Геохимические классификации химических элементов

Цель и содержание. Изучение геохимических классификаций и сравнительная характеристика классификаций.

Теоретическое обоснование. Геохимическая классификация элементов, предложенная В.М. Гольдшмидтом, проста, удобна и касается важнейших свойств элементов. В основу ее положены следующие признаки:

1. Классификация основана на электронном строении атомов и ионов, определяющем химические свойства элементов, а отсюда рассматриваемые группы элементов логично разделяются на элементы атмосферы, силикатных горных пород, сульфидных руд и самородных металлов и арсенидов.

2. Положение элементов на кривой атомных объемов (рис.1). (Понятие «атомного объема», введенное еще Л. Мейером, представляет собой отношение атомного веса элемента к его удельному весу в твердом, а для газов в жидком состоянии.) На кривой атомных объемов элементы могут занимать максимальные, минимальные, нисходящие и восходящие участки кривой.

Магнитные свойства химических элементов: диамагнитные (медь, серебро, золото), парамагнитные (кислород, титан и др.) и ферромагнитные (обладающие собственным магнетизмом (железо, кобальт).

3. Специфическое химическое сродство к тем или иным элементам (это является следствием электронного строения атомов и связано с магнитными свойствами атомов). Для одних элементов наиболее характерны окисные или галоидные соединения, для других – сульфидные, третьих – арсенидные.

Исходя из этого В.М. Гольдшмидт все имеющиеся химические элементы разделил на несколько групп:

1. Атмофильные.

2. Литофильные.

3. Халькофильные.

4.Сидерофильные.

1. Атмофильные элементы – элементы, характерные для атмосферы. Это - все инертные газы, азот и водород (кислород, слагающий порядка 50% массы всей литосферы от ее объема, к числу атмосферных элементов не относится).

Атмофильные элементы находятся в виде самостоятельных атомов (Не) или молекул (N₂, H₂, CH₄). Внешняя оболочка атомов большинства из них состоит из 2 электронов. Они занимают срединное положение на кривой атомных объемов, элементы диамагнитны и им характерно «самородное» состояние, большинство из них химических соединений не образуют.

2. Литофильные элементы. Ионы этих элементов обладают 8-электронной оболочкой. Элементы располагаются на граничащих участках кривой атомных объемов. Обычно они находятся в соединении с кислородом, фтором, хлором и с трудом искусственно восстанавливаются до элементного состояния. Сюда относятся следующие элементы: Li, Be, B, C, O, Mg, Al, Si, P, Cl, K, Ca, V, Cr, Mn, Br, Rb, Sr, Y, I, Cs, Ba, TR, Hf, Ta, W, Ra, As, Th, Pa, U.

3. Халькофильные элементы («тиофильные», «любящие серу», термин предложен в 1954 г. Гиллебрандом).

Катионы этих элементов (кроме серы) имеют 18-электронную оболочку. Они располагаются на восходящих участках кривой атомных объемов, диамагнитны, причем диамагнетизм у гомологов возрастает с порядковым номером. Наиболее характерны соединения с серой, селеном и теллуром. Некоторые (особенно золото, серебро, частично ртуть, висмут, мышьяк) встречаются и в свободном (самородном) виде.

Характерна растворимость сульфидов халькофильных элементов в расплавленном моносульфиде железа и образование соединений типа сульфосолей, например CuBiS₂, Ag₃AsS₃, AgGeS₆.

К числу 19 халькофильных (тиофильных)элементов относятся: S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Au, Hg, TL, Pb, Bi, Po.

4. Сидерофильные («сидерос» - метеорное железо) элементы образуют катионы с достраивающейся электронной оболочкой («обрамленные» элементы), причем обычно максимальная валентность встречающихся в природе соединений этих элементов далеко не достигает их валентности согласно периодической системе. Располагаются они на участках минимальных значений кривой атомных объемов, элементы парамагнитные и ферромагнитные. Из химических соединений характерны арсениды PtAs₂, NiAs, CoAs₂, FeAs₂ и типично самородное состояние, особенно для Ir, Rh, Pt, в метеоритах известно также и никелистое железо.

К числу 11 сидерофильных элементов относятся: Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt.

Геохимическая классификация В. М. Гольдшмидта была детализирована Э. Садецки-Кардошем (1955г), который предлагает такую классификацию:

1. Сидерофильные элементы Fe, Co, Ni, Pt - группа, Au.

2. Сульфохалькофильные и 3. Оксихалькофильные. В них кроме Au то жеб что и у Гольдшмидта.

3. Литофильные (в более узком смысле).

4. Тяжелые пегматофильные Sc, Y, TR, Th, U, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re.

5. Седиментогенные O, C, B, F, Cl, Br, J, P, N.

В. И. Вернадским (1934г) была предложена такая геохимическая классификация элементов:

1. Благородные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe.

2. Благородные металлы: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au.

3. Циклические элементы: H, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, As, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, W, Re, Hg, TL, Pb, Bi.

4. Рассеянные элементы: Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, J.

5. Сильно радиоактивные: Ra, Ac, Th, Pa, U.

6. Элементы редких земель.

А. Е. Ферсман не производит разделение элементов по группам периодической системы элементов, а отмечал химические элементы характерные для магм:

1. Ультраосновных магм: V, Mg, Fe, Co, Ni, Ca, Na, Si и платиноиды.

2. Средних и основных магм: Ca, Mg, Al, Si, P, S, Sr, B.

3. Гранитных пегматитов и пневматолитов: Si, Al, K, Li, Sn, Nb, Ta, F, TR, Th, U.

4. Нефелин-сиенитовых магм: Al, P, Cl, Ti, Zr, Tr, Ca.

5. Сульфидных месторождений. Сюда относят все халькофильные элементы, а также Fe, Co, Ni, Mo, Re.

Для наглядности каждая из этих групп на периодической системе отмечалась отдельно, потому что при совместном нанесении они неизбежно перекрывались.

В известной степени такого перекрытия постарался избежать А. Н. Заварицкий (1950г), который на периодическую систему в развернутом виде нанес отдельные поля элементов (рис.3):

1. Особое положение занимает водород.

2. Группа благородных газов.

3. Группа элементов горных пород – литофильные элементы первой и второй групп периодической системы, Al, Si и другие.

4. Элементы магматических эманаций: B, C, N, O, F, P, S, Cl.

5. Элементы «семейства» железа: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co,Ni.

6. редкие элементы: Sc, Y, Tr, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re.

7. Радиоактивные от франция до урана.

8. Платиноиды.

9. Группа металлических элементов от меди до свинца.

10. Металлоидные металлогенные (элементы «сульфокислот») As, Sb, Bi, Se, Te, Po.

11. Тяжелые галоиды: Br, J, At.

А. Н. Заварицкий подчеркивает зависимость свойств элементов и их нахождение в земной коре от положения элементов в периодической системе.

Аппаратура и материалы. Плакаты, диаграммы, рисунки.

Мероприятия по технике безопасности не предусматриваются

Методика и порядок выполнения работы. Выполнить предложенные задания обращая внимание на специфические их особенности геохимических характеристик.

Задание1.

Согласно геохимической таблицы элементов по Ферсману выделить в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева:

1. элементы кислых магм;

2. средних магм;

3. ультроосновных магм;

4.сульфидных месторождений.

Задание 2

Согласно геохимической классификации В.М.Гольдшмидта выделить в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева:

1. атмофильные элементы;

2. литофильные элементы;

3. халькофильные элементы;

4. сидерофильные элементы;

Задание 3

На кривой атомных объемов элементов выделить четыре основные группы по классификации В.М.Гольдшмидта и сделать выводы о их распределении

Содержание отчета. Описать цель работы, краткое теоретическое обоснование. Выполнить в писменном виде предложенные задания.

При защите работы студент должен представить отчет о выполненнойработе, ответить на контрольные вопросы

Вопросы для защиты работы

1. Как элементы с четными и нечетными порядковыми номерами могут характеризоваться по классификации В.М.Гольдшмидта.

2. Какая группа элементов по классификации В.М.Гольдшмидта более подчиняется так называемому закону 4g?

Литература:[1. 2. 3]