Геохимическая классификация химических элементов

Содержание

1. Классификация по распространенности: петрогенные и редкие элементы………….2

1. Классификация по коэффициентам распределения: совместимые и несовместимые элементы……………………………………………………………………….2

2. Макро- и микроэлементы………………………………………………………. 2

2. Классификация Ферсмана ……………………………………………………………………3

3. Классификация Вернадского ………………………………………………………………...3

4. Классификация Гольдшмидта………………………………………………………………. 4

5. Список используемой  литературы………………………………………………………….. 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геохимические классификации элементов - способы систематизации химических элементов в зависимости от их встречаемости в природе или просто классификации используемые в геохимии. Таких классификаций существует несколько.

1. Классификация по распространенности: петрогенные и редкие элементы

С точки зрения термодинамики компоненты системы могут быть в зависимости  от концентрации могут быть разделены  на две группы:

• главные, которые определяют фазовый состав системы
• второстепенные компоненты, которых слишком мало для того, что бы образовать самостоятельные фазы или повлиять на систему, и они пассивно распределяются между существующими фазами.

В природных системах распространенность элементов накладывает на состав типичных систем определенные ограничения. Из 98 элементов периодической таблицы Менделеева, встречающихся в природе наиболее распространены 12 элементов, которые в подавляющем большинстве случаев породы слагают 99% массы горных пород. Эти элементы: O, Si, Ti, Al, Mg, Fe, Ca, Na, K, P, H, C называются петрогенными (петро — порода, ген — происхождение).

Все остальные элементы относятся  к редким или рассеянным элементам. Деление на редкие и петрогенные элементы достаточно условно. Большинство редких элементов при определенных условиях может концентрироваться до таких концентраций, что возникают их собственные минералы, то есть они влияют на фазовый состав системы. Однако такие системы играют ограниченную роль в важнейших геохимических процессах. Так, стронций даже в небольших количествах сильно влияет на устойчивость кальцит/арагонит. С другой стороны, при появлении в системе минералов, в которых редкий элемент основной, например, редкий элемент цирконий часто достигает концентрации достаточных для кристаллизации циркона или монацита, при этом его влияние на другие фазы всё равно остается весьма ограниченным.

Термин редкие элементы не совсем точен. Может показаться, что эти  элементы встречаются реже чем другие, но одним из основных положений геохимии является наблюдение, что в любом  природном веществе присутствуют все 98 элементов, однако в различных концентрациях (закон всюдности химических элементов). При этом содержание редких элементов в разных породах может различаться в сотни и тысячи раз и они часто оказываются очень чувствительными индикаторами геохимических процессов. Во многих случаях различные процессы приводя к возникновению пород с идентичным минеральным составом и содержанием петрогенных элементов, но концентрации редких элементов при этом могут различаться и позволять реконструировать историю породы.

1.1. Классификация по коэффициентам распределения: совместимые и несовместимые элементы

Редкие элементы по разному распределяются между фазами системы. Особенно важно  их поведение в процессах разделение вещества, таких как плавление  и кристаллизация.

1.2. Макро- и микроэлементы

В биогеохимии принято разделение элементов по их роли в строении живых организмов. Макроэлементами называются те элементы, содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001%. Это кислород, водород, углерод, азот, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор, железо и др. Эти элементы слагают плоть живых организмов.

Микроэлементами называются элементы, содержание которых мало, но они участвуют в биохимических процессах и в значительной мере определяют самочувствие живых организмов. По современным данным более 30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности растений и животных. Среди них алюминий, цинк, кобальт, железо, йод, селен, медь, молибден, бром, фтор.

 

2. Классификация Ферсмана.

 

Основой большинства геохимических классификаций является Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева, где атомы по их химическим свойствам разбиты на группы и ряды, и которая, поэтому может рассматриваться как наиболее ранний вариант не только химической и, но и геохимической классификации. Исходя из периодической системы различными исследователями предпринимались неоднократные попытки геохимической классификации элементов, которая давала бы возможность по положению элементов в периодической системе объяснить поведение его в природных процессах и его естественные ассоциации с другими элементами.

 

Такова, например, классификация, предложенная А.Е. Ферсманом. Он взял периодическую таблицу в ее развернутой форме, как это делал вначале сам Менделеев и горизонтальной чертой, проходящей между 3 и 5 периодами, разделил ее на верхнюю и нижнюю части. Нижнюю часть, в свою очередь, вертикальной чертой (по благородным газам) он разделил на правое и левое поля.

Верхнее поле –  обычное – кончается на никеле (№ 28). Здесь расположены элементы, наиболее распространенные в литосфере, гидросфере и атмосфере. Левая часть этого поля занята преимущественно неметаллами (анионами), а правая – металлами (катионами).

Для нижнего  левого поля характерны халькофильные  металлы, преимущественно дающие соединения с серой, селеном, теллуром. Здесь преобладают элементы сульфидных месторождений (Cu, Zn, As, Sn, Pb и т.д.).

Для нижнего  правого поля характерны элементы остаточных кислых магм и гранитных пегматитов – Zr, Nb, Ta, U, TR и т.д.). Однако, здесь же расположены и элементы платиновой группы, характерные для ультраосновных магм и более близкие к соседним с ними элементам верхнего (обычного) поля.

В подавляющем  большинстве собственно геохимических  классификаций не учитываются трансурановые элементы. Большинство авторов также не включает в них такие элементы, как Tc, Fr, At, содержания которых в природных средах ничтожно малы.

 

3. Классификация Вернадского.

 

Подразделение химических элементов по характеру  их поведения в процессах миграции.

1. Благородные газы – He, Ne, Ar, Kr, Xe. Соединения с другими атомами образуют исключительно редко, поэтому в природных химических процессах значительного участия не принимают.
2. Благородные металлы – Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au. Соединения редки. Преимущественно присутствуют в форме сплавов, и образуются в основном в глубинных процессах (магматических, гидротермальных).
3. Циклические элементы – H, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Sr, Mo, Ag, Cd, Ba, (Be, Cr, Ge, Zr, Sn, Sb, Te, Hf, W, Re, Hg, Tl, Pb, Bi). Наиболее многочисленная группа и преобладающая по массе. Для каждого элемента характерен определённый круг химических соединений, возникающих и распадающихся в ходе природных процессов. Таким образом, каждый элемент проходит цепочку превращений, в конечном счёте возвращаясь к исходной форме нахождения – и далее. Циклы не являются полностью обратимыми, так как часть элементов постоянно выходит из круговорота (и часть так же снова в него вовлекается).
4. Рассеянные элементы – Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, J, Cs, Ta. Безусловно, господствуют рассеянные атомы, не образующие химических соединений. Незначительная доля может участвовать в образовании самостоятельных минеральных соединений (большинство – в глубинных процессах, а J и Br – в гипергенных).
5. Редкоземельные элементы – La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tu, Yb, Lu. Тяготеют к рассеянным. Основная черта – совместная миграция.
6. Радиоактивные элементы - Po, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U. Основная специфика в том, что в геохимическом процессе происходит постоянное превращение одних элементов в другие, что делает процессы их химической миграции наиболее сложными.

Элементы условности данной классификации:

• наличие химических элементов, занимающих промежуточное положение между группами, т.е. способных вести себя в миграционных процессах двояко; в этих случаях для отнесения такого элемента к одной из двух возможных групп «решающим аргументом будет история главной по весу части атомов или наиболее яркие черты их геохимической истории» (наличие доли субъективизма в таком критерии очевидно).
• выделение в особую группу радиоактивных элементов не учитывает разной устойчивости изотопов; у ряда элементов существенной является доля как стабильных, так и нестабильных изотопов, и, естественно, геохимическая история соответствующих долей общего числа атомов данного элемента будет различной (K, Rb, Sm, Re и др.). Сейчас, в связи с процессами радиогенного загрязнения, необходимо учитывать и миграцию искусственных радиоактивных изотопов.

 

4. Классификация Гольдшмидта.

 

Наиболее широко применяемая классификация. Предложена Гольдшмидтом исходя из предположения, что Земля образовалась в результате разделения первично однородного вещества, аналогичного метеоритам, на четыре части: металл, серный расплав, силикатная часть и атмосфера с океаном. Каждый элемент имеет склонность концентрироваться в одной из этих сред, и соответственно разделены на сидерофильные, литофильные, халькофильные и атмофильные элементы. Иначе говоря, это классификация по наибольшему коэффициенту распределения элемента между четырьмя фазами.

 

Литофильные - Li, Be, B, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, I, Cs, Ba, TR, Hf, Ta, W, At, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U. Включены кислород и галогены, а также ассоциирующие с ними элементы, то есть преимущественно образующие кислородные и галоидные соединения. Последние – это те, которые расположены на пиках и нисходящих участках кривых атомных объёмов, а также имеют максимальные величины энергии образования оксидных соединений.

 

Халькофильные (или тиофильные, «любящие» серу) – S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po). Те, которые ассоциируют преимущественно с медью и серой. Это – сера и её аналоги (селен, теллур), а также элементы, преимущественно склонные образовывать не оксидные, а сульфидные соединения. Для последних характерны 18-электронные внешние оболочки катионов, расположение на восходящих участках кривых атомных объёмов. Величины энергии образования кислородных соединений низкие. Некоторые способны существовать в самородном виде.

 

Сидерофильные - Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt. Ассоциируют с железом. Все принадлежат к элементам с достраивающимися d-оболочками. Занимают промежуточное положение между лито- и халькофильными: минимумы на кривой атомных объёмов, промежуточные значения энергии образования кислородных соединений. В равной мере распространены и в оксидных, и в сульфидных ассоциациях.

Атмофильные – все инертные газы, N, H. Все являются газами, свойственно по преимуществу атомарное или молекулярное (вне соединений) состояние (видимость того, что Н представляет исключение, связана с тем, что атомарный водород теряется, рассеиваясь в космическом пространстве).

 

Рис. 1 Гольшмидтовская классификация в периодической системе элементов

 

Существует и широко применяется  геохимическая классификация А.И.Перельмана, основанная на особенностях поведения  химических элементов в зоне гипергенеза.

В основу геохимической классификации  Ю.Г. Щербакова положено разделение элементов на центробежные и центростремительные.

Кроме упомянутых геохимических классификаций  существуют и многие другие (Заварицкого, Вашингтона, Берга и др.), но они, как  правило, носят либо слишком общий, либо слишком частный характер и в современной геохимии практически не используются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы:

 

1. Войткевич В.В., Закруткин В.В. Основы геохимии: Учеб. пособие М.: Высш. Шк., 1976. – 368 с.
2. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С.,Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии М.: Недра, 1977. – 184 с.
3. Войткевич Г.В., Вронский В.А.. Основы учения о биосфере: Уч. пособие Ростов-на-Дону: Феникс, 1996, - 480 с.
4. Добровольский В.В. Основы биогеохимии: учебник М.: Изд. Центр Академия, 2003. - 400 с.
5. Иевлев А.М. Биогеохимия: учебник М.: В. Шк., 1986. – 127 с.
6. Лабораторный практикум по агрогеохимии (геохимии почв)/ сост. Мирошников А.Е., Горбачев В.Н., Титова Е.В. Красноярск: изд.-во Красн. гос. аграр. ун-та, 1997. – 55 с
7. Орлов А.С. Безуглова О.С. Биогеохимия: учебник Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. – 320 с.
8. Перельман А.И. Геохимия биосферы М.: Наука, 1973. – 168 с.
9. Перельман А.И. Геохимия: учебник М.: В. Шк., 1989. – 528 с.
10. Ферсман А. Е., Геохимия, т. 1, Л., 1933
11. Щербина В. В., Геохимия, М. — Л., 1939
12. GoIdschmidt V. М., Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente, Bd 1—8, Kristiania, 1923—27