Введение
Мера относительного содержания химических элементов в заданной среде. Обилие химических элементов – это мера содержания химических элементов по отношению ко всем остальным элементам в данной среде. Обилие измеряется одним из трех способов: массовой долей (в коммерческих контекстах часто называемой весовой долей), мольной долей (доля атомов по численному подсчету или, иногда, доля молекул в газах) или объемной долей. Объемная доля является распространенной мерой обилия в смешанных газах, таких как планетарные атмосферы, и по значению близка к мольной доле молекул для газовых смесей при относительно низкой плотности и давлении, а также для идеальных газовых смесей. Большинство значений обилия в этой статье приведены в виде массовых долей. Например, обилие кислорода в чистой воде можно измерить двумя способами: массовая доля составляет около 89%, поскольку именно такая часть массы воды приходится на кислород. Однако мольная доля составляет около 33%, так как только 1 атом из 3 в молекуле воды H2O является кислородом. В качестве другого примера, рассмотрим массовую долю водорода и гелия как во Вселенной в целом, так и в атмосферах газовых гигантов, таких как Юпитер: она составляет 74% для водорода и 23–25% для гелия. В то же время (атомная) мольная доля водорода составляет 92%, а гелия – 8% в этих средах. Если изменить рассматриваемую среду на внешнюю атмосферу Юпитера, где водород двухатомный, а гелий – нет, то изменится мольная доля молекул (доля молекул общего количества газа), а также объемная доля водорода, которая составит около 86%, и гелия – 13%. Обилие химических элементов во Вселенной определяется большими количествами водорода и гелия, образовавшихся во время Большого взрыва. Оставшиеся элементы, составляющие лишь около 2% Вселенной, в основном образовались в сверхновых и некоторых красных гигантах. Литий, бериллий и бор редки, несмотря на их низкие атомные номера, поскольку, хотя они образуются в результате ядерного синтеза, они разрушаются в других реакциях внутри звезд. Их естественное образование является результатом расщепления космическими лучами углерода, азота и кислорода в результате реакции ядерного деления. Элементы от углерода до железа относительно более распространены во Вселенной из-за легкости их образования в процессе нуклеосинтеза сверхновых. Элементы с атомными номерами выше железа (элемент 26) становятся все более редкими во Вселенной, поскольку для их образования требуется все больше энергии звезд. Кроме того, элементы с четными атомными номерами, как правило, более распространены, чем их соседи в периодической таблице, из-за благоприятной энергетики образования (см. правило Оддо-Харкинса), а среди самых легких нуклидов – от гелия до серы – наиболее распространены изотопы с одинаковым количеством протонов и нейтронов. Обилие элементов на Солнце и внешних планетах аналогично их обилию во Вселенной. Из-за нагрева Солнца элементы Земли и внутренних каменистых планет Солнечной системы подверглись дополнительному истощению летучих водорода, гелия, неона, азота и углерода (которые испаряются в виде метана). Кора, мантия и ядро Земли свидетельствуют о химической сегрегации и некоторой концентрации по плотности. В коре преобладают более легкие силикаты алюминия, в мантии – больше силикатов магния, а ядро состоит из металлического железа и никеля. Обилие элементов в специализированных средах, таких как атмосфера, океаны или человеческое тело, в первую очередь является результатом химических взаимодействий со средой, в которой они находятся.
The abundance of the chemical elements is a measure of the occurrence of the chemical elements relative to all other elements in a given environment. Abundance is measured in one of three ways: by mass fraction (in commercial contexts often called weight fraction), by mole fraction (fraction of atoms by numerical count, or sometimes fraction of molecules in gases), or by volume fraction. Volume fraction is a common abundance measure in mixed gases such as planetary atmospheres, and is similar in value to molecular mole fraction for gas mixtures at relatively low densities and pressures, and ideal gas mixtures. Most abundance values in this article are given as mass fractions. For example, the abundance of oxygen in pure water can be measured in two ways: the mass fraction is about 89%, because that is the fraction of water's mass which is oxygen. However, the mole fraction is about 33% because only 1 atom of 3 in water, H2O, is oxygen. As another example, looking at the mass fraction abundance of hydrogen and helium in both the universe as a whole and in the atmospheres of gas giant planets such as Jupiter, it is 74% for hydrogen and 23–25% for helium; while the (atomic) mole fraction for hydrogen is 92%, and for helium is 8%, in these environments. Changing the given environment to Jupiter's outer atmosphere, where hydrogen is diatomic while helium is not, changes the molecular mole fraction (fraction of total gas molecules), as well as the fraction of atmosphere by volume, of hydrogen to about 86%, and of helium to 13%. The abundance of chemical elements in the universe is dominated by the large amounts of hydrogen and helium which were produced during the Big Bang. Remaining elements, making up only about 2% of the universe, were largely produced by supernovae and certain red giant stars. Lithium, beryllium, and boron, despite their low atomic number, are rare because, although they are produced by nuclear fusion, they are destroyed by other reactions in the stars. Their natural occurrence is the result of cosmic ray spallation of carbon, nitrogen and oxygen in a type of nuclear fission reaction. The elements from carbon to iron are relatively more abundant in the universe because of the ease of making them in supernova nucleosynthesis. Elements of higher atomic numbers than iron (element 26) become progressively rarer in the universe, because they increasingly absorb stellar energy in their production. Also, elements with even atomic numbers are generally more common than their neighbors in the periodic table, due to favorable energetics of formation (see Oddo Harkins rule), and among the lightest nuclides helium through sulfur the most abundant isotopes of equal number of protons and neutrons. The abundance of elements in the Sun and outer planets is similar to that in the universe. Due to solar heating, the elements of Earth and the inner rocky planets of the Solar System have undergone an additional depletion of volatile hydrogen, helium, neon, nitrogen, and carbon (which volatilizes as methane). The crust, mantle, and core of the Earth show evidence of chemical segregation plus some sequestration by density. Lighter silicates of aluminium are found in the crust, with more magnesium silicate in the mantle, while metallic iron and nickel compose the core. The abundance of elements in specialized environments, such as atmospheres, oceans, or the human body, are primarily a product of chemical interactions with the medium in which they reside.
Редкоземельные элементы
"Редкие" земли – исторически сложившееся неверное название. Сохранение этого термина обусловлено недостаточной осведомленностью, а не истинной редкостью. Более распространенные редкоземельные элементы также концентрируются в земной коре в сопоставимых количествах с обычными промышленными металлами, такими как хром, никель, медь, цинк, молибден, олово, вольфрам или свинец. Два наименее распространенных стабильных редкоземельных элемента (тулий и лютеций) встречаются почти в 200 раз чаще, чем золото. Однако, в отличие от обычных базовых и драгоценных металлов, редкоземельные элементы обладают очень низкой способностью к концентрации в разрабатываемых месторождениях руды. В результате, основная часть мировых запасов редкоземельных элементов поступает лишь из нескольких источников. Более того, редкоземельные металлы весьма схожи по своим химическим свойствам, что затрудняет их разделение на чистые элементы. Различия в содержании отдельных редкоземельных элементов в верхней континентальной коре Земли являются результатом наложения двух эффектов – ядерного и геохимического. Во-первых, редкоземельные элементы с четными атомными номерами (58Ce, 60Nd) имеют большее космическое и земное распространение, чем соседние редкоземельные элементы с нечетными атомными номерами (57La, 59Pr). Во-вторых, легкие редкоземельные элементы менее совместимы (из-за большего ионного радиуса) и, следовательно, сильнее концентрируются в континентальной коре, чем тяжелые редкоземельные элементы. В большинстве месторождений редкоземельных руд первые четыре элемента – лантан, церий, празеодим и неодим – составляют от 80% до 99% от общего количества редкоземельных металлов, содержащихся в руде.
Мантия
Массовая доля семи наиболее распространенных элементов в мантии Земли составляет приблизительно: кислород 44,3%, магний 22,3%, кремний 21,3%, железо 6,32%, кальций 2,48%, алюминий 2,29%, никель 0,19%.
Ядро
Из-за массовой сегрегации, ядро Земли, как считается, состоит главным образом из железа (88,8%), с меньшим содержанием никеля (5,8%), серы (4,5%) и менее 1% примесных элементов. Аргон (0,96%), за которым следуют (в неопределённом порядке) углерод и водород, поскольку водяной пар и углекислый газ, содержащие большую часть этих двух элементов в атмосфере, являются переменными компонентами. Сера, фосфор и все остальные элементы присутствуют в значительно меньших количествах. Согласно кривой распределения элементов, аргон, являющийся значительным, если не основным, компонентом атмосферы, полностью отсутствует в земной коре. Это объясняется тем, что масса атмосферы значительно меньше массы земной коры, поэтому остаточный аргон в коре вносит незначительный вклад в её массовую долю, в то время как накопление аргона в атмосфере достигло величины, имеющей существенное значение.
Городские почвы
Для полного списка концентраций элементов в городских почвах см. раздел «Содержание элементов (страница данных)»#Городские почвы.
Человеческий организм
+ Содержание элементов в организме человека
Соотношение элементов (по массе)
Кислород 65
Углерод 18
Водород 10
Азот 3
Кальций 1.5
Фосфор 1.2
Калий 0.2
Сера 0.2
Хлор 0.2
Натрий 0.1
Магний 0.05
Железо < 0.05
Кобальт < 0.05
Медь < 0.05
Цинк < 0.05
Йод < 0.05
Селен < 0.01
По массе, клетки человека состоят из 65–90% воды (H2O), а значительная часть остального объема приходится на органические молекулы, содержащие углерод. Таким образом, кислород составляет большую часть массы человеческого тела, за ним следует углерод. Около 99% массы человеческого тела составляют шесть элементов: водород (H), углерод (C), азот (N), кислород (O), кальций (Ca) и фосфор (P). Следующие 0,75% составляют следующие пять элементов: калий (K), сера (S), хлор (Cl), натрий (Na) и магний (Mg). Для жизни человека необходимо как минимум 17 элементов, а еще один элемент (фтор) считается полезным для укрепления зубной эмали. Несколько других микроэлементов могут играть определенную роль в здоровье млекопитающих. Бор и кремний необходимы для растений, но их роль в организме животных не установлена. Элементы алюминий и кремний, хотя и широко распространены в земной коре, встречаются в человеческом организме в незначительных количествах. Ниже представлена периодическая таблица с выделенными необходимыми для питания элементами.