Общая-геохимия.-Иркутск-2019 (1) (856215), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Уменьшаются в рядах слева направо с увеличением зарядаили валентности (например, в третьем ряду от Na к Mg, Al, Si).2. Увеличиваются в пределах групп сверху вниз с ростом порядкового номера (например, в первой группе от Li к Na, K, Rb, Cs),что, в свою очередь, связано с увеличением числа электронныхоболочек атомов (рис. 11). Таким образом, наблюдается близостьвеличин ионных радиусов по направлению диагонали, проходящейслева сверху направо вниз в таблице Менделеева (например, такиепары, как Li – Mg, K – Ba), что объясняет механизмы изоморфныхзамещений и имеет важнейшее значение для геохимии.
Данныйфакт впервые в 1931 г. отметил А. Е. Ферсман. Особую группу составляют лантаноиды и актиноиды. В них в результате эффекта,именуемого лантаноидным сжатием, ионные радиусы уменьшаютсяс ростом порядкового номера.Валентность – количество электронов, отданных или присоединенных атомом при образовании химической связи. В общемслучае при потере электрона ионный радиус уменьшается по сравнению с атомным радиусом. Поэтому размер катионов меньше, чемразмер анионов (рис. 12). В пределах периодической системы валентность отвечает номеру группы и в периодах слева направо радиусы катионов уменьшаются. Радиусы анионов меняются незначительно.Одним из параметров, характеризующих подвижность элементов при наличии флюидной фазы, является соотношение междувалентностью z и ионным радиусом элемента r, называемое ионнымпотенциалом Картледжа z / r (рис.
13). 33aб Рис. 11. Относительные радиусы:а – атомные радиусы; б – ионные радиусы (по: [Atkins, 2013])баРис. 12. Сравнение размера катиона и аниона с нейтральным атомом:а – нейтральный атом и катион натрия; б – нейтральный атом и катион фтора(по: [Atkins, 2013])34Нейтральный атом натрия состоит из ядра, содержащего 11 протонов и окруженного 11электронами (рис. 12, а). Когда атом теряет 1 электрон, то остальные 10 электронов уравновешивают только 10 протонов, а полученный ион (справа) имеет один общий положительный заряд.
Нейтральный атом фтора (слева) состоит из ядра, содержащего 9 протонов и окруженного 9электронами (рис. 12, б). Когда атом приобретает 1 электрон, то 9 протонов уравновешиваюттолько 9 электронов, а полученный ион (справа) имеет один общий отрицательныйзарядРис. 13. Соотношение валентности и ионного радиуса элементов(по: [Хендерсон, 1985])Для иллюстрации относительного соотношения величины некоторых элементарныхчастиц, атомов и молекул необходимо привести их абсолютные размеры к одному, но увеличенному масштабу. Например, если мы представим себе электрон размером с шарик диаметром 1 см, то самый маленький по размерам атом гелия, состоящий из двух протонов, двухнейтронов и двух электронов, будет иметь диаметр 320 км, т. е.
расстояние от Иркутска доУлан-Удэ по прямой. При этом самый крупный атом цезия, имеющий более 130 нуклонов вядре и 55 электронов, будет иметь размер 2250 км.Соотношение размеров некоторых элементарных частиц, атомови молекул с окружающим миромОбъектРазмер электронаРазмер протона или нейтронаСредний размер ядер атомовРазмер атома гелияРазмер атома водородаРазмер атома цезияТипичный размер молекулРазмерРазмер относительныйабсолютныймсммкм–181·1010,011,8·10–15180018–1510·1010 000100–1232·1032 000 000320 000320–101·10100 000 0001 000 0001000225·10–12225 000 0002 250 0002250–91·101 000 000 000 10 000 00010 00035Ионный потенциал – способность создавать электростатическое поле и притягивать общие электронные пары.
Элементы с низкими и высокими значениями z / r являются наиболее подвижнымив водных растворах, а с промежуточными – инертными. Низкимизначениями z / r обладают сильные катионы – щелочные и щелочноземельные металлы, высокими – галогены и элементы, образующиекислородные анионы, а промежуточными – амфотерные элементы.Координационное число – число атомов или ионов, расположенных в непосредственной близости вокруг рассматриваемогоатома или иона в структуре соединения.2.2. Классификация В. М.
ГольдшмидтаВ зависимости от цели в геохимии используется ряд принципов группировки элементов. Существуют классификации Вашингтона, Вернадского, Гольдшмидта, Ферсмана, Заварицкого. Наиболее широко используется классификация, предложенная норвежским геохимиком В. М. Гольдшмидтом.В ее основу положены следующие характеристики:1.
Распределение элементов между различными фазами метеоритов: металлической, сульфидной, силикатной в соответствии сих относительным сродством к Fe, S и O.2. Строение электронных оболочек.В классификации Гольдшмидта (рис. 14) выделяются 4 группы элементов:1. Сидерофильные (обладают сродством к железу) – характеризуются высокой плотностью и тугоплавкостью, концентрируютсяв металлической фазе метеоритов. Это переходные элементы VIIIгруппы и некоторые их соседи. К ним относятся Fe, Co, Ni, образующие сплавы с железом, все платиноиды (Ru, Rh, Pd, Pt, Re, Os, Ir),а также Mo.
Сидерофильные элементы часто находятся в самородном состоянии, формируют внутреннее ядро Земли.2. Халькофильные (любящие медь) – участвуют в сульфиднойфазе метеоритов. Это элементы побочных подгрупп I–II и главныхподгрупп III–VI групп периодической системы с 4-го по 6-й период,а также S. Наиболее известны Сu, Zn, Pb, Hg, Sn, Bi, Au, Ag.
Сидерофильные элементы Ni, Co, Mo также могут проявлять халькофильные свойства при высокой концентрации серы. Эти элементы36проявляют склонность образовывать природные соединения с серой и ее аналогами Se и Te, также проявляют сродство с As. Легкопереходят в самородное состояние. Железо в восстановительныхусловиях может иметь сродство к сере с образованием сульфидаFeS2. На долю всех халькофильных элементов приходится всего0,046 % массы земной коры, но из-за способности накапливаться вопределённых условиях они образуют рудные месторождения, среди которых доминируют гидротермальные жильные. В осадочныхпородах сульфиды ряда элементов (меди, свинца, цинка и частичносеребра) образуют стратиформные (пластовые) рудные залежи.
Одним из наиболее известных месторождений такого типа являетсяХолоднинское месторождение полиметаллических руд, локализованное в пределах южного обрамления Сибирской платформы.3. Литофильные (любящие камень, имеющие сродство к кислороду) – участвуют в силикатной фазе метеоритов. Обладаютсродством к силикатным минералам и расплавам. Элементы, составляющие около 93 % массы земной коры и около 97 % массысолевого состава океанической воды.
Они располагаются на убывающих участках кривой атомных объёмов. Это самая многочисленная группа, которая объединяет 54 элемента (в том числе С,петрогенные Si, Al, Mg, Ca, Na, K, элементы семейства железа Ti,V, Cr, Mn, редкие Li, Be, B, Rb, Cs, Sr, Ba, Zr, Nb, Ta, лантаноиды иактиноиды). Яркой геохимической характеристикой литофильныхэлементов, является то, что они трудно восстанавливаются до элементарного состояния, преимущественно парамагнитны и имеютнизкую плотность соединений (от 2·103 до 4·103 кг/м³). B природеподавляющая масса этих элементов входит в состав силикатов, нотакже широко распространены их оксиды, галогениды, карбонаты,сульфаты, фосфаты. В модели строения Земли литофильные элементы концентрируются в коре и мантии.4. Атмофильные: H, N, инертные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe,Rn) – всего 8 элементов, выделяются в газовую фазу и накапливаются в атмосфере.
В природе для них характерно газообразное состояние. Большинство из них имеет атомы с заполненной электронной внешней оболочкой, располагаются в верхних частях кривой атомных объёмов; преимущественно диамагнитны. Для большинства (кроме водорода, близкого к литофильным элементам) характерно нахождение в природе в элементарном состоянии.
Этиэлементы участвуют в составе матрикса хондритов и формируютатмосферу Земли.37Рис. 14. Периодическая система и геохимическая классификация Гольдшмидта382.3. Элементы петрогенные, редкие, рассеянные,когерентные, некогерентные, HFSE, LILE, REE+YВ геохимии элементов важное значение имеют их концентрации, формы нахождения, способность концентрироваться в решетках минералов и степень мобильности при выветривании. По различным сочетаниям этих характеристик в геохимии выделяютсяследующие их группы:1. Петрогенные (породообразующие, главные) элементы свысокими концентрациями. К ним относятся O, Si, Ti, Al, Fe, Mn,Mg, Ca, Na, K, P.
Эти элементы формируют кристаллическую решетку минералов. Катионы обычно выражаются в виде окислов,содержания которых изменяются в пределах от 0,01 мас. % (для оксида фосфора) до 78 мас. % (для оксида кремния).2. Редкие (второстепенные) микроэлементы с концентрациямине более 0,01 мас. %. К ним относятся все оставшиеся элементы периодической системы.3. Рассеянные микроэлементы, которые не образуют собственных минералов. Это Rb, Ga, Ge, In, Ra.Понятия когерентные и некогерентные элементы применяются для характеристики магматического процесса.Когерентными или совместимыми называются элементы,которые преимущественно накапливаются в минеральных фазах, ане в сосуществующем расплаве вследствие того, что они кристаллохимически близки к петрогенным и изоморфно входят в структуру их минералов.Некогерентными или несовместимыми называются элементы, которые преимущественно накапливаются в расплаве по мерекристаллизации твёрдых фаз, поскольку они обладают слишкомбольшими или малыми величинами ионных радиусов и/или зарядови по этой причине не могут войти в кристаллическую решетку минералов (рис.
15).Для количественной оценки степени когерентности/некогерентности используют коэффициент распределения Kр, который равен отношению концентраций элемента в твердой и жидкой фазах:Kр = концентрация в минерале / концентрация в расплаве.39Рис. 15. Примеры изоморфизма совместимых и несовместимых элементов(по: [Railsback, 2001])Соответственно для когерентных Kр > 1, для некогерентныхKр < 1. Kр зависит от температуры, давления, состава расплава (вчастности от концентрации в нем SiO2, щелочных элементов и воды). Однако при постоянстве этих параметров, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
