Жер элементтерінің геохимиялық жіктелуі

Кіріспе

Геохимиялық жіктеу

Виктор Голдшмидт (1888–1947) әзірлеген Голдшмидт жіктеуі – Жердегі химиялық элементтерді олардың басымды кездесетін фазаларына сәйкес литофильді (тасқа ұмтылатын), сидерофильді (темірге ұмтылатын), халкофильді (сульфид кендеріне немесе халькогендерге ұмтылатын) және атмосфильді (газға ұмтылатын) немесе ұшқыш (элемент немесе оның құрамындағы қосылыс, бөлме температурасында сұйық немесе газ күйінде болатын) топтарына бөлетін геохимиялық жіктеу. Кейбір элементтер бірнеше фазаға да ұмтылуы мүмкін. Басты ұмтылысы төмендегі кестеде көрсетілген, ал әрбір топ туралы толыққанды мәлімет кестеден кейін берілген.

Литофилді элементтер

Литофильді элементтер – жер бетінде немесе оған жақын қалып, себебі олар оттегімен оңай қосылып, Жердің ядросына батпайтын қосылыстар түзетін элементтер. Литофильді элементтерге 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 және лантаноидтар немесе сирек кездесетін жер элементтері (REE) жатады. Литофильді элементтердің құрамында негізінен s және f блоктарындағы өте реактивті металдар болады. Сонымен қатар, оларға реактивті емес металдардың аз саны және титан, цирконий және ванадий сияқты d блогының реактивті металдары кіреді. "Литофиль" атауы "литос" – "тас" және "филео" – "сүйіспеншілік" деген сөздерден шыққан. Көптеген литофильді элементтер асыл газ конфигурациясымен (кейде қосымша f электрондарымен) өте тұрақты иондар құрайды. Силиций, фосфор және бор сияқтылар оттегімен өте күшті ковалентті байланыстар жасайды, көбінесе π-байланыстарды қамтиды. Олардың оттегіге деген жоғары сәйкестігі литофильді элементтердің кремниймен күшті байланысуына және Жер қабығына қарай жүзетін салыстырмалы түрде төмен тығыздықтағы минералдардың түзілуіне әкеледі. Сілті металдар құрайтын ерігіш минералдар теңіз суында немесе өте құрғақ аймақтарда шоғырланады, онда олар кристалдануы мүмкін. Аз ерігіш литофильді элементтер ежелгі континенттік қалқандарда шоғырланған, онда барлық ерігіш минералдар ыдыраған. Оттегіге деген күшті сәйкестігіне байланысты, көптеген литофильді элементтер Жер қабығында Күн жүйесіндегі мөлшеріне қарағанда байытылған. Тұзды немесе металл гидридтерін түзетін ең реактивті s және f блоктарындағы металдар Жерде Күндегі мөлшеріне қарағанда ерекше байытылған. Бұл себебі Жердің қалыптасуының алғашқы кезеңдерінде әр химиялық элементтің тұрақты түрін анықтаған реакция оның сутегімен қосылыстар құру қабілеті болды. Осы жағдайларда s және f блоктарындағы металдар Жердің қалыптасуы кезінде күшті байытылды. Ең байытылған элементтер – рубидий, стронций және барий, олар Жер қабығындағы темірден ауыр элементтердің массасының 50 пайыздан астамын құрайды. Металл емес литофилдер – фосфор және галогендер – Жерде иондық тұздар түрінде кездеседі. Фтордан басқа, оның гидриді сутекті байланыстар құрайды және салыстырмалы түрде төмен ұшқыштыққа ие, бұл элементтердің Жердегі концентрациясы Жердің қалыптасуы кезінде ұшқыш гидридтердің қашуы арқылы айтарлықтай төмендеді. Олар Жер қабығында Күндегі мөлшеріне жақын концентрацияларда кездеседі, бірақ фосфор мен ауыр галогендер Күндегі мөлшеріне қарағанда Жерде айтарлықтай азайған. Хром, молибден, темір және марганец сияқты бірнеше өтпелі металдар литофильді және сидерофильді сипаттамаларды көрсетеді және осы екі қабатта да кездеседі. Бұл металдар оттегімен күшті байланыстар құраса да және Жер қабығында еркін күйде табылмайды, бірақ олардың металл түрлері Жердің ядросында атмосферада оттегі болмаған кездегі қалдықтар ретінде болуы мүмкін деп есептеледі. "Таза" сидерофильдер сияқты, бұл элементтер (темірден басқа) Жер қабығында Күндегі мөлшеріне қарағанда айтарлықтай азайған. Оттегіге деген күшті сәйкестігіне байланысты, литофильді металдар Жер қабығындағы металл элементтердің көп бөлігін құраса да, электролиздің дамуына дейін ешқашан еркін металдар ретінде қол жетімді болған жоқ. Осы дамудың нәтижесінде көптеген литофильді металдар құрылымдық металдар (магний, алюминий, титан, ванадий) немесе тотықтырғыштар (натрий, магний, кальций) ретінде құнды болып табылады. Металл емес фосфор мен галогендер де ерте химияшыларға белгісіз болған, бірақ бұл элементтерді өндіру металл литофильдерге қарағанда аз қиын, өйткені электролиз тек фтор үшін қажет. Элементарлы хлор әсіресе тотықтырғыш агент ретінде маңызды, ол әдетте натрий хлориді электролизі арқылы жасалады.

Lithophile elements are those that remain on or close to the surface because they combine readily with oxygen, forming compounds that do not sink into the Earth's core. The lithophile elements include 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 and the lanthanides or rare earth elements (REE). Lithophile elements mainly consist of the highly reactive metals of the s and f blocks. They also include a small number of reactive nonmetals, and the more reactive metals of the d block such as titanium, zirconium and vanadium. Lithophile derives from "lithos" which means "rock", and "phileo" which means "love". Most lithophile elements form very stable ions with an electron configuration of a noble gas (sometimes with additional f electrons). The few that do not, such as silicon, phosphorus and boron, form extremely strong covalent bonds with oxygen – often involving pi bonding. Their strong affinity for oxygen causes lithophile elements to associate very strongly with silica, forming relatively low density minerals that thus float to the Earth's crust. The more soluble minerals formed by the alkali metals tend to concentrate in seawater or extremely arid regions where they can crystallise. The less soluble lithophile elements are concentrated on ancient continental shields where all soluble minerals have been weathered. Because of their strong affinity for oxygen, most lithophile elements are enriched in the Earth's crust relative to their abundance in the solar system. The most reactive s and f block metals, which form either saline or metallic hydrides, are known to be extraordinarily enriched on Earth as a whole relative to their solar abundances. This is because during the earliest stages of the Earth's formation the reaction that controlled the stable form of each chemical element was its ability to form compounds with hydrogen. Under these conditions, the s and f block metals were strongly enriched during the formation of the Earth. The most enriched elements are rubidium, strontium and barium, which between them account for over 50 percent by mass of all elements heavier than iron in the Earth's crust. The nonmetallic lithophiles – phosphorus and the halogens – exist on Earth as ionic salts with s block metals in pegmatites and seawater. With the exception of fluorine, whose hydride forms hydrogen bonds and is therefore of relatively low volatility, these elements have had their concentrations on Earth significantly reduced through escape of volatile hydrides during the Earth's formation. Although they are present in the Earth's crust in concentrations quite close to their solar abundances, phosphorus and the heavier halogens are probably significantly depleted on Earth as a whole relative to their solar abundances. Several transition metals, including chromium, molybdenum, iron and manganese, show both lithophile and siderophile characteristics and can be found in both these two layers. Although these metals form strong bonds with oxygen and are never found in the Earth's crust in the free state, metallic forms of these elements are thought very likely to exist in the core of the earth as relics from when the atmosphere did not contain oxygen. Like the "pure" siderophiles, these elements (except iron) are considerably depleted in the crust relative to their solar abundances. Owing to their strong affinity for oxygen, lithophile metals, although they form the great bulk of the metallic elements in Earth's crust, were never available as free metals before the development of electrolysis. With this development, many lithophile metals are of considerable value as structural metals (magnesium, aluminium, titanium, vanadium) or as reducing agents (sodium, magnesium, calcium). The non metals phosphorus and the halogens were also not known to early chemists, though production of these elements is less difficult than of metallic lithophiles since electrolysis is required only with fluorine. Elemental chlorine is particularly important as an oxidizing agent – usually being made by electrolysis of sodium chloride.

Халкофильді элементтер

Калькофильді элементтерге Ag, As, Bi, Cd, Cu, Ga, Ge, Hg, In, Pb, S, Sb, Se, Sn, Te, Tl және Zn жатады. Калькофильді элементтер – жер бетінде немесе оған жақын қалатын элементтер, себебі олар күкіртпен және оттегінен басқа халькогендермен оңай қосылысқа түсіп, Жердің ядросына шөгіп кетпейтін қосылыстарды жасайды. Калькофильді элементтер – оттекке аздап тартылатын және күкіртпен өте тұрақсыз сульфидтер түзе алатын металдар мен ауыр металл емес элементтер. «Калькофиль» атауы грек тіліндегі «халькос» (χαλκός) сөзінен шыққан, ол «кен» дегенді білдіреді (кейде «қола» немесе «мыс» деп те аударылады, бірақ бұл контексте «кен» мағынасы маңызды). Әртүрлі дереккөздерде бұл сөз «халькогендерді жақсы көретін» дегенді білдіреді. Осы сульфидтер литофильді элементтердің түзілген силикат минералдарынан тығыз болғандықтан, Жер қыртысының алғашқы қалыптасу кезінде литофильдерден бөлініп, төмен қарай жиналды. Бұл олардың Күндегі мөлшерімен салыстырғанда Жер қыртысында азаюына себеп болды, бірақ олар түзететін минералдар металл емес болғандықтан, бұл азаю сидерофильді элементтердегідей емес. Дегенмен, Жердің ерте кезеңінде олар тұрақсыз гидридтерді құрағандықтан, металдық қасиеті төмен калькофильді элементтердің Жердегі мөлшері ғарыштық мөлшермен салыстырғанда айтарлықтай азайды. Бұл әсіресе селен мен теллурге қатысты (олар сәйкесінсіз сутегінің селениді мен сутегінің теллуридін түзеді), сондықтан олар Жер қыртысындағы ең сирек элементтердің қатарында (мысалы, теллурдың мөлшері платинаға шамалас). Мыс, мырыш және бор тобына жататын ең металдық калькофильді элементтер Жердің ядросында темірмен араласуы мүмкін. Олардың Жердегі мөлшері Күндегі мөлшерімен салыстырғанда азаймауы мүмкін, себебі олар тұрақсыз гидридтерді құрамайды. Цинк пен галлийдің силикат немесе оған ұқсас минералдарда кездесуі және оттекпен берік байланыс жасауы себебінен оларды «литофильді» элементтерге жатқызуға болады. Галлий негізінен бокситтен – алюминий гидроксидінен алынады, онда галлий ионы химиялық тұрғысынан ұқсас алюминийді ығыстырады. Жер қыртысында ешбір калькофильді элемент көп мөлшерде кездеспесе де, олар коммерциялық маңызы бар металдардың көп бөлігін құрайды. Себебі литофильді элементтерді алу үшін энергияны көп қажет ететін электролиз процесі қажет болса, калькофильді элементтерді кокспен тотығу арқылы оңай алуға болады. Сонымен қатар, калькофильді элементтердің геохимиялық концентрациясы кейде орташа қыртыстық мөлшерден 100 000 есе артық болуы мүмкін. Мұндай ең үлкен байытулар Тибет және Боливияның Альтиплано таулы аймақтарында байқалады, онда пластиналардың соқтығысуы нәтижесінде үлкен мөлшерде калькофильді элементтер жоғары көтерілген. Бұл процестің қазіргі замандағы салдары – ең сирек калькофильді элементтердің (мысалы, сынаптың) толықтай игерілуі, олардың минерал ретіндегі құндылығының жоғалуына әкелді.

The chalcophile elements include Ag, As, Bi, Cd, Cu, Ga, Ge, Hg, In, Pb, S, Sb, Se, Sn, Te, Tl and Zn. Chalcophile elements are those that remain on or close to the surface because they combine readily with sulfur and some other chalcogen other than oxygen, forming compounds which do not sink into the Earth's core. Chalcophile elements are those metals and heavier nonmetals that have a low affinity for oxygen and prefer to bond with sulfur as highly insoluble sulfides. Chalcophile derives from Greek khalkós (χαλκός), meaning "ore" (it also meant "bronze" or "copper", but in this case "ore" is the relevant meaning), and is taken to mean "chalcogen loving" by various sources. Because these sulfides are much denser than the silicate minerals formed by lithophile elements, chalcophile elements separated below the lithophiles at the time of the first crystallization of the Earth's crust. This has led to their depletion in the Earth's crust relative to their solar abundances, though because the minerals they form are nonmetallic, this depletion has not reached the levels found with siderophile elements. However, because they formed volatile hydrides on the primitive Earth when the controlling redox reaction was the oxidation or reduction of hydrogen, the less metallic chalcophile elements are strongly depleted on Earth as a whole relative to cosmic abundances. This is most especially true of the chalcogens selenium and tellurium (which formed volatile hydrogen selenide and hydrogen telluride, respectively), which for this reason are among the rarest elements found in the Earth's crust (to illustrate, tellurium is only about as abundant as platinum). The most metallic chalcophile elements (of the copper, zinc and boron groups) may mix to some degree with iron in the Earth's core. They are not likely to be depleted on Earth as a whole relative to their solar abundances since they do not form volatile hydrides. Zinc and gallium are somewhat "lithophile" in nature because they often occur in silicate or related minerals and form quite strong bonds with oxygen. Gallium, notably, is sourced mainly from bauxite, an aluminum hydroxide ore in which gallium ion substitutes for chemically similar aluminum. Although no chalcophile element is of high abundance in the Earth's crust, chalcophile elements constitute the bulk of commercially important metals. This is because, whereas lithophile elements require energy intensive electrolysis for extraction, chalcophiles can be easily extracted by reduction with coke, and chalcophiles' geochemical concentration – which in extreme cases can exceed 100,000 times average crustal abundance. These greatest enrichments occur in high plateaux like the Tibetan Plateau and the Bolivian Altiplano where large quantities of chalcophile elements have been uplifted through plate collisions. A side effect of this in modern times is that the rarest chalcophiles (like mercury) are so completely exploited that their value as minerals has almost completely disappeared.

Атмофильді элементтер

Атмофильді элементтер – H, C, N және асыл газдар. Атмофильді элементтер (сонымен қатар "ұшпа элементтер" деп аталады) – бетінде немесе одан жоғарыда қалатын элементтер, себебі олар Жер бетіндегі температура мен қысымда сұйық және/немесе газ күйінде болады немесе олармен бірге кездеседі. Асыл газдар тұрақты қосылыстарды түзбейді және моноатомдық газдар түрінде кездеседі, ал азоттың жеке атомдары тұрақты конфигурацияға ие болмаса да, азот пен оттегіге қатысты термодинамикалық тұрақсыз жасайтын өте күшті диатомдық молекула құрайды. Осының салдарынан, фотосинтез арқылы еркін оттегі пайда болғаннан кейін аммиак молекулалық азотқа тотықтырылды, ол Жер атмосферасының бес бөлігінен төртін құрайды. Көміртек те атмосфералық элементтер қатарына жатады, өйткені ол көміртек оксидінде (атмосферада баяу тотығады) және көміртек диоксидінде оттегімен өте берік көп байланыстарды жасайды. Соңғысы Жер атмосферасының төртінші ірі құрамы болып табылады, ал көміртек оксиді жанартауларда табиғи түрде кездеседі және атмосферада бірнеше ай сақталады. Су құрамында кездесетін сутегі де атмосфералық элементтердің біріне жатады. Су ұшпалы заттар ретінде жіктеледі, себебі оның көп бөлігі сұйық немесе газ күйінде болады, тіпті ол Жер бетінде қатты қосылыстар түрінде кездеседі. Су басқа минералдарға кристалдану сулары (мысалы, гипс) немесе гидроксилдік топтар (мысалы, талк) түрінде қосылуы мүмкін, бұл сутегіге литофильді сипат береді. Барлық атмофильді элементтер газдар немесе ұшпалы гидридтер болғандықтан, Жердің қалыптасу кезінде атмосферадан жоғалғандықтарына байланысты олардың Күндегі мөлшеріне қарағанда Жерде айтарлықтай азайған. Ауыр асыл газдар (криптон, ксенон) – Жердегі ең сирек кездесетін тұрақты элементтер.

Тіндік және синтетикалық элементтер

Синтетикалық элементтер жіктемеден тыс қалдырылған, себебі олар табиғатта кездеспейді. Аз мөлшердегі радиоактивті элементтер (атап айтқанда Tc, Pm, Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Pa, Np, Pu) де синтетикалық деп есептеледі. Бұл элементтер табиғатта кездеседі, бірақ олардың пайда болуы ұзақ өмір сүретін Th және U элементтеріне тікелей байланысты, және олардың жылжу қабілеті төмен. Мысалы, полоний химиясы оны халкофилге жатқызуға мүмкіндік берсе де, ол көбінесе уранмен бірге литофил ретінде кездеседі. Тіпті газ тәрізді радон да, ыдырамас бұрын бастапқы уран көзінен қашыққа жылжуға үлгермейді. Қажет болған жағдайда, бұл элементтер көбінесе уран кенінен алудың қиын және еңбекті талап ететін процесінен гөрі, ядролық реакторларда синтетикалық түрде өндіріледі.