Походження і розповсюдженість хімічних елементів в природі

Вам добре відомо, що різні хімічні елементи розповсюджені вкрай нерівномірно. Елемент мож бути в сотні і тисячі разів більш або менш розповсюдженим, чим його безпосередній сусід за періодичною системою. Ви знаєте, що атомів одних елементів (кисень, кремній, алюміній, залізо та інші) на нашій планеті значно більше, ніж атомів інших елементів (мід, золото, германій та інші). А звідки взагалі взялося таке різноманіття хімічних елементів? Давайте, перед тим, як перейти до розгляду питання про відносну розповсюдженість хімічних елементів, коротко познайомимся з існуючою точкою зору з питання їх походженння.

За прийнятою зараз моделлю розвитку Всесвіту, формування речовини, що її складає є результатом «Великого вибуху». В перші миті після нього відбулося формування елементарних частинок. Спочатку – фотонів, нейтрино, електронів, позитронів. Потім – протонів і нейтронів. Після зниження температури нижче рівня 10110 К починається поєднаня протонів з нейтронами. Утворюються ядра важких ізотопів водню, можливо також ядер гелію, і невеликих кількостей Li, Be.

Синтез більш важких атомних ядер починається після формування крупних і щільних гарячих газових скупчень – зірок. Спочатку - продовжується утворення ⁴Не. Далі відбуваєтья так назване «вигорання» гелію:

3⁴Не + ¹²С

і далі, з приєднанням нових ядер гелію: ¹⁶О, ²⁰Ne, ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S і таке інше, аж до ⁵⁶Fe і ⁵⁸Ni. Зверніть увагу, що все це – саме синтез ядер (нуклеосинтез), в не атомів в цілому, так як електрони за цих високих температур залишаються у вільному стані. Утворення ядер проміжних елементів – результат реакцій захвату або втрати протону або нейтрону.

Атоми важкіші Fe і Ni в звичайних процесах внутрішньозіркового нуклеосинтезу не формуються (не вистачає енергії). Ці процеси реалізуються тільки при вибухах «наднових» зірок. При спостереженні за надновими в їх спектрі виявлені яскраві лінії, характерні для ²⁵⁴Cf. Цікаво, що швидкість падіння яскравості наднових (56 діб) дуже точно співпадає з періодом ядерного синтезу в процесі вибуху наднових, а також розпаду каліфорнію і, можливо, інших трансуранових елементів (може, і більш важких, які нам невідомі).

Існують зірки першого і другого покоління. Тільки другі можуть містити складі елементи важкіші від нікелю і мати планетні системи типу Сонячної.

Отже, в хімічному відношенні зірки є доволі простими системами. Досяжна для вивчення частина Всесвіту маж в основному воднево-гелієвий склад. Збулося пророцтво англійського астрофізика А. Еддінгтона, який на початку XX сторіччя писав, що легше буде розібратися в складі зірок, чим в процесах, які оточують нас на Землі. Закономірності розповсюдження хімічних елементів в космосі і на Землі спочатку були встановлені чисто емпірично. Було відмічено, що:

1. Розповсюдженість швидко спадає від елементів з низькими атомними номерами (приблизно до номера 30), а потім, для більш важких елементів залишається приблизно сталою.

2. Тільки десять елементів – Н, Не, С, N, O, Ne, Mg, Si, S, Fe, атомні номери яких менше 27, характеризуються високою розповсюдженістю; з них водень різко переважає над іншими.

3. Елементи з парними порядковим номерами більш розповсюджені, ніж непарні (закон Оддо – Гаркінса).

Уточнення до закону Оддо-Гаркінса в подальшому сформулювали О.Є. Ферсман та інші геохіміки, але основна суть його залишається незмінною. Витоки закономірностей – в будові атомних ядер. Первинно, геохіміки вважали, що це може бути якимсь чином пов’язано з різною ступінню стійкості атомних ядер різних елементів. Зараз визнається, що це відбиває механізм термоядерного синтезу в космічних умовах.

Встановлені закономірності вказують, що абсолютна розповсюдженість елементів залежить в більшості від властивостей ядра, чим від хімічних властивостей елементу і пов’язана зі стабільністю ядер.

О.Є. Ферсман помітив, що всі хімічні елементи можна розділити на 4 групи з порядковими номерами, що виражаються формулами:

4q; 4q+3; 4q+2; 4q+1, які складають 86,19%, 12,74%, 0,05%, 0,02% за масою відповідно.

Елемент однозначно характеризується числом протонів в ядрі, але число нейтронів може коливатися. В результаті елемент може мати декілька ізотопів які різняться за масовим числом або атомною вагою і стабільністю, але практично невідмінних за хімічними властивостями. З іншого боку, існують ізобари, які є різними елементами, але мають однакове число нейтронів.

Ядра, які уміщують 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонів або нейтронів особливо стійкі. Найбільш стійкі двічі магічні ядра, які уміщують магічне число і протонів і нейтронів – ⁴He, ¹⁶O, ⁴⁰Ca. В земній корі елементи з магічними ядрами мають достатньо високу розповсюдженість (за виключенням гелію).

Узагальнюючи всі дані про розповсюдженість хімічних елементів та їх поведінку в геохімічних процесах, В.М. Гольдшмідт сформулював основний закон геохімії:

Уміст хімічних елементів залежить від будови їх атомного ядра, а їх міграція – від будови електронних оболонок, які визначають хімічні властивості елементів. Для геохімії в рівній мірі важливі обидва ці аспекти.

Одним з основних законів геохімії є закон Ферсмана – Гольдшмідта, який можна сформулювати наступним чином: геохімія елемента в земній корі визначається як хімічними властивостями, так і величиною кларку.