1 Состав литосферы. Формы нахождения химических элементов в земной коре

В состав земной коры входят все известные химические элементы. Но распределены они в ней неравномерно. Наиболее распространены 8 элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний), которые составляют 99,03% от общего веса земной коры; на долю остальных элементов (их большинство) приходится всего 0,97%, т. е. менее 1%. В природе, благодаря геохимическим процессам нередко образуются значительные скопления какого-либо химического элемента и возникают его месторождения, а другие элементы находятся в рассеянном состоянии [7].

Из щелочных элементов наиболее широко распространены в природе натрий (2,27 мас.%) и калий (1,84 мас.%), причем благодаря высокой химической активности они встречаются исключительно в виде соединений. Основными источниками натрия и калия являются каменная соль, глауберова соль или мирабилит Na2SO4 10H2O, сильвин KCl, сильвинит KCl NaCl, карналлит KCl MgCl2 6H2O и др. В отличие от натрия и калия соединения лития ( мас.%), рубидия ( мас.%) и цезия ( мас.%) в природе встречаются значительно реже, поэтому эти элементы относят к числу редких и рассеянных. Хотя по содержанию в земной коре рубидий несколько опережает литий и цезий, он не образует самостоятельных минералов, а сопутствует калию, что объясняется сходством их ионных радиусов. Литий и цезий входят в состав различных силикатов и алюмосиликатов. Важнейшим минералом лития является сподумен LiAl(SiO3)2.

Из элементов второй группы в природе наиболее распространены магний и кальций (1,4 и 1,5 мас.% соответственно). Содержание стронция ( мас.%) и бария ( мас.%) в земной коре на два порядка ниже. Бериллий ( мас.%) относят к редким элементам. Низкое содержание этого элемента в земной коре объясняется тем, что основные процессы образования химических элементов в звездах приводит к синтезу лишь нуклида 8 Be, который быстро распадается на две α-частицы.

Бор сравнительно мало распространен в земной коре (9*10 -4 мас.%), где он встречается в виде кислородных соединений: боратов и боросиликатов.

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты.

Алюминий по содержанию в земной коре (8,3 мас.%) занимает третье место, уступая только кислороду (45,5 мас.%) и кремнию (25,7 мас.%). Алюминий – наиболее распространенный металл, его важнейшими рудами и минералами являются бокситы Al2O3 2H2O, корунд Al2O3 и нефелин Na3K[AlSiO4]4, также он входит в состав полевых шпатов, слюд, глин и др.

Галлий (4,6*10 -4 мас.%), индий ( мас.%) и таллий ( мас.%) относятся к редким элементам. Вследствие близости ионных радиусов галлий сопутствует алюминию в бокситах, а таллий – калию в алюмосиликатах.

Углерод находится в природе в виде стабильных изотопов 12 C (99,89 %) и 13 С (1,11 %) и радиоактивного изотопа 14 С, образующегося в верхних слоях атмосферы при взаимодействии атомов азота с нейтронами космического излучения. В природе углерод встречается в виде простых веществ (графит, алмаз, фуллерены), оксидов CO2 и СО, карбонатов СаСО3 (мрамор), MgCO3 (магнезит), FeCO3 (сидерит), ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). Хотя по содержанию в земной коре углерод занимает 17-е место (0,048 мас.%), его доля в живых организмах значительно выше, чем в среднем в неживой природе.

Германий и олово близки по распространенности в земной коре – они занимаю 48-е и 53-е место ( и мас.%, соответственно). Однако если олово встречается главным образом в виде минерала касситеритаSnO2, то германий преимущественно рассеян, сопутствует сульфидным рудам, силикатам. Довольно много германия (до 1 %) содержится в некоторых сортах каменного и бурого углей.

Значительно большая распространенность свинца (1,3 10 -4 мас.%) по сравнению с германием и оловом связана тем, что три ( , ) из четырех его стабильных изотопов образовались как конечные продукты радиоактивного распада природных урана и тория. Только изотоп (1,4 мас.%) имеет нерадиогенное происхождение. Основная свинцовая руда – галенитPbS.

Содержание азота в земной коре составляет мас.%

Фосфор содержится в земной коре в виде фосфатов, на его долю приходится 0,04 % от общего числа атомов земной коры (0,1 мас.%). Мышьяк ( мас. %), а сурьма мас. %), висмут ( мас.%) встречаются в природе в основном в виде сульфидов: аурипигментаAs2S3, реальгара As4S4, мышьякового колчедана FeAsS, а также кислородных соединений, например скородита .

Кислород – самый распространенный элемент земной коры, на его долю приходится чуть меньше половины (49 %) от ее общей массы. Кислород входит в состав воды, кремнезема, силикатов и алюмосиликатов, известняков, мраморов, базальтов, бокситов, гематита и многих других минералов и горных пород, слагающих верхнюю оболочку Земли. Сера, селен, теллур в природе сконцентрированы в рудных месторождениях, где они связаны преимущественно с металлами. Значительная часть серы находится либо в самородном состоянии (вулканическая сера), либо в форме сульфидов и сульфитов (халькопирит CuFeS2, сфалерит ZnS, гипс , мирабилит ).

Содержание фтора, хлора, брома и иода в земной коре составляет 0,06, 0,02, мас. % соответственно.

Фтор встречается в природе в виде фторидов, например CaF2. Хлор встречается в природе в основном в виде хлоридов.

Гелий – второй (после водорода) элемент по распространенности во Вселенной. В то же время масса «земного» гелия составляет лишь одну миллионную массы земной коры.

Из металлов четвертой группы в природе наиболее распространен титан (0,63 мас. %), он занимает девятое место среди всех элементов. Из минералов титана наибольшее значение имеют рутил TiO2, ильменит FeTiO3, из минералов циркония – балделеит ZrO2 и циркон ZrSiO4.

Элементы пятой группы относятся к числу распространенных. По содержанию в земной коре (0,014 мас. %) ванадий занимает пятое место среди переходных элементов, уступая лишь железу, титану, марганцу и цирконию. Количество присутствующих в земной коре ниобия (0,0020 %%) и тантала (0,0017 %) сопостовимо с содержанием азота.

Ванадий, ниобий и тантал – рассеянные элементы, т.е. встречающиеся преимущественно не в форме отдельных минералов, а в виде примесей к рудам других металлов.

Элементы шестой группы относятся к четным и поэтому чаще встречаются в земной коре, чем нечетные элементы пятой и седьмой групп. Наиболее распространен в природе хром. Его содержание в земной коре составляет 0,012 мас. %. Молибден ( мас. %) и вольфрам ( мас. %) относят к редким и рассеянным металлам. Важнейший промышленный минерал хрома – хромистый железнякFeCr2O4.Основная форма нахождения молибдена и вольфрама в природе – полевые шпаты, пироксены.

Металлы седьмой группы по распространенности резко отличаюся друг от друга. В то время как рений принадлежит к редким элементам (в земной коре его мас. %) и очень сильно рассеян, а технеций вообще не имеет стабильных изотопов, марганец, по содержанию в земной коре (0,106 мас. %) занимает двенадцатое место среди всех элементов и третье место среди переходных металлов, уступая только железу и титану. В первичных отложениях марганец встречается в силикатах и гранитах. Наиболее важны вторичные отложения, образованные пиролюзитомMnO2, гаусманнитом Mn3O4. Рений собственных месторождений не образует. Он встречается в молибдените, халькопирите и других минералах в изоморфных примесей.

Среди элементов 8-10 групп по распространенности в природе безусловным лидером является железо, точнее – его изотоп 56 Fe. По содержанию в земной коре железо стоит на четвертом месте (4,1 %), уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию; никель ( %) входит во вторую десятку, кобальт ( %) – в третью, а платиновые металлы относят к числу редких (Ru 10 -7 %, Pt 10 -7 %, Pd %,Rh %,Os 10 -8 %, Ir %). В земной коре железо представлено главным образом гематитомFe2O3 (красный железняк), магнетитом Fe3O4 (магнитный железняк) и др. Земная мантия содержит значительное количество железа в форме шпинелей, силикатов, оксидов.

В природе медь ( мас. %), серебро ( мас. %) и золото ( мас. %) встречаются как в самородном виде, так и в виде соединений. Значительная часть меди и серебра находится в земной коре в форме сульфидов («медный блеск», или халькозинCu2S, «серебряный блеск», или аргентит AgS, халькопирит CuFeS2). Медь также входит в состав некоторых кислородных соединений – оксидов (куприт Cu2O) и карбонатов. Золото распространено преимущественно в самородном состоянии (95 %), хотя известны и природные минералы, представляющие собой химические соединения, например калаверит AuTe2, ауростибит AuSb2.

Цинк, кадмий, ртуть благодаря высокому сродству к сере встречаются в земной коре преимущественно в форме сульфидов. По распространенности цинк ( %) близок к рубидию и меди. Содержание кадмия почти на три порядка ниже, чем цинка, но в два раза превышает содержание ртути.

Среди цинкосодержащих минералов наибольшее значение имеют сфалерит ZnS, а также вюрцит.

Кадмий – типичный редкий и рассеянный элемент. Важнейшим источником кадмия служит цинковые руды, в которых часть атомов цинка изоморфно замещена на кадмий.

Уран принадлежит к числу редких и рассеянных элементов. В земной коре его содержится около %, т.е. больше, чем кадмия, серебра, ртути и висмута. Общие запасы урана на Земле исчисляется миллионами тонн [5].