Классификация элементов по Вернадскому

В земной коре родственные по периодической системе элементы ведут себя неодинаково – мигрируют в земную кору по-разному. Вернадский учитывал самые важные моменты истории элементов в земной коре. Главное значение предовалось таким явлениям и процессам как радиоактивность, обратимость и необратимость миграции. Способность давать минералы. Вернадский выделил 6 групп элементов:

1. благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe) – 5 элементов;

2. благородные металлы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) – 7 элементов;

3. циклические элементы (участвующие в сложных круговоротах) – 44 элемента;

4. рассеянные элементы – 11 элементов;

5. сильно радиоактивные элементы (Po, Ra, Rn, Ac, Th, Pa, U) – 7 элементов;

6. элементы редких земель – 15 элементов.

Элементы 3 группы по массе преобладают в земной коре из них в основном состоят горные породы, воды, организмы.

Представления из повседневного опыта не совпадают с реальными данными. Так, Zn, Cu широко распространены в быту и технике, а Zr (цирконий) и Ti для нас редкие элементы. Хотя Zr в земной коре в 4 раза больше чем Cu, а Ti – в 95 раз. «Редкость» этих элементов объясняется трудностью их извлечения из руд.

Химические элементы вступают во взаимодействия друг с другом не пропорционально их массам, а в соответствии с количеством атомов. Поэтому кларки могут быть рассчитаны не только в массовых %, но и в % от числа атомов, т.е. с учетом атомных масс (Чирвинский, Ферсман). При этом кларки тяжелых элементов уменьшаются, а легких – увеличиваются.

Легкие элементы, % ат., (%масс,)	Тяжелые элементы, % ат., (%масс.)
O – 57,0 (47,0)	V - 2*10-5 (2,5*10-4)
Li – 1,9*10-2 (3,2*10-3)	Au – 5*10-8 (4,3*10-7)
Be – 1,2*10-3 (3,8*10-4)	Ra – 9*10-12 (2*10-10)

Так, например:

 

 

Расчет на число атомов дает более контрастную картину распространенности химических элементов – еще большее преобладание кислорода и редкость тяжелых элементов.

Когда был установлен средний состав земной коры, возник вопрос о причине неравномерности распространения элементов. Это стаи связывать с особенностями строения атомов.

Рассмотрим связь значения кларков с химическими свойствами элементов.

Так щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr химическом отношении близки друг к другу – один валентный электрон, но значения кларков отличаются – Na и K - ≈ 2,5; Rb - 1,5*10^-2; Li - 3,2*10^-3;Cs – 3,7*10^-4;Fr – искусственный элемент. Резко различаются значения кларков для F и Cl, Br и I, Si (29,5) и Ge (1,4*10^-4), Ba (6,5*10^-2) и Ra (2*10^-10).

С другой стороны, различные в химическом отношении элементы имеют близкие кларки – Mn (0,1) и P (0,093), Rb (1,5*10^-2) и Cl (1,7*10^-2).

Ферсман построил график зависимости значений атомных кларков для четных и нечетных элементов Периодической системы от порядкового номера элемента. Выяснилось, что с усложнением строения атомного ядра (утяжеления) кларки элементов уменьшаются. Однако эти зависимости (кривые) получились ломаными.

Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию, которая плавно понижалась по мере возрастания порядкового номера элемента. Элементы расположенные выше средней линии, образующие пики, ученый назвал избыточными (O, Si, Fe и др.), а расположенные ниже линии – дефицитными (инертные газы и др.). Из полученной зависимости следует, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки Периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. Действительно, после Fe (№26) нет ни одного распространенного элемента.

Далее Оддо (итальянский ученый) и Гаркинсом (американский ученый) в 1925-28 гг. была установлена другая особенности распространенности элементов. В Земной коре преобладают элементы с четным порядковым номером и атомными массами. Среди соседних элементов у четных элементов кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для 9 наиболее распространенных элементов (⁸O, ¹⁴Si,¹³Al,²⁶Fe,²⁰Ca,¹¹Na,¹⁹K,¹²Mg,²²Ti) массовые кларки четных составляют в сумме 86,43%, а нечетных – 13,05%.Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4, это – O, Mg, Si, Ca.

По данным исследований Ферсмана, ядра типа 4q (q –целое число) составляют 86,3% земной коры. Менее распространены ядра типа 4q +3 (12,7%) и совсем мало ядра типа 4q+1 и 4q+2 (1%).

Среди четных элементов, начиная с He, наибольшими кларками обладают каждый шестой: O (№8), Si(№14), Ca (№20), Fe (№26). Для нечетных элементов – аналогичное правило (начиная с Н) – N (№7), Al (№13), K (№19), Mg (№25).