Миграция химических элементов

4.1. Атомы элементов постоянно непрерывно движутся, проходя через различные формы состояния вещества (влияние Рgt; каталитические свойства). Есть магматический расплав, есть кристаллическое вещество, есть водные растворы, есть живое органическое вещество (фауна, флора). Все это взаимодействует, идет рассеяние и т.д.

4.2. Перемещение химических элементов в Земной коре, ведущее к рассеянию или концентрации – это и есть миграция.

Миграцией элементов занимаются многие науки, петрография, минералогия, учение о рудных месторождениях, почвоведение и др. Но все они изучают что-то одно, только ограниченный участок на длинном и сложном пути атома.

Изучение миграции атома в течение всей его истории на Земле – задача геохимии.

4.3. Поведение атома в природе определяется свойствами атома и внешними условиями миграции. Факторы миграции по Ферсману А.Е. условно можно разделить на 2 группы: а) внутренние, связанные со свойствами атомов и их соединений; б) внешние, определяющие обстановку, в которой находится атом.

4.4. Внутренние факторы миграции: их пять: а) свойства связи; б) химические свойства соединений; в) энергетические свойства ионов; г) гравитационные; д) радиоактивность атомов.

4.4.1. Свойство связей: речь идет об энергии кристаллической решетки. МАХ прочность у соединений элементов с высокой валентностью. Универсальный фактор – теплота, которая меняет агрегатное состояние: твердое тело – жидкое – газообразное – газообразные молекулы – атомы – ионы.

4.4.2. Химические свойства. Судя по таблице Менделеева Д.И. имеется астрономическое число возможных комбинаций (почти 140) элементов, но в природе – а точнее в Земной коре – имеется всего около 2000 минералов. Объяснение – неодинаковая устойчивость соединений в различных условиях.

4.4.3. Свойства кристаллической решетки (теория парагена Ферсмана). Геохимиков чаще всего интересует проблема перехода элементов из жидкого состояния (расплавы, растворы) в твердое: элементы в подвижном, преимущественно в ионном состоянии с запасом свободной энергии переходят в кристаллическую форму, с меньшей подвижностью атомов (ионов), т.е. с меньшим запасом энергии. Последовательность кристаллизации соединений в соответствии с энергией кристаллической решетки и есть закон парагена Ферсмана. По Гольшмидту большую роль играет радиус иона: больше радиус, тем больше вероятность, что ион останется в жидкой фазе, а с малым R в твердой (косвенно параген Ферсмана это учитывает).

4.4.4. Гравитация. Масса атома определяет его миграцион. свойства. Снос вещества в процессе денудации, отложения в водной среде, дифференциация по уд. весу и т.д. практически все теории космогенетического характера признают, что дифференциация вещества земли по законам гравитации обусловили существование ядра – самой тяжелой части Земли и последовательно более легких оболочек.

4.4.5. Радиоактивные свойства атомов. Способность самопроизвольного распада, т.е. радиоактивностью обладают элементы, расположенные в конце табл. Менделеева: образуют три ряда – урана, тория и актиния. Большая сложность атомов вызывает неустойчивость атомных ядер. Однако кроме этих элементов радиоактивными в значительно меньшей степени являются такие элементы как углерод (С₆¹⁴), калий (К₁₉⁴⁰), Са₂₀⁴⁸, Pb₃₇⁸⁷, олово (Sn₅₀¹²⁴), вольфрам (W₇₄¹⁸⁰) и др. Есть подозрение, что радиоактивны практически все элементы (все дело в чувствительности приборов – МСМ). Процесс распада очень медленный, но миграция идет в геологическое время (десятки, сотни, млн. и млрд. лет) что и предопределяет масштабный характер этого явления.

4.5. Внешние факторы миграции

Прежде всего об источниках энергии за счет которой идет миграция. Формы энергии очень различны: тепло, свет, электричество, химическая энергия и др., но все они связаны и могут переходить друг в друга. Источников не так уж много и все они могут быть сведены в 4 группы:

1. Энергия положения, связанная с действием гравитационных сил ЭПГС;

2. Космическая энергия солнца и других светил;

3. Энергия радиоактивного распада;

4. Остаточная теплота глубин Земли.

Рассмотрим их кратко:

4.5.1. ЭПГС – Об этом факторе речь шла при рассмотрении внутренних факторов. ЭПГС проявляется постоянно, но она иногда затушевывается другими факторами (например, летучастью соединений (тяжелые элементы могут оказаться выше легких). Энергия тяготения в земной коре влияет на перемещение веществ как в масштабе планеты, так и в космосе. Молекулы газообразных веществ находящихся в постоянном тепловом движении скорость которого тем больше, чем меньше молекулярная скорость, которая, тем больше, чем меньше молекулярный вес. Для t⁰C=0⁰C (км/сек); Н₂-1,69; Нl-1,1; Н₂О-0,57; N₂=0,45; О₂-0,42; СО2-0,36. Энергия тяготения в Земной коре проявляется в переносе веществ (водой, ветром, льдом). Это механическая энергия, переходящая в тепловую. Тяготение, в основном, противодействует другим источникам.

4.5.2. Космическая энергия. Раскаленные мировые тела непрерывно испускают огромное количество лучистой энергии: очень малая часть достигает поверхности Земли, но она сильно влияет на миграцию элементов. Доля Земли от энергии Солнца составляет ½ млрд. часть или 4,5∙10¹⁶ кал./сек. Этого хватает для градиозных перемещений масс воды, воздуха; биохимических процессов (растения, животный мир). Процесс образования органических соединений, аккумуляция СО₂, N₂ – все это результат солнечной энергии.

4.5.3. Радиоактивность. Она с глубиной падает, но суммарное кол-во энергии вполне достаточно для расплавки всей массы горных пород в Земной коре.

4.5.4. Остаточная теплота глубин земного шара. На основе этого положения (существование раскаленного ядра) основаны контракционная теория, гипотеза магматических течений, гипотеза перемещения материков. В целом основные факторы, определяющие состояние геохимической системы Земли, которая в свою очередь вызывает миграцию элементов, сводятся к следующему:

1. Концентрация вещества; 2. Температура; 3. Давление; 4. Ионизация растворов и расплавов; 5. Окислительно-восстановительный потенциал; 6. Кислотность (величина концентрации ионов Н₂); 7. Поверхностные силы (электрические силы на поверхности тел: у дисперсных выше); 8. Правило фаз (соотношение комплексов в системе и их фазового состава: отсюда прогноз фаз).