Кларки химических элементов в биосфере, атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе

Кларки - нормальное содержание элемента в системе, позволяющее фиксировать любое отклонение от нормы (концентрацию или рассеяние), вызванное миграцией элементов. Термин (в честь Кларка) и современной концепция кларков предложены учёным A. E. Ферсманом в 1923.

В память об ученом среднее содержание элемента в коре предложили называть кларковым числом или кларком. Различают кларки массовые (в масс %, в г/т или в г/г) и атомные (в % от числа атомов); также можно говорить о кларках элемента в метеоритах, звездах, космосе, гидросфере, атмосфере, биосфере (однако в последнее время термин редко используется).

Кларки химических элементовчисла, выражающие среднее содержание элементов в литосфере, земном ядре, Земле в целом, атмосфере, гидросфере, живых организмах, породах Луны, атмосфере Солнца, звезд и т. д. Различают кларки химических элементов массовые (в %, г/т и др.) и атомные (в % от числа атомов). Для литосферы и океана кларки химических элементовустановлены на основе вычисления среднего из анализов мн. тысяч образцов горных пород и вод. По А. А. Беусу (1981), 12 главных кларков (в % по массе) в литосфере (без осадочной оболочки): О 46,1, Si 26,7, Аl 8,1, Fe 6,0, Mg 3,0, Mn 0,09, Ca 5,0, Na 2,3, К 1,6, Ti 0,6, P 0,09, H 0,11, прочие 0,3.

В земном ядре преобладают Fe (ок. 80%) и Ni (ок. 8%); в Земле в целом (на основе разл. допущений) - Fe (35%), О (30%), Si (15%), Mg (13%); в космосе - Н и Не.

Элементы с кларками менее 0,01-0,001% называются редкими, если при этом они обладают слабой способностью к концентрации - редкими рассеянными, например кларки U и Вr в литосфере соотвенно равны 2,5.10-4 и 2,1.10-4%, но U - редкий элемент (известно 104 минерала, содержащих U), а Вr - редкий рассеянный (известен лишь один его собственный минерал).

Нахождение в природе в рассеянном состоянии и повсеместно (только в различных концентрациях) – это свойство всех химических элементов. Этот факт впервые констатировал В.И. Вернадский, и он получил название закона рассеяния химических элементов Вернадского. Но часть элементов способна кроме рассеянной формы нахождения присутствовать в природе и в другой форме – в форме химических соединений. Элементы с низкими концентрациями присутствуют только в рассеянной форме.

При анализе величин атомных кларков химических элементов выявляется еще большее преобладание кислорода и др. легких элементов. По закону Кларка-Вернадского (о всеобщем рассеянии химических элементов), в любом объекте природной системы находятся все известные на Земле элементы. В литосфере и Земле в целом преобладают легкие атомы (включая Fe), в земной коре - элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, особенно с массами, кратными 4 (в них преобладают изотопы с массой, кратной 4). Наиболее высокие кларки у элементов, атомные ядра которых содержат четное число протонов и нейтронов. Согласно основному геохимическому закону (В. Гольдшмидт), кларки химических элементовзависят от строения атомного ядра, а распределение элементов, связанное с их миграцией, - от строения электронных оболочек, определяющих химические свойства атомов. Однако это верно только для космоса в целом. Миграция элементов также зависит от кларков, которые во многом определяют содержание элементов в растворах, расплавах, их способность к минералообразованию, осаждению.

Величины кларков конкретных элементов различаются в миллионы раз, зависят от устойчивости ядер элементов и перераспределения элементов в той или иной системе. B космосе резко преобладают простейшие элементы - H и He (99,99%), в земной коре (99%) - O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, Mn, H (K. э. земной коры см. в табл. к ст. Геохимия), в гидросфере - O и H, и т.п. B определённой зависимости от кларков находится общее содержание элементов в геохим. системах, общие запасы тех или иных металлов и руд в земной коре, масштабы м-ний, кол-во минералов каждого элемента, поведение элементов в геохим. процессах.

Кларк концентрации (согласно B. И. Вернадскому) - отношение cp. содержания элемента в м-нии или любом объекте природы (минерале, породе, руде, организме) к кларку этого элемента в земной коре, характеризующее степень его концентрации или рассеяния в данном объекте или природном процессе. Кларки концентрации каждого элемента варьируют в тысячи раз, a при формировании руд и рудных минералов (Au, Ag, Hg, Bi и др.) иногда в миллион раз.

Подразделение химических элементов на макро- и микроэлементы, а последних – на редкие и рассеянные имеет большое значение, так как в природе далеко не все химические элементы образуют самостоятельные соединения. Это присуще главным образом элементам с высокими кларками, или с низкими, но способным локально формировать высокие концентрации (то есть редким).

Элементы с кларками выше 0,1 масс% называют главными, с кларками порядка 0,01 масс % и ниже – редкими. Редкие элементы могут встречаться в концентрированном виде (например, обнаружены месторождения Li, Cs, Be, La, Mo, W, Ir, Os, Pt, U, Th, Pb, Hg и др.) или же присутствовать только как примеси в минералах более распространенных элементов – в последнем случае их называют редкими рассеянными элементами (Rb, Sc, Ga, In, Tl, Hf, Ge, Se, Те, Re, Cd, Br, I и др.).

Факт существования частей планеты, более тяжелых, чем кора, был просчитан на основе астрономических данных о размерах и массе Земли. Средняя плотность Земли равна 5,5 г/см³ , однако плотность коры составляет всего 2,5-2,8 г/см³. Следовательно, более глубокие слои должны иметь большую плотность; для мантии она оценивается в 3,5 г/см³, для ядра более 8 г/см³.

Понятие «кларк концентрации» (или «коэффициент концентрации») введено для средних содержаний вданном конкретном природном веществе. КК – это соотношение содержания химического элемента в данном конкретном природном вещественном агрегате (горной породе и т.п.) к его кларку.

Примеры коэффициентов концентрации некоторых химических элементов в их рудных месторождениях: Al – 3,7; Mn – 350; Cu – 140; Sn – 250; Zn – 500; Au – 2000

На этом основании элементы с низкими кларками подразделяются на две уже известные вам качественно различные группы. Те элементы, для распределения которых не характерны высокие значениями КК, называются рассеянными (Rb, Ga, Re, Cd и др.).

Вещества способные формировать повышенные концентрации с высокими значениями КК называются редкими (Sn, Be и др.).

Различиями в достигаемых величинах КК обусловлена разная роль тех или иных элементов в истории материально-технической деятельности человечества (с древности известные металлы с низкими кларками Au, Cu, Sn, Pb, Hg, Ag … - и более распространённые Al, Zr…).

Другие элементы, не образующие самостоятельных соединений находятся в рассеянном состоянии в других химических веществах

Большую роль в процессах концентрации и рассеяния элементов в земной коре играет изоморфизм. Изоморфизм – это способность близких по свойствам химических элементов замещать друг друга в переменных количествах в кристаллических решётках.