Изобилие химических элементов

Обилие химических элементов является мерой возникновения из химических элементов относительно всех других элементов в данной среде. Численность измеряется одним из трех способов: массовая доля (то же, что и массовая доля); по мольной доле (доля атомов по числовому счету или иногда доля молекул в газах); или по объемной доле . Объемная доля - это обычная мера содержания в смешанных газах, таких как атмосферы планет, и аналогична по величине молекулярной мольной доле для газовых смесей при относительно низких плотностях и давлениях, а также идеального газасмеси. Большинство значений численности в этой статье даны в массовых долях.

Например, содержание кислорода в чистой воде можно измерить двумя способами: массовая доля составляет около 89%, потому что это доля массы воды, которая является кислородом. Однако мольная доля составляет около 33%, потому что только 1 атом из 3 в воде, H ₂ O, является кислородом. В качестве другого примера, глядя на масс-фракции обилие водорода и гелия в обоих Вселенной в целом и в атмосфере из газовых гигантских планет , таких как Юпитер , это 74% для водорода и 23-25% для гелия ; в то время как(атомная) мольная доля водорода в этих средах составляет 92%, а для гелия - 8%. Изменение данной среды на внешнюю атмосферу Юпитера , где водород двухатомный, а гелий нет, изменяет молекулярную мольную долю (долю от общего количества молекул газа), а также долю атмосферы по объему водорода примерно до 86%, и гелия до 13%. ^{[Примечание 1]}

Изобилие химических элементов во Вселенной определяется большим количеством водорода и гелия, которые были произведены в результате Большого взрыва . Остальные элементы, составляющие лишь около 2% Вселенной, в основном были произведены сверхновыми и некоторыми красными звездами-гигантами . Литий , бериллий и бор встречаются редко, потому что, хотя они производятся в результате ядерного синтеза, они затем разрушаются другими реакциями в звездах. ^{[1] [2]} Элементы от углерода до железа относительно более распространены во Вселенной из-за легкости получения их в процессе нуклеосинтеза сверхновой.. Элементы с более высоким атомным номером, чем железо (элемент 26), становятся все более редкими во Вселенной, потому что при их производстве они все больше поглощают звездную энергию. Кроме того, элементы с четными атомными номерами обычно более распространены, чем их соседи в периодической таблице , из-за благоприятной энергетики образования.

Обилие элементов на Солнце и на внешних планетах такое же, как и во Вселенной. Из-за солнечного нагрева элементы Земли и внутренних каменистых планет Солнечной системы претерпели дополнительное истощение летучих водорода, гелия, неона, азота и углерода (который улетучивается в виде метана). Кора, мантия и ядро ​​Земли демонстрируют признаки химической сегрегации плюс некоторая секвестрация по плотности. Более легкие силикаты алюминия находятся в коре, больше силиката магния в мантии, в то время как металлическое железо и никель составляют ядро. Обилие элементов в специализированных средах, таких как атмосфера, океаны или человеческое тело, в первую очередь является продуктом химического взаимодействия со средой, в которой они находятся.

Вселенная [ править ]

Элементы, то есть обычная ( барионная ) материя, состоящая из протонов , нейтронов и электронов , составляют лишь небольшую часть содержимого Вселенной . Космологические наблюдения показывают, что только 4,6% энергии Вселенной (включая массу, вносимую энергией, E = mc² ↔ m = E / c²) составляет видимую барионную материю, из которой состоят звезды , планеты и живые существа. Остальное, как полагают, состоит из темной энергии (68%) и темной материи (27%). ^[4]Это формы материи и энергии, которые, как считается, существуют на основе научной теории и индуктивных рассуждений, основанных на наблюдениях, но они не наблюдались напрямую, и их природа не совсем понятна.

Наиболее стандартная (барионная) материя находится в межгалактическом газе, звездах и межзвездных облаках в форме атомов или ионов ( плазма ), хотя ее можно найти в вырожденных формах в экстремальных астрофизических условиях, таких как высокие плотности внутри белых карликов. и нейтронные звезды .

Водород - самый распространенный элемент во Вселенной; гелий на втором месте. Однако после этого ранг изобилия больше не соответствует порядковому номеру ; кислород имеет степень распространенности 3, но атомный номер 8. Все остальные встречаются значительно реже.

Обилие легчайших элементов хорошо предсказывается стандартной космологической моделью , поскольку в основном они были произведены вскоре (то есть в течение нескольких сотен секунд) после Большого взрыва в процессе, известном как нуклеосинтез Большого взрыва . Более тяжелые элементы в основном были произведены гораздо позже, внутри звезд .

По оценкам, водород и гелий составляют примерно 74% и 24% всей барионной материи во Вселенной соответственно. Несмотря на то, что они составляют лишь очень небольшую часть Вселенной, оставшиеся «тяжелые элементы» могут сильно влиять на астрономические явления. Только около 2% (по массе) диска галактики Млечный Путь состоит из тяжелых элементов.

Эти другие элементы создаются звездными процессами. ^{[5] [6] [7]} В астрономии «металл» - это любой элемент, кроме водорода или гелия. Это различие важно, потому что водород и гелий - единственные элементы, которые были произведены в значительных количествах во время Большого взрыва. Таким образом, Металличность из галактики или другого объекта является показателем звездной активности после Большого взрыва.

В общем, элементы вплоть до железа образуются в больших звездах в процессе превращения в сверхновые . Железо-56 особенно распространено, так как это наиболее стабильный нуклид (в том смысле, что он имеет самую высокую ядерную энергию связи на нуклон) и может быть легко получен из альфа-частиц (являясь продуктом распада радиоактивного никеля-56 , в конечном итоге полученного из 14 ядер гелия). Элементы тяжелее железа образуются в процессах поглощения энергии в крупных звездах, и их содержание во Вселенной (и на Земле) обычно уменьшается с увеличением атомного номера.

Солнечная система [ править ]

Следующий график (шкала журнала заметок) показывает изобилие элементов в Солнечной системе . В таблице показаны двенадцать наиболее распространенных элементов в нашей галактике (оцененные спектроскопически), измеренные в частях на миллион по массе. ^[3] Соседние галактики, которые развивались по аналогичным направлениям, имеют соответствующее обогащение элементами более тяжелыми, чем водород и гелий. Более далекие галактики рассматриваются такими, какими они были в прошлом, поэтому их содержание элементов кажется более близким к изначальной смеси. Однако, поскольку физические законы и процессы единообразны во всей Вселенной, ожидается, что и в этих галактиках будет одинаковое количество элементов.

Обилие элементов соответствует их происхождению от Большого взрыва и нуклеосинтеза в ряде родительских сверхновых звезд. Очень распространенные водород и гелий являются продуктами Большого взрыва, в то время как следующие три элемента встречаются редко, поскольку у них было мало времени, чтобы сформироваться во время Большого взрыва, и они не образуются в звездах (однако они производятся в небольших количествах в результате распада более тяжелых элементов). элементы в межзвездной пыли в результате воздействия космических лучей ).

Начиная с углерода, элементы были произведены в звездах путем накопления из альфа-частиц (ядер гелия), что привело к попеременно большему количеству элементов с четными атомными номерами (они также более стабильны). Эффект того, что химические элементы с нечетными номерами, обычно более редкие во Вселенной, были эмпирически замечены в 1914 году и известны как правило Оддо-Харкинса .

Связь с ядерной энергией связи [ править ]

Наблюдалась слабая корреляция между оценкой содержания элементов во Вселенной и кривой энергии связи ядер . Грубо говоря, относительная стабильность различных атомных нуклидов оказала сильное влияние на относительное содержание элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва , а затем во время развития Вселенной. ^[9] См. Статью о нуклеосинтезе для объяснения того, как определенные процессы ядерного синтеза в звездах (например, сжигание углерода и т. Д.) Создают элементы тяжелее водорода и гелия.

Еще одна наблюдаемая особенность - это неровное чередование относительного содержания и дефицита соседних атомных номеров на кривой содержания элементов и аналогичная картина уровней энергии на кривой энергии связи ядер. Это чередование вызвано более высокой относительной энергией связи (соответствующей относительной стабильности) четных атомных номеров по сравнению с нечетными атомными номерами и объясняется принципом исключения Паули . ^[10] массовая формула полуэмпирическое (SEMF), также называемая формула Вейцзеккера или массовая формула Бете-Вайцзекер , дает теоретическое объяснение общей формы кривой ядерной энергии связи. ^[11]

Земля [ править ]

Земли образуются из того же облака материи, образованное Солнце, но планеты приобрели различные композиции в процессе формирования и эволюции Солнечной системы . В свою очередь, естественная история Земли привела к тому, что части этой планеты имели разную концентрацию элементов.

Масса Земли составляет примерно 5,98 × 10 ²⁴  кг. В массе он состоит в основном из железа (32,1%), кислорода (30,1%), кремния (15,1%), магния (13,9%), серы (2,9%), никеля (1,8%), кальция (1,5 %). %) и алюминия (1,4%); оставшиеся 1,2% составляют следовые количества других элементов. ^[12]

Основной состав Земли по элементарной массе примерно аналогичен валовому составу Солнечной системы, с основными отличиями в том, что на Земле отсутствует большое количество летучих элементов - водорода, гелия, неона и азота, а также углерод, который был утерян в виде летучих углеводородов. Остающийся элементный состав примерно типичен для "каменистых" внутренних планет, которые образовались в тепловой зоне, где солнечное тепло вытеснило летучие соединения в космос. Земля сохраняет кислород как второй по величине компонент своей массы (и наибольшую атомную долю), в основном из-за того, что этот элемент удерживается в силикатных минералах, которые имеют очень высокую температуру плавления и низкое давление пара.

Краст [ править ]

Массовая доля девяти наиболее распространенных элементов в земной коре составляет приблизительно: кислород 46%, кремний 28%, алюминий 8,3%, железо 5,6%, кальций 4,2%, натрий 2,5%, магний 2,4%, калий 2,0% и титан 0,61%. Остальные элементы составляют менее 0,15%. Для получения полного списка см. Обилие элементов в земной коре .

График справа показывает относительное содержание атомов химических элементов в верхней части континентальной коры Земли - части, которая относительно доступна для измерений и оценок.

Многие из элементов, показанных на графике, подразделяются на (частично перекрывающиеся) категории:

1. породообразующие элементы (основные элементы в зеленом поле и второстепенные элементы в светло-зеленом поле);
2. редкоземельные элементы (лантаноиды, La-Lu, Sc и Y; отмечены синим цветом);
3. основные промышленные металлы (мировое производство> ~ 3 × 10 ⁷ кг / год; отмечены красным);
4. драгоценные металлы (отмечены фиолетовым цветом);
5. девять самых редких «металлов» - шесть элементов платиновой группы плюс Au , Re и Te (металлоид) - в желтом поле. Они редко встречаются в коре, поскольку растворяются в железе и поэтому концентрируются в ядре Земли. Теллур является единственным наиболее обедненным элементом в силикатной Земле по сравнению с космическим распространением, потому что помимо того, что он был сконцентрирован в виде плотных халькогенидов в ядре, он был сильно истощен в результате предварительной сортировки в туманности в виде летучего теллурида водорода . ^[14]

Обратите внимание, что есть два разрыва, где будут находиться нестабильные (радиоактивные) элементы технеций (атомный номер 43) и прометий (атомный номер 61). Эти элементы окружены стабильными элементами, но оба имеют относительно короткий период полураспада (~ 4 миллиона лет и ~ 18 лет соответственно). Таким образом, они крайне редки, поскольку любые их изначальные первоначальные фракции в материалах до Солнечной системы давно распались. Эти два элемента теперь производятся естественным путем только в результате спонтанного деления очень тяжелых радиоактивных элементов (например, урана , тория или следовых количеств плутония).которые существуют в урановых рудах), или взаимодействием некоторых других элементов с космическими лучами . И технеций, и прометий были идентифицированы спектроскопически в атмосферах звезд, где они производятся в ходе продолжающихся процессов нуклеосинтеза.

На графике содержания также есть изломы там, где должны быть шесть благородных газов , поскольку они химически не связаны в земной коре, и они генерируются в коре только цепочками распада из радиоактивных элементов, и поэтому встречаются там крайне редко.

Восемь встречающихся в природе очень редких высокорадиоактивных элементов ( полоний , астат , франций , радий , актиний , протактиний , нептуний и плутоний ) не включены, так как любой из этих элементов, которые присутствовали при формировании Земли, распался эоны назад, а сегодня их количество незначительно и производится только в результате радиоактивного распада урана и тория.

Кислород и кремний - самые распространенные элементы земной коры. На Земле и вообще на каменистых планетах кремний и кислород встречаются гораздо чаще, чем их космическое количество. Причина в том, что они соединяются друг с другом, образуя силикатные минералы . ^[14] Другие распространенные в космосе элементы, такие как водород , углерод и азот, образуют летучие соединения, такие как аммиак и метан, которые легко уносятся в космос из-за высокой температуры образования планет и / или солнечного света.

Редкоземельные элементы [ править ]

"Редкие" элементы земли - историческое неправильное название. Постоянство этого термина отражает скорее незнакомость, чем истинную редкость. Более распространенные редкоземельные элементы аналогичным образом сконцентрированы в коре по сравнению с обычными промышленными металлами, такими как хром, никель, медь, цинк, молибден, олово, вольфрам или свинец. Два наименее распространенных редкоземельных элемента ( тулий и лютеций ) встречаются почти в 200 раз чаще, чем золото.. Однако, в отличие от обычных цветных и драгоценных металлов, редкоземельные элементы имеют очень небольшую тенденцию к концентрации в пригодных для использования рудных месторождениях. Следовательно, большая часть мировых запасов редкоземельных элементов поступает только из нескольких источников. Кроме того, все редкоземельные металлы очень похожи друг на друга по химическому составу, и поэтому их довольно трудно разделить на количества чистых элементов.

Различия в содержании отдельных редкоземельных элементов в верхней континентальной коре Земли представляют собой суперпозицию двух эффектов: ядерного и геохимического. Во-первых, редкоземельные элементы с четными атомными номерами ( ₅₈ Ce, ₆₀ Nd, ...) имеют большее космическое и земное содержание, чем соседние редкоземельные элементы с нечетными атомными номерами ( ₅₇ La, ₅₉ Pr, ...). Во-вторых, более легкие редкоземельные элементы более несовместимы (потому что они имеют больший ионный радиус) и, следовательно, более сильно сконцентрированы в континентальной коре, чем более тяжелые редкоземельные элементы. В большинстве месторождений редкоземельных руд первые четыре редкоземельных элемента - лантан , церий ,празеодим и неодим - составляют от 80% до 99% от общего количества редкоземельного металла, который может быть найден в руде.

Мантия [ править ]

Массовая доля восьми самых распространенных элементов в мантии Земли (см. Основную статью выше) составляет приблизительно: кислород 45%, магний 23%, кремний 22%, железо 5,8%, кальций 2,3%, алюминий 2,2%, натрий 0,3%. , калий 0,3%. ^{[ необходима цитата ]}

Ядро [ править ]

В связи с массовой сегрегации , ядро Земли , как полагают, в основном состоит из железа (88,8%), с меньшим количеством никеля (5,8%), серы (4,5%), и менее чем 1% микроэлементов. ^[12]

Океан [ править ]

Самыми распространенными элементами в океане по массе в процентах являются кислород (85,84%), водород (10,82%), хлор (1,94%), натрий (1,08%), магний (0,13%), сера (0,09%), кальций (0,04%), калий (0,04%), бром (0,007%), углерод (0,003%) и бор (0,0004%).

Атмосфера [ править ]

Порядок элементов по объемной доле (что приблизительно соответствует молекулярной молярной доле) в атмосфере : азот (78,1%), кислород (20,9%), ^[15] аргон (0,96%), за которым следует (в неопределенном порядке) углерод. и водород, потому что водяной пар и углекислый газ, которые представляют большинство этих двух элементов в воздухе, являются переменными компонентами. Сера, фосфор и все другие элементы присутствуют в значительно меньших количествах.

Согласно графику кривой содержания (вверху справа), аргон, значительный, если не главный компонент атмосферы, вообще не появляется в коре. Это связано с тем, что атмосфера имеет гораздо меньшую массу, чем кора, поэтому аргон, остающийся в коре, мало влияет на ее массовую долю, в то время как в то же время накопление аргона в атмосфере стало достаточно большим, чтобы быть значительным.

Городские почвы [ править ]

Полный список содержания элементов в городских почвах см. В разделе Содержание элементов (страница данных) # Городские почвы .

Человеческое тело [ править ]

По массе клетки человека состоят на 65–90% из воды (H ₂ O), а значительная часть оставшейся части состоит из углеродсодержащих органических молекул. Таким образом, кислород составляет большую часть массы человеческого тела, за ним следует углерод. Почти 99% массы человеческого тела состоит из шести элементов: водорода (H), углерода (C), азота (N), кислорода (O), кальция (Ca) и фосфора (P) ( CHNOPS для короткая). Следующие 0,75% состоят из следующих пяти элементов: калия (K), серы (S), хлора (Cl), натрия (Na) имагний (Mg). Точно известно, что только 17 элементов необходимы для жизни человека, а еще один элемент (фтор) считается полезным для прочности зубной эмали. Еще несколько микроэлементов могут сыграть определенную роль в здоровье млекопитающих. Бор и кремний особенно необходимы растениям, но их роль у животных не определена. Элементы алюминия и кремния, хотя и очень распространены в земной коре, заметно редки в организме человека. ^[16]

Ниже представлена ​​таблица Менделеева с указанием питательных элементов. ^[17]

См. Также [ править ]

• Изобилие элементов (страница данных)
• Изобилие элементов в земной коре
• Естественное изобилие (изотопное изобилие)
• Классификация Гольдшмидта
• Первородный нуклид
• Список справочных данных по химическим элементам

Ссылки [ править ]

Сноски [ править ]

Заметки [ править ]

Обозначения [ править ]

• «Редкоземельные элементы - важнейшие ресурсы для высоких технологий | Информационный бюллетень USGS 087-02» . geopubs.wr.usgs.gov .
• «Представьте себе Вселенную! Словарь» . 3 декабря 2003 года Архивировано из оригинала 3 декабря 2003 года.

Внешние ссылки [ править ]

• Список элементов в порядке их содержания в земной коре (правильные только для двадцати наиболее распространенных элементов)
• Космическое изобилие элементов и нуклеосинтез
• WebElements.com Списки изобилия элементов для Вселенной, Солнца, метеоритов, Земли, океана, водотока и т. Д.