Jusqu'à présent, en parlant de la théorie atomique, de la façon dont des substances complètement différentes les unes des autres sont obtenues à partir de plusieurs types d'atomes connectés les uns aux autres dans un ordre différent, nous n'avons jamais posé la question «enfantine» - d'où viennent les atomes eux-mêmes viens de? Pourquoi y a-t-il beaucoup d'atomes de certains éléments, et très peu d'autres, et ils sont très inégalement répartis. Par exemple, un seul élément (l'oxygène) constitue la moitié de la croûte terrestre. Trois éléments (oxygène, silicium et aluminium) représentent déjà au total 85%, et si nous leur ajoutons du fer, du potassium, du sodium, du potassium, du magnésium et du titane, nous obtiendrons 99,5% de la croûte terrestre. La part de plusieurs dizaines d'autres éléments ne représente que 0,5 %. Le métal le plus rare sur Terre est le rhénium, et il n'y a pas tant d'or avec du platine, ce n'est pas pour rien qu'ils sont si chers. Et voici un autre exemple : il y a environ mille fois plus d'atomes de fer dans la croûte terrestre que d'atomes de cuivre, mille fois plus d'atomes de cuivre que d'atomes d'argent et cent fois plus d'atomes d'argent que d'atomes de rhénium.
Les éléments sur le Soleil sont répartis de manière complètement différente : il y a le plus d'hydrogène (70 %) et d'hélium (28 %), et seulement 2 % de tous les autres éléments. Si nous prenons tout l'Univers visible, alors il y a même plus d'hydrogène dedans. Pourquoi donc? Dans l'Antiquité et au Moyen Âge, les questions sur l'origine des atomes ne se posaient pas, car ils croyaient qu'ils existaient toujours sous une forme et une quantité inchangées (et selon la tradition biblique, ils ont été créés par Dieu le même jour de création). Et même lorsque la théorie atomistique a gagné et que la chimie a commencé à se développer rapidement, et que D. I. Mendeleev a créé son célèbre système d'éléments, la question de l'origine des atomes a continué à être considérée comme frivole. Bien sûr, de temps en temps, l'un des scientifiques rassembla son courage et proposa sa théorie. Comme déjà mentionné. En 1815, William Prout a suggéré que tous les éléments provenaient des atomes de l'élément le plus léger, l'hydrogène. Comme Prout l'a écrit, l'hydrogène est la même "matière première" que les anciens philosophes grecs. qui en "condensant" a donné tous les autres éléments.
Au XXe siècle, grâce aux efforts des astronomes et des physiciens théoriciens, une théorie scientifique de l'origine des atomes a été créée, qui répondait en termes généraux à la question de l'origine des éléments chimiques. De manière très simplifiée, cette théorie ressemble à ceci. Au début, toute la matière était concentrée en un point avec une densité (K) * "g / cm") et une température (1027 K) incroyablement élevées. Ces nombres sont si grands qu'il n'y a pas de noms pour eux. Il y a environ 10 milliards d'années, à la suite du soi-disant Big Bang, ce point super dense et super chaud a commencé à se développer rapidement. Les physiciens ont une assez bonne idée de l'évolution des événements 0,01 seconde après l'explosion. La théorie de ce qui s'est passé auparavant a été développée bien pire, car dans le caillot de matière alors existant, les lois physiques maintenant connues ont été mal observées (et le plus tôt, le pire). De plus, la question de ce qui s'est passé avant le Big Bang n'a pratiquement même pas été envisagée, car alors il n'y avait pas de temps en soi ! Après tout, s'il n'y a pas de monde matériel, c'est-à-dire d'événements, d'où vient le temps ? Qui ou quoi le comptera ? Ainsi, la matière a commencé à se disperser rapidement et à se refroidir. Plus la température est basse, plus il y a de possibilités de formation de diverses structures (par exemple, à température ambiante, des millions de composés organiques différents peuvent exister, à +500 ° C - seulement quelques-uns, et au-dessus de +1000 ° C, probablement, non des substances organiques peuvent exister, - Toutes se décomposent en leurs composants à haute température. Selon les scientifiques, 3 minutes après l'explosion, lorsque la température a chuté à un milliard de degrés, le processus de nucléosynthèse a commencé (ce mot vient du noyau latin - "noyau" et du grec "synthèse" - "connexion, combinaison"), c'est-à-dire le processus de connexion des protons et des neutrons dans les noyaux de divers éléments. En plus des protons - noyaux d'hydrogène, des noyaux d'hélium sont également apparus; ces noyaux ne pouvaient pas encore ajouter d'électrons et former des agoms à cause d'une température trop élevée. L'univers primaire se composait d'hydrogène (environ 75 %) et d'hélium, avec une petite quantité de l'élément le plus grand suivant, le lithium (son noyau a trois protons). Cette composition n'a pas changé depuis environ 500 000 ans. L'univers a continué à s'étendre, à se refroidir et à se raréfier de plus en plus. Lorsque la température est tombée à +3000 "C. les électrons ont eu la possibilité de se combiner avec les noyaux, ce qui a conduit à la formation d'atomes d'hydrogène et d'hélium stables.
Il semblerait que l'Univers, composé d'hydrogène et d'hélium, devrait continuer à se dilater et à se refroidir à l'infini. Mais alors il n'y aurait pas seulement d'autres éléments, mais aussi des galaxies, des étoiles, et aussi nous. Les forces de la gravitation universelle (gravité) ont contrecarré l'expansion infinie de l'Univers. La contraction gravitationnelle de la matière dans différentes parties de l'Univers raréfié s'est accompagnée d'un fort réchauffement répété - le stade de la formation massive d'étoiles a commencé, qui a duré environ 100 millions d'années.Dans ces régions de l'espace constituées de gaz et de poussière, où la température a atteint 10 millions de degrés, le processus de fusion thermonucléaire de l'hélium a commencé par la fusion des noyaux d'hydrogène. Ces réactions nucléaires s'accompagnaient de la libération d'une énorme quantité d'énergie qui rayonnait dans l'espace environnant : c'est ainsi qu'une nouvelle étoile s'est illuminée. tant qu'il y avait suffisamment d'hydrogène dedans, le rayonnement "pressé de l'intérieur" contrecarrait la compression de l'étoile sous l'influence de la gravité. Notre Soleil brille également en raison de la "combustion" de l'hydrogène. Ce processus est très lent, car le rapprochement de deux protons chargés positivement est empêché par la force de répulsion de Coulomb.Ainsi, notre luminaire est destiné à encore de nombreuses années de vie.
Lorsque l'approvisionnement en hydrogène carburant arrive à son terme, la synthèse d'hélium s'arrête progressivement et, avec elle, le puissant rayonnement s'estompe. Les forces de gravité compriment à nouveau l'étoile, la température s'élève et il devient possible pour les noyaux d'hélium de fusionner entre eux pour former des noyaux de carbone (6 protons) et d'oxygène (8 protons dans le noyau). Ces processus nucléaires s'accompagnent également d'un dégagement d'énergie. Mais tôt ou tard, les stocks d'hélium s'épuiseront. Et vient ensuite la troisième étape de compression de l'étoile par les forces de gravité. Et puis tout dépend de la masse de l'étoile à ce stade. Si la masse n'est pas très grande (comme notre Soleil), alors l'effet de l'augmentation de température lors de la compression de l'étoile ne sera pas suffisant pour que le carbone et l'oxygène entrent dans d'autres réactions de fusion nucléaire ; une telle étoile devient une soi-disant naine blanche. Les éléments plus lourds sont "fabriqués" dans les étoiles que les astronomes appellent des géantes rouges - leur masse est plusieurs fois celle du Soleil. Dans ces étoiles, les réactions de synthèse d'éléments plus lourds à partir du carbone et de l'oxygène ont lieu. Comme les astronomes s'expriment au sens figuré, les étoiles sont des feux nucléaires, dont les cendres sont des éléments chimiques lourds.
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2- 1822
L'énergie libérée à ce stade de la vie d'une étoile « gonfle » fortement les couches externes de la géante rouge ; si notre Soleil était une telle étoile. La terre serait à l'intérieur de cette boule géante - la perspective de tout sur la terre n'est pas des plus agréables. Vent stellaire.
"respirant" de la surface des géantes rouges, apporte dans l'espace extra-atmosphérique les éléments chimiques synthétisés par ces étoiles, qui forment des nébuleuses (beaucoup d'entre elles sont visibles à travers un télescope). Les géantes rouges vivent des vies relativement courtes - des centaines de fois moins que le Soleil. Si la masse d'une telle étoile dépasse de 10 fois la masse du Soleil, alors des conditions se présentent (température de l'ordre d'un milliard de degrés) pour la synthèse d'éléments jusqu'au fer. Le fer Yalro est le plus stable de tous les noyaux. Cela signifie que les réactions de synthèse d'éléments plus légers que le fer procèdent à la libération d'énergie, tandis que la synthèse d'éléments plus lourds nécessite de l'énergie. Avec la dépense d'énergie, des réactions de décomposition du fer en éléments plus légers se produisent également. Par conséquent, dans les étoiles qui ont atteint le stade de développement "fer", des processus dramatiques se produisent : au lieu de libérer de l'énergie, elle est absorbée, ce qui s'accompagne d'une diminution rapide de la température et de la compression à un très petit volume ; les astronomes appellent ce processus effondrement gravitationnel (du mot latin collapsus - "affaibli, tombé"; ce n'est pas pour rien que les médecins appellent une chute soudaine de la pression artérielle, ce qui est très dangereux pour l'homme). Lors de l'effondrement gravitationnel, un grand nombre de neutrons se forment qui, en raison de l'absence de charge, pénètrent facilement dans les noyaux de tous les éléments disponibles. Les noyaux sursaturés en neutrons subissent une transformation spéciale (appelée désintégration bêta), au cours de laquelle un proton se forme à partir d'un neutron ; en conséquence, l'élément suivant est obtenu à partir du noyau de cet élément, dans le noyau duquel il y a déjà un proton de plus. Les scientifiques ont appris à reproduire de tels processus dans des conditions terrestres ; un exemple bien connu est la synthèse de l'isotope plutonium-239, lorsque, lorsque l'uranium naturel (92 protons, 146 neutrons) est irradié par des neutrons, son noyau capture un neutron et un élément artificiel neptunium (93 protons, 146 neutrons) est formé, et à partir de lui le même plutonium mortel ( 94 protons, 145 neutrons), qui est utilisé dans les bombes atomiques. Dans les étoiles qui subissent un effondrement gravitationnel, à la suite de la capture de neutrons et des désintégrations bêta ultérieures, des centaines de noyaux différents de tous les isotopes possibles des éléments chimiques se forment. L'effondrement d'une étoile se termine par une explosion grandiose, accompagnée de l'éjection d'une énorme masse de matière dans l'espace - une supernova se forme. La substance éjectée, contenant tous les éléments du tableau périodique (et notre corps contient ces mêmes atomes !), se disperse à une vitesse pouvant atteindre 10 000 km/s. et un petit reste de la matière de l'étoile morte est comprimé (collaises) avec la formation d'une étoile à neutrons superdense ou même d'un trou noir. De temps en temps, de telles étoiles éclatent dans notre ciel, et si l'éruption n'est pas trop éloignée, la supernova éclipse toutes les autres étoiles en luminosité. Et pas étonnant : la luminosité d'une supernova peut dépasser la luminosité d'une galaxie entière composée d'un milliard L'une de ces "nouvelles" étoiles, selon les chroniques chinoises, s'est embrasée en 1054. Or à cet endroit se trouve la fameuse nébuleuse du Crabe dans la constellation du Taureau, et en son centre se trouve une rotation rapide (30 tours par seconde ! ) Étoile à neutrons. Heureusement (pour nous, et non pour la synthèse de nouveaux éléments), de telles étoiles n'ont éclaté jusqu'à présent que dans des galaxies lointaines...
À la suite de la "combustion" des étoiles et de l'explosion des supernovae, tous les éléments chimiques connus se sont avérés se trouver dans l'espace. Les restes de supernovae sous forme de nébuleuses en expansion, «réchauffées» par des transformations radioactives, se heurtent, se condensent en formations denses, d'où émergent des étoiles de nouvelle génération sous l'influence des forces gravitationnelles. Ces étoiles (dont notre Soleil) contiennent dès le début de leur existence un mélange d'éléments lourds dans leur composition ; les mêmes éléments sont contenus dans les nuages de gaz et de poussière entourant ces étoiles, à partir desquels les planètes sont formées. Ainsi, les éléments qui composent toutes les choses qui nous entourent, y compris notre corps, sont nés à la suite de processus cosmiques grandioses ...
Pourquoi certains éléments se forment-ils beaucoup et d'autres - un peu? Il s'avère que dans le processus de nucléosynthèse, des noyaux constitués d'un petit nombre pair de schutons et de neutrons sont les plus susceptibles de se former. Les noyaux lourds, "débordants" de protons et de neutrons, sont moins stables et il y en a moins dans l'Univers. Il existe une règle générale : plus la charge du noyau est élevée, plus il est lourd, moins il y a de tels noyaux dans l'Univers. Cependant, cette règle n'est pas toujours respectée. Par exemple, il y a peu de noyaux légers de lithium (3 protons, 3 neutrons) et de bore (5 protons et 5 ou 6 neutrons) dans la croûte terrestre. On suppose que pour un certain nombre de raisons, ces noyaux ne peuvent pas se former à l'intérieur des étoiles, mais sous l'action des rayons cosmiques, ils se «détachent» des noyaux plus lourds accumulés dans l'espace interstellaire. Ainsi, le rapport des divers éléments sur Terre est un écho des processus turbulents dans l'espace qui ont eu lieu il y a des milliards d'années, aux derniers stades du développement de l'Univers.
Composition élémentaire de la matière vivante et OM des fossiles combustibles
Les fossiles combustibles contiennent dans leur composition les mêmes éléments que la substance des organismes vivants, donc les éléments - carbone, hydrogène, oxygène, azote, soufre et phosphore appelé ou biogénique, ou biophile, ou organogène.
L'hydrogène, le carbone, l'oxygène et l'azote représentent plus de 99%à la fois la masse et le nombre d'atomes qui composent tous les organismes vivants. En plus d'eux, en quantités importantes dans les organismes vivants, un autre œil peut être concentré.
lo 20-22 éléments chimiques. 12 éléments représentent 99,29%, le reste 0,71%
Abondance spatiale : H, He, C, N.
Jusqu'à 50 % - C, jusqu'à 20 % - O, jusqu'à 8 % - H, 10-15 % - N, 2-6 % - P, 1 % - S, 1 % - K, ½ % - Mg et Ca, 0,2% - Fe, à l'état de traces - Na, Mn, Cu, Zn.
La structure de l'atome, les isotopes, la distribution de l'hydrogène, de l'oxygène, du soufre et de l'azote dans la croûte terrestre
HYDROGÈNE - l'élément principal du cosmos, l'élément le plus commun de l'univers . Chem e-t 1 groupe, numéro atomique 1, masse atomique 1,0079. Dans les éditions modernes du tableau périodique, H est également placé dans le groupe VII au-dessus de F, car certaines propriétés de H sont similaires aux propriétés des halogènes. On connaît trois isotopes H. Deux stables sont le protium 1 H - P (99,985%), le deutérium 2 H - D (0,015%) et un radioactif est le tritium 3 H - T, T 1/2 \u003d 12,262 ans. Un autre est obtenu artificiellement - le quatrième isotope extrêmement instable - 4 H. Dans la séparation de P et D dans des conditions naturelles, l'évaporation joue le rôle principal, cependant, la masse des océans du monde est si grande que la teneur en deutérium qu'il contient change légèrement. Dans les pays tropicaux, la teneur en deutérium des précipitations est plus élevée que dans la zone polaire. A l'état libre, H est un gaz incolore, inodore et insipide, le plus léger de tous les gaz, 14,4 fois plus léger que l'air. H devient liquide à -252,6°C, solide à -259,1°C. H est un excellent réducteur. Il brûle en O avec une flamme non lumineuse, formant de l'eau. Dans la croûte terrestre, H est beaucoup plus petit que dans les étoiles et sur le Soleil. Son poids clarke dans la croûte terrestre est de 1%. Dans les composés chimiques naturels, H se forme ionique, covalent et liaisons hydrogène . Les liaisons hydrogène jouent un rôle important dans les biopolymères (glucides, alcools, protéines, acides nucléiques), déterminent les propriétés et la structure des géopolymères de kérogène et des molécules GI. Sous certaines conditions, l'atome H est capable de se combiner simultanément avec deux autres atomes. En règle générale, il forme une liaison covalente forte avec l'un d'eux et une liaison faible avec l'autre, appelée liaison hydrogène.
OXYGÈNE - L'élément le plus courant de la croûte terrestre, il représente 49,13 % en poids. O a le numéro de série 8, est dans la période 2, groupe VI, masse atomique 15,9994. Trois isotopes stables d'O sont connus - 16 O (99,759%), 17 O (0,0371%), 18 O (0,2039%). Il n'y a pas d'isotopes radioactifs à longue durée de vie d'O. Isotope radioactif artificiel 15 O (T 1/2 = 122 secondes). Le rapport isotopique 18 O/16 O est utilisé pour les reconstructions géologiques, qui dans les objets naturels varie de 10 % de 1/475 à 1/525. Les glaces polaires ont le coefficient isotopique le plus bas, le plus élevé - CO 2 de l'atmosphère. Lors de la comparaison de la composition isotopique, la valeur est utilisée j 18 O, qui est calculé par la formule : d 18 O‰= . Par la norme le rapport moyen de ces isotopes dans l'eau de mer est pris. Les variations de la composition isotopique de O dans gp, eau sont déterminées par la température à laquelle se déroule le processus de formation de minéraux spécifiques. Plus T est faible, plus le fractionnement isotopique sera intensif. On pense que la composition en isotopes O de l'océan n'a pas changé au cours des 500 derniers millions d'années. Le principal facteur déterminant le déplacement isotopique (variations de la composition isotopique dans la nature) est l'effet cinétique déterminé par la température de réaction. O dans des conditions normales, le gaz est invisible, insipide, inodore. Dans les réactions avec l'écrasante majorité des atomes, O agit comme agent d'oxydation. Ce n'est que dans la réaction avec F que l'agent oxydant F. O existe dans modifications biallotropes . D'abord - oxygène moléculaire - O 2 La deuxième modification est ozone-O3, arr sous l'action des décharges électriques dans l'air et l'O pur, dans les processus radioactifs, par l'action des rayons ultraviolets sur l'O ordinaire. Dans la nature Environ 3 formé constamment sous l'influence des rayons UV dans la haute atmosphère. À une altitude d'environ 30 à 50 km, il existe un "écran d'ozone" qui retient l'essentiel des rayons UV, protégeant les organismes de la biosphère des effets nocifs de ces rayons. A faible concentration, Environ 3 odeur agréable et rafraîchissante, mais si dans l'air plus de 1% O 3 c'est très toxique .
AZOTE - concentrée dans la biosphère : elle prédomine dans l'atmosphère (75,31 % en poids, 78,7 % en volume), et dans la croûte terrestre elle poids clark - 0,045%.Élément chimique du groupe V, 2 périodes de numéro atomique 7, masse atomique 14,0067. Trois isotopes N sont connus - deux stables 14 N (99,635 %) et 15 N (0,365%) et radioactif 13 N, T 1/2 = 10,08 min. Dispersion générale des valeurs de ratio 15N/ 14N petit . Les huiles sont enrichies en isotope 15 N, tandis que les gaz naturels qui les accompagnent en sont appauvris. Le schiste bitumineux est également enrichi en isotope lourd N 2 gaz incolore, insipide et inodore. N contrairement à O ne supporte pas la respiration, le mélange N avec O est le plus acceptable pour le souffle de la plupart des habitants de notre planète. N est chimiquement inactif. Il fait partie de l'IG de tous les organismes. La faible activité chimique de l'azote est déterminée par la structure de sa molécule. Comme la plupart des gaz, à l'exception des gaz inertes, la molécule N est constitué de deux atomes. Dans la formation d'une liaison entre eux, 3 électrons de valence de l'enveloppe externe de chaque atome participent, formant triple liaison chimique covalente , qui donne le plus stable de toutes les molécules diatomiques connues. valence "formelle" de -3 à +5, valence "vraie" 3. Formant de fortes liaisons covalentes avec O, H et C, il fait partie des ions complexes : -, -, +, qui donnent des sels facilement solubles.
SOUFRE - e-t ZK, dans le manteau (roches ultrabasiques) elle est 5 fois moindre que dans la lithosphère. Clark dans ZK - 0,1%. Groupe d'éléments chimiques VI, 3 périodes, numéro atomique 16, masse atomique 32,06. El-t hautement électronégatif, présente des propriétés non métalliques. Dans les composés d'hydrogène et d'oxygène, il entre dans la composition de divers ions. Arr acide et sel. De nombreux sels contenant du soufre sont peu solubles dans l'eau. S peut avoir des valences : (-2), (0), (+4), (+6), dont la première et la dernière sont les plus caractéristiques. Les liaisons ioniques et covalentes sont caractéristiques. La principale valeur des processus naturels est l'ion complexe - 2 S - élément non métallique chimiquement actif. Seulement avec Au et Pt S n'interagit pas. Parmi les composés inorganiques, en plus des sulfates, des sulfures et du H2SO4, les oxydes de SO 2 - un gaz qui pollue fortement l'atmosphère, et le SO 3 (solide), ainsi que le sulfure d'hydrogène, sont courants sur Terre. L'élémentaire S se caractérise par trois variétés allotropiques : S rhombique (le plus stable), S monoclinique (molécule cyclique - cycle à huit chaînons S 8) et S plastique 6 sont des chaînes linéaires de six atomes. 4 isotopes stables du S sont connus dans la nature : 32S (95,02%), 34S (4,21%), 33S (0,75%), 36S (0,02%). Isotope radioactif artificiel 35 S c T 1/2 = 8,72 jours. S est accepté en standard. troïlite(FeS) de la météorite Canyon Diablo (32 S/ 34 S= 22,22) Les réactions d'oxydation et de réduction peuvent provoquer un échange isotopique, qui se traduit par un déplacement isotopique. Dans la nature, il est bactérien, mais thermique est également possible. Dans la nature, à ce jour, il y a eu une division claire du S de la croûte terrestre en 2 groupes - biogénique sulfures et des gaz enrichis en isotope léger 32 S, et sulfates, inclus dans les sels des eaux océaniques des évaporites anciennes, gypse contenant du 34 S. Les gaz associés aux gisements pétroliers varient en composition isotopique et diffèrent nettement des huiles.
Réponses aux questions,
soumis à l'examen dans la discipline "Procédés physiques et chimiques dans l'environnement" pour les étudiants de troisième année de la spécialité "Management et audit de l'environnement dans l'industrie"
L'abondance d'atomes dans l'environnement. Éléments de Clarke.
élément clair - une estimation numérique de la teneur moyenne d'un élément dans la croûte terrestre, l'hydrosphère, l'atmosphère, la Terre dans son ensemble, divers types de roches, objets spatiaux, etc. Le clarke d'un élément peut être exprimé en unités de masse (% , g / t), ou en pourcentage atomique. Introduit par Fersman, du nom de Frank Unglisort, un géochimiste américain.
La distribution quantitative des éléments chimiques dans la croûte terrestre a été établie pour la première fois par Clark. Il a également inclus l'hydrosphère et l'atmosphère dans la croûte terrestre. Cependant, la masse de l'hydrosphère est de quelques% et l'atmosphère - des centièmes de% de la masse de la croûte terrestre solide, de sorte que les nombres de Clark reflètent principalement la composition de la croûte terrestre solide. Ainsi, en 1889, les clarks ont été calculés pour 10 éléments, en 1924 - pour 50 éléments.
La radiométrie moderne, l'activation neutronique, l'absorption atomique et d'autres méthodes d'analyse permettent de déterminer la teneur en éléments chimiques des roches et des minéraux avec une grande précision et sensibilité. Les idées sur Clarks ont changé. N-r : Ge en 1898, Fox considérait le clark égal à n * 10 -10 %. Ge a été mal étudié et n'avait aucune valeur pratique. En 1924, le Clark a été calculé pour lui comme n * 10 -9% (Clark et G. Washington). Plus tard, Ge a été trouvé dans les charbons et son clarke est passé à 0,n%. Ge est utilisé dans l'ingénierie radio, la recherche de matières premières de germanium, une étude détaillée de la géochimie de Ge a montré que Ge n'est pas si rare dans la croûte terrestre, son clarke dans la lithosphère est de 1,4 * 10 -4%, presque le même comme celui de Sn, As, il est beaucoup plus dans la croûte terrestre que Au, Pt, Ag.
L'abondance d'atomes dans
Vernadsky a introduit le concept de l'état dispersé des éléments chimiques, et il a été confirmé. Tous les éléments sont partout, on ne peut parler que du manque de sensibilité de l'analyse, qui ne permet pas de déterminer le contenu de tel ou tel élément du milieu étudié. Cette disposition sur la dispersion générale des éléments chimiques s'appelle la loi de Clark-Vernadsky.
Sur la base des clarks des éléments de la croûte terrestre solide (à propos de Vinogradova), près de la moitié de la croûte terrestre solide est constituée d'O, c'est-à-dire que la croûte terrestre est une "sphère d'oxygène", une substance oxygénée.
Les clarks de la plupart des éléments ne dépassent pas 0,01-0,0001% - ce sont des éléments rares. Si ces éléments ont une faible capacité à se concentrer, ils sont dits fortement diffusés (Br, In, Ra, I, Hf).
NR : Pour U et Br, les valeurs de clarke sont ≈ 2,5*10 -4 , 2,1* 10-4 respectivement, mais U est juste un élément rare car ses gisements sont connus, et Br est un rare dispersé, car. il n'est pas concentré dans la croûte terrestre. Oligoéléments - éléments contenus dans ce système en petites quantités (≈ 0,01% ou moins). Ainsi, Al est un oligo-élément dans les organismes et un macro-élément dans les roches silicatées.
Classification des éléments selon Vernadsky.
Dans la croûte terrestre, les éléments liés au système périodique se comportent différemment - ils migrent dans la croûte terrestre de différentes manières. Vernadsky a pris en compte les moments les plus importants de l'histoire des éléments de la croûte terrestre. L'importance principale a été accordée à des phénomènes et processus tels que la radioactivité, la réversibilité et l'irréversibilité de la migration. Capacité à fournir des minéraux. Vernadsky a identifié 6 groupes d'éléments :
gaz rares (He, Ne, Ar, Kr, Xe) - 5 éléments;
métaux nobles (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) - 7 éléments;
éléments cycliques (participant à des cycles complexes) - 44 éléments ;
éléments dispersés - 11 éléments;
éléments hautement radioactifs (Po, Ra, Rn, Ac, Th, Pa, U) - 7 éléments ;
éléments de terres rares - 15 éléments.
Les éléments du 3e groupe en masse prédominent dans la croûte terrestre; ils sont principalement constitués de roches, d'eau et d'organismes.
Les représentations de l'expérience quotidienne ne correspondent pas aux données réelles. Ainsi, Zn, Cu sont répandus dans la vie quotidienne et la technologie, et Zr (zirconium) et Ti sont des éléments rares pour nous. Bien que Zr dans la croûte terrestre soit 4 fois plus que Cu et Ti - 95 fois. La "rareté" de ces éléments s'explique par la difficulté de les extraire des minerais.
Les éléments chimiques interagissent les uns avec les autres non pas proportionnellement à leurs masses, mais en fonction du nombre d'atomes. Par conséquent, les clarks peuvent être calculés non seulement en % de masse, mais également en % du nombre d'atomes, c'est-à-dire en tenant compte des masses atomiques (Chirvinsky, Fersman). Dans le même temps, les clarks des éléments lourds diminuent, tandis que ceux des éléments légers augmentent.
Par example:Le calcul du nombre d'atomes donne une image plus contrastée de l'abondance des éléments chimiques - une prédominance encore plus grande de l'oxygène et la rareté des éléments lourds.
Lorsque la composition moyenne de la croûte terrestre a été établie, la question s'est posée de la raison de la répartition inégale des éléments. Ces flocs sont associés aux caractéristiques structurelles des atomes.
Considérez la relation entre la valeur de clarks et les propriétés chimiques des éléments.
Ainsi, les métaux alcalins Li, Na, K, Rb, Cs, Fr sont chimiquement proches les uns des autres - un électron de valence, mais les valeurs de Clarke diffèrent - Na et K - ≈ 2,5; Rb-1,5*10-2; Li - 3,2 * 10 -3 ; Cs - 3,7 * 10 -4 ; Fr - un élément artificiel. Les valeurs de Clarke pour F et Cl, Br et I, Si (29,5) et Ge (1,4*10 -4), Ba (6,5*10 -2) et Ra (2*10 -10) diffèrent fortement .
D'autre part, des éléments chimiquement différents ont des clarks proches - Mn (0,1) et P (0,093), Rb (1,5 * 10 -2) et Cl (1,7 * 10 -2).
Fersman a tracé la dépendance des valeurs des clarks atomiques pour les éléments pairs et impairs du tableau périodique sur le nombre ordinal de l'élément. Il s'est avéré qu'avec la complication de la structure du noyau atomique (plus lourd), les clarks des éléments diminuent. Cependant, ces dépendances (courbes) se sont avérées rompues.
Fersman a tracé une ligne médiane hypothétique, qui a progressivement diminué à mesure que le numéro atomique de l'élément augmentait. Les éléments situés au-dessus de la ligne médiane, formant des pics, le scientifique a appelé excès (O, Si, Fe, etc.), et ceux situés en dessous de la ligne - déficients (gaz inertes, etc.). Il résulte de la dépendance obtenue que les atomes légers prédominent dans la croûte terrestre, occupant les cellules initiales du système périodique, dont les noyaux contiennent une petite quantité de protons et de neutrons. En effet, après Fe (n° 26) il n'y a plus un seul élément commun.
Plus loin Oddo (scientifique italien) et Harkins (scientifique américain) en 1925-28. une autre caractéristique de l'abondance des éléments a été établie. La croûte terrestre est dominée par des éléments avec des nombres pairs et des masses atomiques. Parmi les éléments voisins, les clarkes des éléments pairs sont presque toujours supérieurs à ceux des éléments impairs. Pour les 9 éléments les plus courants (8 O, 14 Si, 13 Al, 26 Fe, 20 Ca, 11 Na, 19 K, 12 Mg, 22 Ti), les clarks de masse des pairs s'additionnent à 86,43%, et impair - 13,05 % Les clarks des éléments dont la masse atomique est divisible par 4 sont particulièrement grands, ce sont O, Mg, Si, Ca.
Selon les recherches de Fersman, les noyaux de type 4q (q est un nombre entier) représentent 86,3 % de la croûte terrestre. Moins fréquents sont les noyaux 4q+3 (12,7 %) et très peu de noyaux 4q+1 et 4q+2 (1 %).
Parmi les éléments pairs, à commencer par He, chaque sixième a les plus grands clarks : O (n° 8), Si (n° 14), Ca (n° 20), Fe (n° 26). Pour les éléments impairs - une règle similaire (commençant par H) - N (n ° 7), Al (n ° 13), K (n ° 19), Mg (n ° 25).
Ainsi, dans la croûte terrestre, les noyaux avec un nombre petit et pair de protons et de neutrons prédominent.
Clarks ont changé au fil du temps. Ainsi, à la suite de la désintégration radioactive, il y avait moins d'U et de Th, mais plus de Pb. Des processus tels que la dissipation des gaz, les retombées de météorites ont également joué un rôle dans la modification des valeurs des clarks des éléments.
Les principales tendances des changements chimiques dans la croûte terrestre. Grande circulation de matière dans la croûte terrestre.
CIRCULATION DES SUBSTANCES. La substance de la croûte terrestre est en mouvement continu, causé par une variété de raisons associées à la physique. propriétés de la matière, planétaires, géologiques, géographiques et biol. conditions terrestres. Ce mouvement se produit invariablement et continuellement au cours des temps géologiques, pas moins d'un an et demi et apparemment pas plus de trois milliards d'années. Ces dernières années, une nouvelle science du cycle géologique s'est développée - la géochimie, qui a pour tâche d'étudier la chimie. éléments qui construisent notre planète. Le sujet principal de son étude sont les mouvements de produits chimiques. éléments de la substance terrestre, quelles que soient les causes de ces mouvements. Ces mouvements d'éléments sont appelés migrations chimiques. éléments. Parmi les migrations il y a celles au cours desquelles le chem. l'élément après un laps de temps plus ou moins long revient inévitablement à son état initial ; l'histoire d'une telle chimie. les éléments de la croûte terrestre peuvent être ainsi réduits. à un processus réversible et se présente sous la forme d'un processus circulaire, la circulation. Ce type de migration n'est pas typique pour tous les éléments, mais pour un nombre important d'entre eux, y compris la grande majorité des éléments chimiques. éléments qui construisent les organismes végétaux ou animaux et l'environnement qui nous entoure - les océans et les eaux, les roches et l'air. Pour de tels éléments, la totalité ou l'écrasante majorité de leurs atomes sont dans la circulation des substances, pour d'autres seule une partie insignifiante d'entre eux est couverte par des cycles. Sans aucun doute, la majeure partie de la matière de la croûte terrestre jusqu'à une profondeur de 20 à 25 km est recouverte de gyres. Pour la chimie suivante. les éléments des processus circulaires sont caractéristiques et dominants parmi leurs migrations (le chiffre indique le nombre ordinal). H, Be4, B5, C', N7, 08, P9, 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. Ces éléments peuvent être séparés des autres éléments sur cette base en tant qu'éléments cycliques ou organogéniques. Cette. les cycles caractérisent 42 éléments sur les 92 inclus dans le système d'éléments de Mendeleïev, et ce nombre comprend les éléments terrestres dominants les plus courants.
Arrêtons-nous sur les K. de la première espèce, qui comprennent les migrations biogéniques. Ces climats capturent la biosphère (c'est-à-dire l'atmosphère, l'hydrosphère et la croûte d'altération). Sous l'hydrosphère, ils capturent une coquille de basalte s'approchant du fond de l'océan. Sous terre, dans une séquence de dépressions, ils embrassent l'épaisseur des roches sédimentaires (stratosphère), des coquilles métamorphiques et granitiques et pénètrent dans la coquille basaltique. Depuis les profondeurs terrestres situées derrière la coquille de basalte, la matière terrestre ne tombe pas dans le K observé. Elle n'y tombe pas non plus d'en haut en raison des limites des parties supérieures de la stratosphère. Cette. cycles chimiques. les éléments sont des phénomènes de surface qui se produisent dans l'atmosphère jusqu'à des hauteurs de 15 à 20 km (pas plus) et dans la lithosphère, pas plus profondément que 15 à 20 km. Tout K., pour se renouveler constamment, nécessite un apport d'énergie externe. Il y en a deux principaux et sans aucun doute. source d'une telle énergie: 1) énergie cosmique - rayonnement du soleil (la migration biogénique en dépend presque entièrement) et 2) énergie atomique associée à la désintégration radioactive des éléments "78 de la série uranium, thorium, potassium, rubidium. Avec un degré de précision moindre, on peut isoler l'énergie mécanique, associée au mouvement (dû à la gravité) des masses terrestres, et probablement l'énergie cosmique pénétrant par le haut (rayons de Hess).
Les cycles, qui capturent plusieurs coquilles terrestres, vont lentement, avec des arrêts et ne peuvent être vus qu'en temps géologique. Souvent, ils couvrent plusieurs périodes géologiques. Elles sont causées par les géologues, les déplacements terrestres et océaniques. Certaines parties de K. peuvent aller rapidement (ex. migration biogénique).
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Pour la géochimie, il est important de connaître le principe de la répartition des éléments chimiques dans la croûte terrestre. Pourquoi certains d'entre eux se trouvent souvent dans la nature, d'autres sont beaucoup plus rares, et d'autres encore sont des "raretés de musée" ?
Un outil puissant pour expliquer de nombreux phénomènes géochimiques est la loi périodique de D.I. Mendeleev. En particulier, il peut être utilisé pour étudier la distribution des éléments chimiques dans la croûte terrestre.
Pour la première fois, la relation entre les propriétés géochimiques des éléments et leur position dans le tableau périodique des éléments chimiques a été montrée par D.I. Mendeleïev, V.I. Vernadsky et A.E. Ferman.
Règles (lois) de la géochimie
La règle de Mendeleïev
En 1869, alors qu'il travaillait sur la loi périodique, D.I. Mendeleïev a formulé la règle : Les éléments à faible poids atomique sont généralement plus courants que les éléments à poids atomique élevé.» (Voir Annexe 1, Tableau Périodique des Eléments Chimiques). Plus tard, avec la divulgation de la structure de l'atome, il a été montré que pour les éléments chimiques de petite masse atomique, le nombre de protons est approximativement égal au nombre de neutrons dans les noyaux de leurs atomes, c'est-à-dire le rapport de ces deux quantités est égale ou proche de l'unité : pour l'oxygène = 1,0 ; pour l'aluminium
Pour les éléments moins courants, les neutrons prédominent dans le noyau des atomes et le rapport de leur nombre au nombre de protons est nettement supérieur à un : pour le radium ; pour l'uranium = 1,59.
Le développement ultérieur de la "règle de Mendeleev" a été trouvé dans les travaux du physicien danois Niels Bohr et du chimiste russe, académicien de l'Académie des sciences de l'URSS Viktor Ivanovich Spitsyn.
 | Viktor Ivanovitch Spitsyne (1902-1988) |
Règle Oddo
En 1914, le chimiste italien Giuseppe Oddo a formulé une autre règle : Les poids atomiques des éléments les plus courants sont exprimés en multiples de quatre, ou s'écartent peu de ces nombres.". Plus tard, cette règle a été interprétée à la lumière de nouvelles données sur la structure des atomes: une structure nucléaire composée de deux protons et de deux neutrons a une force particulière.
La règle de Harkins
En 1917, le physicien américain William Draper Harkins (Harkins) a attiré l'attention sur le fait que les éléments chimiques avec des nombres atomiques (ordinaux) pairs sont distribués dans la nature plusieurs fois plus que leurs éléments voisins avec des nombres impairs. Les calculs ont confirmé l'observation: sur les 28 premiers éléments du système périodique, 14 pairs représentent jusqu'à 86% et les impairs - seulement 13,6% de la masse de la croûte terrestre.
Dans ce cas, l'explication peut être le fait que les éléments chimiques avec des numéros atomiques impairs contiennent des particules qui ne sont pas liées aux hélions, et sont donc moins stables.
Il existe de nombreuses exceptions à la règle de Harkins: par exemple, même les gaz rares sont extrêmement rares, et l'aluminium Al impair dépasse même le magnésium Mg dans la distribution. Cependant, il y a des suggestions que cette règle ne s'applique pas tant à la croûte terrestre, mais au globe entier. Bien qu'il n'existe pas de données fiables sur la composition des couches profondes du globe, certaines informations suggèrent que la quantité de magnésium dans l'ensemble du globe est le double de celle de l'aluminium. La quantité d'hélium He dans l'espace extra-atmosphérique est plusieurs fois supérieure à ses réserves terrestres. C'est peut-être l'élément chimique le plus courant dans l'univers.
La règle de Fersman
A.E. Fersman a clairement montré la dépendance de l'abondance des éléments chimiques dans la croûte terrestre à leur numéro atomique (ordinal). Cette dépendance devient particulièrement évidente si vous construisez un graphe en coordonnées : numéro atomique - logarithme du clarke atomique. Le graphique montre une tendance claire : les clarks atomiques diminuent avec l'augmentation du nombre atomique d'éléments chimiques.
Riz. . La prévalence des éléments chimiques dans la croûte terrestre
Riz. 5. La prévalence des éléments chimiques dans l'univers
(log C sont les logarithmes de clarkes atomiques selon Fersman)
(les données sur le nombre d'atomes se réfèrent à 10 6 atomes de silicium)
Courbe solide - même les valeurs Z,
pointillé - valeurs Z impaires
Cependant, il existe quelques écarts à cette règle : certains éléments chimiques dépassent largement les valeurs d'abondance attendues (oxygène O, silicium Si, calcium Ca, fer Fe, baryum Ba), tandis que d'autres (lithium Li, béryllium Be, bore B) sont beaucoup moins courants que ce à quoi on pourrait s'attendre de la règle de Fersman. Ces éléments chimiques sont appelés respectivement redondant et rare.
La formulation de la loi fondamentale de la géochimie est donnée p.
L'hydrogène (H) est un élément chimique très léger, avec une teneur de 0,9 % en masse dans la croûte terrestre et de 11,19 % dans l'eau.
Caractérisation de l'hydrogène
En termes de légèreté, c'est le premier parmi les gaz. Dans des conditions normales, il est insipide, incolore et absolument inodore. Lorsqu'il entre dans la thermosphère, il s'envole dans l'espace en raison de son faible poids.
Dans tout l'univers, c'est l'élément chimique le plus nombreux (75% de la masse totale des substances). À tel point que de nombreuses étoiles dans l'espace en sont entièrement composées. Par exemple, le Soleil. Son composant principal est l'hydrogène. Et la chaleur et la lumière sont le résultat de la libération d'énergie lors de la fusion des noyaux de la matière. Il y a aussi dans l'espace des nuages entiers de ses molécules de différentes tailles, densités et températures.
Propriétés physiques
Une température et une pression élevées modifient considérablement ses qualités, mais dans des conditions normales, il :
Il a une conductivité thermique élevée par rapport aux autres gaz,
Non toxique et peu soluble dans l'eau
D'une densité de 0,0899 g/l à 0°C et 1 atm.,
Se transforme en liquide à -252,8°C
Devient solide à -259,1°C.,
La chaleur spécifique de combustion est de 120,9.106 J/kg.
Il nécessite une pression élevée et des températures très basses pour devenir liquide ou solide. Liquéfié, il est fluide et léger.
Propriétés chimiques
Sous pression et refroidissement (-252,87 gr. C), l'hydrogène acquiert un état liquide, plus léger que tout analogue. Il y prend moins de place que sous forme gazeuse.
Il est un non-métal typique. En laboratoire, il est obtenu en faisant réagir des métaux (tels que le zinc ou le fer) avec des acides dilués. Dans des conditions normales, il est inactif et ne réagit qu'avec les non-métaux actifs. L'hydrogène peut séparer l'oxygène des oxydes et réduire les métaux des composés. Lui et ses mélanges forment des liaisons hydrogène avec certains éléments.
Le gaz est très soluble dans l'éthanol et dans de nombreux métaux, en particulier le palladium. L'argent ne le dissout pas. L'hydrogène peut être oxydé lors de la combustion dans l'oxygène ou l'air, et lors de l'interaction avec les halogènes.
Lorsqu'il est combiné avec de l'oxygène, de l'eau se forme. Si la température est normale, la réaction est lente, si elle est supérieure à 550 ° C - avec une explosion (se transforme en gaz explosif).
Trouver de l'hydrogène dans la nature
Bien qu'il y ait beaucoup d'hydrogène sur notre planète, il n'est pas facile de le trouver sous sa forme pure. On en trouve peu lors des éruptions volcaniques, lors de l'extraction du pétrole et sur le lieu de décomposition de la matière organique.
Plus de la moitié de la quantité totale se trouve dans la composition avec de l'eau. Il est également inclus dans la structure du pétrole, de diverses argiles, des gaz combustibles, des animaux et des plantes (la présence dans chaque cellule vivante est de 50% par le nombre d'atomes).
Cycle de l'hydrogène dans la nature
Chaque année, une énorme quantité (des milliards de tonnes) de restes végétaux se décompose dans les masses d'eau et le sol, et cette décomposition éclabousse une énorme masse d'hydrogène dans l'atmosphère. Il est également libéré lors de toute fermentation causée par des bactéries, la combustion et, avec l'oxygène, participe au cycle de l'eau.
Applications pour l'hydrogène
L'élément est activement utilisé par l'humanité dans ses activités, nous avons donc appris à l'obtenir à l'échelle industrielle pour :
Météorologie, production chimique;
fabrication de margarine;
Comme carburant pour fusées (hydrogène liquide);
Industrie de l'énergie pour le refroidissement des générateurs électriques ;
Soudage et découpage des métaux.
La masse d'hydrogène est utilisée dans la production d'essence synthétique (pour améliorer la qualité du carburant de mauvaise qualité), d'ammoniac, de chlorure d'hydrogène, d'alcools et d'autres matériaux. L'énergie nucléaire utilise activement ses isotopes.
La préparation "peroxyde d'hydrogène" est largement utilisée dans la métallurgie, l'industrie électronique, la production de pâtes et papiers, dans le blanchiment des tissus de lin et de coton, dans la fabrication de teintures capillaires et de cosmétiques, de polymères et en médecine pour le traitement des plaies.
La nature "explosive" de ce gaz peut devenir une arme mortelle - une bombe à hydrogène. Son explosion s'accompagne de la libération d'une énorme quantité de substances radioactives et est préjudiciable à tous les êtres vivants.
Le contact de l'hydrogène liquide et de la peau menace des engelures graves et douloureuses.