Закономерности распределения химических элементов и их изотопов
При рассмотрении средних содержаний химических элементов в земной коре прежде всего бросается в глаза их крайне различная распространенность. Одни элементы встречаются в десятки, сотни, тысячи, миллионы и миллиарды раз реже, чем другие. Наибольшей распространенностью отличается кислород, на долю которого приходится около - 17,0% по массе, далее следуют кремний (29,50%), алюминий (8,05%), железо (4,65%), кальций (2,90%), натрий (2,50%), калий (2,50%), магний (1,87%) и другие элементы.
Наименее распространены некоторые элементы из группы редких земель (n·10-5%), ртуть (8,3·10-6%), золото (4,3·10-7%), рений (7·10-8%), еще более редкими являются радий, протактиний и полоний.
Особенно наглядна эта неравномерность, если указать, что на долю первых трех наиболее распространенных элементов приходится 84,55% по массе, а на первые восемь элементов 99,03%. Но нужно подчеркнуть, что такое распространение элементов характерно только для земной коры. Распространенность элементов в мантии и для всей планеты Земля, конечно, иная.
Ученые долгое время пытались связать, распространенность химических элементов с их химическими свойствами. Но оказалось, что такой зависимости нет. Ряд химических элементов, имеющих совершенно различные химические свойства, встречаются в земной коре в одинаковых количествах, а элементы близкие по химическим свойствам, например щелочные металлы, встречаются в различных количествах. Таким образом, распространенность элементов не зависит от их химических свойств, она связана со строением атомных ядер этих элементов. А отсюда выявлены и закономерности в распространении химических элементов и их изотопов, причем эти закономерности характерны не только для земной коры и 3емли в целом, но и для всех космических тел.
Первая закономерность заключается в том, что преимущественное распространение имеют химические элементы, расположенные ближе к началу периодической таблицы Д. И. Менделеева. Кстати сказать, Д. И. Менделеевым впервые и было отмечено, что главная масса вещества земной коры состоит из легких элементов (до № 28).
Вторая закономерность заключается в преимущественном распространении элементов с четными номерами по сравнению с нечетными.
Это было установлено независимо друг от друга итальянским ученым Г. Оддо (1914 г.) и американцем Харкинс ом (1917 г.) и известно под названием правила Оддо - Харкинса: из двух соседних элементов периодической системы распространенность четного элемента, как правило, больше, чем нечетного. Содержание четных элементов для Земли в целом по массе 97,21 %, а по числу атомов - 97,35%. Среди первых по распространенности 28 элементов земной коры четные элементы составляют по массе 86,36%, а нечетные 13,64% (соответственно по числу атомов 74,86 и 25,14%, Из нечетных элементов распространены А1, Nа и К, составляющие по массе 13% литосферы и являющиеся для нее особенно характерными элементами. Другим исключением из правила являются инертные газы Не (№ 2), Ne (№ 10), Аг (№ 18), Кr (№ 36), Хe (№ 54). Все они четные, а встречаются в ничтожных количествах. Дефицитность их объясняется инертностью и диссипацией (рассеянием) и; из атмосферы Земли в космическое пространство.
Правило Оддо - Харкинса особенно хорошо иллюстрируется на примере элементов группы редких земель (рис. 55). Из рисунка видно не только резкое преобладание четных элементов над нечетными в земной коре, но и совершенно аналогичное распределение этих элементов в метеоритах. Последнее обстоятельство наглядно свидетельствует об единстве земного и метеоритного вещества и об одинаковых законах распространения элементов на Земле и в космосе.
А есть ли какие-либо закономерности в распространении изотопов химических элементов?
Распространенность изотопов па Земле и в космосе подчиняется тем же закономерностям, что и распространенность химических элементов. Наиболее распространены изотопы с четным числом протонов и нейтронов (60%), изотопы с нечетным числом протонов или нейтронов составляют 36% и изотопы с нечетным числом и протонов и нейтронов 4%.
Второй закономерностью в распространении изотопов, подмеченной еще Оддо, является резкое преобладание изотопов, атомная масса которых кратна четырем. В самом деле, если мы посмотрим на таблицу 4, то увидим резкое преобладание изотопов этого типа.