Până acum, vorbind despre teoria atomică, despre modul în care substanțele care sunt complet diferite unele de altele sunt obținute din mai multe tipuri de atomi conectați între ei într-o ordine diferită, nu am pus niciodată întrebarea „copilără” - unde au fost atomii înșiși. vine din? De ce există o mulțime de atomi ai unor elemente și foarte puțini ai altora și sunt foarte neuniform distribuiti? De exemplu, doar un element (oxigen) alcătuiește jumătate din scoarța terestră. Trei elemente (oxigen, siliciu și aluminiu) în total reprezintă deja 85%, iar dacă le adăugăm fier, potasiu, sodiu, potasiu, magneziu și titan, vom obține 99,5% din scoarța terestră. Ponderea altor câteva zeci de elemente reprezintă doar 0,5%. Cel mai rar metal de pe Pământ este reniul și nu există atât de mult aur cu platină, nu degeaba sunt atât de scumpe. Și iată un alt exemplu: în scoarța terestră există de aproximativ o mie de ori mai mulți atomi de fier decât atomi de cupru, de o mie de ori mai mulți atomi de cupru decât atomi de argint și de o sută de ori mai mulți atomi de argint decât atomi de reniu.
Elementele de pe Soare sunt distribuite într-un mod complet diferit: există cel mai mult hidrogen (70%) și heliu (28%) și doar 2% din toate celelalte elemente. Dacă luăm întregul Univers vizibil, atunci există chiar și mai mult hidrogen în ea. De ce este asta? În cele mai vechi timpuri și în Evul Mediu nu se puneau întrebări despre originea atomilor, deoarece ei credeau că aceștia au existat întotdeauna într-o formă și cantitate neschimbată (și conform tradiției biblice, au fost creați de Dumnezeu în aceeași zi a creare). Și chiar și atunci când teoria atomistă a câștigat și chimia a început să se dezvolte rapid, iar D. I. Mendeleev și-a creat faimosul sistem de elemente, problema originii atomilor a continuat să fie considerată frivolă. Desigur, ocazional, unul dintre oamenii de știință și-a făcut curaj și și-a propus teoria. După cum am menționat deja. În 1815, William Prout a sugerat că toate elementele provin din atomii celui mai ușor element, hidrogenul. După cum scria Prout, hidrogenul este aceeași „materie primară” a filosofilor greci antici. care prin „condensare” a dat toate celelalte elemente.
În secolul XX, prin eforturile astronomilor și fizicienilor teoreticieni, a fost creată o teorie științifică a originii atomilor, care a răspuns în termeni generali la întrebarea originii elementelor chimice. Într-un mod foarte simplificat, această teorie arată așa. La început, toată materia a fost concentrată într-un punct cu o densitate (K) * „g/cm”) și o temperatură (1027 K) incredibil de ridicate. Aceste numere sunt atât de mari încât nu există nume pentru ele. Cu aproximativ 10 miliarde de ani în urmă, ca urmare a așa-numitului Big Bang, acest punct superdens și super fierbinte a început să se extindă rapid. Fizicienii au o idee destul de bună despre cum s-au dezvoltat evenimentele la 0,01 secunde după explozie. Teoria a ceea ce s-a întâmplat înainte a fost dezvoltată mult mai rău, deoarece în cheagul de materie existent atunci, legile fizice cunoscute acum erau prost respectate (și cu cât mai devreme, cu atât mai rău). Mai mult decât atât, întrebarea a ceea ce s-a întâmplat înainte de Big Bang, în esență, nici măcar nu a fost luată în considerare, de atunci nu a existat timpul în sine! La urma urmei, dacă nu există lume materială, adică evenimente, atunci de unde vine timpul? Cine sau ce o va socoti? Deci, problema a început să se împrăștie rapid și să se răcească. Cu cât temperatura este mai mică, cu atât mai multe oportunități pentru formarea diferitelor structuri (de exemplu, la temperatura camerei, pot exista milioane de compuși organici diferiți, la +500 ° C - doar câțiva, și peste +1000 ° C, probabil, nu substanțele organice pot exista, - Toate se descompun în părțile lor componente la temperaturi ridicate. Potrivit oamenilor de știință, la 3 minute după explozie, când temperatura a scăzut la un miliard de grade, a început procesul de nucleosinteză (acest cuvânt provine din latinescul nucleu - „miez” și din grecescul „sinteză” - „conexiune, combinație”), adică procesul de conectare a protonilor și neutronilor în nucleele diferitelor elemente. Pe lângă protoni - nuclee de hidrogen, au apărut și nuclee de heliu; aceste nuclee nu puteau încă să adauge electroni și să formeze agomi din cauza temperaturii prea ridicate. Universul Primar era format din hidrogen (aproximativ 75%) și heliu, cu o cantitate mică din următorul element ca mărime, litiu (nucleul său are trei protoni). Această compoziție nu s-a schimbat de aproximativ 500 de mii de ani. Universul a continuat să se extindă, să se răcească și să devină din ce în ce mai rarefiat. Când temperatura a scăzut la +3000 "C. electronii au avut ocazia să se combine cu nucleele, ceea ce a dus la formarea unor atomi stabili de hidrogen și heliu.
S-ar părea că Universul, format din hidrogen și heliu, ar trebui să continue să se extindă și să se răcească la infinit. Dar atunci ar fi nu numai alte elemente, ci și galaxii, stele și, de asemenea, noi. Forțele gravitației universale (gravitația) au contracarat expansiunea infinită a Universului. Comprimarea gravitațională a materiei în diferite părți ale Universului rarefiat a fost însoțită de încălzire puternică repetată - a început etapa de formare a masei stelelor, care a durat aproximativ 100 de milioane de ani.În acele regiuni ale spațiului formate din gaz și praf, unde temperatura a atins. 10 milioane de grade, procesul de fuziune termonucleară a heliului a început prin fuziunea nucleelor de hidrogen.Aceste reacții nucleare au fost însoțite de eliberarea unei cantități uriașe de energie care a fost radiată în spațiul înconjurător: așa s-a luminat o nouă stea. atâta timp cât era suficient hidrogen în ea, radiația care „apasat din interior” a contracarat comprimarea stelei sub influența gravitației. Soarele nostru strălucește și din cauza „arderii” hidrogenului. Acest proces este foarte lent, odată cu apropierea a doi protoni încărcați pozitiv este împiedicată de forța de repulsie coulombiană, așa că lumina noastră este destinată pentru mai mulți ani de viață.
Când furnizarea de combustibil cu hidrogen se termină, sinteza heliului se oprește treptat și, odată cu aceasta, radiația puternică se estompează. Forțele gravitației comprimă din nou steaua, temperatura crește și devine posibil ca nucleele de heliu să se fuzioneze între ele pentru a forma nuclee de carbon (6 protoni) și oxigen (8 protoni în nucleu). Aceste procese nucleare sunt, de asemenea, însoțite de eliberarea de energie. Dar, mai devreme sau mai târziu, stocurile de heliu se vor sfârși. Și apoi vine a treia etapă de comprimare a stelei de către forțele gravitației. Și apoi totul depinde de masa stelei în acest stadiu. Dacă masa nu este foarte mare (ca și Soarele nostru), atunci efectul creșterii temperaturii în timpul comprimării stelei nu va fi suficient pentru ca carbonul și oxigenul să intre în reacții de fuziune nucleară ulterioare; o astfel de stea devine o așa-numită pitică albă. Elementele mai grele sunt „fabricate” în stele pe care astronomii le numesc giganți roșii – masa lor este de câteva ori mai mare decât cea a Soarelui. În aceste stele au loc reacțiile de sinteză a elementelor mai grele din carbon și oxigen. După cum astronomii se exprimă în mod figurat, stelele sunt incendii nucleare, a căror cenușă este elemente chimice grele.
33
2- 1822
Energia eliberată în această etapă a vieții unei stele „umflă” foarte mult straturile exterioare ale gigantului roșu; dacă Soarele nostru ar fi o asemenea stea. Pământul ar fi în interiorul acestei mingi uriașe - perspectiva pentru tot ce este pe pământ nu este cea mai plăcută. Vânt stelar.
„respirarea” de pe suprafața giganților roșii, aduce în spațiul cosmic elementele chimice sintetizate de aceste stele, care formează nebuloase (multe dintre ele sunt vizibile prin telescop). Giganții roșii duc o viață relativ scurtă - de sute de ori mai puțin decât Soarele. Dacă masa unei astfel de stele depășește masa Soarelui de 10 ori, atunci apar condiții (temperatura de ordinul a un miliard de grade) pentru sinteza elementelor până la fier. Fierul Yalro este cel mai stabil dintre toate miezurile. Aceasta înseamnă că reacțiile de sinteză a elementelor care sunt mai ușoare decât fierul continuă cu eliberarea de energie, în timp ce sinteza elementelor mai grele necesită energie. Odată cu cheltuirea energiei, apar și reacții de descompunere a fierului în elemente mai ușoare. Prin urmare, în stelele ajunse în stadiul de dezvoltare „fier” au loc procese dramatice: în loc să elibereze energie, aceasta este absorbită, care este însoțită de o scădere rapidă a temperaturii și compresie la un volum foarte mic; astronomii numesc acest proces colaps gravitațional (de la cuvântul latin collapsus - „slăbit, căzut”; nu degeaba medicii numesc o scădere bruscă a tensiunii arteriale, care este foarte periculoasă pentru oameni). În timpul prăbușirii gravitaționale, se formează un număr imens de neutroni, care, din cauza absenței unei sarcini, pătrund ușor în nucleele tuturor elementelor disponibile. Nucleii suprasaturați cu neutroni suferă o transformare specială (numită dezintegrare beta), în timpul căreia se formează un proton dintr-un neutron; ca urmare, următorul element este obținut din nucleul acestui element, în nucleul căruia există deja încă un proton. Oamenii de știință au învățat să reproducă astfel de procese în condiții terestre; un exemplu binecunoscut este sinteza izotopului plutoniu-239, când, atunci când uraniul natural (92 protoni, 146 neutroni) este iradiat cu neutroni, nucleul său captează un neutron și un element artificial neptuniul (93 protoni, 146 neutroni) este s-a format și din el același plutoniu mortal (94 de protoni, 145 de neutroni), care este folosit în bombele atomice. În stelele care suferă colaps gravitațional, ca urmare a captării neutronilor și a descompunerilor beta ulterioare, se formează sute de nuclee diferite din toți posibilii izotopi ai elementelor chimice. Prăbușirea unei stele se încheie cu o explozie grandioasă, însoțită de ejectarea unei mase uriașe de materie în spațiul cosmic - se formează o supernova. Substanța ejectată, care conține toate elementele din tabelul periodic (și corpul nostru conține aceiași atomi!), se împrăștie în jur cu o viteză de până la 10.000 km/s. iar o mică rămășiță din materia stelei moarte este comprimată (se prăbușește) odată cu formarea unei stele de neutroni superdense sau chiar a unei găuri negre. Ocazional, astfel de stele izbucnesc pe cerul nostru, iar dacă izbucnirea nu are loc prea departe, supernova eclipsează toate celelalte stele în luminozitate.Și nu e de mirare: luminozitatea unei supernove poate depăși luminozitatea unei întregi galaxii formată dintr-un miliard. stele! Una dintre aceste „noi” stele, conform cronicilor chineze, a izbucnit în 1054. Acum, în acest loc se află celebra nebuloasă Crab din constelația Taurului, iar în centrul acesteia există o rotație rapidă (30 de rotații pe secundă! ) Steaua cu neutroni. Din fericire (pentru noi, și nu pentru sinteza de noi elemente), astfel de stele au aprins până acum doar în galaxii îndepărtate...
Ca urmare a „arderii” stelelor și a exploziei supernovelor, toate elementele chimice cunoscute s-au dovedit a fi în spațiul cosmic. Rămășițele de supernove sub formă de nebuloase în expansiune, „încălzite” prin transformări radioactive, se ciocnesc unele cu altele, se condensează în formațiuni dense, din care, sub influența forțelor gravitaționale, iau stele de nouă generație. Aceste stele (inclusiv Soarele nostru) conțin încă de la începutul existenței lor un amestec de elemente grele în compoziția lor; aceleași elemente sunt conținute în norii de gaz și praf care înconjoară aceste stele, din care sunt formate planetele. Așadar, elementele care compun toate lucrurile din jurul nostru, inclusiv corpul nostru, s-au născut ca rezultat al unor procese cosmice grandioase...
De ce unele elemente sunt formate mult, iar altele - puțin? Se pare că, în procesul de nucleosinteză, nucleele constând dintr-un număr mic par de schutoni și neutroni sunt cel mai probabil să se formeze. Nucleele grele, „debordate” de protoni și neutroni, sunt mai puțin stabile și sunt mai puține în Univers. Există o regulă generală: cu cât sarcina nucleului este mai mare, cu atât este mai greu, cu atât mai puține astfel de nuclee în Univers. Cu toate acestea, această regulă nu este întotdeauna respectată. De exemplu, există puține nuclee ușoare de litiu (3 protoni, 3 neutroni) și bor (5 protoni și 5 sau 6 neutroni) în scoarța terestră. Se presupune că, din mai multe motive, aceste nuclee nu se pot forma în interiorul stelelor, dar sub acțiunea razelor cosmice se „desprind” din nucleele mai grele acumulate în spațiul interstelar. Astfel, raportul dintre diferitele elemente de pe Pământ este un ecou al proceselor turbulente din spațiu care au avut loc cu miliarde de ani în urmă, la etapele ulterioare ale dezvoltării Universului.
Compoziția elementară a materiei vii și OM a fosilelor combustibile
Fosilele combustibile conțin în compoziția lor aceleași elemente ca și substanța organismelor vii, deci elementele - carbon, hidrogen, oxigen, azot, sulf și fosfor numit sau biogene, sau biofile, sau organogenice.
Hidrogenul, carbonul, oxigenul și azotul sunt responsabile peste 99% atât masa cât și numărul de atomi care alcătuiesc toate organismele vii. Pe lângă acestea, în cantități semnificative în organismele vii, un alt ochi poate fi concentrat.
uite 20-22 elemente chimice. 12 elemente alcătuiesc 99,29%, restul 0,71%
Abundența spațiului: H, He, C, N.
Până la 50% - C, până la 20% - O, până la 8% - H, 10-15% - N, 2-6% - P, 1% - S, 1% - K, ½% - Mg și Ca, 0,2% - Fe, în urme - Na, Mn, Cu, Zn.
Structura atomului, izotopii, distribuția hidrogenului, oxigenului, sulfului și azotului în scoarța terestră
HIDROGEN - elementul principal al cosmosului, cel mai comun element al universului . Grupa Chem e-t 1, număr atomic 1, masa atomică 1,0079. În edițiile moderne ale tabelului periodic, H este de asemenea plasat în grupa VII deasupra F, deoarece unele proprietăți ale lui H sunt similare cu proprietățile halogenilor. Sunt cunoscuți trei izotopi H. Doi stabili sunt protiu 1 H - P (99,985%), deuteriu 2H - D (0,015%), iar unul radioactiv este tritiu 3 H - T, T 1/2 = 12,262 ani. Încă unul este obținut artificial - al patrulea izotop extrem de instabil - 4 H. În separarea P și D în condiții naturale, evaporarea joacă rolul principal, cu toate acestea, masa oceanelor lumii este atât de mare încât conținutul de deuteriu din acesta se modifică. puțin. În țările tropicale, conținutul de deuteriu în precipitații este mai mare decât în zona polară. În stare liberă, H este un gaz incolor, inodor și fără gust, cel mai ușor dintre toate gazele, de 14,4 ori mai ușor decât aerul. H devine lichid la -252,6°C, solid la -259,1°C. H este un agent reducător excelent. Arde în O cu o flacără neluminoasă, formând apă. În scoarța terestră, H este mult mai mic decât în stele și pe Soare. Greutatea sa clarke în scoarța terestră este de 1%. În compușii chimici naturali, se formează H ionic, covalentși legături de hidrogen . Legăturile de hidrogen joacă un rol important în biopolimeri (carbohidrați, alcooli, proteine, acizi nucleici), determină proprietățile și structura geopolimerilor de kerogene și a moleculelor GI. În anumite condiții, atomul de H este capabil să se combine simultan cu alți doi atomi. De regulă, formează o legătură covalentă puternică cu unul dintre ele și una slabă cu celălalt, care se numește legătură de hidrogen.
OXIGEN - Cel mai comun element al scoarței terestre, este de 49,13% din greutate. O are numărul de serie 8, este în perioada 2, grupa VI, masa atomică 15,9994. Sunt cunoscuți trei izotopi stabili ai O - 16 O (99,759%), 17 O (0,0371%), 18 O (0,2039%). Nu există izotopi radioactivi cu viață lungă ai O. Izotop radioactiv artificial 15 O (T 1/2 = 122 secunde). Raportul izotop 18 O/16 O este utilizat pentru reconstrucții geologice, care în obiectele naturale variază cu 10% de la 1/475 la 1/525. Gheaturile polare au cel mai mic coeficient izotopic, cel mai mare - CO 2 al atmosferei. La compararea compoziției izotopice, se folosește valoarea d 18 O, care se calculează prin formula: d 18 O‰= . Pe standard se ia raportul mediu al acestor izotopi din apa oceanului. Variațiile în compoziția izotopică a O în gp, apă sunt determinate de temperatura la care se desfășoară procesul de formare a mineralelor specifice. Cu cât T mai mic, cu atât fracţionarea izotopilor va fi mai intensă. Se crede că compoziția izotopilor O a oceanului nu s-a schimbat în ultimii 500 de milioane de ani. Principalul factor care determină deplasarea izotopică (variații ale compoziției izotopice în natură) este efectul cinetic determinat de temperatura de reacție. O în condiții normale, gazul este invizibil, fără gust, inodor. În reacțiile cu majoritatea covârșitoare a atomilor, O acționează ca agent oxidant. Numai în reacția cu F este agentul de oxidare F. O există în modificări bialotrope . În primul rând - oxigen molecular - O2 A doua modificare este ozon - O 3, arr sub acțiunea descărcărilor electrice în aer și O pur, în procese radioactive, prin acțiunea razelor ultraviolete asupra O obișnuit. În natură Cam 3 format în mod constant sub influența razelor UV în atmosfera superioară. La o altitudine de aproximativ 30-50 km există un „ecran de ozon” care prinde cea mai mare parte a razelor UV, protejând organismele biosferei de efectele nocive ale acestor raze. La concentrații scăzute, Cam 3 miros plăcut, răcoritor, dar dacă în aer mai mult de 1% O 3 este foarte toxic .
AZOT - concentrat în biosferă: predomină în atmosferă (75,31% din greutate, 78,7% din volum), iar în scoarța terestră greutate clark - 0,045%. Element chimic din grupa V, 2 perioade număr atomic 7, masa atomică 14,0067. Se cunosc trei izotopi N - doi stabil 14 N (99,635%) și 15 N (0,365%) și radioactive 13 N, T1/2 = 10,08 min. Împărțirea generală a valorilor raportului 15 N/ 14 N mic . Uleiurile sunt îmbogățite în izotopul de 15 N, în timp ce gazele naturale însoțitoare sunt epuizate în acesta. Șisturile bituminoase sunt, de asemenea, îmbogățite în izotop greu N 2 gaz incolor, insipid și inodor. N spre deosebire de O nu suportă respirația, amestecul N cu O este cel mai acceptabil pentru respirația majorității locuitorilor planetei noastre. N este inactiv din punct de vedere chimic. Face parte din GI al tuturor organismelor. Activitatea chimică scăzută a azotului este determinată de structura moleculei sale. Ca majoritatea gazelor, cu excepția celor inerte, molecula N este format din doi atomi. La formarea unei legături între ei, participă 3 electroni de valență ai învelișului exterior al fiecărui atom, formând legătură chimică covalentă triplă , care dă cel mai stabil dintre toate moleculele diatomice cunoscute. Valență „formală” de la -3 la +5, valență „adevărată” 3. Formând legături covalente puternice cu O, H și C, face parte din ionii complexi: -, -, +, care dau săruri ușor solubile.
SULF - e-t ZK,în manta (roci ultrabazice) este de 5 ori mai mic decât în litosferă. Clark în ZK - 0,1%. Grupa de elemente chimice VI, 3 perioade, număr atomic 16, masă atomică 32,06. El-t foarte electronegativ, prezintă proprietăți nemetalice. În compușii cu hidrogen și oxigen, se află în compoziția diferiților ioni. Arr acid și sare. Multe săruri care conțin sulf sunt puțin solubile în apă. S poate avea valențe: (-2), (0), (+4), (+6), dintre care prima și ultima sunt cele mai caracteristice. Atât legăturile ionice, cât și cele covalente sunt caracteristice. Valoarea principală pentru procesele naturale este ionul complex - 2 S - element nemetal, activ din punct de vedere chimic. Doar cu Au și Pt S nu interacționează. Dintre compușii anorganici, pe lângă sulfați, sulfuri și H2SO4, oxizii de SO 2 - un gaz care poluează puternic atmosfera și SO 3 (solid), precum și hidrogenul sulfurat, sunt obișnuiți pe Pământ. S elementar se caracterizează prin trei soiuri alotrope : S rombic (cel mai stabil), S monoclinic (moleculă ciclică - inel cu opt membri S 8) și plastic S 6 sunt lanțuri liniare de șase atomi. În natură sunt cunoscuți 4 izotopi stabili ai S: 32S (95,02%), 34S (4,21%), 33S (0,75%), 36S (0,02%). Izotop radioactiv artificial 35 S c T 1/2 = 8,72 zile. S este acceptat ca standard. troilit(FeS) din meteoritul Canyon Diablo (32 S/ 34 S= 22,22) Reacțiile de oxidare și reducere pot provoca schimb izotopic, care se exprimă într-o deplasare izotopică. În natură, este bacterian, dar este posibil și termic. În natură, până în prezent, a existat o împărțire clară a S-ului scoarței terestre în 2 grupuri - biogene sulfuri și gaze îmbogățite în izotopul ușor 32 S și sulfați, incluse în sărurile apei oceanice ale evaporiților antici, gips care conține 34 S. Gazele asociate zăcămintelor de petrol variază în compoziția izotopică și diferă semnificativ de uleiuri.
Răspunsuri la întrebări,
susținut la examenul la disciplina „Procese fizico-chimice în mediu” pentru studenții din anul III ai specialității „Managementul și auditul de mediu în industrie”
Abundența atomilor în mediu. elemente Clarke.
element clark - o estimare numerică a conținutului mediu al unui element din scoarța terestră, hidrosferă, atmosferă, Pământul în ansamblu, diferite tipuri de roci, obiecte spațiale etc. Clarke-ul unui element poate fi exprimat în unități de masă (% , g/t), sau în % atomic. Introdus de Fersman, numit după Frank Unglisort, un geochimist american.
Distribuția cantitativă a elementelor chimice din scoarța terestră a fost stabilită pentru prima dată de Clark. El a inclus, de asemenea, hidrosfera și atmosfera în scoarța terestră. Cu toate acestea, masa hidrosferei este de câteva%, iar atmosfera - sutimi de a% din masa scoarței pământului solid, astfel încât numerele Clark reflectă în principal compoziția scoarței pământului solid. Deci, în 1889 clarks au fost calculate pentru 10 elemente, în 1924 - pentru 50 de elemente.
Radiometrice moderne, activarea neutronilor, absorbția atomică și alte metode de analiză fac posibilă determinarea conținutului de elemente chimice din roci și minerale cu mare acuratețe și sensibilitate. Ideile despre Clarks s-au schimbat. N-r: Ge în 1898, Fox a considerat clark egal cu n * 10 -10%. Ge era slab studiat și nu avea valoare practică. În 1924, Clark a fost calculat pentru el ca n * 10 -9% (Clark și G. Washington). Mai târziu, Ge a fost găsit în cărbuni, iar clarke-ul său a crescut la 0,n%. Ge este folosit în inginerie radio, căutarea materiilor prime de germaniu, un studiu detaliat al geochimiei Ge a arătat că Ge nu este atât de rar în scoarța terestră, clarke-ul său în litosferă este de 1,4 * 10 -4%, aproape același ca și cel al Sn, As, este mult mai mult în scoarța terestră decât Au, Pt, Ag.
Abundența atomilor în
Vernadsky a introdus conceptul de stare împrăștiată a elementelor chimice și a fost confirmat. Toate elementele sunt peste tot, nu putem vorbi decât de lipsa de sensibilitate a analizei, care nu permite determinarea conținutului unuia sau altuia din mediul studiat. Această prevedere privind dispersia generală a elementelor chimice se numește legea Clark-Vernadsky.
Pe baza elementelor clare din scoarța terestră solidă (despre Vinogradova), aproape jumătate din scoarța terestră solidă este formată din O, adică scoarța terestră este o „sferă de oxigen”, o substanță de oxigen.
Clarurile majorității elementelor nu depășesc 0,01-0,0001% - acestea sunt elemente rare. Dacă aceste elemente au o capacitate slabă de concentrare, se numesc împrăștiate ascuțit (Br, In, Ra, I, Hf).
H-r: Pentru U și Br, valorile clarke sunt ≈ 2,5*10 -4, respectiv 2,1* 10-4, dar U este doar un element rar, deoarece zăcămintele sale sunt cunoscute, iar Br este un rar împrăștiat, deoarece. nu este concentrat în scoarța terestră. Oligoelemente - elemente conținute în acest sistem în cantități mici (≈ 0,01% sau mai puțin). Astfel, Al este un oligoelement în organisme și un macroelement în rocile silicate.
Clasificarea elementelor după Vernadsky.
În scoarța terestră, elementele legate de sistemul periodic se comportă diferit - migrează în scoarța terestră în moduri diferite. Vernadsky a ținut cont de cele mai importante momente din istoria elementelor din scoarța terestră. Importanța principală a fost acordată unor fenomene și procese precum radioactivitatea, reversibilitatea și ireversibilitatea migrației. Capacitatea de a furniza minerale. Vernadsky a identificat 6 grupuri de elemente:
gaze nobile (He, Ne, Ar, Kr, Xe) - 5 elemente;
metale nobile (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) - 7 elemente;
elemente ciclice (participatoare la cicluri complexe) - 44 elemente;
elemente împrăștiate - 11 elemente;
elemente foarte radioactive (Po, Ra, Rn, Ac, Th, Pa, U) - 7 elemente;
elemente de pământuri rare - 15 elemente.
Elementele din a treia grupă în masă predomină în scoarța terestră; ele constau în principal din roci, apă și organisme.
Reprezentările din experiența de zi cu zi nu se potrivesc cu datele reale. Deci, Zn, Cu sunt răspândite în viața de zi cu zi și în tehnologie, iar Zr (zirconiu) și Ti sunt elemente rare pentru noi. Deși Zr din scoarța terestră este de 4 ori mai mare decât Cu, iar Ti - de 95 de ori. „Raritatea” acestor elemente se explică prin dificultatea extragerii lor din minereuri.
Elementele chimice interacționează între ele nu proporțional cu masele lor, ci în funcție de numărul de atomi. Prin urmare, clarks pot fi calculate nu numai în % în masă, ci și în % din numărul de atomi, adică luând în considerare masele atomice (Chirvinsky, Fersman). În același timp, clarkurile elementelor grele scad, în timp ce cele ale elementelor ușoare cresc.
De exemplu:Calculul pentru numărul de atomi oferă o imagine mai contrastantă a abundenței elementelor chimice - o predominanță și mai mare a oxigenului și raritatea elementelor grele.
Când a fost stabilită compoziția medie a scoarței terestre, a apărut întrebarea cu privire la motivul distribuției inegale a elementelor. Aceste stoluri sunt asociate cu caracteristicile structurale ale atomilor.
Luați în considerare relația dintre valoarea clarks și proprietățile chimice ale elementelor.
Deci, metalele alcaline Li, Na, K, Rb, Cs, Fr sunt aproape chimic unul de celălalt - un electron de valență, dar valorile clarke diferă - Na și K - ≈ 2,5; Rb - 1,5 * 10 -2; Li - 3,2 * 10 -3; Cs - 3,7 * 10 -4; Fr - un element artificial. Valorile Clarke pentru F și Cl, Br și I, Si (29,5) și Ge (1,4 * 10 -4), Ba (6,5 * 10 -2) și Ra (2 * 10 -10) diferă puternic.
Pe de altă parte, elementele diferite din punct de vedere chimic au clark similare - Mn (0,1) și P (0,093), Rb (1,5 * 10 -2) și Cl (1,7 * 10 -2).
Fersman a trasat dependența valorilor atomice Clark pentru elementele pare și impare ale tabelului periodic de numărul ordinal al elementului. S-a dovedit că odată cu complicarea structurii nucleului atomic (mai greu), clarkurile elementelor scad. Cu toate acestea, aceste dependențe (curbe) s-au dovedit a fi rupte.
Fersman a trasat o linie de mijloc ipotetică, care a scăzut treptat pe măsură ce numărul atomic al elementului creștea. Elementele situate deasupra liniei de mijloc, formând vârfuri, oamenii de știință au numit exces (O, Si, Fe etc.), iar cele situate sub linie - deficitare (gaze inerte etc.). Din dependența obținută rezultă că în scoarța terestră predomină atomii de lumină, ocupând celulele inițiale ale sistemului Periodic, ale căror nuclee conțin o cantitate mică de protoni și neutroni. Într-adevăr, după Fe (Nr. 26) nu există un singur element comun.
Mai departe Oddo (om de știință italian) și Harkins (om de știință american) în 1925-28. s-a stabilit o altă caracteristică a abundenţei elementelor. Scoarța terestră este dominată de elemente cu numere pare și mase atomice. Printre elementele învecinate, clarke-urile elementelor pare sunt aproape întotdeauna mai mari decât cele ale celor impare. Pentru cele mai comune 9 elemente (8 O, 14 Si, 13 Al, 26 Fe, 20 Ca, 11 Na, 19 K, 12 Mg, 22 Ti), masa clark a celor pare se adună până la 86,43% și impare - 13,05 %.Clarkurile elementelor a căror masă atomică este divizibilă cu 4 sunt deosebit de mari, acestea sunt O, Mg, Si, Ca.
Conform cercetărilor lui Fersman, nucleele de tip 4q (q este un număr întreg) alcătuiesc 86,3% din scoarța terestră. Mai puțin frecvente sunt nucleele 4q+3 (12,7%) și foarte puține nuclee 4q+1 și 4q+2 (1%).
Dintre elementele pare, începând cu He, fiecare al șaselea are cei mai mari clarks: O (nr. 8), Si (nr. 14), Ca (nr. 20), Fe (nr. 26). Pentru elemente impare - o regulă similară (începând cu H) - N (nr. 7), Al (nr. 13), K (nr. 19), Mg (nr. 25).
Deci, în scoarța terestră predomină nucleele cu un număr mic și egal de protoni și neutroni.
Clarks s-au schimbat de-a lungul timpului. Deci, ca urmare a dezintegrarii radioactive, a existat mai puțin U și Th, dar mai mult Pb. Procese precum disiparea gazelor, precipitațiile meteoriților au jucat, de asemenea, un rol în schimbarea valorilor elementelor clark.
Principalele tendințe ale modificărilor chimice în scoarța terestră. Circulație mare a materiei în scoarța terestră.
CIRCULAREA SUBSTANȚELOR. Substanța scoarței terestre este în mișcare continuă, cauzată de o varietate de motive asociate cu fizicul. proprietățile materiei, planetare, geologice, geografice și biologice. condiţiile pământului. Această mișcare are loc invariabil și continuu în timpul geologic, nu mai puțin de un an și jumătate și aparent nu mai mult de trei miliarde de ani. În ultimii ani, a crescut o nouă știință a ciclului geologic - geochimia, care are sarcina de a studia chimia. elementele care ne construiesc planeta. Subiectul principal al studiului său sunt mișcările chimice. elemente ale substanței pământului, indiferent de cauza acestor mișcări pot fi cauzate. Aceste mișcări ale elementelor se numesc migrații chimice. elemente. Printre migrații se numără cele în cursul cărora chem. elementul după o perioadă mai lungă sau mai scurtă de timp revine inevitabil la starea inițială; istoria unei astfel de chimie. elementele din scoarța terestră pot fi reduse astfel. la un proces reversibil și se prezintă sub forma unui proces circular, circulație. Acest tip de migrare nu este tipic pentru toate elementele, ci pentru un număr semnificativ dintre ele, inclusiv pentru marea majoritate a elementelor chimice. elemente care construiesc organisme vegetale sau animale și mediul din jurul nostru - oceane și ape, roci și aer. Pentru astfel de elemente, toți sau majoritatea covârșitoare a atomilor lor se află în circulația substanțelor, pentru altele doar o parte nesemnificativă a acestora este acoperită de cicluri. Fără îndoială, cea mai mare parte a materiei din scoarța terestră la o adâncime de 20-25 km este acoperită de gire. Pentru următoarele chimie. elementele proceselor circulare sunt caracteristice și dominante printre migrațiile lor (figura indică numărul 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. Aceste elemente pot fi separate de alte elemente pe această bază ca elemente ciclice sau organogenice. Acea. ciclurile caracterizează 42 de elemente din 92 incluse în sistemul de elemente Mendeleev, iar acest număr include cele mai comune elemente dominante terestre.
Să ne oprim asupra K. de primul fel, care includ migrațiile biogene. Aceste climate captează biosfera (adică atmosfera, hidrosfera și crusta de intemperii). Sub hidrosferă, ei captează o coajă de bazalt care se apropie de fundul oceanului. Sub pământ, într-o succesiune de depresiuni, ele îmbrățișează grosimea rocilor sedimentare (stratosferă), cochilii metamorfice și de granit și intră în învelișul de bazalt. Din adâncurile pământului aflate în spatele învelișului de bazalt, materia pământului nu intră în K observat. De asemenea, nu cade în ele de sus din cauza limitelor părților superioare ale stratosferei. Acea. cicluri chimice. elementele sunt fenomene de suprafață care apar în atmosferă până la înălțimi de 15-20 km (nu mai mare), iar în litosferă, nu mai mult de 15-20 km. Orice K., pentru a se reînnoi constant, necesită un aflux de energie externă. Sunt două principale și fără îndoială. sursa unei astfel de energie: 1) energie cosmică - radiația soarelui (migrația biogenă depinde aproape în întregime de aceasta) și 2) energia atomică asociată cu dezintegrarea radioactivă a elementelor „78 din seria uraniu, toriu, potasiu, rubidiu. grad mai mic de precizie, energia mecanică poate fi izolată, asociată cu mișcarea (datorită gravitației) a maselor pământului și, probabil, energia cosmică care pătrunde de sus (razele Hess).
Ciclurile, care captează mai multe scoici pământești, merg încet, cu opriri și pot fi văzute doar în timp geologic. Adesea ele acoperă mai multe perioade de geologi. Ele sunt cauzate de geologi, deplasările de pe uscat și ocean. Părți din K. pot merge rapid (ex. migrația biogene).
| " |
Pentru geochimie, este important să aflăm principiul distribuției elementelor chimice în scoarța terestră. De ce unele dintre ele se găsesc adesea în natură, altele sunt mult mai rare, iar altele sunt „rarități muzeale”?
Un instrument puternic pentru explicarea multor fenomene geochimice este Legea periodică a D.I. Mendeleev. În special, poate fi folosit pentru a investiga distribuția elementelor chimice în scoarța terestră.
Pentru prima dată, relația dintre proprietățile geochimice ale elementelor și poziția lor în Tabelul Periodic al Elementelor Chimice a fost arătată de D.I. Mendeleev, V.I. Vernadsky și A.E. Fersman.
Regulile (legile) geochimiei
regula lui Mendeleev
În 1869, în timp ce lucra la legea periodică, D.I. Mendeleev a formulat regula: Elementele cu greutate atomică mică sunt în general mai frecvente decât elementele cu greutate atomică mare.» (Vezi Anexa 1, Tabelul periodic al elementelor chimice). Mai târziu, odată cu dezvăluirea structurii atomului, s-a arătat că pentru elementele chimice cu o masă atomică mică, numărul de protoni este aproximativ egal cu numărul de neutroni din nucleele atomilor lor, adică raportul dintre aceste două mărimi sunt egale sau apropiate de unitate: pentru oxigen = 1,0; pentru aluminiu
Pentru elementele mai puțin obișnuite, neutronii predomină în nucleele atomilor și raportul dintre numărul lor și numărul de protoni este semnificativ mai mare decât unul: pentru radiu; pentru uraniu = 1,59.
Dezvoltarea ulterioară a „regula lui Mendeleev” a fost găsită în lucrările fizicianului danez Niels Bohr și ale chimistului rus, academician al Academiei de Științe a URSS Viktor Ivanovich Spitsyn.
 | Viktor Ivanovici Spitsyn (1902-1988) |
regula Oddo
În 1914, chimistul italian Giuseppe Oddo a formulat o altă regulă: Greutățile atomice ale celor mai comune elemente sunt exprimate în multipli de patru sau se abat puțin de la astfel de numere.". Mai târziu, această regulă a primit o oarecare interpretare în lumina noilor date privind structura atomilor: o structură nucleară formată din doi protoni și doi neutroni are o putere specială.
regula lui Harkins
În 1917, fizicianul american William Draper Harkins (Harkins) a atras atenția asupra faptului că elementele chimice cu numere atomice par (ordinale) sunt distribuite în natură de câteva ori mai mult decât elementele învecinate cu numere impare. Calculele au confirmat observația: dintre primele 28 de elemente ale sistemului periodic, 14 pare alcătuiesc până la 86%, iar cele impare - doar 13,6% din masa scoarței terestre.
În acest caz, explicația poate fi faptul că elementele chimice cu numere atomice impar conțin particule care nu sunt legate în helii și, prin urmare, sunt mai puțin stabile.
Există multe excepții de la regula lui Harkins: de exemplu, chiar și gazele nobile sunt extrem de rare, iar aluminiul Al ciudat depășește chiar și magneziul Mg în distribuție. Cu toate acestea, există sugestii că această regulă se aplică nu atât crustei terestre, ci întregului glob. Deși nu există date sigure despre compoziția straturilor profunde ale globului, unele informații sugerează că cantitatea de magneziu din întregul glob este de două ori mai mare decât cea a aluminiului. Cantitatea de heliu He din spațiul cosmic este de multe ori mai mare decât rezervele sale terestre. Acesta este poate cel mai comun element chimic din univers.
regula lui Fersman
A.E. Fersman a arătat în mod clar dependența abundenței elementelor chimice din scoarța terestră de numărul lor atomic (ordinal). Această dependență devine deosebit de evidentă dacă construiești un grafic în coordonate: număr atomic - logaritmul clarke atomic. Graficul arată o tendință clară: clark atomici scad odată cu creșterea numărului atomic al elementelor chimice.
Orez. . Prevalența elementelor chimice în scoarța terestră
Orez. 5. Prevalența elementelor chimice în univers
(log C sunt logaritmi ale lui Clarkes atomici conform lui Fersman)
(datele privind numărul de atomi se referă la 106 atomi de siliciu)
Curbă solidă - chiar valorile Z,
punctat - valori Z impare
Cu toate acestea, există unele abateri de la această regulă: unele elemente chimice depășesc semnificativ valorile de abundență așteptate (oxigen O, siliciu Si, calciu Ca, fier Fe, bariu Ba), în timp ce altele (litiu Li, beriliu Be, bor) B) sunt mult mai puțin frecvente decât ar fi de așteptat din regula lui Fersman. Astfel de elemente chimice sunt numite respectiv redundantși rară.
Formularea legii de bază a geochimiei este dată la p.
Hidrogenul (H) este un element chimic foarte ușor, cu un conținut de 0,9% în masă în scoarța terestră și 11,19% în apă.
Caracterizarea hidrogenului
În ceea ce privește ușurința, este primul dintre gaze. În condiții normale, este insipid, incolor și absolut inodor. Când intră în termosferă, zboară în spațiu datorită greutății sale reduse.
În întregul univers, este cel mai numeros element chimic (75% din masa totală a substanțelor). Atât de mult încât multe stele din spațiul cosmic sunt compuse în întregime din el. De exemplu, Soarele. Componenta sa principală este hidrogenul. Iar căldura și lumina sunt rezultatul eliberării de energie în timpul fuziunii nucleelor materialului. De asemenea, în spațiu există nori întregi ai moleculelor sale de diferite dimensiuni, densități și temperaturi.
Proprietăți fizice
Temperatura ridicată și presiunea îi schimbă semnificativ calitățile, dar în condiții normale:
Are o conductivitate termică ridicată în comparație cu alte gaze,
Netoxic și slab solubil în apă
Cu o densitate de 0,0899 g / l la 0 ° C și 1 atm.,
Se transformă într-un lichid la -252,8°C
Devine solidă la -259,1°C.,
Căldura specifică de ardere este de 120,9,106 J/kg.
Este nevoie de presiune mare și temperaturi foarte scăzute pentru a deveni lichid sau solid. Când este lichefiat, este fluid și ușor.
Proprietăți chimice
Sub presiune și răcire (-252,87 gr. C), hidrogenul capătă o stare lichidă, care este mai ușoară ca greutate decât orice analog. În ea, ocupă mai puțin spațiu decât în formă gazoasă.
El este un non-metal tipic. În laboratoare, se obține prin reacția metalelor (cum ar fi zincul sau fierul) cu acizi diluați. În condiții normale, este inactiv și reacționează numai cu nemetale active. Hidrogenul poate separa oxigenul de oxizi și poate reduce metalele din compuși. Ea și amestecurile sale formează legături de hidrogen cu anumite elemente.
Gazul este foarte solubil în etanol și în multe metale, în special paladiu. Argintul nu îl dizolvă. Hidrogenul poate fi oxidat în timpul arderii în oxigen sau în aer și atunci când interacționează cu halogenii.
Când este combinat cu oxigenul, se formează apă. Dacă temperatura este normală, atunci reacția este lentă, dacă este peste 550 ° C - cu o explozie (se transformă în gaz exploziv).
Găsirea hidrogenului în natură
Deși există mult hidrogen pe planeta noastră, nu este ușor să-l găsim în forma sa pură. Puține se pot găsi în timpul erupțiilor vulcanice, în timpul extracției petrolului și în locul de descompunere a materiei organice.
Mai mult de jumătate din cantitatea totală se află în compoziția cu apă. De asemenea, este inclus în structura uleiului, diferitelor argile, gaze combustibile, animale și plante (prezența în fiecare celulă vie este de 50% din numărul de atomi).
Ciclul hidrogenului în natură
În fiecare an, o cantitate uriașă (miliarde de tone) de rămășițe vegetale se descompun în corpurile de apă și sol, iar această descompunere stropește o masă uriașă de hidrogen în atmosferă. De asemenea, este eliberat în timpul oricărei fermentații cauzate de bacterii, ardere și, împreună cu oxigenul, participă la ciclul apei.
Aplicații pentru hidrogen
Elementul este utilizat în mod activ de umanitate în activitățile sale, așa că am învățat cum să-l obținem la scară industrială pentru:
Meteorologie, producție chimică;
producția de margarină;
Ca combustibil pentru rachete (hidrogen lichid);
Industria energetică pentru răcirea generatoarelor electrice;
Sudarea si taierea metalelor.
Masa de hidrogen este utilizată în producția de benzină sintetică (pentru a îmbunătăți calitatea combustibilului de calitate scăzută), amoniac, acid clorhidric, alcooli și alte materiale. Energia nucleară își folosește în mod activ izotopii.
Preparatul „peroxid de hidrogen” este utilizat pe scară largă în metalurgie, industria electronică, producția de celuloză și hârtie, albirea țesăturilor de in și bumbac, pentru fabricarea vopselelor de păr și a produselor cosmetice, a polimerilor și în medicina pentru tratarea rănilor.
Natura „explozivă” a acestui gaz poate deveni o armă mortală - o bombă cu hidrogen. Explozia sa este însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de substanțe radioactive și este dăunătoare tuturor viețuitoarelor.
Contactul hidrogenului lichid și pielea amenință cu degerături severe și dureroase.