Атомы-спутники

В книге известного ученого-геохимика, автора многих yаучно-популярных  книг,   рассказывается   о  поведении химических элементов  в  литосфере,  гидросфере,   ландшафтах. Особое внимание уделяется совместной миграции многих элементов, т.е. их ассоциациям, что и отражено в названии книги. Рассмотрена геохимия всех 89 элементов,  известных   в природе, условия  образования месторождений, геохимические методы их поисков. Интерес представляет и такой вопрос, как роль элементов в жизнедеятельности организмов животных, растений и человека; с ним тесно связаны многие практические проблемы сельского хозяйства и медицины. Для читателей, интересующихся геологией, геохимией и вопросами охраны окружающей среды.

28 декабря 1909 г. на открытии секции геологии и минералогии XII съезда русских естествоиспытателей и врачей экстраординарный академик Российской Академии наук, заведующий кафедрой минералогии Московского университета, профессор Владимир Иванович Вернадский произнес знаменитую речь — «Парагенезис химических элементов в земной коре». Эта речь ознаменовала появление особой отрасли наук о Земле — геохиг мии. Однако, как часто бывает в науке, корни проблемы парагенезиса уходили в античную и в более древние эпохи.Тысячелетиями человечество накапливало сведения о совместном нахождении разных элементов в земных недрах. Так, еще на заре цивилизации было известно, что золото часто встречается вместе с серебром, свинец сцинком, ртуть с сурьмой и т. д. К началуXXстолетия в результате развития горного дела, химии и минералогии накопилось огромное количество фактов в этой области, а само явление совместной концентрации в земной коре химических элементов В. И. Вернадский предложил именовать их парагенезисом. Ранее этот термин применялся в минералогии для обозначения совместного нахождения минералов, как, например, пирита и кварца в рудных жилах, поваренной и глауберовой соли в соляных озерах, малахита и азурита в медных рудах и т. д. Автором термина и одним из основателей учения о парагенезисе минералов был крупный австрийский ученый И. Брейтгаупт, опубликовавший свое исследование в 1849 г. К сходным выводам приходили и другие ученые, например в 1798 г. русский минералог В. М. Севергин для аналогичного явления предложил термин «смежность минералов». И. Брейтгаупт подробно охарактеризовал парагенезис минералов и подчеркнул его значение для науки о рудах. В дальнейшем в минералогии и науке о рудных месторождениях парагенезису минералов уделялось большое внимание. Таким образом,  понятие6 парагенезисе элементов, введенное в науку Вернадским, развивало и углубляло учение о парагенезисе минералов. Совокупность совместно концентрирующихся элементов стали именовать парагенной ассоциацией, а сами элементы — парагенными или дая«е короче — па-раэлементами. Они и представляют собой атомы-спутники.Изучение парагенезиса химических элементов соста-йляет крупную теоретическую проблему геохимии, оно важно и в практическом отношении, поскольку помогает обнаруживать минеральное сырье, особенно руды редких элементов, часто не образующих собственных минералов. Например, индий (In) нередко является примесью в цинковом минерале сфалерите. Поэтому обнаружив цинковые руды, надо их опробовать и на индий, который теперь из этих руд в основном и добывается. Многие руды получили свое наименование именно по парагенезису элементов (медно-молибденовые, свинцово-цинко-вые, железо-марганцевые и т. д.).Но от чего же зависит парагенезис элементов, почему некоторые из них концентрируются в земной коре вместе, а другие, наоборот, как бы избегают друг друга? Ведь такой «отрицательный парагенезис» хорошо изве-- стен у бария и хрома, бериллия и никеля, платины и йода и т. д.Во многих случаях парагенезис элементов связан с их совместной миграцией в силикатных расплавах (магмах), водных растворах, газах, живых организмах, а также с последующей концентрацией на геохимических барьерах. Такая миграция чрезвычайно разнообразна и, как показал А. Е. Ферсман (1883—1945), определяется двумя главными группами факторов — внутренними и внешними.Внутренние факторы миграции. К ним относятся свойства химического элемента, определяемые строением его атома: способность давать летучие или растворимые соединения, осаждаться из растворов и расплавов, сорбироваться и т. д. Особенно большое значение Ферсман придавал порядковому номеру элемента, т. е. его положению в периодической системе Менделеева, радиусу иона элемента и его заряду (валентности). Эти характеристики ученый именовал геохимическими параметрами элементов.Исключительно важное зпачение в геохимии приобрело представление об ионных радиусах, которое оформилось в особую «ионную концепцию». Основоположником ее был норвежский ученый В. М. Гольдшмидт (1888—1947). Напомним, что вскоре после открытия немецким физиком В. Рентгеном лучей, названных по его имени, выяснилось, что ими можно просвечивать не только живые организмы, но и кристаллы. Было доказано, что большинство кристаллов построено из ионов, часть — из атомов или молекул. Но пожалуй, еще ваншее было определить на основе рентгеновского анализа размеры атомов и ионов, которые оказались близкими к 10~,0м. Гольдшмидт считал, что ионы в кристаллах можно рассматривать как несжимаемые шарики. Данное предположение позволило ему в J 926 г. вычислить радиусы ионов и объяснить многие природные явления. В конце 20-х — начале 30-х годов геохимия во многом развивалась под влиянием этих идей Гольдшмидта. Проблема «ионы в геохимии» стала одной из центральных, начался особый кристаллохимический этап в науке, расцвет которого пришелся на 30-е — 50-е годы. В СССР этому направлению много внимания уделяли А. Е. Ферсман я его последователи - А. А. Сауков, В. В. Щербина, К. А. Власов и др. В результате геохимики начали широко использовать новые константы — размеры атомов и ионов. Они научились оперировать этими бесконечно малыми величинами, от которых, как выяснилось, зависят  многие  важные   явления   природы.Триумфом кристаллохимического направления стало объяснение изоморфизма — свойства элементов в кристаллической решетке минералов замещать друг друга (главным образом при условии близости размеров ионов). Гольдшмидт сравнил распределение редких элементов при магматизме с просеиванием порошка сквозь сито, имеющее разные размеры ячеек. При кристаллизации так называемых основных пород (базальтов и др.) вместе с главными, элементами (двухвалентное железо, магний и др.) в кристаллические решетки их минералов входит целый ряд более редких элементов, обладающих сходными радиусами ионов (никель и др.). При кристаллизации гранитов в кристаллическую решетку входит целый ряд редких элементов, размеры нонов которых близки к размерам ионов породообразующих элементов гранитов. Изоморфизм объяснил многие особенности распределения элементов в горных породах, в рудах и минералах, в частности парагениые ассоциации элементов, давно уже установленные эмпирически: золота и серебра, платины и платиноидов, никеля и кобальта в магнезиально-железистых силикатах, свинца и бария в калиевых минералах и т. д. Для вхождения в кристаллическую решетку минерала решающую роль часто играют не столько химические свойства элемента, сколько размер иона. Так, полевые шпаты — ортоклаз (KAlSisOg) и анортит (GaAl2Si208) содержат примеси различных микроэлементов, причем для ортоклаза характерна примесь бария — химического аналога кальция. Естественно предположить, что барий должен встречаться в анортите — кальциевом минерале, но большее значение имеют именно размеры ионов: ион кальция (Са2+) с радиусом l,06-10-i0 м относительно мал и большой ион бария (Ва2+) не может замещать его в решетке при образовании минерала. Наоборот, у бария и калия размеры ионов близки (1,43-10"" и 1,33-10~10м), они умещаются в одном кристалле. <...>