Starea atomilor din materia solidă a scoarței terestre. Miezul planetei Pământ. (Descrierea proceselor de dezintegrare și fuziune nucleară din miezul planetei) Domenii de aplicare a hidrogenului
Compoziția elementară a materiei vii și OM a combustibililor fosili
Combustibilii fosili conțin aceleași elemente ca și substanța organismelor vii, prin urmare elementele sunt carbon, hidrogen, oxigen, azot, sulf și fosfor numit sau biogene, sau biofile, sau organogenice.
Hidrogenul, carbonul, oxigenul și azotul sunt responsabile mai mult de 99% atât masa cât și numărul de atomi care alcătuiesc toate organismele vii. Pe lângă acestea, ele pot fi concentrate și în cantități semnificative în organismele vii.
uite 20-22 elemente chimice. 12 elemente alcătuiesc 99,29%, restul 0,71%
Prevalența în spațiu: 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 atomică, izotopi, distribuția hidrogenului, oxigenului, sulfului și azotului în scoarța terestră
HIDROGEN - elementul principal al cosmosului, cel mai comun element al Universului . Grupa el-t chimică 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. Se cunosc trei izotopi ai H. Doi stabili sunt protiul 1 H - P (99,985%), deuteriu 2H - D (0,015%), iar unul radioactiv este tritiu 3H - T, T 1/2 = 12,262 ani. Încă unul se obține artificial - al patrulea izotop extrem de instabil - 4 H. În separarea P și D în condiții naturale, evaporarea joacă rolul principal, totuși, masa apelor oceanelor lumii este atât de mare încât conținutul de deuteriu in ea se schimba putin. În țările tropicale, conținutul de deuteriu în precipitații este mai mare decât în zona polară. În stare liberă, H este un gaz incolor, insipid și inodor, 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 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) și determină proprietățile și structura geopolimerilor de kerogen 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, motiv pentru care se numește legătură de hidrogen.
OXIGEN - Cel mai comun element al scoarței terestre, reprezintă 49,13% din masă. 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. Gheața polară are cel mai mic coeficient de izotop, cel mai mare este atmosfera de CO2. Când comparați compoziția izotopică, utilizați valoarea d 18 O, care se calculează prin formula: d 18 O‰= . In spate standard Se presupune raportul mediu al acestor izotopi din apa oceanului. Variațiile în compoziția izotopică a O din apă sunt determinate de temperatura la care are loc formarea mineralelor specifice. Cu cât T mai mic, cu atât fracţionarea izotopilor va fi mai intensă. Se crede că compoziția izotopică 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 și inodor. În reacțiile cu marea majoritate a atomilor, O joacă rolul de agent oxidant. Numai în reacția cu F există agentul de oxidare modificări dialotrope . În primul rând - oxigen molecular - O2 A doua modificare - ozon – O 3, format sub influența descărcărilor electrice în aer și a O pur, în procese radioactive, și prin acțiunea razelor ultraviolete asupra O obișnuit. În natură O 3 se formează în mod constant sub influența razelor UV în straturile superioare ale atmosferei. La o altitudine de aproximativ 30-50 km, există un „ecran de ozon” care blochează cea mai mare parte a razelor UV, protejând organismele biosferei de efectele distructive ale acestor raze. La concentrații scăzute O 3 miros plăcut, răcoritor, dar dacă în aer mai mult de 1% O3, este foarte toxic .
AZOT - concentrat în biosferă: predomină în atmosferă (75,31% din greutate, 78,7% din volum), iar în scoarța terestră greutate clarke - 0,045%. Element chimic din grupa V, perioada 2, numărul atomic 7, masa atomică 14,0067. Sunt cunoscuți trei izotopi ai N - doi stabil 14 N (99,635%) și 15 N (0,365%) și radioactive 13 N, T1/2 = 10,08 min. Răspândirea generală a valorilor raportului 15 N/ 14 N mic . Uleiurile sunt îmbogățite în izotopul 15N, în timp ce gazele naturale însoțitoare sunt epuizate în el. Șisturile bituminoase sunt, de asemenea, îmbogățite în izotopul greu N 2 este un gaz incolor, insipid și inodor. N spre deosebire de O nu suportă respirația, amestecul N c O este cel mai acceptabil pentru respirație de către majoritatea locuitorilor planetei noastre. N este inactiv din punct de vedere chimic. Face parte din substanțele vitale ale 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. 3 electroni de valență ai învelișului exterior al fiecărui atom participă la formarea unei legături între ei, formând legătură chimică covalentă triplă care dă cel mai stabil dintre toate moleculele diatomice cunoscute. Valența „formală” este de la -3 la +5, valența „adevărată” este 3. Formând legături covalente puternice cu O, H și C, face parte din ionii complecși: -, -, +, care dau săruri ușor solubile.
SULF – el-t ZK,în manta (roci ultrabazice) este de 5 ori mai mic decât în litosferă. Clark în ZK - 0,1%. El-t chimic din grupa VI, 3 perioade, număr atomic 16, masă atomică 32,06. Foarte electronegativ, prezintă proprietăți nemetalice. În compușii cu hidrogen și oxigen se găsește în diverși ioni. Arr acid și sare. Multe săruri care conțin sulf sunt ușor 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. De importanță primordială pentru procesele naturale este ionul complex - 2 S - un nemetal, un element activ din punct de vedere chimic. S nu interacționează numai cu Au și Pt. Dintre compușii anorganici, pe lângă sulfați, sulfuri și H2SO4, cei mai des întâlniți oxizi de pe Pământ sunt SO 2 - un gaz care poluează puternic atmosfera și SO 3 (un solid), precum și hidrogenul sulfurat. 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 - acestea sunt lanțuri liniare de șase atomi. În natură sunt cunoscuți 4 izotopi stabili ai S: 32 S (95,02%), 34 S (4,21%), 33 S (0,75%), 36 S (0,02%). Izotop radioactiv artificial 35 S cu T 1/2 = 8,72 zile. S este luat ca standard troilit(FeS) de la meteoritul Diablo Canyon (32 S/ 34 S = 22,22) Reacțiile de oxidare și reducere pot determina schimbul de izotopi, exprimat ca deplasare izotopică. În natură - bacterian, dar și termic este posibil. 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 evaporitelor antice, gips care conține 34 S. Gazele care însoțesc zăcămintele de petrol variază în compoziția izotopică și diferă semnificativ de uleiuri.
Compoziția chimică a scoarței terestre a fost determinată pe baza rezultatelor analizei a numeroase mostre de roci și minerale care au ajuns la suprafața pământului în timpul proceselor de formare a munților, precum și prelevate din lucrări miniere și foraje adânci.
În prezent, scoarța terestră a fost studiată la o adâncime de 15-20 km. Este format din elemente chimice care fac parte din roci.
Cele mai comune elemente din scoarța terestră sunt 46, dintre care 8 alcătuiesc 97,2-98,8% din masa sa, 2 (oxigen și siliciu) - 75% din masa Pământului.
Primele 13 elemente (cu excepția titanului), care se găsesc cel mai adesea în scoarța terestră, fac parte din materia organică a plantelor, participă la toate procesele vitale și joacă un rol important în fertilitatea solului. Un număr mare de elemente care participă la reacțiile chimice din intestinele Pământului duc la formarea unei game largi de compuși. Elementele chimice care sunt cele mai abundente în litosferă se găsesc în multe minerale (mai ales roci diferite sunt formate din ele).
Elementele chimice individuale sunt distribuite în geosfere astfel: oxigenul și hidrogenul umplu hidrosfera; oxigenul, hidrogenul și carbonul formează baza biosferei; oxigenul, hidrogenul, siliciul și aluminiul sunt componentele principale ale argilelor și nisipurilor sau ale produselor meteorologice (acestea formează în principal partea superioară a scoarței terestre).
Elementele chimice din natură se găsesc într-o varietate de compuși numiți minerale. Acestea sunt substanțe chimice omogene ale scoarței terestre care s-au format ca urmare a unor procese fizico-chimice sau biochimice complexe, de exemplu sare gemă (NaCl), gips (CaS04*2H20), ortoclază (K2Al2Si6016).
În natură, elementele chimice joacă un rol inegal în formarea diferitelor minerale. De exemplu, siliciul (Si) este o componentă a peste 600 de minerale și este, de asemenea, foarte comun sub formă de oxizi. Sulful formează până la 600 de compuși, calciu - 300, magneziu -200, mangan - 150, bor - 80, potasiu - până la 75, sunt cunoscuți doar 10 compuși de litiu și chiar mai puțini compuși de iod.
Printre cele mai cunoscute minerale din scoarța terestră predomină un grup mare de feldspați cu trei elemente principale - K, Na și Ca. În rocile care formează solul și produsele lor de intemperii, feldspații ocupă o poziție majoră. Feldspații se dezintegra treptat și îmbogățesc solul cu K, Na, Ca, Mg, Fe și alte substanțe de cenușă, precum și cu microelemente.
Numărul Clark- numere care exprimă conținutul mediu de elemente chimice din scoarța terestră, hidrosferă, Pământ, corpuri cosmice, sisteme geochimice sau cosmochimice etc., în raport cu masa totală a acestui sistem. Exprimat în % sau g/kg.
Tipuri de clarks
Există clarks în greutate (%, g/t sau g/g) și atomici (% din numărul de atomi). O generalizare a datelor privind compoziția chimică a diferitelor roci care alcătuiesc scoarța terestră, ținând cont de distribuția acestora la adâncimi de 16 km, a fost făcută pentru prima dată de omul de știință american F. W. Clark (1889). Numerele pe care le-a obţinut pentru procentul elementelor chimice din compoziţia scoarţei terestre, ulterior oarecum rafinate de A.E. Fersman, la sugestia acestuia din urmă, au fost numite numere Clark sau Clarks.
Structura moleculei. Proprietățile electrice, optice, magnetice și alte proprietăți ale moleculelor sunt legate de funcțiile de undă și energiile diferitelor stări ale moleculelor. Spectrele moleculare oferă informații despre stările moleculelor și probabilitatea tranziției dintre ele.
Frecvențele de vibrație din spectre sunt determinate de masele atomilor, de localizarea acestora și de dinamica interacțiunilor interatomice. Frecvențele din spectre depind de momentele de inerție ale moleculelor, a căror determinare din datele spectroscopice permite obținerea unor valori precise ale distanțelor interatomice în moleculă. Numărul total de linii și benzi din spectrul vibrațional al unei molecule depinde de simetria acesteia.
Tranzițiile electronice în molecule caracterizează structura învelișurilor lor electronice și starea legăturilor chimice. Spectrele moleculelor care au un număr mai mare de legături sunt caracterizate prin benzi de absorbție a undelor lungi care cad în regiunea vizibilă. Substanțele care sunt construite din astfel de molecule sunt caracterizate prin culoare; Aceste substanțe includ toți coloranții organici.
Ioni. Ca urmare a tranzițiilor electronilor, se formează ioni - atomi sau grupuri de atomi în care numărul de electroni nu este egal cu numărul de protoni. Dacă un ion conține mai multe particule încărcate negativ decât cele pozitive, atunci un astfel de ion se numește negativ. În caz contrar, ionul se numește pozitiv. Ionii sunt foarte frecventi in substante, de exemplu, se gasesc in toate metalele fara exceptie. Motivul este că unul sau mai mulți electroni din fiecare atom de metal sunt separați și se mișcă în interiorul metalului, formând ceea ce se numește un gaz de electroni. Din cauza pierderii de electroni, adică a particulelor negative, atomii de metal devin ioni pozitivi. Acest lucru este valabil pentru metale în orice stare - solidă, lichidă sau gazoasă.
Rețeaua cristalină modelează dispunerea ionilor pozitivi în interiorul unui cristal dintr-o substanță metalică omogenă.
Se știe că în stare solidă toate metalele sunt cristale. Ionii tuturor metalelor sunt aranjați ordonat, formând o rețea cristalină. În metalele (gazoase) topite și evaporate, nu există un aranjament ordonat al ionilor, dar gazul de electroni rămâne încă între ioni.
Izotopi- varietati de atomi (și nuclee) ale unui element chimic care au același număr atomic (ordinal), dar în același timp numere de masă diferite. Numele se datorează faptului că toți izotopii unui atom sunt plasați în același loc (într-o celulă) din tabelul periodic. Proprietățile chimice ale unui atom depind de structura învelișului de electroni, care, la rândul său, este determinată în principal de sarcina nucleului Z (adică de numărul de protoni din el) și aproape nu depind de masa sa. numărul A (adică numărul total de protoni Z și neutroni N) . Toți izotopii aceluiași element au aceeași sarcină nucleară, diferând doar prin numărul de neutroni. De obicei, un izotop este desemnat prin simbolul elementului chimic căruia îi aparține, cu adăugarea unui sufix din stânga sus indicând numărul de masă. De asemenea, puteți scrie numele elementului urmat de un număr de masă cu cratime. Unii izotopi au denumiri proprii tradiționale (de exemplu, deuteriu, actinon).
Pentru geochimie, este important să se clarifice principiul distribuției elementelor chimice în scoarța terestră. De ce unele dintre ele se găsesc adesea în natură, altele mult mai puțin frecvente, iar altele chiar considerate „rarități muzeale”?
Un instrument puternic pentru explicarea multor fenomene geochimice este Legea periodică a D.I. Mendeleev. În special, cu ajutorul său poate fi investigată problema prevalenței elementelor chimice în scoarța terestră.
Pentru prima dată, legătura 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.
Reguli (legi) ale geochimiei
regula lui Mendeleev
În 1869, în timp ce lucra la legea periodică, D.I. Mendeleev a formulat regula: „ Elementele cu greutăți atomice mici sunt în general mai abundente decât elementele cu greutăți atomice mai mari„(vezi Anexa 1, Tabelul periodic al elementelor chimice). Mai târziu, odată cu descoperirea structurii atomului, s-a demonstrat că pentru elementele chimice cu masă atomică mică numărul de protoni este aproximativ egal cu numărul de neutroni din nucleele atomilor lor, adică raportul acestor doi. cantitățile este egală sau apropiată 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 unitatea: pentru radiu; pentru uraniu = 1,59.
„Regula lui Mendeleev” a fost dezvoltată în continuare 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 lui Oddo
În 1914, chimistul italian Giuseppe Oddo a formulat o regulă diferită: „ Greutățile atomice ale celor mai comune elemente sunt exprimate în numere care sunt multipli de patru sau se abate ușor 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 este deosebit de puternică.
regula lui Garkins
În 1917, fizicianul american William Draper Garkins (Harkins) a atras atenția asupra faptului că elementele chimice cu numere atomice pare (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 tabelului periodic, 14 pare alcătuiesc 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 Harkins: de exemplu, chiar și gazele nobile sunt extrem de prost distribuite, iar aluminiul Al ciudat este mai răspândit decât chiar și magneziul Mg. Cu toate acestea, există sugestii că această regulă se aplică nu atât crustei terestre, cât întregului glob. Deși nu există încă 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 aluminiul. 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 trasați 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. Abundența elementelor chimice din Univers
(log C – logaritmii 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 pe baza regulii lui Fersman. Astfel de elemente chimice sunt numite respectiv redundantȘi rară.
Formularea legii de bază a geochimiei este dată la p.
Până acum, vorbind despre teoria atomică, despre cum din mai multe tipuri de atomi legați între ei în ordine diferite, se obțin substanțe complet diferite, nu am pus niciodată întrebarea „copilără” - de unde au venit atomii înșiși? De ce există o mulțime de atomi ai unor elemente și foarte puțini ai altora și sunt distribuiți foarte neuniform? De exemplu, un singur element (oxigenul) 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, obținem deja 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 și platină, motiv pentru care sunt atât de scumpe. 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 argint decât reniu.
Distribuția elementelor pe Soare este complet diferită: există cel mai mult hidrogen (70%) și heliu (28%) și toate celelalte elemente - doar 2%. Dacă luați întregul Univers vizibil, atunci există și mai mult hidrogen în ea. De ce este asta? În antichitate și în Evul Mediu, întrebările despre originea atomilor nu erau puse, deoarece ei credeau că ei au existat întotdeauna într-o formă și cantitate neschimbată (și conform tradiției biblice, au fost creați de Dumnezeu într-o zi a creației) . Și chiar și atunci când teoria atomică 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 s-a spus deja. în 1815, William Prout a propus că toate elementele provin din atomii celui mai ușor element, hidrogenul. După cum a scris Prout, hidrogenul este însăși „materia primă” 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 general 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 super-dens și super-fierbinte a început să se extindă rapid. Fizicienii au o idee destul de bună despre cum s-au desfășurat evenimentele la 0,01 secunde după explozie. Teoria a ceea ce s-a întâmplat înainte a fost dezvoltată mult mai puțin bine, deoarece în cheagul de materie care exista la acea vreme, legile fizice cunoscute acum erau prost îndeplinite (și mai devreme, cu atât mai rău). Mai mult decât atât, problema a ceea ce s-a întâmplat înainte de Big Bang nu a fost niciodată luată în considerare, deoarece timpul în sine nu exista atunci! La urma urmei, dacă nu există o lume materială, adică nici un eveniment, atunci de unde vine timpul? Cine sau ce va număra înapoi? Așadar, problema a început să se destrame rapid și să se răcească. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât este mai mare oportunitatea de formare a diferitelor structuri (de exemplu, la temperatura camerei pot exista milioane de compuși organici diferiți, la +500 ° C - doar câțiva, și peste +1000 ° C, probabil nici un produs organic substanțele pot exista - Toate acestea se împart 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” - „compus, 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 atașa electronii și forma agomi deoarece temperatura era prea ridicată. Universul primordial era format din hidrogen (aproximativ 75%) și heliu, cu o cantitate mică din următorul element cel mai abundent, litiu (are trei protoni în nucleul său). 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 s-au putut combina 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, va continua să se extindă și să se răcească la infinit. Dar atunci ar fi nu numai alte elemente, ci și galaxii, stele și, de asemenea, tu și cu mine. Expansiunea infinită a Universului a fost contracarată de forțele gravitației universale (gravitația). Comprimarea gravitațională a materiei în diferite părți ale Universului rarefiat a fost însoțită de o încălzire puternică repetată - a început etapa de formare a stelelor în masă, care a durat aproximativ 100 de milioane de ani în acele regiuni ale spațiului formate din gaz și praf unde temperatura a ajuns la 10 milioane 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 aprins noua stea era suficient de hidrogen în ea, comprimarea stelei sub influența gravitației a fost contracarată de radiație, care „a apăsat din interior din cauza „arderii” hidrogenului. Acest proces are loc foarte lent, deoarece convergența a două protonii încărcați este împiedicat de forța de repulsie coulombiană. Deci lumina noastră are încă 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 gravitaționale 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, proviziile de heliu se vor epuiza. Și apoi începe a treia etapă de comprimare a stelei de către forțele gravitaționale. Și apoi totul depinde de masa stelei în acest stadiu. Dacă masa nu este foarte mare (precum Soarele nostru), atunci efectul creșterii temperaturii pe măsură ce steaua se contractă nu va fi suficient pentru a permite carbonului și oxigenului 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 reacții de sinteză a elementelor mai grele din carbon și oxigen. După cum au spus astronomii, stelele sunt incendii nucleare, a căror cenușă este elemente chimice grele.
33
2- 1822
Energia eliberată în această etapă a vieții stelei „umflă” foarte mult straturile exterioare ale gigantului roșu; dacă Soarele nostru ar fi devenit o astfel de stea. Pământul ar ajunge în interiorul acestei mingi uriașe - nu o perspectivă foarte plăcută pentru tot ce este pe pământ. Vânt stelar.
„respirând” de pe suprafața giganților roșii, transportă în spațiul cosmic elementele chimice sintetizate de acești giganți, 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 unui 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 eliberează energie, în timp ce sinteza elementelor mai grele necesită energie. Odată cu cheltuirea energiei, apar și reacțiile de descompunere a fierului în elemente mai ușoare. Prin urmare, în stelele care au ajuns 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 fără motiv medicii numesc aceasta o scădere bruscă a tensiunii arteriale, care este foarte periculoasă pentru oameni). În timpul colapsului gravitațional, se formează un număr mare de neutroni, care, din cauza lipsei de încărcare, pătrund ușor în nucleele tuturor elementelor existente. Nucleii suprasaturați cu neutroni suferă o transformare specială (se numește dezintegrare beta), în timpul căreia se formează un proton dintr-un neutron; ca urmare, din nucleul unui element dat se obține următorul 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 acestuia captează un neutron și se formează elementul artificial neptunium (93 protoni, 146 neutroni). ), și din el acel plutoniu foarte 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 cu o viteză de până la 10.000 km/s. iar o mică rămășiță de materie din steaua moartă este comprimată (se prăbușește) pentru a forma o stea neutronică super-densă sau chiar o gaură neagră. Ocazional, astfel de stele izbucnesc pe cerul nostru, iar dacă erupția are loc nu prea departe, supernova eclipsează toate celelalte stele în luminozitate Și nu este surprinzător: luminozitatea unei supernove poate depăși luminozitatea unei galaxii întregi. miliarde de stele! Una dintre aceste „stele noi, conform cronicilor chineze, a izbucnit în 1054. Acum în acest loc se află celebra Nebuloasă a Crabului din constelația Taurului, iar în centrul ei se învârte rapid (30 de rotații pe secundă! ) stea cu neutroni, și nu pentru sinteza de noi elemente), astfel de stele au izbucnit până acum doar în galaxii îndepărtate...
Ca urmare a „arderii” stelelor și a exploziei supernovelor, multe elemente chimice cunoscute au fost găsite în spațiul cosmic. Rămășițele de supernove sub formă de nebuloase în expansiune, „încălzite” prin transformări radioactive, se ciocnesc unele de altele, se condensează în formațiuni dense, din care iau naștere stelele unei noi generații sub influența forțelor gravitaționale. Aceste stele (inclusiv Soarele nostru) conțin un amestec de elemente grele încă de la începutul existenței lor; aceleași elemente sunt conținute în norii de gaz și praf care înconjoară aceste stele, din care se formează planetele. Așadar, elementele care compun toate lucrurile din jurul nostru, inclusiv corpul nostru, s-au născut ca urmare a unor procese cosmice grandioase...
De ce s-au format o mulțime de elemente și puține altele? Se dovedește că, în procesul de nucleosinteză, este cel mai probabil să se formeze nuclee formate dintr-un număr mic par de neutroni și neutroni. Nucleele grele, „debordate” de protoni și neutroni, sunt mai puțin stabile și sunt mai puține în Univers. Există o regulă generală: cu cât sarcina unui nucleu 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, în scoarța terestră există puține nuclee ușoare de litiu (3 protoni, 3 neutroni), bor (5 protoni și 5 sau b neutroni). Se presupune că aceste nuclee, din mai multe motive, nu se pot forma în adâncurile stelelor și, sub influența razelor cosmice, se „despart” de 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, în etapele ulterioare ale dezvoltării Universului.
Răspunsuri la întrebări,
depus la examen la disciplina „Procese fizico-chimice în mediu” pentru studenții din anul III ai specialității „Management și audit de mediu în industrie”
Abundență de atomi în mediu. Clarks de elemente.
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 Unglizort, un geochimist american.
Clark a fost primul care a stabilit abundența cantitativă a elementelor chimice din scoarța terestră. El a inclus, de asemenea, hidrosfera și atmosfera în scoarța terestră. Cu toate acestea, masa hidrosferei este de câteva procente, iar atmosfera este sutimi de procent din masa crustei solide, astfel încât numerele Clark reflectă în principal compoziția crustei solide. Astfel, în 1889, clarke-urile au fost calculate pentru 10 elemente, în 1924 - pentru 50 de elemente.
Radiometrice moderne, activarea neutronilor, adsorbția 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. De exemplu: Ge în 1898 Fox a considerat clarke ca fiind egal cu n * 10 -10%. Ge a fost slab studiat și nu avea nicio semnificație practică. În 1924, Clarke pentru aceasta a fost calculată ca n*10 -9% (Clark și G. Washington). Mai târziu, Ge a fost descoperit în cărbuni, iar clarke-ul său a crescut la 0,p%. 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 precum Sn, As, este mult mai mare în scoarța terestră decât Au, Pt, Ag.
Abundență de atomi în atomi
Vernadsky a introdus conceptul de stare dispersată a elementelor chimice și a fost confirmat. Toate elementele sunt prezente peste tot nu putem vorbi decât de lipsa de sensibilitate a analizei, ceea ce nu ne permite să stabilim conținutul unuia sau altuia din mediul studiat. Această propoziție despre dispersia generală a elementelor chimice se numește legea Clark-Vernadsky.
Pe baza elementelor clark din scoarța pământului solid (despre Vinogradov), aproape jumătate din scoarța pământului solid este formată din O, adică scoarța terestră este o „sferă de oxigen”, o substanță de oxigen.
Clarks ale majorității elementelor nu depășesc 0,01-0,0001% - acestea sunt elemente rare. Dacă aceste elemente au o capacitate slabă de concentrare, se numesc împrăștiate brusc (Br, In, Ra, I, Hf).
De exemplu: pentru U și Br, valorile clarke sunt ≈ 2,5*10 -4, respectiv 2,1* 10-4, dar U este pur și simplu un element rar, deoarece zăcămintele sale sunt cunoscute, iar Br este rar, împrăștiat, deoarece nu este concentrat în scoarța terestră. Microelementele sunt elemente conținute într-un sistem dat în cantități mici (≈ 0,01% sau mai puțin). Astfel, Al este un microelement în organisme și un macroelement în rocile silicate.
Clasificarea elementelor după Vernadsky.
În scoarța terestră, elementele legate de tabelul 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. Principala semnificație 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 grupului 3 în masă predomină în scoarța terestră, ele constau în principal din roci, apă și organisme.
Ideile din experiența de zi cu zi nu se potrivesc cu datele reale. Astfel, Zn, Cu sunt distribuite pe scară largă 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 mult decât Cu, iar Ti este de 95 de ori mai mult. „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, iar cele ale elementelor ușoare cresc.
De exemplu:Calculul după numărul de atomi oferă o imagine mai contrastantă a prevalenței 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 despre motivul distribuției inegale a elementelor. Acest stol este asociat cu caracteristicile structurale ale atomilor.
Să luăm în considerare legătura dintre valorile lui Clarkes și proprietățile chimice ale elementelor.
Astfel, metalele alcaline Li, Na, K, Rb, Cs, Fr sunt aproape chimic unul de celălalt - un electron de valență, dar valorile clarke sunt diferite - Na și K - ≈ 2,5; Rb - 1,5*10-2; Li - 3,2*10 -3 ; Cs – 3,7 * 10 -4 ; Valorile clarke diferă puternic 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).
Pe de altă parte, elementele care sunt diferite din punct de vedere chimic au valori clarke 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 clarks pentru elementele pare și impare ale tabelului periodic de numărul atomic al elementului. S-a dovedit că, pe măsură ce structura nucleului atomic devine mai complexă (ponderată), valorile clarke ale 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 ordinal al elementului creștea. Omul de știință a numit elementele situate deasupra liniei de mijloc, formând vârfuri, în exces (O, Si, Fe etc.), iar pe cele situate sub linie - deficitare (gaze inerte etc.). Din dependența obținută rezultă că scoarța terestră este dominată de atomi ușori, ocupând celulele inițiale ale Tabelului Periodic, ale căror nuclee conțin un număr mic de protoni și neutroni. Într-adevăr, după Fe (Nr. 26) nu există un singur element comun.
Mai departe Oddo (om de știință italian) și Garkins (om de știință american) în 1925-28. S-a stabilit o altă caracteristică a prevalenței elementelor. Scoarța terestră este dominată de elemente cu număr atomic par și mase atomice. Printre elementele învecinate, elementele pare au aproape întotdeauna clark mai mari decât cele 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 pare a clarkes totalizează 86,43%, iar cele impare – 13,05% Clarcele 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 de tip 4q+3 (12,7%) și foarte puține nuclee de tip 4q+1 și 4q+2 (1%).
Dintre elementele pare, începând cu He, fiecare al șaselea are cele mai înalte clarkes: 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 par de protoni și neutroni.
De-a lungul timpului, clarks s-au schimbat. Deci, ca urmare a dezintegrarii radioactive, a existat mai puțin U și Th, dar mai mult Pb. Procese precum disiparea gazelor și precipitarea meteoriților au jucat, de asemenea, un rol în schimbarea valorilor clarke ale elementelor.
Principalele tendințe ale modificărilor chimice în scoarța terestră. Ciclu mare de materie din scoarța terestră.
CICLUL SUBSTANȚELOR. Substanța scoarței terestre este în mișcare continuă, cauzată de diverse motive legate de fizic și chimic. proprietățile materiei, planetare, geologice, geografice și biologice. condiţiile pământului. Această mișcare are loc invariabil și continuu de-a lungul timpului geologic - cel puțin o 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 ei sunt mișcările chimice. elemente ale substanței pământului, indiferent de ce cauzează aceste mișcări. Aceste mișcări ale elementelor se numesc migrații chimice. elemente. Printre migraţii se numără cele în cursul cărora chimic elementul revine inevitabil la starea inițială după o perioadă mai lungă sau mai scurtă de timp; istoricul unor astfel de substanțe chimice. elementele din scoarța terestră pot fi reduse astfel. la un proces reversibil și se prezintă sub forma unui proces circular, a unui ciclu. Acest tip de migrare nu este tipic pentru toate elementele, ci pentru un număr semnificativ dintre acestea, 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, întreaga masă sau copleșitoare a atomilor lor se află în ciclul substanțelor, pentru altele, doar o parte nesemnificativă a acestora este acoperită de cicluri; Nu există nicio îndoială că cea mai mare parte a materialului scoarței terestre la o adâncime de 20-25 km este acoperită de gire. Pentru următoarele chimie. elementele, procesele circulare sunt caracteristice și dominante printre migrațiile lor (numărul 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 pe această bază de alte elemente ca elemente ciclice sau organogenice. Acea. ciclurile caracterizează 42 de elemente din 92 de elemente incluse în sistemul Mendeleev, iar acest număr include cele mai comune elemente dominante pământești.
Să ne oprim asupra primului tip de cicloni, care implică migrații biogene. Aceste K. captează biosfera (adică atmosfera, hidrosfera, crusta de intemperii). Sub hidrosferă, ei captează învelișul 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 pătrund în învelișul de bazalt. Din adâncurile pământului, aflată în spatele învelișului de bazalt, substanța pământului nu cade în K observat. De asemenea, nu cade în ele de sus din cauza părților superioare ale stratosferei. Acea. cicluri chimice elementele sunt fenomene de suprafață care au loc în atmosferă la altitudini de 15-20 km (nu mai mari), iar în litosferă nu mai mult de 15-20 km. Fiecare K., pentru a se reînnoi constant, necesită un aflux de energie externă. Sunt cunoscute două principale și nu există nicio îndoială. sursă de astfel de energie: 1) energie cosmică - radiație de la soare (migrația biogenă depinde aproape în întregime de aceasta) și 2) energia atomică asociată cu dezintegrarea radioactivă a elementelor din seria 78 de uraniu, toriu, potasiu, rubidiu grad mai mic de precizie, se poate distinge energia mecanică, asociată cu mișcarea (datorită gravitației) a maselor pământului și, probabil, energia cosmică care pătrunde de sus (razele lui Hess).
Girurile, care implică mai multe straturi ale pământului, se desfășoară încet, cu opriri, și pot fi văzute doar în timpul geologic. Ele se întind adesea pe mai multe perioade geologice. Ele sunt cauzate de geolog, deplasări de pământ și ocean. Părți din K. se pot mișca rapid (de exemplu, migrația biogene).
| " |
