Откуда взялись атомы. Строение атома, изотопы, распространение в земной коре водорода, кислорода, серы и азота Области применения водорода
Химический состав земной коры был определен по результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.
В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15-20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.
Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элементов, из них 8 составляют 97,2-98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) -75 % массы Земли.
Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее часто встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в недрах Земли, приводит к образованию самых разнообразных соединений. Химические элементы, которых больше всего в литосфере, входят в состав многих минералов (из них в основном состоят разные породы).
Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кислород, водород, кремний и алюминий являются основными компонентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).
Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами. Это однородные химические вещества земной коры, которые образовались вследствие сложных физико-химических или биохимических процессов, например каменная соль (NaCl), гипс (CaS04*2H20), ортоклаз (K2Al2Si6016).
В природе химические элементы принимают неодинаковое участие в образовании разных минералов. Например, кремний (Si) входит в состав более 600 минералов, а также очень распространен в форме окисей. Сера образует до 600 соединений, кальций-300, магний -200, марганец-150, бор - 80, калий - до 75, соединений лития известно только 10, а йода - еще меньше.
Среди наиболее известных минералов в земной коре преобладает большая группа полевых шпатов с тремя основными элементами - К, Na и Са. В почвообразующих породах и продуктах их выветривания полевые шпаты занимают основное положение. Полевые шпаты постепенно выветриваются (распадаются) и обогащают почву на К, Na, Са, Mg, Fe и другие зольные вещества, а также микроэлементы.
Кла́рковое число́ - числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле, космических телах, геохимических или космохимических системах и др., по отношению к общей массе этой системы. Выражается в % или г/кг.
Виды кларков
Различают весовые (в %, в г/т или в г/г) и атомные (в % от числа атомов) кларки. Обобщение данных по химическому составу различных горных пород, слагающих земную кору, с учётом их распространения до глубин 16 км впервые было сделано американским учёным Ф. У. Кларком (1889). Полученные им числа процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впоследствии несколько уточнённые А. Е. Ферсманом, по предложению последнего были названы числами Кларка или кларками.
Строение молекулы . Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.
Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых с спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.
Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей. Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.
Ионы. В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном.
Кристаллическая решётка моделирует расположение положительных ионов внутри кристалла однородного металлического вещества.
Известно, что в твёрдом состоянии все металлы являются кристаллами. Ионы всех металлов расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. В расплавленных и испарённых (газообразных) металлах упорядоченное расположение ионов отсутствует, но электронный газ по-прежнему остаётся между ионами.
Изото́пы - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число. Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа. Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).
Элементный состав живого вещества и ОВ горючих ископаемых
Горючие ископаемые содержат в своем составе те же элементы, что и вещество живых организмов, поэтому элементы - углерод, водород, кислород, азот, серу и фосфор называют или биогенными, или биофильными, или органогенными .
На долю водорода, углерода, кислорода и азота приходится более 99% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Кроме них в значительных количествах в живых организмах могут концентрироваться еще око
ло 20-22 химических элементов. 12 элементов составляют 99,29 %, остальные 0,71%
Распространенность в космосе: Н, Не, С, N.
До 50% - C, до 20% - O, до 8% - H, 10-15% - N, 2-6% - P, 1% - S, 1% - K, ½% - Mg и Ca, 0,2% - Fe, в следовых количествах – Na, Mn, Cu, Zn.
Строение атома, изотопы, распространение в земной коре водорода, кислорода, серы и азота
ВОДОРОД - главный эл-т космоса, самый распространенный элемент Вселенной. Хим эл-т 1 группы, атомный номер 1, атомная масса 1,0079 . В современных изданиях таблицы Менделеева H располагают также в VII группе над F, так как некоторые св-ва H похожи на свойства галогенов. Известны три изотопа H. Два стабильные - это протий 1 Н – Р (99,985%), дейтерий 2 Н - D (0,015%), и один радиоактивный - тритий 3 Н - Т, Т 1/2 =12,262 лет. Искусственно получен еще один - четвертый крайне неустойчивый изотоп - 4 Н. В разделении Р и D в природных условиях основную роль играет испарение, однако, масса вод мирового океана так велика, что содержание дейтерия в нем изменяется слабо. В тропических странах содержание дейтерия в атмосферных осадках выше, чем в полярной зоне. В свободном состоянии H - бесцветный газ, без вкуса и запаха, самый легкий из всех газов, в 14,4 раза легче воздуха. H становится жидким при -252,6°С, твердым при -259,1°С. H - прекрасный восстановитель. Горит в O несветящимся пламенем, образуя воду. В земной коре H намного меньше, чем в звездах и на Солнце. Его весовой кларк в земной коре 1%. В природных химических соединениях Н образует ионные, ковалентные и водородные связи . Водородные связи играют важную роль в биополимерах (углеводах, спиртах, белках, нуклеиновых кислотах), определяют свойства и строение геополимеров керогена и молекул ГИ. При определенных условиях атом Н способен соединиться одновременно с двумя другими атомами. Как правило, с одним из них он образует прочную ковалентную связь, а с другим - слабую, она и получила название водородной связи .
КИСЛОРОД - Самый распространенный элемент земной коры, составляет в ней по массе 49,13%. O имеет порядковый номер 8, находится во 2 периоде, VI группе, атомная масса 15,9994. Известны три стабильных изотопа O - 16 О (99,759%), 17 О (0,0371%), 18 О (0,2039%). Долгоживущие радиоактивные изотопы O отсутствуют. Искусственный радиоактивный изотоп 15 О (Т 1/2 = 122 секунды). Применяется для геологических реконструкций соотношение изотопов 18 О/ 16 О, которое в природных объектах изменяется на 10% от 1/475 до 1/525. Наиболее низкий изотопный коэффициент имеют полюсные льды, наиболее высокий - СО 2 атмосферы. При сравнении изотопного состава пользуются величиной d 18 О , которое вычисляется по формуле: d 18 О ‰= . За стандарт принято среднее соотношение этих изотопов в океанической воде. Вариации изотопного состава O в гп, воде определяются температурой, при которой протекает процесс образования конкретных минералов. Чем ниже T, тем интенсивнее будет фракционирование изотопов. Полагают, что изотопный состав O океана за последние 500 млн. лет не менялся. Главным фактором, определяющим изотопный сдвиг (вариации изотопного состава в природе), является кинетический эффект, определяемый температурой прохождения реакций. O при обычных условиях газ, невидим, безвкусен, лишен запаха. В реакциях с подавляющим большинством атомов O выступает в роли окислителя . Лишь в реакции с F окислителем является F. O существует в двухаллотропных модификациях . Первая - молекулярный кислород - О 2 Вторая модификация – озон – О 3 , обр под действием электрических разрядов в воздухе и чистом O, в радиоактивных процессах, действием на обычный O ультрафиолетовых лучей. В природе О 3 образуется постоянно под действием УФ лучей в верхних слоях атмосферы. На высоте около 30-50 км существует «озоновый экран», задерживающий основную массу УФ лучей, защищая организмы биосферы от губительного действия этих лучей. При малых концентрациях у О 3 приятный, освежающий запах, но если в воздухе более 1% О 3 , он весьма токсичен.
АЗОТ - концентрируется в биосфере: он преобладает в атмосфере (75,31% по весу, 78,7% по объему), а в земной коре его весовой кларк - 0,045 %. Химический элемент V группы, 2 периода атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Известны три изотопа N - два стабильных 14 N (99,635%) и 15 N (0,365 %) и радиоактивный 13 N , Т 1/2 = 10,08 мин. Общий разброс значений отношений 15 N/ 14 N невелик. Нефти обогащены изотопом 15 N, а сопутствующие природные газы обеднены им. Горючие сланцы также обогащены тяжелым изотопом.N 2 бесцветный газ, без вкуса и запаха.N в отличие от О не поддерживает дыхания, смесь N с О наиболее приемлема для дыхания большинства обитателей нашей планеты. N химически неактивен. Он входит в состав ЖВ всех организмов. Малая химическая активность азота определяется строением его молекулы. Как и у большинства газов, кроме инертных, молекула N состоит из двух атомов. В образовании связи между ними участвуют по 3 валентных электрона внешней оболочки каждого атома, образуется тройная ковалентная химическая связь , которая дает самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. «Формальная» валентность от -3 до +5, «истинная» валентность 3. Образуя прочные ковалентные связи с O,H и C, он входит в состав комплексных ионов: - , - , + , которые дают легко растворимые соли.
СЕРА – эл-т ЗК, в мантии (ультраосновные породы) ее в 5 раз меньше, чем в литосфере. Кларк в ЗК - 0,1%. Хим эл-т VI группы,3 периода, атомный номер 16, атомная масса 32,06. Высоко электроотрицательный эл-т, проявляет неметаллические свойства. В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов. Обр кислоты и соли. Многие серосодерж соли малорастворимы в воде. S может обладать валентностями: (-2), (0), (+4), (+6), из них наиболее характерны первая и последняя. Характерны как ионные, так и ковалентнные связи. Основное значение для природных процессов имеет комплексный ион - 2 S - неметалл, хим активный элемент. Лишь с Au и Pt S не взаимодействует. Из неорг соединений кроме сульфатов, сульфидов и H2SO4 на Земле распространены оксиды SO 2 - газ, сильно загрязняющий атмосферу, и SO 3 (твердое вещество), а также сероводород. Для элементарной S характерно три аллотроп-ные разновидности : S ромбическая (наиболее устойчивая), S моноклинная (циклическая молекула - восьмичленное кольцо S 8) и пластическая S 6 - это линейные цепочки из шести атомов. В природе известны 4 стабильных изотопа S: 32 S (95,02%), 34 S (4,21%), 33 S (0,75%), 36 S (0,02%). Искусственный радиоактивный изотоп 35 S c Т 1/2 = 8,72 дня. За стандарт принята S троилита (FeS) из метеорита Каньона Диабло (32 S/ 34 S= 22,22) Реакции окисления и восстановления могут вызывать изотопный обмен, выражающийся в изотопном сдвиге. В природе - бактериальным путем, но возможен и термический. В природе к настоящему времени произошло четкое разделение S земной коры на 2 группы - биогенных сульфидов и газов, обогащенных легким изотопом 32 S, и сульфатов , входящих в соли океанической воды древних эвапоритов, гипсов, содержащих 34 S. Газы, сопутствующие нефтяным залежам, варьируют по изотопному составу и заметно отличаются от нефтей.
Ответы на вопросы,
выносимых на экзамен по дисциплине «Физико-химические процессы в окружающей среде» для студентов III курса специальности «Экологический менеджмент и аудит в промышленности»
Распространенность атомов в окружающей среде. Кларки элементов.
Кларк элемента – числовая оценка среднего содержания элемента в земной коре, гидросфере, атмосфере, Земле в целом, различных типах горных пород, космических объектах и др. Кларк элемента может быть выражен в единицах массы (%, г/т), либо в атомных %. Введен Ферсманом, назван в честь Франка Унглизорта, американского геохимика.
Количественную распространенность химических элементов в земной коре впервые установил Кларк. В земную кору он включил также гидросферу и атмосферу. Однако масса гидросферы составляет несколько %, а атмосфера – сотые доли % от массы твердой земной коры, поэтому числа Кларка отражают в основном состав твердой земной коры. Так, в 1889 году были рассчитаны кларки для 10 элементов, в 1924 – для 50 элементов.
Современные радиометрические, нейтронно-активационные атомно-адсорбционные и другие методы анализа позволяют с большой точностью и чувствительностью определить содержание химических элементов в горных породах и минералах. Представления о кларках изменились. Н-р: Ge в 1898 году Фокс считал кларк равный п *10 -10 %. Ge был плохо изучен не имел практического значения. В 1924 году для него кларк был рассчитан как п*10 -9 % (Кларк и Г. Вашингтон). Позже Ge был обнаружен в углях, и его кларк возрос до 0,п%. Ge применяют в радиотехнике, поиск германиевого сырья, детальное изучение геохимии Ge показали, что Ge не так уж редок в земной коре, его кларк в литосфере составляет 1,4*10 -4 %, почти такой же как у Sn, As, его намного больше в земной коре чем Au, Pt, Ag.
Распространенность атомов в ос
Вернадский ввел положение о рассеянном состоянии химических элементов, и оно подтвердилось. Все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточности чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или другого элемента в изучаемой среде. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов именуется законом Кларка-Вернадского.
Исходя из кларков элементов в твердой земной коре (про Виноградову) почти ½ твердая земная кора состоит из О, т.е Земная кора - это «кислородная сфера», кислородное вещество.
Кларки большинства элементов не превышают 0,01-0,0001% - это редкие элементы. Если эти элементы обладают слабой способностью к концентрированию, они называются резкими рассеянными (Br, In, Ra, I, Hf).
Н-р: Для U и Br значения кларков составляют ≈ 2,5*10 -4 , 2,1* 10-4 соответственно, но U просто редкий элемент, т.к. известны его месторождения, а Br – редкий рассеянный, т.к. он не концентрируется в земной коре. Микроэлементы – элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (≈ 0,01% и менее). Так, Al – микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.
Классификация элементов по Вернадскому.
В земной коре родственные по периодической системе элементы ведут себя неодинаково – мигрируют в земную кору по-разному. Вернадский учитывал самые важные моменты истории элементов в земной коре. Главное значение предовалось таким явлениям и процессам как радиоактивность, обратимость и необратимость миграции. Способность давать минералы. Вернадский выделил 6 групп элементов:
благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe) – 5 элементов;
благородные металлы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) – 7 элементов;
циклические элементы (участвующие в сложных круговоротах) – 44 элемента;
рассеянные элементы – 11 элементов;
сильно радиоактивные элементы (Po, Ra, Rn, Ac, Th, Pa, U) – 7 элементов;
элементы редких земель – 15 элементов.
Элементы 3 группы по массе преобладают в земной коре из них в основном состоят горные породы, воды, организмы.
Представления из повседневного опыта не совпадают с реальными данными. Так, Zn, Cu широко распространены в быту и технике, а Zr (цирконий) и Ti для нас редкие элементы. Хотя Zr в земной коре в 4 раза больше чем Cu, а Ti – в 95 раз. «Редкость» этих элементов объясняется трудностью их извлечения из руд.
Химические элементы вступают во взаимодействия друг с другом не пропорционально их массам, а в соответствии с количеством атомов. Поэтому кларки могут быть рассчитаны не только в массовых %, но и в % от числа атомов, т.е. с учетом атомных масс (Чирвинский, Ферсман). При этом кларки тяжелых элементов уменьшаются, а легких – увеличиваются.
Так, например:Расчет на число атомов дает более контрастную картину распространенности химических элементов – еще большее преобладание кислорода и редкость тяжелых элементов.
Когда был установлен средний состав земной коры, возник вопрос о причине неравномерности распространения элементов. Это стаи связывать с особенностями строения атомов.
Рассмотрим связь значения кларков с химическими свойствами элементов.
Так щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr химическом отношении близки друг к другу – один валентный электрон, но значения кларков отличаются – Na и K - ≈ 2,5; Rb - 1,5*10 -2 ; Li - 3,2*10 -3 ;Cs – 3,7*10 -4 ;Fr – искусственный элемент. Резко различаются значения кларков для F и Cl, Br и I, Si (29,5) и Ge (1,4*10 -4), Ba (6,5*10 -2) и Ra (2*10 -10).
С другой стороны, различные в химическом отношении элементы имеют близкие кларки – Mn (0,1) и P (0,093), Rb (1,5*10 -2) и Cl (1,7*10 -2).
Ферсман построил график зависимости значений атомных кларков для четных и нечетных элементов Периодической системы от порядкового номера элемента. Выяснилось, что с усложнением строения атомного ядра (утяжеления) кларки элементов уменьшаются. Однако эти зависимости (кривые) получились ломаными.
Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию, которая плавно понижалась по мере возрастания порядкового номера элемента. Элементы расположенные выше средней линии, образующие пики, ученый назвал избыточными (O, Si, Fe и др.), а расположенные ниже линии – дефицитными (инертные газы и др.). Из полученной зависимости следует, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки Периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. Действительно, после Fe (№26) нет ни одного распространенного элемента.
Далее Оддо (итальянский ученый) и Гаркинсом (американский ученый) в 1925-28 гг. была установлена другая особенности распространенности элементов. В Земной коре преобладают элементы с четным порядковым номером и атомными массами. Среди соседних элементов у четных элементов кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для 9 наиболее распространенных элементов (8 O, 14 Si, 13 Al, 26 Fe, 20 Ca, 11 Na, 19 K, 12 Mg, 22 Ti) массовые кларки четных составляют в сумме 86,43% , а нечетных – 13,05%.Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4, это – O, Mg, Si, Ca.
По данным исследований Ферсмана, ядра типа 4q (q –целое число) составляют 86,3% земной коры. Менее распространены ядра типа 4q +3 (12,7%) и совсем мало ядра типа 4q+1 и 4q+2 (1%).
Среди четных элементов, начиная с He, наибольшими кларками обладают каждый шестой: O (№8), Si(№14), Ca (№20), Fe (№26). Для нечетных элементов – аналогичное правило (начиная с Н) – N (№7), Al (№13), K (№19), Mg (№25).
Итак, в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов.
С течением времени кларки изменились. Так в результате радиоактивного распада стало меньше U и Th, но больше Pb. В изменении значений кларков элементов сыграли роль и такие процессы как диссипация газов, выпадение метеоритов.
Основные тенденции химических изменений в земной коре. Большой круговорот вещества в земной коре.
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ. Вещество земной коры находится в непрерывном движении, вызванном разнообразными причинами, связанными с физ.-хим. свойствами вещества, планетными, геологическими, географическими и биол. условиями земли. Это движение неизменно и непрерывно происходит в течение геологического времени-не менее полутора и по-видимому не более трех млрд. лет. В последние годы выросла новая наука геологического цикла - геохимия, имеющая задачей изучение хим. элементов, строящих нашу планету. Основным предметом ее изучения являются движения хим. элементов вещества земли, какими бы причинами эти движения ни были вызваны. Эти движения элементов называются миграциями хим. элементов. Среди миграций есть такие, во время которых хим. элемент через больший или меньший промежуток времени неизбежно возвращается в начальное исходное состояние; история таких хим. элементов в земной коре может быть сведена т. о. к обратимому процессу и представлена в форме кругового процесса, круговорота. Этого рода миграции характерны не для всех элементов, но для значительного их числа, в том числе для огромного большинства хим. элементов, строящих растительные или животные организмы и окружающую нас среду-океаны и воды, горные породы и воздух. Для таких элементов в круговороте веществ находится вся или подавляющая масса их атомов, у других лишь ничтожная их часть охвачена круговоротами. Несомненно, что большая часть вещества земной коры до глубины в 20-25 км охвачена круговоротами. Для следующих хим. элементов круговые процессы являются характерными и господствующими среди их миграций (цифра указывает на порядковое число). Н, Ве4, В5, С«, N7, 08, Р9, Nan,Mg12,Aha, Sii4,Pi5, Sie, Cli7, K19, Ca2o, Ti22, V23, Cr24, Mn25, Fe2e, Co27, Ni28, Cu29, Zn30, Ge32, As33,Se34, Sr38,Mo42, Ag47,Cd48, Sn50, Sb51, Te62, Ba56) W74, Au79,Hg80,T]81,Pb82,Bi83. Эти элементы могут быть на этом основании отделены от других элементов как элементы циклические или органогенные. Т.о. круговороты характеризуют 42 элемента из 92 входящих в Менделеевскую систему элементов, причем в это число входят самые обычные господствующие земные элементы.
Остановимся на К. первого рода, заключающих биогенные миграции. Эти К. захватывают биосферу (т. е. атмосферу, гидросферу, кору выветривания). Под гидросферой они захватывают подходящую к океаническому дну базальтовую оболочку. Под сушей они в последовательности углубления обнимают толщу осадочных пород (стратосферу), метаморфическую и гранитную оболочки и входят в базальтовую оболочку. Из земных глубин, лежащих за базальтовой оболочкой, вещество земли не попадает в наблюдаемые К. Оно не попадает в них также сверху из-за пределов верхних частей стратосферы. Т. о. круговороты хим. элементов являются поверхностными явлениями, идущими в атмосфере до высот в 15-20 км (не выше), а в литосфере-не глубже 15-20 км. Всякий К., для того чтобы он мог постоянно возобновляться, требует притока внешней энергии. Известны два главных и несомнен. источника такой энергии: 1) космическая энергия-излучения солнца (от нее почти всецело зависит биогенная миграция) и 2) атомная энергия, связанная с радиоактивным распадом элементов "78 ряда урана, тория, калия, рубидия. С меньшей степенью точности можно выделить энергию механическую, связанную с движением (благодаря тяготению) земных масс, и вероятно космическую энергию, проникающую сверху (лучи Гесса).
Круговороты, захватывающие несколько земных оболочек, идут медленно, с остановками и могут быть замечены только в геологическом времени. Часто они охватывают несколько геолог, периодов. Они вызываются геолог, смещениями суши и океана. Части К. могут идти быстро (напр. биогенная миграция).
| " |
До сих пор, говоря об атомной теории, о том, как из нескольких сортов атомов, соединенных между собой в разном порядке, получаются совершенно непохожие друг на друга вещества, мы ни разу не задались «детским» вопросом - а откуда взялись сами атомы? Почему атомов одних элементов очень много, а других - очень мало, и рас-пространены они очень неравномерно. Например, всего один элемент (кислород) составляет половину земной коры. Три элемента (кислород, кремний и алюминий) в сумме составляют уже 85 %, а если к ним добавить железо, кальний, натрий, калий, магний и титан, то получим уже 99,5 % земной коры. На долю же нескольких десятков остальных элементов приходится всего 0,5 %. Самый редкий на Земле металл - рений, да и золота с платиной не так уж много, не зря они такие дорогие. А вот другой пример: атомов железа в земной коре примерно в тысячу раз больше, чем атомов меди, атомов меди в тысячу раз больше, чем атомов серебра, а серебра в сто раз больше, чем рения.
Совсем иначе распределены элементы на Солнце: там больше всего водорода (70 %) и гелия (28 %), а всех остальных элементов - только 2 %, Если взять всю видимую Вселенную, то водорода в ней еще больше. Почему так? В древности и в Средние века вопросами о происхож-дении атомов не задавались, ибо считали, что они существовали в неизменном виде и количестве всегда {а по библейской традиции - были созданы Богом в один день творения). И даже когда атомистическая теория победила и химия начала бурно развиваться, а Д. И. Менделеев создаг свою знаменитую систему элементов, вопрос о происхождении атомов продолжал считаться несерьезным. Конечно, изредка кто-либо из ученых набирался смелости и предлагал свою теорию. Как уже говорилось. в 1815 году Уильям Праут высказал предположение, что все элементы произошли из атомов самого легкого элемента - водорода. Как писал Праут, водород-это та самая «первоматерия» древнегреческих фи-лософов. которая путем «сгущения» дала все остальные элементы.
В XX веке усилиями астрономов и физиков-теоретиков была создана научная теория происхождения атомов, которая в общих чертах отвечала на вопрос о происхождении химических элементов. Весьма упрощенно эта теория выглядит так. Вначале вся материя была сосре-доточена в одной точке с невероятно большой плотностью (К)*" г/см") и температурой (1027 К). Эти числа настолько велики, что для них даже не существует названий. Примерно 10 миллиардов лет назад в результате так называемого Большого взрыва эта сверхплотная и сверхгорячая точка начала быстро расширяться. Физики достаточно хорошо представляют себе, как развивались события спустя 0,01 секунды после взрыва. Теория же того, что происходило до этого, разработана значи-тельно хуже, поскольку в существовавшем тогда сгустке материи плохо выполнялись известные ныне физические законы (и чем раньше -тем хуже). Более того, вопрос о том, что было до Большого взрыва, по существу лаже не рассматривался, поскольку тогда не было самого времени! Ведь если нет материального мира, т. е. никаких событий, то откуда взяться времени? Кто или что будет его отсчитывать? Итак, материя начала стремительно разлетаться и остывать. Чем ниже температура, тем больше возможностей для образования разнообразных структур (например, при комнатной температуре могут существовать миллионы различных органических соединений, при +500 °С - лишь немногие, а выше +1000 °С, вероятно, никакие органические вещества существовать не могут, - все они при высокой температуре расщепляются на составные части). По оценкам ученых, через 3 минуты после взрыва, когда температура снизилась до миллиарда градусов, начался процесс нуклеосинтеза (это слово происходит от латинского nucleus - «ядро» и греческого «синтесис» - «соединение, сочетание»), т. е. процесс соединения протонов и нейтронов в ядра различных элементов. Помимо протонов - ядер водорода, появились и ядра гелия; эти ядра еще не могли присоединить электроны и образовать агомы из-за слишком высокой температуры. Первичная Вселенная состояла из водорода (примерно 75 %) и гелия с примесью небольшого количества следующего по массе элемента - лития (в его ядре три протона). Этот состав не изменялся примерно 500 тысяч лет. Вселенная продолжала расширяться, остывать и становилась все более разреженной. Когда температура снизилась до +3000 "С. электроны получили возможность соединяться с ядрами, что привело к образованию устойчивых атомов водорода и гелия.
Казалось бы, что и дальше Вселенная, состоящая из водорода и гелия, должна была расширяться и остывать до бесконечности. Но тогда не было бы не только других элементов, но и галактик, звезд, а также нас с вами. Бесконечному расширению Вселенной противодействовали силы всемирного тяготения (гравитации). Гравитационное сжатие материи в"разных частях разреженной Вселенной сопровождалось повторным сильным разогревом - наступила стадия массового образования звезд, которая продолжалась около 100 миллионов лет. В тех состоящих из газа и пыли областях пространства, где температура достигала 10 миллионов градусов, начинался процесс термоядерного синтеза гелия путем слияния ядер водорода. Эти ядерные реакции сопровождались выделением огромного количества энергии, которая излучалась в окружающее пространство: так загоралась новая звезда. Пока в ней было достаточно водорода, сжатию звезды под действием сил тяготения противодействовало излучение, которое «давило изнутри». Наше Солнце также светит за счет «сжигания» водорода. Идет этот процесс очень медленно, так как сближению двух положительно заряженных протонов препятствует сила кулоиовского отталкивания. Так что нашему светилу суждепы еше долгие годы жизни.
Когда запас водородного горючего подходит к концу, постепенно прекращается и синтез гелия, а вместе с ним затухает мощное излучение. Силы гравитации вновь сжимают звезду, температура повышается и становится возможным слияние лруг с другом уже ядер гелия с образованием ядер углерода (6 протонов) и кислорода (8 протонов в ядре). Эти ядерные процессы также сопровождаются выделением энергии. Но и запасам гелия рано или поздно приходит конец. И тогда наступает третий этап сжатия звезды силами гравитации. А дальше все зависит от массы звезды на этом этапе. Если масса не очень велика (как у нашего Солнца), то эффект от повышения температуры при сжатии звезды будет недостаточен, чтобы углерод и кислород могли вступить в дальнейшие реакции ядерного синтеза; такая звезда становится так называемым белым карликом. Более тяжелые элементы «изготовлены» в звездах, которые астрономы называют красными гигантами - их масса в несколько раз больше массы Солнца. В этих звездах и идут реакции синтеза более тяжелых элементов из углерода и кислорода. Как образно выражаются астрономы, звезды - это ядерные костры, зола которых - тяжелые химические элементы.
33
2- 1822
Выделяющаяся на этом этапе жизни звезды энергия сильно «раздувает» внешние слои красного гиганта; если бы наше Солнце стало такой звездой. Земля оказалась бы внутри этого гигантского шара - перспектива для всего земного не самая приятная. Звездный ветер.
«дуюшии» с поверхности красных гигантов, выносит к космическое пространство синтезированные этими шсздами химические элементы, которые образуют туманности (многие из них видны в телескоп). Красные гиганты живут сравнительно недолго - в сотни раз меньше, чем Солнце. Если масса такой звезды превышает массу Солнца в 10 раз, тогда возникают условия (температура порядка миллиарда градусов) для синтеза элементов вплоть до железа. Ялро железа - наиболее стабильное из всех ядер. Это означает, что реакции синтеза элементов, которые легче железа, идут с выделением энергии, тогда как синтез более тяжелых элементов требует затрат энергии. С затратой энергии идут и реакции распада железа на более легкие элементы. Поэтому в звездах, достигших «железной» стадии развития, происходят драматические процессы: вместо выделения энергии идет ее поглощение, что сопровождается быстрым понижением температуры и сжатием до очень маленького объема; астрономы называют этот процесс гравитационным коллапсом (от латинского слова collapsus - «ослабевший, упавший»; недаром медики так называют внезапное падение кровяного давления, что очень опасно для человека). В ходе гравитационного коллапса образуется огромное число нейтронов, которые, благодаря отсутствию заряда, легко проникают в ядра всех имеющихся элементов. Пересыщенные нейтронами ядра претерпевают особое превращение (его называют бета-распадом), в ходе которого из нейтрона образуется протон; в результате из ядра данного элемента получается следующий элемент, в ядре которого уже одним протоном больше. Ученые научились воспроизводить такие процессы в земных условиях; хорошо известный пример - синтез изотопа плутония-239, когда при облучении нейтронами природного урана (92 протона, 146 нейтронов) его ядро захватывает один нейтрон и образуется искусственный элемент нептуний (93 протона, 146 нейтронов), а из него -тот самый смертоносный плутоний (94 протона, 145 нейтронов), который используется в атомных бомбах. В звездах же, которые претерпевают гравитационный коллапс, в результате захвата нейтронов и последующих бета-распадов образуются сотни различных ядер всех возможных изотопов химических элементов. Коллапс звезды заканчивается грандиозным взрывом, сопровождающимся выбросом огромной массы ве-щества в космическое пространство - образуется сверхновая звезда. Выброшенное вещество, содержащее все элементы из таблицы Менделеева (и в нашем теле содержатся те самые атомы!), разлетается по сторонам со скоростью до 10 ООО км/с. а небольшой остаток вещества погибшей звезды сжимается (коллаисирует) с образованием сверхплотной нейтронной звезды или даже черной дыры. Изредка такие звезды вспыхивают на нашем небосводе, и если вспышка произошла не слишком далеко, сверхновая звезда по яркости затмевает" все осталь- ные звезды. И не удивительно: яркость сверхновой звезды может превышать яркость целой галактики, состоящей из миллиарда звезд! Одна из таких «новых» звезд, в соответствии с китайскими хрониками, вспыхнула в 1054 году. Сейчас на этом месте находится известная Крабов ид ная туманность в созвездии Тельца, а в ее центре расположена бысгроврашающаяся (30 оборотов в секунду!) нейтронная звезда. К счастью (для нас, а не для синтеза новых элементов), такие звезды вспыхивали пока лишь в далеких галактиках...
В результате «горения» звезд н взрыва сверхновых звезд в космическом пространстве оказались вес известные химические элементы. Остатки сверхновых звезд в виде расширяющихся туманностей, «ра-зогретых» радиоактивными превращениями, сталкиваются друг с другом, конденсируются в плотные образования, из которых под действием гравитационных сил возникают звезды нового поколения. Эти звезды (в их числе и наше Солнце) уже с самого начала существования содержат в своем составе примесь тяжелых элементов; такие же элементы содержатся и в окружающих эти звезды газопылевых облаках, из которых Образуются планеты. Так что элементы, входящие в состав всех окружающих нас вещей, в том числе и нашего тела, родились в результате грандиозных космических процессов...
Почему же одних элементов образовалось много, а других - мало? Оказывается, в процессе нуклеосинтеза с наибольшей вероятностью образуются ядра, состоящие из небольшого четною числа щютонов и нейтронов. Тяжелые ядра, «переполненные» протонами и нейтронами, менее устойчивы и их во Вселенной меньше. Существует общее правило: чем больше заряд ядра, чем оно тяжелее, тем меньше таких ядер во Вселенной. Однако это правило выполняется не всегда. Например, в земной коре мало легких ядер лития (3 протона, 3 нейтрона), бора (5 протонов и 5 или Ь нейтронов). Предполагают, что эти ядра по ряду причин не могут образоваться в недрах звезд, а под действием космических лучей «откалываются» от более тяжелых ядер, накопившихся в межзвездном пространстве. Таким образом, соотношение различных элементов на Земле - отголосок бурных процессов в космосе, которые происходили миллиарды лет назад, на более поздних этапах развития Вселенной.
В настоящее время известно 88 природных элементов, среди которых три четверти — металлы. Много это или мало?
Однозначный ответ дать трудно, и мнений по этому поводу тоже может быть несколько.
Но из этого огорчительно малого количества атомов создано ВСЁ. Причина чудовищного разнообразия природы в том, что атомы можно по-разному располагать.
В отличие от штанов, которые можно надевать только на одно место». Распространены элементы на нашей планете весьма «несправедливо».
Только один из них, кислород, составляет половину земной коры. Если взять три самых распространённых элемента — кислород, кремний и алюминий, то в сумме они дадут уже 85 %, а если к ним добавить железо, кальций, натрий, калий магний и титан, то получим уже 99,5% земной коры.
На долю же десятков остальных элементов приходится всего 0,5%. Или другой пример: атомов железа в земной коре примерно в тысячу раз больше, чем атомов меди, атомов меди в тысячу раз больше, чем атомов серебра, а серебра в сто раз больше, чем самого редкого на Земле элемента — рения. Совсем иначе распределены элементы на Солнце: там больше всего водорода (70%) и гелия (28%), а всех прочих элементов — всего 2 %. Если же взять всю видимую Вселенную, то в ней водород преобладает в ещё большей степени.
Итак, к середине XIX века, когда начал работать замечательный русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев (1834- 1907), было известно уже более 60 химических элементов. Химики накопили очень много сведений и о химических элементах, и о множестве образуемых ими соединений, и о лабораторных методах, с помощью которых одни вещества можно превращать в другие.
Оказалось, что прав был живший 20 веков назад Лукреций: как из разных букв слагаются разные слова, так из разных элементов «составляются» разные вещества. И что интересно: число букв в алфавите и число важнейших элементов примерно одинаково: несколько десятков.
Но чтобы понять, сколько всего элементов в природе, необходимо было разобраться, как устроены сами атомы, чем конкретно они друг от друга отличаются.
И здесь нужны были усилия как химиков, так и физиков.
Ведь даже сейчас никто не возьмётся предсказать, какой по счёту элемент станет последним!
К началу XX века химики открыли уже 85 химических элементов, большинство из которых были металлами.
В быту мы встречаемся лишь с малой их частью.
Это железо в иголках и гвоздях, алюминий и медь в проводах, свинец в изоляции для кабеля, вольфрам и молибден в электрических лампочках накаливания (из вольфрама сделана её спираль, а из молибдена — впаянные в стекло крючочки, на которых спираль подвешена), водород или гелий в воздушных шариках, серебро, золото в украшениях, ртуть в термометре, олово на консервной банке, хром и никель на блестящих (хромированных или никелированных) металлических изделиях, сера в средствах для борьбы с вредителями растений, цинк и уголь в электрических батарейках — вот, пожалуй, и всё. В музее можно полюбоваться на красивые (и очень дорогие) юбилейные и памятные монеты из платины и палладия.
Правда, следует отметить, что многие из перечисленных простых веществ с точки зрения химика нельзя назвать чистыми, как правило, в них содержится немало примесей, например, «железный» гвоздь сделан не из чистого железа, а из низкоуглеродистой стали, содержащей небольшое количество углерода.
Нередко проводят аналогию между химическими элементами (из них построены все вещества) и буквами алфавита (из них состоят тексты).
Сколько букв в алфавите?
Смотря в каком. В латинском — 26 букв, в современном русском — 33 (в древнерусском их было больше), в венгерском — 38, в алфавите гавайского языка всего 12 букв, а в камбоджийском языке — 74! А сколько известно элементов?
Если не учитывать нестабильные (радиоактивные) элементы, то 81. Любопытно, что примерно столько же у физиков набирается своих «элементов» — элементарных частиц, из которых построен весь мир, в том числе и химические элементы. Важность для человека разных химических элементов далеко не одинакова.
Как в русском алфавите есть редко встречающиеся буквы, так и в мире элементов есть свои редкости.
Кстати, тело человека практически на 100% состоит всего из 12 элементов! Более подробные сведения о среднем содержании разных элементов в организме человека массой 70 кг содержатся в таблице.
Элементы расположены в порядке уменьшения их количества в организме, причём их выбрано столько же, сколько букв в русском алфавите — 33- Следует учесть, что в таблице приведены усреднённые данные. Ведь содержание многих элементов (особенно тех, которые содержатся в микроскопических количествах) очень сильно зависит от того, где человек живёт, чем питается, какую воду пьёт, кем работает.
Так, у человека, работающего на предприятии, где используется ртуть, этого элемента в организме может быть в десятки раз больше, чем у членов его семьи. Кроме того, микроэлементы зачастую распределены в организме очень неравномерно.
Например, некоторых элементов больше в костной ткани, других — в мышечной. Основная масса железа сосредоточена в гемоглобине крови, причём у мужчин его больше, чем у женщин.
Селена больше в сетчатке глаза, йода — в щитовидной железе, фтора — в зубной эмали.
Следует также иметь в виду, что роль многих микроэлементов, например никеля, для живого организма неизвестна, так что не исключено, что это просто примесь.
Кислород 45,5 кг Углерод 12,6 кг Водород 7 кг Азот 2,1 кг Кальций 1,4 кг Фосфор 700 г Калий 260 г Сера 175 г Натрий 100 г Хлор 100 г Магний 30 г Железо 4,2 г Фтор 2,6 г Цинк 2,2 г Кремний 1,4 г Рубидий 680 мг Стронций 320 мг Бром 260 мг Свинец 120 мг Медь 70 мг Алюминий 60 мг Кадмий 50 мг Бор 50 мг Барий 22 мг Мышьяк 18 мг Иод 16 мг Олово 14 мг Селен 14 мг Кобальт 14 мг Ртуть 13 мг Марганец 12 мг Хром 7 мг Никель 1 мг В книге «Элементы Вселенной» американского учёного Гленна Сиборга (он участвовал в открытии многих искусственных элементов, один из них даже назван его именем) есть забавная картинка. На фотографии запечатлен мужчина средних лет в белой рубашке и в галстуке, а на столе перед ним — куча баночек и несколько сосудов с газами.
Подпись же гласит: «Здесь изображён известный химик Бернард Харви в двух различных вариантах — один в нормальном своём состоянии, а другой — расщеплённый на составные элементы».
