Відкриття розсіяного стану хімічних елементів

Соотношение химических эле­ментов в окружающей нас приро­де неодинаково. Это имеет важ­ные последствия. Когда химик в лаборатории синтезирует новое соединение, он берет исходные реактивы в количестве, заведомо достаточном для реакции. Но в природе это условие выдержи­вается не всегда. Одних химиче­ских элементов много, других — мало. Разница в содержании от­дельных элементов в реальных природных объектах выражается не сотнями и тысячами раз, а мил­лионами и десятками миллионов. Например, в 1 т гранита содер­жится кремния более 320 кг, а такого элемента, как теллур, — всего 1 мг.

Естественно, что атомы хими­ческих элементов, содержащие­ся в изобилии и в относительно небольшом количестве, ведут себя неодинаково. Первые образуют самостоятельные химические сое­динения, слагающие как мелкие, так и крупные физические тела, вплоть до оболочек нашей плане­ты. Вторые — рассеяны среди огромных масс химических сое­динений главных элементов. Так проявляется один из основных законов материалистической диа­лектики — переход количествен­ных признаков, достигших опре­деленного уровня, в качественно иное состояние.

Чем сильнее раздроблено, рас­сеяно вещество, тем выше его реакционная способность. Поэто­му понятно, что атомы в состоянии рассеяния характеризуются вы­сокой геохимической активностью. Это особенно сказывается в усло­виях биосферы, где рассеянные элементы играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов.

Познание геохимии элементов, находящихся в состоянии рассе­яния, не только крупная проблема современного естествознания, но также ответственная практиче­ская задача. В связи с бурным ро­стом промышленного производ­ства происходит небывалое в ис­тории Земли рассеяние химиче­ских элементов, особенно метал­лов. В этих условиях выяснение закономерностей поведения рассеянных элементов приобрета­ет особую актуальность.

Установление состояния рассея­ния, как особой формы нахожде­ния химических элементов связа­но с деятельностью одного из крупнейших ученых XX в, нашего соотечественника В. И. Вернад­ского. Первое сообщение об этом он сделал в докладе на XII съез­де русских естествоиспытателей и врачей в декабре 1909 г. (Дневник XII съезда русских естество­испытателей и врачей (1909—1910). М., 1910, с. 73—91).

Чтобы оценить это открытие, необходимо вспомнить, как шло познание состава окружающей нас природы. В XIX в. после создания теоретических основ химии были разработаны методы химического анализа. Эти методы дают воз­можность в природных соеди­нениях определить содержание образующих их элементов, выяс­нить состав этих соединений и за­писать его химической формулой. За несколько десятков лет было получено огромное количество данных по химическому составу минералов, горных пород, при­родных вод и газов.

Обобщение и систематизация этого обширного материала поз­волили установить состав природ­ных химических соединений (ми­нералов), выяснить закономерно­сти состава разных типов горных пород, морских и речных вод, атмосферного воздуха и газов, выделяющихся из земных недр. При этом было обнаружено инте­ресное обстоятельство: наружные оболочки нашей планеты — зем­ная кора, гидросфера и атмосфе­ра — на 99% образованы десятью-одиннадцатью элементами.

Атмосфера в основном состоит из азота (75,51 %) и кислорода (23, 15%), в значительно меньшем количестве присутствуют аргон (1,28%) и углекислый газ (0,046%). В гидросфере преобладают кисло­род (85,8%), водород (10,6%), хлор (1,94%) и натрий (1,04%). Земная кора сложена кислородом (47,0%), кремнием (29,5%), алю­минием (8,05%), железом (4,65%), кальцием (2,96%), калием (2,50%), натрием (2,50%) и магнием (1,87%). Все остальные элементы встречаются в виде самостоятель­ных природных химических соеди­нений реже.

Таким образом, используя ме­тоды химического анализа ученые проследили и выявили закономер­ности распределения химических элементов, выступающих в каче­стве главных компонентов природ­ных образований.

В 1859 г. немецкие ученые Г. Кирхгофф и Р. Бунзен разрабо­тали метод спектрального анализа. Применение этого метода зна­меновало новую ступень позна­ния природы. Первое достоинство спектрального анализа заключает­ся в том, что ему доступны объек­ты, удаленные на огромные рас­стояния. С появлением этого метода началось изучение хи­мии космоса, были заложены основы астрохимии и космохимии. Второе не менее важное достоин­ство спектрального анализа — возможность обнаружения ничто­жно малых примесей, настолько незначительных, что методами химического анализа, применяв­шимися в XIX в., их обнаружить нельзя.

Особый интерес в научном ми­ре вызвало первое достоинство спектрального анализа. Но внима­ние В. И. Вернадского привлек­ло второе достоинство этого метода. Он организовал лаборато­рию спектрального анализа и в качестве важной научной задачи наметил изучение «следов» хи­мических элементов в самых раз­личных объектах — в минералах, горных породах, почвах. Говоря современным языком, Вернадский был пионером внедрения спект­рального анализа в практику ис­следования вещества наружных оболочек нашей планеты. Резуль­таты работы лаборатории под ру­ководством В. И. Вернадского не замедлили сказаться. В каждом объекте были обнаружены много­численные примеси редких эле­ментов.

Конечно, факты примесей хими­ческих элементов в минералах были известны давно. Однако исследователи рассматривали их как случайные, механические за­грязнения. При первых же под­робных анализах были обнару­жены различные примеси, кото­рые вызвали интерес в научном мире — и неспроста! Так, платина была открыта в XVI в. как примесь в золотоносном песке, никель и кобальт — как примесь в мед­ных рудах. В Забайкалье давно известны руды свинцового блеска (сернистого свинца) с такой зна­чительной примесью серебра, что этот металл добывали не­сколько веков. Декабристы труди­лись на этих рудниках. Однако многие элементы-примеси не мог­ли быть обнаружены из-за не­достаточной чувствительности методов химического анализа.

Рассеянные элементы пронизы­вают твердые, жидкие и газооб­разные вещества. Вернадский пи­сал: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости на­ших исследований, мы открываем все новые и новые элементы». В то же время эти атомы нахо­дятся в каком-то особом состоя­нии, которое Вернадский предло­жил называть состоянием рас­сеяния. Сейчас, спустя 70 лет пос­ле доклада Вернадского, можно только поражаться прозорливо­сти ученого. Изучение рассеянных элементов составило особую гла­ву геохимии, а спектральный ана­лиз сыграл в этих исследованиях решающее значение.

• Уявлення про стан розсіювання →