Классификация Гольдшмидта

Гольдшмидта Классификация , ^[1]^[2]разработанная Виктором Гольдшмидтом (1888–1947), представляет собой геохимическую классификацию , которая группирует химические элементы в пределах Земли в соответствии с их предпочтительными фазами-хозяевами на литофильные ( любящие камни ), сидерофильные ( любящие железо ), халькофильные ( любящие сульфидную руду или халькогенолюбивые ), атмосферофильные (газолюбивые) или летучие (элемент или соединение, в котором он встречается, в условиях окружающей поверхности находится в жидком или газообразном состоянии).

Некоторые элементы имеют сходство более чем с одной фазой. Основное сходство указано в таблице ниже, а обсуждение каждой группы следует за этой таблицей.

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Группа →
↓ Период
1	1 ЧАС																	2 Он
2	3 Что	4 Быть											5 Б	6 С	7 Н	8 ТО	9 Ф	10 Ne
3	11 Уже	12 мг											13 Ал	14 И	15 П	16 С	17 кл.	18 С
4	19 К	20 Что	21 наук	22 Из	23 V	24 Кр	25 Мин.	26 Фе	27 Ко	28 В	29 С	30 Зн	31 Здесь	32 Ге	33 Как	34 Се	35 Бр	36 НОК
5	37 руб.	38 старший	39 И	40 Зр	41 Нб	42 Мо	43 Тс	44 Ру	45 резус	46 ПД	47 В	48 компакт-диск	49 В	50 Сн	51 Сб	52 Te	53 я	54 Машина
6	55 Cs	56 Нет	71 Лу	72 хф	73 Облицовка	74 В	75 Ре	76 Ты	77 И	78 Пт	79 В	80 ртуть	81 Тл	82 Pb	83 С	84 Po	85 В	86 Рн
7	87 Пт	88 Солнце	103 лр	104 РФ	105 ДБ	106 Сг	107 Бх	108 Хс	109 гора	110 Дс	111 Рг	112 Сп	113 Нх	114 В	115 Мак	116 Лев	117 Ц	118 И

			57 La	58 Этот	59 Пр	60 Нд	61 вечера	62 см	63 Евросоюз	64 Б-г	65 Тб	66 Те	67 К	68 Является	69 Тм	70 Ыб
			89 И	90 че	91 Хорошо	92 В	93 Например	94 Мог	95 Являюсь	96 См	97 Бк	98 См.	99 Является	100 Фм	101 Мэриленд	102 Нет

Классификация Гольдшмидта: литофильный сидерофильный халькофильный атмосферный следовой/синтетический

Литофильные элементы

Литофильные элементы — это те элементы, которые остаются на поверхности или вблизи нее, поскольку они легко соединяются с кислородом, образуя соединения, которые не погружаются в ядро Земли . К литофильным элементам относятся 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 и лантаноиды или редкоземельные элементы (РЗЭ).

Литофильные элементы в основном состоят из высокореактивных металлов s- и f-блоков . Они также включают небольшое количество реакционноспособных неметаллов и более реакционноспособные металлы d-блока, такие как титан , цирконий и ванадий . Слово «литофил» происходит от «литос», что означает «камень», и «филео», что означает «любовь».

Большинство литофильных элементов образуют очень стабильные ионы с электронной конфигурацией благородного газа (иногда с дополнительными f-электронами). Те немногие, которые этого не делают, такие как кремний, фосфор и бор, образуют чрезвычайно прочные ковалентные связи с кислородом, часто включая пи-связь . Их сильное сродство к кислороду заставляет литофильные элементы очень прочно связываться с кремнеземом, образуя минералы относительно низкой плотности, которые таким образом всплывают в земную кору . Более растворимые минералы, образованные щелочными металлами, имеют тенденцию концентрироваться в морской воде или крайне засушливых регионах , где они могут кристаллизоваться. Менее растворимые литофильные элементы сосредоточены на древних континентальных щитах , где все растворимые минералы подверглись выветриванию.

Из-за сильного сродства к кислороду большинство литофильных элементов обогащены земной корой по сравнению с их содержанием в Солнечной системе. наиболее реакционноспособные металлы s- и f-блока, которые образуют солевые растворы или гидриды металлов Известно, что , чрезвычайно обогащены на Земле в целом по сравнению с их солнечным содержанием. Это связано с тем, что на самых ранних этапах формирования Земли реакцией, контролировавшей стабильную форму каждого химического элемента, была его способность образовывать соединения с водородом. В этих условиях металлы s- и f-блоков были сильно обогащены во время формирования Земли. Наиболее обогащенными элементами являются рубидий , стронций и барий , на долю которых приходится более 50 процентов по массе всех элементов тяжелее железа в земной коре.

Неметаллические литофилы – фосфор и галогены – существуют на Земле в виде ионных солей с металлами s-блока в пегматитах и морской воде. За исключением фтора , гидрид которого образует водородные связи и поэтому имеет относительно низкую летучесть, концентрации этих элементов на Земле значительно снизились из-за выделения летучих гидридов во время формирования Земли. Хотя они присутствуют в земной коре в концентрациях, довольно близких к их солнечному содержанию, фосфор и более тяжелые галогены, вероятно, значительно обеднены на Земле в целом по сравнению с их солнечным содержанием.

Некоторые переходные металлы, в том числе хром , молибден , железо и марганец , проявляют как литофильные , так и сидерофильные характеристики и могут быть обнаружены в обоих этих двух слоях. Хотя эти металлы образуют прочные связи с кислородом и никогда не встречаются в земной коре в свободном состоянии, считается, что металлические формы этих элементов, скорее всего, существуют в ядре Земли как реликты тех времен, когда атмосфера не содержала кислорода. Как и «чистые» сидерофилы, эти элементы (за исключением железа) значительно обеднены в земной коре по сравнению с их солнечным содержанием.

Из-за сильного сродства к кислороду литофильные металлы, хотя и составляют основную массу металлических элементов в земной коре, никогда не были доступны в виде свободных металлов до появления электролиза . При таком развитии многие литофильные металлы приобретают значительную ценность как конструкционные металлы ( магний , алюминий , титан , ванадий ) или как восстановители ( натрий , магний , кальций ).

Неметаллы фосфор и галогены также не были известны ранним химикам, хотя производство этих элементов менее сложно, чем металлических литофилов, поскольку требуется электролиз только с фтором. Элементарный хлор особенно важен как окислитель , его обычно получают электролизом хлорида натрия .

Сидерофильные элементы

Сидерофильные (от сидерона «железо» и филео «любовь») элементы — это переходные металлы , которые имеют тенденцию погружаться в ядро, поскольку они легко растворяются в железе либо в виде твердых растворов, либо в расплавленном состоянии, хотя в некоторых источниках ^[3] включают в свой список сидерофилов элементы, не являющиеся переходными металлами, например германий . Другие источники также могут отличаться в своем списке в зависимости от обсуждаемой температуры — ниобий , ванадий , хром и марганец могут считаться сидерофилами или нет, в зависимости от предполагаемой температуры и давления. ^[4] Также сбивает с толку вопрос и то, что некоторые элементы, такие как вышеупомянутый марганец , а также молибден , образуют прочные связи с кислородом, но в свободном состоянии (как они существовали на примитивной Земле, когда свободного кислорода не существовало) могут так легко смешиваться с железом, что они не концентрируются в кремнистой корке, как истинные литофильные элементы. Между тем железо просто повсюду .

Сидерофильные элементы включают высокосидерофильные рутений , родий , палладий , рений , осмий , иридий , платину и золото , умеренно сидерофильные кобальт и никель , в дополнение к «спорным» элементам, упомянутым ранее – некоторые источники. ^[3] включают даже вольфрам и серебро . ^[5]

Большинство сидерофильных элементов практически не имеют никакого сродства к кислороду: действительно, оксиды золота термодинамически нестабильны по отношению к элементам. Они образуют более прочные связи с углеродом или серой , но даже они недостаточно прочны, чтобы отделиться от халькофильных элементов. Таким образом, сидерофильные элементы связаны металлическими связями с железом в плотном слое ядра Земли, где давление может быть достаточно высоким, чтобы сохранять железо в твердом состоянии. Марганец, железо и молибден действительно образуют прочные связи с кислородом, но в свободном состоянии (как они существовали на примитивной Земле, когда свободного кислорода не существовало) могут настолько легко смешиваться с железом, что не концентрируются в кремнистой коре, как делают настоящие литофильные элементы. Однако руды марганца встречаются почти в тех же местах, что и руды алюминия и титана, из-за высокой реакционной способности марганца по отношению к кислороду.

Поскольку они сконцентрированы в плотном ядре, сидерофильные элементы известны своей редкостью в земной коре. большинство из них всегда называли драгоценными металлами Именно поэтому . Иридий — редчайший переходный металл, встречающийся в земной коре, его содержание по массе составляет менее одной части на миллиард. Добываемые месторождения обычно драгоценных металлов образуются в результате эрозии ультраосновных пород , но они не имеют высокой концентрации даже по сравнению с их содержанием в земной коре , которое обычно на несколько порядков ниже их солнечного содержания. Однако, поскольку они сконцентрированы в Земли мантии и ядре , считается, что сидерофильные элементы присутствуют на Земле в целом (включая ядро) в количествах, приближающихся к их солнечному содержанию.

Халькофильные элементы

К халькофильным элементам относятся Ag , As , Bi , Cd , Cu , Ga , Ge , Hg , In , Pb , S , Sb , Se , Sn , Te , Tl и Zn . ^[6]

Халькофильные элементы — это те элементы, которые остаются на поверхности или вблизи нее, поскольку они легко соединяются с серой и некоторыми другими халькогенами , кроме кислорода, образуя соединения, которые не погружаются в ядро Земли.

Халькофильные элементы — это те металлы и более тяжелые неметаллы, которые имеют низкое сродство к кислороду и предпочитают связываться с серой в виде труднорастворимых сульфидов . Халькофил происходит от греческого khalkós (χαλκός), что означает « руда » (оно также означает « бронза » или « медь », но в данном случае «руда» является соответствующим значением). источники. ^{[ нужны разъяснения ]}

Поскольку эти сульфиды гораздо плотнее силикатных минералов, образованных литофильными элементами, халькофильные элементы отделились ниже литофилов во время первой кристаллизации земной коры. Это привело к их истощению в земной коре по сравнению с их солнечным содержанием, хотя, поскольку образуемые ими минералы неметаллические, это истощение не достигло уровня, обнаруженного для сидерофильных элементов.

Однако, поскольку на примитивной Земле они образовывали летучие гидриды, когда контролирующей окислительно-восстановительной реакцией было окисление или восстановление водорода, менее металлические халькофильные элементы сильно истощены на Земле в целом по сравнению с космическим содержанием. Особенно это касается халькогенов селена и теллура (которые образовывали летучие селенид водорода и теллурид водорода соответственно), которые по этой причине являются одними из самых редких элементов, обнаруженных в земной коре (для иллюстрации: теллур встречается примерно так же широко, как платина). ).

Наиболее металлические халькофильные элементы (группы меди, цинка и бора) могут в той или иной степени смешиваться с железом в ядре Земли. Маловероятно, что их количество на Земле в целом будет истощено по сравнению с их солнечным содержанием, поскольку они не образуют летучих гидридов. Цинк и галлий имеют несколько «литофильную» природу, поскольку часто встречаются в силикатах или родственных им минералах и образуют довольно прочные связи с кислородом. В частности, галлий добывается в основном из бокситов , руды на основе гидроксида алюминия , в которой ионы галлия заменяют химически аналогичный алюминий.

Хотя ни один халькофильный элемент не имеет большого количества в земной коре, халькофильные элементы составляют основную часть коммерчески важных металлов. Это связано с тем, что, в то время как литофильные элементы требуют энергоемкого электролиза для извлечения, халькофилы могут быть легко извлечены путем восстановления коксом , а геохимическая концентрация халькофилов - которая в крайних случаях может превышать среднее содержание в земной коре в 100 000 раз. Эти наибольшие обогащения происходят на высоких плато, таких как Тибетское плато и Боливийское Альтиплано , где большие количества халькофильных элементов были подняты в результате плит столкновений . Побочным эффектом этого в наше время является то, что редчайшие халькофилы (например, ртуть ) настолько полностью эксплуатируются, что их ценность как минералов почти полностью исчезла.

Атмофильные элементы

Атмофильными элементами являются H , C , N и благородные газы . ^[7]

Атмофильные элементы (также называемые «летучими элементами») определяются как те, которые остаются в основном на поверхности или над ней, поскольку они представляют собой жидкости и/или газы или встречаются в них при температурах и давлениях, обнаруженных на поверхности. Благородные газы не образуют устойчивых соединений и встречаются в виде одноатомных газов , а азот , хотя и не имеет устойчивой конфигурации для отдельных атомов, образует настолько прочную двухатомную молекулу, что все оксиды азота термодинамически неустойчивы по отношению к азоту и кислороду. . Следовательно, с появлением свободного кислорода в результате фотосинтеза окислился до молекулярного азота , аммиак который стал составлять четыре пятых атмосферы Земли. Углерод также классифицируется как атмосферофил, поскольку он образует очень прочные кратные связи с кислородом в монооксиде углерода (медленно окисляющемся в атмосфере) и углекислом газе . Последний является четвертым по величине компонентом земной атмосферы, тогда как угарный газ естественным образом встречается в вулканах и имеет время пребывания в атмосфере несколько месяцев.

Водород, который встречается в составной воде, также классифицируется как атмосферофил. Вода классифицируется как летучее вещество, поскольку большая ее часть находится в жидком или газообразном состоянии, хотя на поверхности она существует в виде твердого соединения. Вода также может быть включена в другие минералы в виде кристаллизационной воды (например, гипса ) или в виде гидроксильных групп (например, талька ), придавая водороду некоторый литофильный характер.

Поскольку все атмосферофильные элементы представляют собой либо газы, либо образуют летучие гидриды, атмосферофильные элементы сильно обеднены на Земле в целом по сравнению с их солнечным содержанием из-за потерь из атмосферы во время формирования Земли. Более тяжелые благородные газы ( криптон , ксенон ) — редчайшие стабильные элементы на Земле.

Микроэлементы и синтетические элементы

Синтетические элементы исключены из классификации, так как они не встречаются в природе.

Микрорадиоактивные элементы (а именно Tc, Pm, Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Pa, Np, Pu) также считаются синтетическими. Хотя они встречаются в природе, ^[8]^[9]^[10] их появление целиком зависит от их родителей-долгожителей Th и U, и они малоподвижны. Например, химия полония предполагает, что он является халькофилом, но вместо этого он имеет тенденцию проявляться в виде литофила вместе с исходным ураном . Даже радон , который представляет собой газ, обычно не успевает уйти очень далеко от исходного источника урана, прежде чем распадется. При необходимости эти элементы обычно производятся синтетически в ядерных реакторах вместо использования утомительного и трудоемкого процесса извлечения из урановых руд .

См. также

Ссылки

^ Гольдшмидт, Виктор (17 марта 1937 г.). «Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах. Седьмая лекция Гуго Мюллера, прочитанная в Химическом обществе». Журнал Химического общества : 655–673. дои : 10.1039/JR9370000655 .
^ Альбаред, Фрэнсис (25 июня 2009 г.). Геохимия: Введение (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9780511807435.005 . ISBN 978-0-521-88079-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ричард Дж. Уокер (2014), «Ограничения сидерофильских элементов на происхождение Луны» , Philosophical Transactions of the Royal Society A , по состоянию на 1 декабря 2015 г.
^ Болл, Филип (2001). «Учёные Земли сглаживают свои разногласия» . Природа . Макмиллан Паблишерс Лимитед. дои : 10.1038/news010104-6 . Проверено 5 июня 2017 г.
^ Раманатан, Алабама; Бхаттачарья, Просун; Диттмар, Торстен; Прасад, Б.; Неупан, Б. (2010). Управление и устойчивое развитие окружающей среды прибрежной зоны . Springer Science & Business Media. п. 166. ИСБН 9789048130689 . Проверено 5 июня 2017 г.
^ Аллаби, М. (2013). Словарь геологии и наук о Земле. Издательство Оксфордского университета.
^ Пинти DL (2018) Элементы атмосферы. В: Уайт В.М. (ред.) Энциклопедия геохимии. Серия Энциклопедия наук о Земле. Спрингер, Чам. doi:10.1007/978-3-319-39312-4_209
^ Ёсида, Зенко; Джонсон, Стивен Г.; Кимура, Такауми; Крсул, Джон Р. (2006). «Нептуний». В Морссе, Лестер Р.; Эдельштейн, Норман М.; Фугер, Жан (ред.). Химия актинидных и трансактинидных элементов (PDF) . Том. 3 (3-е изд.). Дордрехт, Нидерланды: Springer. стр. 699–812. дои : 10.1007/1-4020-3598-5_6 . ISBN 978-1-4020-3555-5 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 января 2018 г.
^ Кертис, Дэвид; Фабрика-Мартин, июнь; Пол, Диксон; Крамер, Ян (1999). «Необычные элементы природы: плутоний и технеций» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 63 (2): 275–285. Бибкод : 1999GeCoA..63..275C . дои : 10.1016/S0016-7037(98)00282-8 .
^ МакГилл, Ян. «Редкоземельные элементы». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Том. 31. Вайнхайм: Wiley-VCH. п. 188. дои : 10.1002/14356007.a22_607 . ISBN 978-3527306732 .

Внешние ссылки

Заметки по минералогии 3. Архивировано 29 марта 2013 г. в Wayback Machine.
ВМ Уайт. Геохимия . ISBN 978-0470656686 ; Глава 7.2

[1] Гольдшмидт, Виктор (17 марта 1937 г.). «Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах. Седьмая лекция Гуго Мюллера, прочитанная в Химическом обществе». Журнал Химического общества : 655–673. дои : 10.1039/JR9370000655 .

[Albarede-2] Альбаред, Фрэнсис (25 июня 2009 г.). Геохимия: Введение (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9780511807435.005 . ISBN 978-0-521-88079-4 .

[walker2014-3] Перейти обратно: ^а ^б Ричард Дж. Уокер (2014), «Ограничения сидерофильских элементов на происхождение Луны» , Philosophical Transactions of the Royal Society A , по состоянию на 1 декабря 2015 г.

[nature2001-4] Болл, Филип (2001). «Учёные Земли сглаживают свои разногласия» . Природа . Макмиллан Паблишерс Лимитед. дои : 10.1038/news010104-6 . Проверено 5 июня 2017 г.

[5] Раманатан, Алабама; Бхаттачарья, Просун; Диттмар, Торстен; Прасад, Б.; Неупан, Б. (2010). Управление и устойчивое развитие окружающей среды прибрежной зоны . Springer Science & Business Media. п. 166. ИСБН 9789048130689 . Проверено 5 июня 2017 г.

[6] Аллаби, М. (2013). Словарь геологии и наук о Земле. Издательство Оксфордского университета.

[7] Пинти DL (2018) Элементы атмосферы. В: Уайт В.М. (ред.) Энциклопедия геохимии. Серия Энциклопедия наук о Земле. Спрингер, Чам. doi:10.1007/978-3-319-39312-4_209

[8] Ёсида, Зенко; Джонсон, Стивен Г.; Кимура, Такауми; Крсул, Джон Р. (2006). «Нептуний». В Морссе, Лестер Р.; Эдельштейн, Норман М.; Фугер, Жан (ред.). Химия актинидных и трансактинидных элементов (PDF) . Том. 3 (3-е изд.). Дордрехт, Нидерланды: Springer. стр. 699–812. дои : 10.1007/1-4020-3598-5_6 . ISBN 978-1-4020-3555-5 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 января 2018 г.

[Cigar-9] Кертис, Дэвид; Фабрика-Мартин, июнь; Пол, Диксон; Крамер, Ян (1999). «Необычные элементы природы: плутоний и технеций» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 63 (2): 275–285. Бибкод : 1999GeCoA..63..275C . дои : 10.1016/S0016-7037(98)00282-8 .

[10] МакГилл, Ян. «Редкоземельные элементы». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Том. 31. Вайнхайм: Wiley-VCH. п. 188. дои : 10.1002/14356007.a22_607 . ISBN 978-3527306732 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]