Классификация Гольдшмидта - Goldschmidt classification
Классификация Гольдшмидт , разработанная Victor Goldschmidt (1888-1947), является геохимической классификацией , которая группирует химические элементы в пределах Земли в соответствии с их предпочтительными фазами хозяина , в литофильный ( породе -loving), сидерофильный ( железо -loving), халькофильный ( сульфид любящий руду или халькоген ), атмофильный (газообразный) или летучий (элемент или соединение, в котором он присутствует, является жидким или газообразным в условиях окружающей поверхности).
Некоторые элементы имеют сходство более чем с одной фазой. Основное родство представлено в таблице ниже, и за этой таблицей следует обсуждение каждой группы.
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Группа → | |||||||||||||||||||
↓ Период | |||||||||||||||||||
1 | 1 ч |
2 Он |
|||||||||||||||||
2 | 3 Ли |
4 Be |
5 млрд |
6 С |
7 с.ш. |
8 O |
9 F |
10 Ne |
|||||||||||
3 | 11 Na |
12 мг |
13 Al |
14 Si |
15 P |
16 ю.ш. |
17 Cl |
18 Ar |
|||||||||||
4 | 19 К |
20 Ca |
21 сбн |
22 Ti |
23 В |
24 Кр |
25 Мн |
26 Fe |
27 Co |
28 Ni |
29 Cu |
30 Zn |
31 Га |
32 Гэ |
33 As |
34 Se |
35 руб. |
36 кр |
|
5 | 37 руб. |
38 Sr |
39 Y |
40 Zr |
41 Nb |
42 Пн |
43 Тс |
44 руб. |
45 Rh |
46 Pd |
47 Ag |
48 кд |
49 В |
50 Sn |
51 Сб |
52 Те |
53 я |
54 Xe |
|
6 | 55 Cs |
56 Ba |
71 Лю |
72 Hf |
73 Та |
74 Вт |
75 Re |
76 Ос |
77 Ir |
78 Пт |
79 Au |
80 рт. |
81 тл |
82 Pb |
83 Би |
84 По |
85 В |
86 Rn |
|
7 | 87 Пт |
88 Ra |
103 Лр |
104 Rf |
105 Дб |
106 Сг |
107 Bh |
108 часов |
109 тонн |
110 Ds |
111 Rg |
112 Cn |
113 Nh |
114 эт |
115 мк |
116 Ур. |
117 Цс |
118 Ог |
|
57 Ла |
58 CE |
59 Пр |
60 Nd |
61 вечера |
62 см |
63 Eu |
64 Gd |
65 Тб |
66 Дн |
67 Ho |
68 Er |
69 тм |
70 Yb |
||||||
89 Ас |
90 чт |
91 Па |
92 U |
93 Np |
94 Pu |
95 утра |
96 см |
97 Bk |
98 Кф |
99 Es |
100 Фм |
101 мкр |
102 Нет |
Классификация Гольдшмидта: Литофил Сидерофил Халькофил Атмофил Синтетический
Литофильные элементы
Литофильные элементы - это те элементы, которые остаются на поверхности или близко к ней, потому что они легко соединяются с кислородом, образуя соединения, которые не проникают в ядро Земли . К литофильным элементам относятся: Al , B , Ba , Be , Br , Ca , Cl , Cr , Cs , F , I , Hf , K , Li , Mg , Na , Nb , O , P , Rb , Sc , Si , Sr. , Ta , Th , Ti , U , V , Y , Zr , W и лантаноиды или РЗЭ (редкоземельные элементы).
Литофильные элементы в основном состоят из высокореактивных металлов s- и f-блоков . Они также включают небольшое количество химически активных неметаллов и более реакционноспособные металлы d-блока, такие как титан , цирконий и ванадий . Литофил происходит от «lithos», что означает «рок», и «phileo», что означает «любовь».
Большинство литофильных элементов образуют очень стабильные ионы с электронной конфигурацией благородного газа (иногда с дополнительными f-электронами). Те немногие, которые этого не делают, такие как кремний, фосфор и бор, образуют чрезвычайно прочные ковалентные связи с кислородом - часто с участием пи-связи . Их сильное сродство к кислороду заставляет литофильные элементы очень прочно связываться с кремнеземом, образуя минералы с относительно низкой плотностью, которые, таким образом, всплывают в земную кору . Более растворимые минералы, образованные щелочными металлами, имеют тенденцию концентрироваться в морской воде или в чрезвычайно засушливых регионах, где они могут кристаллизоваться. Менее растворимые литофильные элементы сконцентрированы на древних континентальных щитах, где все растворимые минералы были выветрены.
Из-за их сильного сродства к кислороду большинство литофильных элементов обогащены в земной коре относительно их содержания в Солнечной системе. Известно, что наиболее реакционноспособные металлы s- и f-блока, которые образуют солевой раствор или металлические гидриды , чрезвычайно обогащены на Земле в целом по сравнению с их солнечным содержанием. Это связано с тем, что на самых ранних этапах формирования Земли реакцией, которая контролировала стабильную форму каждого химического элемента, была его способность образовывать соединения с водородом. В этих условиях металлы s- и f-блока сильно обогатились при формировании Земли. Наиболее обогащенными элементами являются рубидий , стронций и барий , на долю которых приходится более 50 процентов по массе всех элементов земной коры тяжелее железа.
Неметаллические литофилы - фосфор и галогены - существуют на Земле в виде ионных солей с металлами s-блока в пегматитах и морской воде. За исключением фтора , гидрид которого образует водородные связи и поэтому имеет относительно низкую летучесть, эти элементы значительно снизили свои концентрации на Земле из-за утечки летучих гидридов во время образования Земли. Хотя они присутствуют в земной коре в концентрациях, довольно близких к их солнечному содержанию, фосфор и более тяжелые галогены, вероятно, значительно обеднены на Земле в целом по сравнению с их солнечным содержанием.
Некоторые переходные металлы, включая хром , молибден , железо и марганец , проявляют как литофильные, так и сидерофильные характеристики и могут быть обнаружены в обоих этих двух слоях. Хотя эти металлы образуют прочные связи с кислородом и никогда не встречаются в земной коре в свободном состоянии, считается, что металлические формы этих элементов, скорее всего, существуют в ядре Земли как реликвии того времени, когда атмосфера не содержала кислорода. Как и «чистые» сидерофилы, эти элементы (за исключением железа) значительно обеднены в коре относительно их солнечного содержания.
Из-за их сильного сродства к кислороду литофильные металлы, хотя и составляют основную массу металлических элементов земной коры, никогда не были доступны как свободные металлы до развития электролиза . Благодаря этому развитию многие литофильные металлы имеют значительную ценность как структурные металлы ( магний , алюминий , титан , ванадий ) или как восстановители ( натрий , магний , кальций ). Процесс плавки этих металлов чрезвычайно энергоемкий. Поскольку предполагается, что выбросы парниковых газов способствуют изменению климата , использование этих элементов в качестве промышленных металлов ставится под сомнение, несмотря на то, что истощение более редких и менее реактивных халькофильных металлов оставляет мало заменителей.
Неметаллы, фосфор и галогены также не были известны ранним химикам, хотя производство этих элементов менее сложно, чем металлических литофилов, поскольку электролиз требуется только с фтором. Элементарный хлор особенно важен как окислитель - обычно его получают электролизом хлорида натрия .
Сидерофильные элементы
Сидерофильные (от сидерона , «железо» и филео , «любовь») элементы - это переходные металлы, которые имеют тенденцию погружаться в ядро, потому что они легко растворяются в железе либо в виде твердых растворов, либо в расплавленном состоянии, хотя некоторые источники включают элементы, которые не являются переходными металлами в своем списке сидерофилов, таких как германий . Список других источников также может отличаться в зависимости от обсуждаемой температуры - ниобий , ванадий , хром и марганец могут считаться сидерофилами или нет, в зависимости от предполагаемой температуры и давления. Также сбивает с толку тот факт, что некоторые элементы, такие как вышеупомянутый марганец , а также молибден , образуют прочные связи с кислородом, но в свободном состоянии (как они существовали на примитивной Земле, когда свободный кислород не существовал) могут так легко смешиваться. с железом, что они не концентрируются в кремнистой коре, как истинные литофильные элементы. Железо же просто везде .
Сидерофильные элементы включают высоко сидерофильный рутений , родий , палладий , рений , осмий , иридий , платину и золото , умеренно сидерофильные кобальт и никель , в дополнение к «спорным» элементам, упомянутым ранее - некоторые источники даже включают вольфрам и серебро .
Большинство сидерофильных элементов практически не имеют сродства к кислороду: действительно, оксиды золота термодинамически нестабильны по отношению к элементам. Они образуют более прочные связи с углеродом или серой , но даже они недостаточно прочны для разделения с халькофильными элементами. Таким образом, сидерофильные элементы связаны металлическими связями с железом в плотном слое ядра Земли, где давление может быть достаточно высоким, чтобы железо оставалось твердым. Марганец, железо и молибден действительно образуют прочные связи с кислородом, но в свободном состоянии (как они существовали на примитивной Земле, когда свободный кислород не существовал) могут настолько легко смешиваться с железом, что не концентрируются в кремнистой коре, поскольку делать настоящие литофильные элементы. Однако руды марганца находятся почти в тех же местах, что и руды алюминия и титана, из-за большой реакционной способности марганца по отношению к кислороду.
Поскольку они так сконцентрированы в плотном ядре, сидерофильные элементы известны своей редкостью в земной коре. Из-за этого большинство из них всегда называли драгоценными металлами . Иридий - самый редкий переходный металл, встречающийся в земной коре, с массовым содержанием менее одной части на миллиард. Извлекаемые месторождения из драгоценных металлов , как правило , образуются в результате эрозии из ультраосновных пород , но не высококонцентрированные даже по сравнению с их коровыми содержаниями , которые обычно на несколько порядков ниже их солнечных содержаний. Однако, поскольку они сконцентрированы в мантии и ядре Земли, считается, что сидерофильные элементы присутствуют на Земле в целом (включая ядро) в чем-то, приближающемся к их солнечному содержанию.
Халькофильные элементы
К халькофильным элементам относятся: Ag , As , Bi , Cd , Cu , Ga , Ge , Hg , In , Pb , S , Sb , Se , Sn , Te , Tl и Zn .
Халькофильные элементы - это те элементы, которые остаются на поверхности или близко к ней, потому что они легко соединяются с серой и некоторыми другими халькогенами, кроме кислорода, образуя соединения, которые не проникают в ядро Земли.
Халькофильные элементы - это те металлы и более тяжелые неметаллы, которые имеют низкое сродство к кислороду и предпочитают связываться с серой в виде сильно нерастворимых сульфидов . Халькофил происходит от греческого слова khalkós (χαλκός), что означает « руда » (это также означало « бронза » или « медь », но в данном случае «руда» является релевантным значением), и используется как «любящий халькоген» различными способами. источники.
Поскольку эти сульфиды намного плотнее силикатных минералов, образованных литофильными элементами, халькофильные элементы отделились под литофилами во время первой кристаллизации земной коры. Это привело к их истощению в земной коре относительно их солнечного содержания, хотя из-за того, что минералы, которые они образуют, неметаллические, это истощение не достигло уровней, обнаруженных с помощью сидерофильных элементов.
Однако, поскольку они образовывали летучие гидриды на примитивной Земле, когда управляющей окислительно-восстановительной реакцией было окисление или восстановление водорода, менее металлические халькофильные элементы сильно истощены на Земле в целом по сравнению с космическими содержаниями. Это наиболее особенно верно в отношении халькогены селена и теллура (который образуется летучий селенида водорода и водорода теллурида , соответственно), которые по этой причине являются одними из самых редких элементов содержится в земной коре (для иллюстрации, теллур только о столь же изобилии , как платина ).
Большинство металлических халькофильных элементов (из групп меди, цинка и бора) могут до некоторой степени смешиваться с железом в ядре Земли. Маловероятно, что они будут истощены на Земле в целом по сравнению с их солнечным содержанием, поскольку они не образуют летучих гидридов. Цинк и галлий являются в некоторой степени «литофильными» по своей природе, поскольку они часто встречаются в силикатах или родственных минералах и образуют довольно прочные связи с кислородом. Галлий, в частности, получают в основном из бокситов , руды гидроксида алюминия, в которой ион галлия заменяет химически подобный алюминий.
Хотя в земной коре нет халькофильных элементов в большом количестве, халькофильные элементы составляют основную часть коммерчески важных металлов. Это связано с тем, что, в то время как литофильные элементы требуют энергоемкого электролиза для извлечения, халькофилы могут быть легко извлечены путем восстановления с помощью кокса и геохимической концентрации халькофилов, которая в крайних случаях может превышать среднее содержание в земной коре в 100000 раз. Эти наибольшие обогащения происходят на высоких плато, таких как Тибетское плато и Боливийское альтиплано, где большие количества халькофильных элементов были подняты в результате столкновений плит . Побочным эффектом этого в наше время является то, что редчайшие халькофилы (например, ртуть ) настолько полностью эксплуатируются, что их ценность как минералов почти полностью исчезает.
Атмофильные элементы
Атмофильные элементы: H , C , N и благородные газы .
Атмофильные элементы (также называемые «летучими элементами») определяются как те, которые остаются в основном на поверхности или над ней, потому что они находятся или встречаются в жидкостях и / или газах при температурах и давлениях на поверхности. Благородные газы не образуют стабильных соединений и встречаются как одноатомные газы , в то время как азот , хотя и не имеет стабильной конфигурации для своих отдельных атомов, образует двухатомную молекулу, настолько прочную, что все оксиды азота являются термодинамически нестабильными по отношению к азоту и кислороду. . Следовательно, с развитием свободного кислорода через фотосинтез , аммиак был окислен до молекулярного азота , который пришел , чтобы сформировать четыре пятых земной атмосферы. Углерод также классифицируется как атмофил, поскольку он образует очень прочные множественные связи с кислородом в оксиде углерода (медленно окисляющемся в атмосфере) и диоксиде углерода . Последний является четвертым по величине компонентом атмосферы Земли, в то время как окись углерода естественным образом встречается в вулканах и находится в атмосфере в течение нескольких месяцев.
Водород, содержащийся в сложной воде, также считается атмофилом. Вода классифицируется как летучая, потому что большая ее часть - жидкость или газ, даже если она существует в виде твердого соединения на поверхности.
Поскольку все атмофильные элементы являются газами или образуют летучие гидриды, атмофильные элементы сильно обеднены на Земле в целом по сравнению с их солнечным содержанием из-за потерь из атмосферы во время образования Земли. Более тяжелые благородные газы ( криптон , ксенон ) - самые редкие стабильные элементы на Земле.
Микроэлементы и синтетические элементы
Синтетические элементы исключены из классификации, поскольку они не встречаются в природе.
Следы радиоактивных элементов (а именно Tc, Pm, Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Pa, Np, Pu) также считаются синтетическими. Хотя они действительно встречаются в природе, их появление полностью зависит от их долгоживущих родителей Th и U, и они не очень подвижны. Например, химия полония предсказывает, что он является халькофилом, но вместо этого он имеет тенденцию встречаться в виде литофила вместе со своим родительским ураном . Даже радон , который представляет собой газ, обычно не успевает улететь очень далеко от исходного уранового источника, прежде чем распасться. При необходимости эти элементы обычно производятся синтетически в ядерных реакторах вместо утомительного и трудоемкого процесса извлечения из урановых руд .
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Минералогические заметки 3
- ВМ Уайт. Геохимия . ISBN 978-0470656686 ; Глава 7.2