличие по химическому составу поверхности и глубинных частей незначительное. Состав Солнца по углероду и инертным газам близок к составу Земли, что указывает на генетическое единство всех тел солнечной системы. Космохимия звезд однообразнее и проще геохимии Земли. В настоящее время Солнце движется между рукавами созвездия Стрельца и пройдет это расстояние через 4,6 млрд лет. При вхождении в спиральный рукав условия для живых организмов ухудшаются, так как в них образуются новые звезды. Здесь вспышки Сверхновых звезд выбрасывают высокоэнергетические лучи, что губительно для всего живого. Газовые туманности состоят из сильно разреженных газов, представляющих собой извержения из звездной материи. Соотношение Н : Не : О в газовых туманностях 1000 : 10 : 0,01. Космические лучи – это поток частиц и атомных ядер очень высокой энергии, состоящих в основном из протонов p (90 %). Многие космические частицы обладают электрическим зарядом, поэтому отклоняются магнитным полем планеты. С ростом магнитной жесткости частицы будут глубже проникать в магнитное поле. В земной атмосфере они образуют вторичное излучение, в котором встречаются все элементарные частицы с высокой проникающей способностью. Поток космических лучей за пределами Земли составляет 10 частиц/см2 /мин. Космические нейтроны (n) образуют вторичные радиоактивные изотопы в верхней части атмосферы, преобразуют атомные ядра азота: 14N + n→ 14C + p; 14N + n → 12C + 3H. Таким путем образуются радиоактивные изотопы: 10Be, 22Na, 26Al, 32Si, 36Cl, 39Ar. Космические частицы – по сравнению с Солнечной системой беднее Н, Не, Li, Be, B, но богаче тяжелыми металлами. За сутки на поверхность Земли поступает до 100 т космической пыли, метеоритов. Метеориты – обломки космической материи. Изотопный состав по C, O, Si, Cl, Fe, Ni, Co, K, Cu, Ga, U такой же, как изотопный состав этих элементов земного происхождения. Различие в изотопах по некоторым редким элементам и инертным газам (He, Ne, Kr, Xe) образуется из-за облучения метеоритов космическими лучами. По составу метеориты бывают металлические (Fe, Ni), силикатные (Si, Al), сульфидные (FeS и др.). Самые распространенные каменные (аэролиты) метеориты (90 %). Среди каменных преобладают хондриты, для силикатной части которых характерны «хондры» – шарики диаметром около одного миллиметра из стекла или нераскристализованного материала. «Хондры» не встречаются в земных условиях и могут выполнять роль индикатора при изучении генезиса метеоритов. Редко встречаются углистые хондриты с добавлением графита, органического вещества и аминокислот, еще реже – ахондриты без «хондр», близкие по составу к земным изверженным породам. Средний состав хондритов, следующий: O (33,24 %), Fe (27,24), Si (17,19), Mg (14,29), S (1,93), Ni (1,64), Ca (1,27), Al (1,22), Na (0,64), Cr (0,29), Mn (0,25), P (0,11), K (0,08 %). Поверхности Земли ежегодно достигает 500 метеоритов размером меньше 10 см в диаметре. На Земле известно 150 кратеров от падения метеоритов: в Северной Америке 52, Европе 36, Азии 20, Австралии 18, Африке 16, Южной Америке 8. Известен кратер от астероида диаметром 1,2 км в штате Аризона (США), образовавшийся 50 тыс. лет назад. Кратеров диаметром более 10 км насчитывается 60, меньше 10 км – 90. Для глобальной катастрофы достаточно падения метеорита диаметром 1 км с радиусом разрушения 200–300 км. При падении его в океан высокие волны затопят участки суши на низменностях. В марте 1989 г. астероид диаметром около 300 м пересек орбиту в точке, где всего лишь 6 часов назад находилась Земля. Наземные службы зарегистрировали его лишь после удаления от планеты. Поэтому необходимо направлять усилия на усовершенствование сети наблюдений за небесными телами и разработку способов нейтрализации небесных тел, появляющихся в зоне притяжения Земли. Геохимия планет изучена недостаточно. Лишь во второй половине XX в. наблюдения за планетами с Земли дополняются информацией со спутников и межпланетных станций. Рассмотрим особенности химического состава планет, за исключением Земли, о которой информация будет изложена в последующих главах. Планеты отличаются по размеру, плотности, массе, расстоянию от Солнца и другим параметрам (рис.1). Они делятся на две группы: внутренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Их разделяет кольцо астероидов между Марсом и Юпитером. По мере удаления от Солнца планеты, вплоть до Земли, увеличиваются и становятся более плотными (3,3–3,5 г/см3 ), а внешние планеты уменьшаются, начиная с Юпитера, и менее плотные (0,71–2,00 г/см3 ). Во внутренних планетах выделяются силикатная и металлическая фаза, последняя выражена у Меркурия (62 %). Чем ближе к Солнцу планета, тем больше она содержит металлического железа. Внешние планеты сложены газовыми компонентами (Н, Не,СН4, NH3 и др.). Планеты имеют по одному и более спутнику, за исключением Меркурия и Венеры. Химический состав планет приведен по Д. Ротери (2005). Меркурий. Ось вращения перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому времена года отсутствуют. Период вращения вокруг оси совпадает с периодом вращения вокруг Солнца, поэтому он повернут одной стороной к нему. Кора андезитовая, как на Луне, возраст 3,9– 4,4 млрд лет. Ядро массивное металлическое с радиусом, равным 3/4 радиуса планеты. Атмосфера разреженная и содержит О, Na, He, K. В нее заходят газовые струи от Солнца, состоящие из Н и Не. Из-за высокой температуры на освещенной стороне горные породы выделяют в атмосферу натрий. Исследовал планету аппарат «Маринер-10». Венера очень медленно вращается в противоположную сторону, по сравнению с Землей. Сила тяжести почти такая же, как на Земле. Отсутствует смена времен года. Атмосфера состоит из СО2 (96,5 %), N2 (3,4) вулканического происхождения, около 0,1 % приходится на H2, O2, H2O, CO, COS, SO2, S2, H2S, SF6, HCl, HF, Ne, Ar, Kr, Xe. Атмосферное давление в 90 раз выше, чем на Земле. Оно превращает машину в пластинку. Предположительно облака состоят из паров и капелек серной кислоты. Процесс образования сернокислого тумана замедленный. За день образуется 25 капель на 1 см3 с диаметром 1,5 мкм. В нижних слоях атмосферы из-за высокой температуры кислота разрушается. Оксид углерода реагирует с серным ангидридом и образует углекислый и сернистый газ. У поверхности планеты оксид углерода отнимает у сернистого газа кислород с образованием газообразной серы. В наэлектризованной атмосфере зарегистрировано 50 молний в секунду в одном месте, а на всей Земле для сравнения – 100. Дневное освещение аналогично пасмурному дню и оранжевого цвета Поверхностный грунт состоит на 50 % из SiO2. В нем отождествлены элементы Al, Mg, Ca, Fe, K, Mn, Ti, S, Cl, U. Породы близкие к гранитоидам. Горы занимают 8 % всей поверхности, максимальная высота до 11 км (г. Максвелла). Преобладает низменная и волнистая равнина с вулканическими извержениями и множеством кратеров диаметром до 280 км, плоскогорья на высотах примерно 3500 м. Температура раскаленного красноватого грунта превышает 400 °С. Луна – спутник Земли. На поверхности находится реголит (пыль) мощностью до нескольких метров. Реголит состоит из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы, спекшихся друг с другом и образовавших губчатую массу. «Материки» занимают 85 %, «моря» (пониженные места) 15 % и представлены базальтовой породой. Химический состав отражает высокотемпературные условия его образования. Исследованные породы изверженные, они кристаллизовались при температуре 1210–1060 °С с силикатного расплава, обогащенного железом. Ведущие минералы: пироксен, плагиоклаз, ильменит, оливин. Малоизвестные для земных условий минералы: пироксенманганит (обогащен Mn), ферапсевдобрукит (Fe, Mo, Ti), транквилитит (TiZrO4) и др. В породах среди O, Si, Fe, Ca, Mg, Al, Ti повышенное количество Fe, Ti, Zr и редких земель. Выделяются элементы группы железа (V, Cr, Mn, Co, Ni), молибдена (Y, Zr, Nb, Ta). Марс обращается вокруг Солнца против хода часовой стрелки и каждые 780 дней находится на минимальном расстоянии (противостояние) с Землей – 55 млн км, на максимальном 102 млн км. Атмосфера разреженная, давление в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли. У полюсов облака голубые и состоят из СО2, небо тускло-розового цвета. Атмосфера состоит из СО2 на 95 %, по другим источникам – на 75 и 50 %, N2 (2,5), Ar (1,6), O2 (0,1–0,4), CO (0,06), Н2О (0,03 %), очень мало Ne, Kr, Xe. Имеются пары воды, аэрозоли образуются за счет пылевых бурь. Скорость ветра около 100 м/с. Лед состоит из СО2 и частично Н2О. Ядро малое (5–9 % массы планеты), литосфера мощная. Выделяют древнюю кратерированную кору и базальтовые «моря» в депрессиях. В грунте Марса содержится Fe – 12–14 %, Si – до 20, Ca – 4, Al – 2–4, Mg – 5, S – 3 %, а также другие элементы. Юпитер – самая большая планета Солнечной системы и близкая по размерам (в 10 раз меньше диаметра Солнца) и массе к небольшой звезде. Имеет 16 спутников. В атмосфере образуются неподвижные вихревые образования и оглушительные раскаты грома и молнии. Атмосфера на 90 % состоит из Н2 и на 10 % из Не с незначительной примесью метана, аммиака, воды. Магнитное поле в 50 раз сильнее земного, поэтому вокруг планеты имеются мощные пояса заряженных частиц. Характерны полярные сияния и мощные радиоизлучения в виде шумов. Поверхность представлена металлическим водородом (80 %) в твердой фазе и гелием (20 %). На глубине 0,02 радиуса планеты находится жидкий слой молекулярного водорода. Ядро Юпитера железосиликатное. Сатурн уступает Юпитеру по массе и размерам с самой низкой плотностью (0,71 г/см3) среди планет. Имеет 17 спутников. Рисунок 1 – Расположение планет Солнечной системы относительно Солнца (вне масштаба) Толщина всех колец вокруг планеты 2 км. Это камни, покрытые льдом в поперечнике до 10 м, ширина всех колец 400 тыс. км. Атмосфера состоит из водорода (97 %) и гелия (3 %), аммиака, метана, этана и ацетилена. Скорость ветра достигает 1800 км/ч, что в 20 раз больше штормового ветра на Земле. Мощность газовой атмосферы 1000 км. Поверхность представлена океаном из Н2 и Не. Ядро расплавленное силикатнометаллическое. Уран и Нептун по химическому составу сходны с Юпитером и Сатурном. Атмосферы планет состоят из водорода (80–83 %), гелия (15– 18), метана (3), аммиака, этана, ацетилена, воды. Отмечены перистые облака из метана, которые придают голубой цвет планетам. Недра этих планет на 20 % состоят из Не и Н2, на 80 % из более тяжелого вещества железо-силикатного состава. Земля. По химическому составу Земля кислородная планета, поэтому он занимает первое место среди других элементов. В наружной части Земли выделяют оболочки, которые отличаются по химическому составу.  В оболочках ведущими являются три-четыре химических элемента, сумма которых составляет около 90–99 %. На другие элементы приходится в сумме от 0,36 % в атмосфере до 10,8 % в земной коре. В целом Землю составляют следующие ведущие элементы: O, N, Si, C, H, Al, Fe, Cl, Na, Ca, Mg, K, S, P. Эти элементы называют основными или структурными, так как они участвуют в построении минералов и живой клетки. Другие химические элементы рассеяны и встречаются в незначительном количестве. Часть из них выполняет физиологическую роль (Mn, I, Cu, Zn, Co, B, Mo, Se, V, F, Br), роль других не установлена. Некоторые элементы могут образовывать концентрацию (месторождения) (Cu, Zn, Со, Mn и др.). Распространение основных элементов в оболочках Земли не одинаковое. Водород встречается в атмосфере как примесь, однако в массе гидросферы составляет более 10 %. Азот относится к ведущему элементу атмосферы, но в земной коре рассеян (менее 0,002 %). Незначительное содержание химического элемента не означает его рассеянное состояние. В воде только Тихого океана масса золота превосходит запасы всех золоторудных месторождений мира. В годовом приросте растений рассеянный цинк в два раза превышает его мировую ежегодную промышленную добычу. Важный элемент в электронике германий концентрируется в ископаемых углях. Известна совместная концентрация циркония и гафния, молибдена и рения. Уран путем распада создает радий, радон, свинец, гелий. В наше время уран, являясь главным энергетическим элементом, рассеян в природе. В 1 т горных пород содержится около 3 г урана, ориентировочное количество урана около 60 триллионов тонн, в водах океана – около 5 млрд т. Ежегодно с речными водами в океан приплывает 2,5 тыс. т урана, с дождями возвращается на сушу около 20 т. Подобные ситуации характерны для многих рассеянных элементов.   Для облегчения сравнительного анализа содержания химических элементов приводим соотношение между весовыми, процентными и безразмерными единицами: 1 ч / млн = 1 ppm = 1 мг / кг = 1 мг / л (дм3 ) = 1 г / т = 1 мкг / г = =10 –4 % = 0,0001 %; 1 ч / млрд = 1 ppb = 1 мкг / кг = 1 мг / т = 1 мкг / л (дм3 ) = 10 –7 % = = 0,0000001 %; 1 0 À = 10 –8 см = 0,1 нм = 10 –10 м; 1 кал = 4,1868 Дж; 1 Гр (грей) = 1 Зв (зиверт) = 100 рад = 100 бэр = 1 Дж / кг = 10000 эрг/г   Количество вещества в растворе можно выразить через молярность (моль / л) или нормальность (экв / л). Молярность отражает различие молекулярных масс, а нормальность учитывает различия в зарядах катионов и анионов. Одномолярный раствор (1 М) содержит 1 моль, т. е. количество вещества равное атомной или молекулярной массе, выраженное в граммах. Однонормальный раствор (1 н р-р) – это один эквивалент вещества в 1 л раствора. Эквивалент – масса, которая может прореагировать с водородом, равная его атомной массе: 1 л 1 н раствора HCl содержит 35,45 г Cl– , или 1 моль Cl– 2.2. Классификации химических элементов Химический элемент можно определить как вид атомов с определенным набором свойств. Рассматривая термин «химический элемент» с точки зрения строения атомов, можно дать такое определение: Химический элемент – это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра. Содержание химических элементов в природе и их происхождение связано с законами, управляющими ядерным веществом. Физики связывают эволюцию элементов с определенными реакциями, в которых из более простых ядер рождаются сложные. Эволюция элементов – результат определенной последовательности ядерных реакций, протекающих во Вселенной, где есть подходящие условия. Предложенные гипотезы образования химических элементов можно разделить на две группы. Согласно первой группе гипотез все химические элементы образовались в течение нескольких минут из сверхплотной материи при расширении Вселенной путем ядерных реакций между элементарными частицами: протонами, нейтронами, электронами, позитронами, мезонами. По другой группе гипотез образование химических элементов происходило в массивных звездах, в которых высокие температура и давление создавали условия для ядерных реакций и превращения одних элементов в другие. Она в настоящее время общепризнанна. Исходным материалом для построения всех элементов считается водород – господствующий элемент Вселенной. Для рождения атомных ядер необходим исходный материал и достаточное количество энергии. Гравитационные силы, сжимая вещество, могли разогреть водородный газ до необходимой температуры в несколько миллионов градусов. В ходе ядерных реакций он превращался в гелий. Из них в дальнейшем предстояло природе создать элементы Периодической системы. После начала синтеза элементов его продолжили гравитационные и ядерные силы. В сердцевине звезды выгорает водород (N-процесс), падает давление, новое гравитационное сжатие поднимает температуру еще выше – до 100 млн °С (Н-процесс). При такой температуре роль топлива продолжил вновь образованный из водорода гелий. Ядра гелия приобретали энергию, достаточную для преодоления более высокого, чем у протона водорода, электростатического барьера – α-частицы (Не-процесс):   3 4Не → 12С + γ.   Ядра элементов, захватывая α-частицы, создавали новые химические элементы (С-, О-процессы) до железа включительно:  12С + 4Не → 16О, 16О + 4Не → 2Ne, 20Ne + 4Нe → 24Mg.  Процесс с участием α-частиц завершается, видимо, к концу активной жизни звезды. Дальше начинали действовать накопившиеся в продуктах горения кремния нейтроны (n-процесс). Сложные ядра оказались, как бы погружены в «ванну» из этих частиц. Если звезда остается устойчивой, после завершения α-процесса она испытывает дальнейшее сжатие при котором возникают термоядерные реакции в обстановке статического равновесия. В этих условиях образуются ядра с наиболее устойчивой связью около железа-56. Процесс образования ядер этой группы химических элементов назван е-процессом. Захватывая нейтроны, атомные ядра начали расти по массе, образуя новые средние и тяжелые элементы. Их синтез связан с реакциями нейтронного захвата при еще более высоких температурах (n-, s-, r-процессы). Процесс нейтронного захвата (n) может происходить у ядер с массовыми числами от А = 20 до А = 56. При достаточном количестве в звездах элементов группы железа цепь нейтронного захвата с последующим β-распадом может продлиться до тех пор, пока не возникнут α-активные изотопы с массовым числом А > 209. В условиях звездных недр может протекать медленный s-процесс и быстрый r-процесс захвата нейтронов. Последний протекает за короткое время (секунды, минуты, часы) в период вспышки сверхновой звезды, аналогично взрыву водородной бомбы, с образованием элементов до 254Cf. Допускается мощная концентрация нейтронов, возникающих в ходе термоядерной реакции. Самые тяжелые ядра, как предполагают ученые, возникают при вспышке сверхновой звезды, в которую превращается старая звезда, когда после выгорания топлива внутри ее падает давление. Резкое гравитационное сжатие приводит к взрыву оболочки с захватом глубоких областей звезды. И долгие миллиарды лет копившиеся там сложные ядра – драгоценный продукт эволюции звезды, проносясь сквозь нейтроны, попадают в межзвездное пространство. Считается, что нейтроны во время вспышки сверхновой, подобно песку во время самума заполняющему любую трещину, быстро в большом количестве забивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых и неустойчивых. Может быть, они как кристаллы в перенасыщенном растворе «растут» постепенно. По первому варианту предпочтение отдается образованию ядер платины, по второму – ядер свинца. Так действовали две модели нуклеосинтеза элементов. Некоторые теоретики допускают, что нейтронная звезда представляет собой остаток сверхновой и является космической фабрикой, специализирующейся на производстве тяжелых элементов. Считается, что нейтроны во время вспышки сверхновой, подобно песку во время самума заполняющему любую трещину, быстро в большом количестве забивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых и неустойчивых. Может быть, они как кристаллы в перенасыщенном растворе «растут» постепенно. По первому варианту предпочтение отдается образованию ядер платины, по второму – ядер свинца. Так действовали две модели нуклеосинтеза элементов. Некоторые теоретики допускают, что нейтронная звезда представляет собой остаток сверхновой и является космической фабрикой, специализирующейся Среди тяжелых химических элементов имеются изотопы, относительно обогащенные протонами, которые не могли образоваться под влиянием рассмотренных выше процессов. Для объяснения их образования был предложен процесс протонного захвата (р-процесс). Он может происходить при взрыве сверхновых, которые содержат много водорода. Есть предположения, что синтез химических элементов непрерывно идет во Вселенной. На Земле новые элементы, возможно, образуются в ее ядре. В микромире судьбу атомных ядер решают в основном ядерные и электромагнитые силы. На атомные ядра влияют π-мезоны с положительным электрическим зарядом. Проскальзывая через ядро, πмезон вступает в реакцию с двумя нейтронами. Он превращает их а протоны, а сам покидает ядро в виде отрицательно заряженной частицы. Оставшееся ядро, не потеряв ни одного нуклона, превращается в новый изотоп химического элемента, который в Периодической системе находится на две клеточки дальше от элемента, его породившего. Относительная распространенность тяжелых элементов качественно совпадает для всех космических объектов, звезд, метеоритов, межзвездного пространства. Во Вселенной преобладают легкие элементы, так как у них ядра устойчивые, по сравнению с тяжелыми элементами. Из средних по массе выделяется железо. Согласно выдвинутой физиками новой теории струн все наблюдаемые свойства элементарных частиц являются проявлением различных типов колебаний струн. На микроскопическом уровне вся материя состоит из комбинаций вибрирующих волокон. В ней каждая из частиц является крошечной одномерной петлей. Внутри каждой петли вибрирующее, колеблющееся волокно. Петли в теории струн имеют свои резонансные частоты. Поэтому электрон представляет собой один вид колебания струны, кварк – другой вид и т. д. Таким образом, вся материя и все взаимодействия объединяются в колеблющиеся микроскопические струны. Между материальными объектами выделяют следующие виды взаимодействий: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Они осуществляются посредством частиц, переносящих взаимодействие. Глюоны переносят сильное взаимодействие, слабые калибровочные бозоны – слабое взаимодействие, фотоны – электромагнитное, гравитоны – гравитационное. Редкие химические элементы. К редким относят в настоящее время около 30 химических элементов. Свое название они получили не из-за низких концентраций в земной коре (табл. 1), а из-за того, что эти элементы крайне редко используются (использовались) людьми. К рассматриваемым элементам сейчас относят щелочные металлы (Li, Rb, Cs); редкоземельные металлы (Y, La, Sc) и 14 лантаноидов (Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu); редкие щелочноземельные (Be, Sr); редкие высоковалентные ме-таллы (Zr, Hf, Nb, Ta). Часть исследователей к редким эле-ментам относит Ga и Ge. В обобщающей монографии «Недра России» в группу редких металлов были включены также Sn, W, Mo. Редкость использования элементов во многом объясняется отсутствием их месторождений с богатыми (в сравнении с другими элементами) рудами. Следует также отметить приуроченность важнейших редкометалльных рудных формаций к комплексам таких малораспространенных и относительно недавно открытых и изученных горных пород, как карбонатиты и апограниты и др. Долгое неиспользование редких металлов во многом связано со сложностью и энергоемкостью извлечения и с особой длительностью и сложностью получения чистых и сверхчистых металлов. Эти факторы оказали сдерживающее влияние на изучение таких эколого-геохимических особенностей редких элементов, как распространенность и распределение в почвах, растениях и водах различных геохимических ландшафтов; влияние повышенных и пониженных концентраций на различные живые организмы, в том числе на человека; изменение процессов миграции-концентрации в зависимости от изменения ландшафтно-геохимических условий и т. д. До сих пор более чем для половины редких металлов не установлены кларковые содержания в почвах Земли, селитебных и сельскохозяйственных ландшафтов, а также в золе растений (таблица 1.1). Неясны последствия воздействия их повышенных содержаний в среде существования организмов на эти организмы, включая, домашних животных и людей, а также сельскохозяйственную продукцию. Элементам этой группы уделяется все большее внимание. Профессор К. А. Власов писал: «Технический уровень развития любой страны и ее прогресс в целом определяются в наше время не только количеством выплавляемой стали, чугуна и цветных металлов, но также объемом производства и использования редких металлов». В настоящее время последний показатель во многом определяет не только технический уровень, но и устойчивое развитие стран. В соответствии с законом (см. часть III) формирования ассоциаций химических элементов, образующих крупные техногенные геохимические аномалии (В. А. Алексеенко), удовлетворение возрастающих потребностей производства в элементах, относимых сейчас к редким, неизбежно приведет к их концентрации в крупных техногенных аномалиях и к возникновению новых экологических проблем. В связи с этим поведению в биосфере редких химических элементов необходимо уделять особое внимание. Таблица 1 – Некоторые геохимические особенности используемых химических элементов, Ga, Ge и редких химических элементов Элемент Порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева Кларковые содержания (n∙10-3 %) Абсолютный разброс кларковых содержаний в породах и почвах континентов в земной коре в почвах Земли в золе растений в почвах населенных пунктов Некоторые из используемых элементов Ag 47 0,007 0,05 0,1 0,037 13,5(3) Bi 83 0,0009 (0,02)* 0,00005 0,11 1,4 Cd 48 0,0016 0,05 0,001 0,090 14,3 Co 27 1,8 0,8 1,5 1,4 1500 Cr 24 8,3 20,0 25,0 8 800 Cu 29 4,7 2,0 20,0 3,9 21,7 Mo 42 0,1 0,2* 2,0 0,24 13,0 Pb 82 1,6 1,0 1,0 5,4 20 Sb 51 0,05 (0,09)* 0,005 0,1 40 Zn 40 8,3 5 90,0 15,8 8,7 Редкие элементы Be 4 0,38 0,6 0,21 0,33 12(6) Ce 58 7,0 5,0 – - 2,1 Cs 55 0,37 0,5 0,2 n∙1,0 24,0 Ga 31 1,9 3 5 1,6 20 Ge 32 0,14 0,5 5 0,18 25 Dy 66 (0,46) – – – – Er 68 0,3 – – – 14,0 Eu 63 0,13 – – – 14,0 Gd 64 n∙0,01 n∙0,1* – – 36,0 Hf 72 0,1 0,6 0,0005 – 36,7 Ho 67 0,17 – – – 11,7 La 57 2,9 4 – 3,4 184 Li 3 3,2 3,0 1,1 4,95 132 Lu 71 0,008 – – – 10,5 Nb 41 2,0 – 0,05 1,57 700 Nd 60 3,7 – – – 130 Pr 59 0,9 – – – 30 Rb 37 15 10 10 5,8 1000 Sc 21 1,0 0,7 0,009 0,94 30 Sm 62 0,8 – – – 36 Sr 38 34 30 3,0 45,8 610 Ta 73 0,25 – 0,0005 – 84 Tb 65 0,43 – – – 40 Tm 69 0,027 – – – 15 Y 39 2,0 (3,0) 5* 0,1 2,3 100 (80) Yb 70 0,03 – – 0,24 14 Zr 40 17,0 30 0,5 25,6 26,3 «Микроэлементы» – не совсем удачный термин, употребляется для выделения группы химических элементов, содержание которых в конкретной рассматриваемой геохимической системе меньше n·10-2 %. Один и тот же элемент может быть в различных системах и микро-, и макроэлементом. При употреблении термина для биологических систем, как правило, не указывается, установлен микроэлемент по содержаниям в золе, в сухом или влажном состоянии анализируемого вещества, что создает дополнительные трудности при обобщении данных. Макроэлементы – группы химических элементов, содержание которых в конкретной, рассматриваемой геохимической системе больше n · 10-2 %. Недостатки выделения как микроэлементов, так макроэлементов рассмотрены выше. Геохимические классификации химических элементов проводились многими геохимиками. Одной из наиболее известных является классификация В. М. Гольдшмидта. Выделенные им группы элементов в значительной мере отражают их преимущественное накопление в определенных слоях (сферах) Земли. Ученый установил связь элементов, преобладающих в каждой из выделенных им геосфер, с величинами атомных объемов элементов, что хорошо видно из рисунка 2. Рисунок 2 – Кривая атомных объемов Элементы, характеризующие каждую из сфер, располагаются в определенных частях кривой атомных объемов (восходящие и нисходящие ветви, вершины и т. д.). Так, были выделены элементы: – атмофильные (благородные газы, N); – литофильные (Na, Mg, Al, Si, K, Ca и др.); – халькофильные (Cu, Zn, Ag, Pb, Hg, As и др.); – сидерофильные (Fe, Co, Ni, платиноиды).   Первые концентрируются преимущественно в атмосфере, вторые – в каменной оболочке, третьи подобны меди и образуют сульфиды, четвертые подобны железу. Предполагаемая первоначально связь элементов с определенными сферами не имеет четких закономерностей, однако названия групп элементов сохранились. Отметим, что многие элементы могут относиться сразу к нескольким группам. Более дробное и обоснованное разделение элементов на отдельные группы характеризует классификацию В. И. Вернадского (табл. 2), в которой элементы разделены на шесть групп. В первую (благородные газы) и вторую (благо-родные металлы) объединены 12 элементов, для которых характерно существование преимущественно в самородном состоянии, а следовательно, они не характерны для целого ряда геохимических циклов. К третьей группе (циклические элементы) отнесено наибольшее число элементов – 44, все они участвуют в различных геохимических циклах. В четвертую группу объединены 11 элементов, для которых в литосфере наиболее характерно состояние рассеяния. В пятой группе находятся 7 сильно радиоактивных элементов, в шестой – 15 элементов редких земель. Классификация В. И. Вернадского более удобна, чем ранее рассмотренная, для использования в геохимии. Этому особенно способствует выделение групп циклических, радиоактивных и рассеянных элементов. Таблица 2 – Геохимические группы элементов (по данным В. И. Вернадского) Группа Элемент n Благородные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe 5 Благородные металлы Ru, Rh, Pb, (Os), Ir, Pt, Au 7 Циклические элементы H, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, (Cr), Mn, Fe, Co, (Ni), Cu, Zn, (Ge), As, Se, Sr, (Zr), Mo, Ag, Cd, (Sn), Sb, (Te), Ba, (Hf), (W), (Re), (Hg), (Tl), (Pb), (Bi) 44 Рассеянные элементы Li, Sc, Ga, Br, (Rb), Y, (Nb), In, I, Cs, Ta 11 Элементы сильно ра-диоактивные Po, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U 7 Элементы редких земель La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 15   Еще более применимой должна стать при изучении биосферы и ноосферы классификация элементов А. И. Перельмана, по особенностям гипергенной миграции. В основу этой классификации положены наиболее характерные особенности миграции химических элементов в биосфере и их способность концентрироваться на определенных геохимических барьерах. Сначала все элементы А. И. Перельман разделил на две группы: мигрирующие преимущественно в газообразном состоянии и в растворах. Воздушных мигрантов всего 11, и из них только 5 относятся к активным. Водные мигранты разделяются в зависимости от интенсивности миграции, которая определяется по величине коэффициента водной миграции (Кх). При этом учитывается еще целый ряд важнейших показателей перемещения элементов в водных растворах: способность образовывать катионы и анионы; постоянная или переменная валентность; подвижность (или же инертность и осаждение на барьерах) в окислительной, глеевой или сероводородной обстановках; интенсивность (инертность) миграции в растворах с различными щелочно-кислотными условиями; интенсивность миграции с органическими комплексами; преимущественно В геологии довольно часто также используют классификации химических элементов А. Е. Ферсмана и А. Н. Заварицкого, которые приводятся в большинстве учебников по геохимии.  Вопросы для самопроверки 1.        Что такое редкие химические элементы? Что лежит в основе разделения химических элементов на микро- и макроэлементы? 2.        Объясните преимущества классификации химических элементов В. И. Вернадского перед классификацией В. М. Гольдшмидта для использования в экологической геохимии. 3.        На чем основаны классификации химических элементов А. Е. Ферсмана и А. Н. Заварицкого? 4.        Объясните, почему редкие химические элементы получили такое название. Перечислите химические элементы, которые относятся к редким.