В этом выпуске я расскажу о слеующем:

• Геохимическая "бухгалтерия".
• Далекая радуга.
• Четыре геохимических сообщества.
• Много ли на Земле минералов?
• Элементы в космосе.

Геохимическая "бухгалтерия".

Казалось бы, чем большее практическое применение получил тот или иной химический элемент, тем больше его содержится в земных недрах. Например, издавна людям известны железо, золото, серебро, медь, ртуть, сера. Однако объясняется это совсем другими причинами: все перечисленные элементы либо встречаются в самородном состоянии (в виде простых веществ), либо же легко выделяются из природных соединений.

Понятие "химический элемент" начало складываться лишь в XVIII веке. Геохимия же как новая область знаний зародилась тогда, когда было открыто уже значительное число элементов. Изучение химического состава десятков и сотен минералов позволило дать предварительную оценку распространенности элементов в земной коре. Первым такую попытку предпринял в начале XIX века английский минералог Уильям Филлипс. Правда, он рассматривал только десять элементов, которые чаще других встречаются в природе: кислород, кремний, алюминий, железо, водород, углерод, азот, калий, магний, кальций. В неорганическом мире, заключил Филлипс, резко преобладают кислород, кремний, алюминий и железо, а в живой природе царствует четверка "органогенов" - элементов, составляющих основу всех органических веществ: кислород, водород, углерод и азот.

Подсчеты Филлипса не вызвали интереса. По мнению многих специалистов, следовало изучать особенности химического состава минералов и горных пород, а не определять какие-то никому не нужные, "отвлеченные цифры". С подобным непониманием столкнулся на первых порах и главный химик Геологической службы США Франк Уиглсуорт Кларк (1847-1931), когда в 70-х годах XIX века начал многолетнюю работу по оценке содержания элементов в земной коре. Только со временем стало ясно: он совершил настоящий научный подвиг.

Сам Кларк проводил мало химических анализов - он занимался статистикой, обобщением полученных ранее данных. Ученый рассуждал так: чем шире распространены те или иные горные породы, тем чаще отбираются их образцы и, следовательно, больше проводится их анализов. Если тщательно обработать уже имеющиеся разультаты, можно получить представление об элементарном составе земной коры. Не всей, конечно, а лишь верхней части. Кларк условно провел ее границу на глубине 16 километров. Эта же цифра используется и в современных расчетах.

За 20 лет Кларк обобщил исследования более тысячи ученых и результаты свыше 5000 анализов. И вот к каким выводам он пришел. Если оценивать среднее содержание элементов в процентах от массы земной коры, то наиболее распространенными оказываются кислород (47%), кремний (29,5%), алюминий (8,05%), железо (4,65%), кальций (2,96%), натрий (2,5%), калий (2,5%) и магний (1,87%). В скобках указаны современные данные, которые лишь незначительно отличаются от полученных Кларком. В сумме они составляют 99,03%. Поэтому на долю всех остальных элементов остается 0,97%. Отсюда следует главное заключение: химические элементы в земной коре встречаются крайне неравномерно. Кроме того, перечисленные элементы располагаются только во 2,3 и 4-м периодах системы Менделеева; из них наибольший порядковый номер имеет железо (26).

Результаты, полученные Кларком, основательно подогрели интерес к количественной геохимии. Содержание химических элементов в земной коре стало такой же важной характеристикой, как порядковый номер и атомный вес. В 1933 году А.Е. Ферсман предложил называть эти величины кларками.

А можно ли оценить состав не только земной коры, но и планеты в целом? Ведь никакой статистикой по отношении к мантии и ядру наука не располагает. Тем не менее в 1966 году ученые попытались это сделать, основываясь на существующих гипотезах о внутреннем строении Земли. Расчеты показали, что в первую десятку наиболее распространенных элементов планеты входят железо (38,8%), кислород (27,17%), кремний (13,84%), магний (11,25%), сера (2,74%), никель (2,7%), алюминий (1,07%), кальций (1,07%), натрий (0,51%) и кобальт (0,2%).

Анализ кларков позволяет выявить многие существенные закономерности химии Земли (да и не только Земли: ведь и в Солнечной системе, и во всей Вселенной "живут" и взаимодействуют те же самые химические элементы, что составляют нашу планету). Например, в VIII группе периодической системы Менделеева расположены так называемые благородные (или инертные) газы, которые вместе с кислородом, азотом и водородом входят в состав земной атмосферы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Под символами этих элементов кларки не проставлены. И не случайно: в природе инертные газы совершенно не способны соединяться с другими элементами и входить в состав минералов и горных пород. Эти газы постоянно рассеиваются из атмосферы Земли в космическое пространство. К инертным газам относится радон, но он входит в состав минералов и горных пород, содержащих радиоактивные элементы уран и торий (при их распаде радон и образуется). Поэтому у радона в таблице Менделеева кларк проставлен.

Другая область "геохимических редкостей" - радиоактивные элементы; они расположены в 6-м и 7-м периодах системы, начиная с полония (порядковый номер 84). Все изотопы этих элементов нестабильны и распадаются, превращаясь в конце концов в изотопы свинца. (Изотопы (от греч. "изос" - "равный" и "топос" - "место") - разновидности химического элемента, у которых атомные ядра имеют различное число нейтронов, но одинаковое число протонов. Потому изотопы занимают одно и то же место в периодической системе. Изотопы бывают стабильными (устойчивыми) и радиоактивными (неустойчивыми), способными самопроизвольно распадаться.)

Первоначальные "запасы" полония, радона, радия, актиния, протактиния (порядковый номер 91), существовавшие на планете в период ее образования, давным-давно "съедены" радиоактивностью. Те же их количества, которые сегодня можно обнаружить в земных минералах, имеют вторичное происхождение. Они постоянно воспроизводятся благодаря распаду урана и тория (порядковые номера 92 и 90). От прочих радиоактивных элементов эти два отличаются гораздо большей продолжительностью "жизни" - она измеряется миллиардами лет. Поэтому "первозданные" уран и торий до сих пор сохранились на Земле, и их открывали в природных минералах, как обычные стабильные элементы. Показатель распространенности у них средний. А вот порожденных ими вторичных радиоактивных элементов в 16-километровой толще земной коры ничтожно мало - немногим более 1 миллиона тонн.

Геохимики широко используют понятие "редкие элементы". Обычно к ним относят те, чей кларк имеет порядок 0,000001%. Однако понятие это не очень строгое. Наглядный пример - германий, элемент с порядковым номером 32. Кларк германия 0,00014%, что позволяет отнести его к элементам-"середнякам". Между тем открыт он был только в 1886 году, гораздо позднее, чем многие менее распространенные. Немецкий химик Клеменс Александр Винклер извлек германий из очень редкого минерала аргиродита. Лишь потом выяснилось, что аргиродит - представитель весьма немногочисленных собственных минералов германия, т.е. таких, в которых данный элемент является главной составной частью. В основном же германий буквально распылен по различным минералам и рудам.

Элементы, не имеющие собственных минералов, получили название рассеянных. К их числу принадлежат скандий, галлий, рубидий, цезий, индий, гафний и некоторые другие.

Далекая радуга.

"Мы никода не узнаем, из чего состоят далекие небесные тела, звезды и Солнце", - утверждал в середине XIX века видный французский философ Огюст Конт. Он выражал широко распространенное мнение. Но прошло совсем немного времени, и выяснилось, что "познать незнаемое" в действительности не так уж сложно. В 1859 году двое немецких ученых - химик Роберт Бунзен и физик Густав Кирхгоф - открыли простой и чрезвычайно чувствительный метод анализа. Он позволил изучать химический состав небесных тел с такой же степенью достоверности, с какой в земных лабораториях определялся состав минералов и руд.

Исследователи уже давно знали: различные вещества, помещенные в пламя горелки, окрашивают его в различные цвета. Например, поваренная соль придает пламени желтый цвет, медный купорос - зеленый. Однако безошибочно определить состав вещества по цвету пламени было все-таки невозможно. Вещества разного состава давали нередко почти одинаковый цвет.

Бунзен и Кирхгоф нашли выход из положения. Они предложили пропускать свет пламени через спектроскоп - стеклянную призму, помещенную перед белым экраном. Призма разделяла цветные лучи на монохроматические (одноцветные). Например, литий и стронций окрашивают пламя в один и тот же малиново-красный цвет. Призма же поволяет обнаружить разницу: в первом случае на экране появляются две линии - яркая малиновая и рядом с ней светло-оранжевая; во втором четыре - голубая, две красные и оранжевая.

Так выяснилось, что светящимся пара'м любого химического элемента присущ неповторимый, лишь одному ему свойственный оптический спектр - определенный набор монохроматических линий. Метод, разработанный Бунзеном и Кирхгофом, получил название спектрального анализа. Спектроскоп в сочетании с телескопом открыл путь новой науке - космохимии. Анализ излучения Солнца и звезд показал, что они содержат те же элементы, которые присутствуют на Земле.

Нашлось дело для спектроскопа и на Земле. С помощью спектрального анализа теперь определяют химический состав минералов и горных пород.

Четыре геохимических сообщества.

В 20-х годах ХХ века ученый Виктор Мориц Гольдшмидт (1888-1947) впервые создал геохимическую классификацию элементов, разбив их на четыре группы.

Самая обширная группа включает 53 элемента, т.е. более половины всех известных в природе. Они называются литофильными ("камнелюбивыми"). Это щелочные и щелочно-земельные металлы, а также алюминий, кремний, титан, торий, уран и другие. Такие элементы с легкостью образуют кислородсодержащие минералы и составляют основу большинства горных пород. В свободном состоянии они в земной коре они не встречаются.

Далее следует группа из 19 халькофильных ("меднолюбивых") элементов. Так их назвали потому, что по своему геохимическому "поведению" они похожи на медь, например охотно вступают в соединния с серой. Наряду с самой медью к халькофилам относятся серебро, золото, цинк, ртуть, германий, свинец и другие. Некоторые существуют в природе в виде простых веществ.

Сидерофильными ("железолюбивыми") считаются железо, кобальт, никель, платиноиды (к платиноидам относятся элементы побочной подгруппы VIII группы периодической системы - рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платина), молибден и рений - всего 11 элементов. Большинство из них встречаются в самородном состоянии.

И наконец, 8 атмофильных элементов, составляющих земную атмосферу: водород, азот, кислород и инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон).

Гольдшмидт не просто разложил элементы по геохимическим "полочкам". Его классификация позволяет наглядно представить процессы, в течение миллиардов лет формировавшие земные недра. Их можно сравнить с теми, которые протекают... в доменной печи. Вся загружаемая в печь смесь расплавляется, и происходит разделение элементов на геохимические группы. Газы (атмофилы) покидают печь. В верхней ее части располагаются шлаки (литофилы), представляющие собой совокупность разнообразных оксидов. Под ними группируются сернистые соединения (халькофилы), а нижний "этаж" занимают сидерофилы.

Когда вещество Земли расплавилось, заработала ее "доменная печь". В ходе этой гигантской плавки образовывались всевозможные минералы и руды, которые и составляют "тело" планеты. В земном ядре осели железо с примесью никеля и кобальта. Сульфиды и "шлаки" сложили мантию и земную кору. Выделявшиеся газы начали формировать атмосферу.

Впрочем, железное ядро планеты - всего лишь гипотеза. Есть и другие предположения. Согласно одной версии, в ядре сконцентрирован... водород, который из-за колоссального давления находится в металлическом состоянии.

Много ли на Земле минералов?

Минеральный состав земной коры отличается от ее химического состава. Ведь кора сложена не из отдельных разобщенных атомов, а из различных их сочетаний - природных химических соединений, каковыми и являются минералы.

В наши дни известно примерно 3000 минералов. Но лишь около 500 широко распространены. Много это или мало? Все познается в сравнении. Одно дело, когда соединения синтезируют в химических лабораториях, другое - когда они образуются в природе. Число органических соединений, синтезированных химиками превышает 10 миллионов; неорганических же - несколько десятков тысяч. Искусственный синтез разнообразных минералов стал сегодня обыденным делом.

Химик в лаборатории имеет важное преимущество перед "химиком"-Землей. Он может взять нужные вещества в любых соотношениях и концентрациях. А вот в природе действует строгий ограничитель: чем ниже кларк того или иного элемента, тем меньше образуется минералов, включающих этот элемент. Наивысший "кларковый рейтинг" - у кислорода, поэтому он входит в состав 1364 минералов, т.е. почти половины всех известных. Вторым по значению минералообразующим элементом является кремний: он содержится более чем в 430 минералах. Затем следуют алюминий, железо, кальций, магний, калий и натрий. Эта "великолепная восьмерка" почти безраздельно господствует в минеральном царстве.

Рассуждая о количестве, нельзя забывать и о качестве. На "арифметику" образования минералов в природе влияет не только относительная распространенность элементов, но и другие факторы, в первую очередь химическая активность веществ. А у различных элементов способности к образованию минералов весьма неравноценны.

Элементы в космосе.

Итак, элементарный состав земной коры сегодня не является загадкой. Весовые проценты элементов (т.е. проценты от массы земной коры) скурпулезно расписаны по таблицам. Можно даже подсчитать число атомов того или иного элемента. Ныне кларки нередко выражаются в атомных процентах - в процентах от общего числа атомов земной коры.

Но почему, собственно, распространенность того или иного элемента именно такая, а не какая-либо другая и обязательно уменьшается с увеличением порядковых номеров элементов в периодической системе? Почему лишь восемь элементов составляют почти всю массу земной коры? И почему, наконец, для элементов, не принадлежащих к "восьмерке", разброс кларков столь велик?

Эти вопросы не получили бы ответа, если бы представления о распространенности элементов оставались, образно говоря, приземленными, если бы мысль исследователя ограничилась лишь изучением состава Земли. "Значение кларков вышло за пределы частной геохимической задачи - оно играет огромную роль в понимании геохимии Космоса", - писал А.Е. Ферсман.

Наша планета не более чем песчинка в бесконечном космическом пространстве. Прикоснуться к тайнам Вселенной удалось не сразу. Долгое время ученые только наблюдали небесные светила в телескопы. О том, чтобы узнать, из какой материи они состоят, не могло быть и речи. Но постепенно исследования "заоблачных далей" позволили нарисовать отчетливую картину распространенности элементов в космосе.

Как окаалось, "небесная" последовательность кларков заметно отличается от земной. Лидерами являются первые два элемента периодической системы - водород и гелий. По существу, Вселенная на 75% состоит из водорода и на 24% - из гелия. Но есть и беусловное сходство: кислород и другие члены "восьмерки" принадлежат к числу элементов, широко распространенных в космосе. Выдерживается и другая земная традиция: чем выше порядковый номер элемента, тем меньше его содержание. Закономерен вопрос: почему?

Одна из величайших проблем мироздания - происхождение химических элементов. Собственно химия здесь уже ни при чем - это сфера, подвластная ядерной физике. Но не только ей: нужно принимать во внимание представления об эволюции Вселенной, и прежде всего звезд. Именно звезды и есть те гигантские "фабрики", где протекал и протекает грандиозный процесс образования различных химических элементов в результате ядерных реакций. Современные теории рассматривают несколько стадий формирования элементов. Первая из них - термоядерная реакция, в ходе которой водород превращается в гелий. Затем наступает стадия слияния ядер гелия в ядра более тяжелых элементов, в том числе кислорода, магния, кальция, алюминия, кремния, железа... Словом, знакомая нам "восьмерка" повляется именно на данной стадии "звездного синтеза".

Наряду с этой ученые рассматривают и другую гипотезу: согласно ей, элементы со средними значениями порядковых номеров возникают в результате деления очень тяжелых ядер с большими зарядами. При космических "катастрофах", например, взрывах сверхновых звезд, обретают жизнь такие элементы, которые, видимо, никогда не удастся синтезировать в лаборатории. Они чрезвысайно неустойчивы и быстро распадаются на несколько гораздо более легких "осколков".

По одной из распространенных версий, Солнечная система, а значит и планета Земля, сформировались из облака космической материи, которую выбросил в пространство взрыв сверхновой звезды. Миновал долгий сток, прежде чем земной шар, пройдя различные стадии формирования, достиг современного состояния.

Многое изменилось за то время. Так, исчезли все трансурановые элементы (т.е. следующие за ураном в таблице Менделеева). Безвозвратно улетучилось большое количество водорода, гелия и других благородных газов. Наконец, заработала "доменная печь", начавшая сортировать различные элементы. Но как бы то ни было, химический состав Земли оказывается своеобразным "слепком", "отпечатком" тех невообразимо далеких событий, которые происходили во Вселенной.