WikiDer > Изобилие химических элементов

Abundance of the chemical elements

В изобилие химических элементов является мерой вхождение из химические элементы относительно всех других элементов в данной среде. Изобилие измеряется одним из трех способов: массовая доля (то же, что и массовая доля); посредством мольная доля (доля атомов в числовом исчислении, а иногда и доля молекул в газах); или объемная доля. 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, и идеальный газ смеси. Большинство значений численности в этой статье даны в массовых долях.

Например, обилие кислород в чистом виде воды можно измерить двумя способами: массовая доля составляет около 89%, потому что это доля массы воды, которая составляет кислород. Тем не менее мольная доля составляет около 33%, потому что только 1 атом из 3 в воде, H2О, кислород. В качестве другого примера рассмотрим массовая доля обилие водорода и гелия как в Вселенная в целом и в атмосферы из газовые гиганты Такие как Юпитер, это 74% для водород и 23–25% для гелий; в то время как (атомная) мольная доля для водорода 92%, а для гелия 8% в этих средах. Изменение данной среды на Внешняя атмосфера Юпитера, где водород двухатомный в то время как гелий нет, изменяет молекулярный мольная доля (доля от общего количества молекул газа), а также объемная доля атмосферы, водорода около 86% и гелия до 13%.[Примечание 1]

В изобилии химических элементов во Вселенной преобладает большое количество водорода и гелия, которые были произведены в Большой взрыв. Остальные элементы, составляющие лишь около 2% Вселенной, в основном были произведены сверхновые и некоторые красные гигантские звезды. Литий, бериллий и бор редки, потому что, хотя они образуются в результате ядерного синтеза, они затем разрушаются другими реакциями в звездах.[1][2] Элементов от углерода до железа относительно больше во Вселенной из-за простоты их получения в нуклеосинтез 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. Также элементы с даже атомные числа обычно более распространены, чем их соседи по периодическая таблица, за счет благоприятной энергетики пласта.

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 подверглись дополнительному истощению 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

Десять наиболее распространенных элементов в Млечный путь оценивается спектроскопически[3]
ZЭлементМассовая доля (ppm)
1Водород739,000
2Гелий240,000
8Кислород10,400
6Углерод4,600
10Неон1,340
26Утюг1,090
7Азот960
14Кремний650
12Магний580
16Сера440
Общий999,500

Стихии - то есть обычные (барионный) материя из протоны, нейтроны, и электроны, составляют лишь небольшую часть содержания Вселенная. Космологические наблюдения предполагают, что только 4,6% энергии Вселенной (включая массу, вносимую энергией, E = mc² ↔ m = E / c²) составляет видимое барионный иметь значение что составляет звезды, планеты, и жизнь существа. Остальное, как полагают, состоит из темная энергия (68%) и темная материя (27%).[4] Считается, что эти формы материи и энергии существуют на основе научная теория и индуктивное мышление основаны на наблюдениях, но они не наблюдались напрямую, и их природа не совсем понятна.

Наиболее стандартная (барионная) материя находится в межгалактическом газе, звездах и межзвездные облака, в виде атомов или ионы (плазма), хотя его можно найти в вырожденных формах в экстремальных астрофизических условиях, таких как высокие плотности внутри белые карлики и нейтронные звезды.

Водород это самый распространенный элемент во Вселенной; гелий второй. Однако после этого ранг обилия больше не соответствует атомный номер; кислород имеет степень распространенности 3, но атомный номер 8. Все остальные встречаются значительно реже.

Обилие самых легких элементов хорошо предсказывается стандартная космологическая модель, поскольку они в основном производились вскоре (то есть в течение нескольких сотен секунд) после Большой взрыв, в процессе, известном как Нуклеосинтез Большого взрыва. Более тяжелые элементы в основном производились гораздо позже, внутри звезды.

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) Млечный путьДиск состоит из тяжелых элементов.

Эти другие элементы создаются звездными процессами.[5][6][7] В астрономия, «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 галактика или другой объект является признаком звездной активности после Большого взрыва.

Как правило, элементы вплоть до железа образуются в больших звездах в процессе становления. сверхновые. Утюг-56 особенно распространен, поскольку он является наиболее стабильным нуклидом (в том смысле, что он имеет самую высокую ядерную энергию связи на нуклон) и может быть легко получен из альфа-частиц (являющихся продуктом распада радиоактивных никель-56, в конечном итоге состоящий из 14 ядер гелия). Элементы тяжелее железа образуются в процессе поглощения энергии в больших звездах, и их содержание во Вселенной (и на Земле) обычно уменьшается с увеличением атомного номера.

Периодическая таблица, показывающая космологическое происхождение каждого элемента

Солнечная система

Самые распространенные нуклиды
в Солнечная система[8]
НуклидАМассовая доля в частях на миллионФракция атома в частях на миллион
Водород-11705,700909,964
Гелий-44275,20088,714
Кислород-16169,592477
Углерод-12123,032326
Азот-14141,105102
Неон-20201,548100
Spacer.gif
Другие нуклиды:3,879149
Кремний-282865330
Магний-242451328
Утюг-56561,16927
Сера-323239616
Гелий-333515
Водород-222315
Неон-222220812
Магний-2626794
Углерод-1313374
Магний-2525694
Алюминий-2727583
Аргон-3636773
Кальций-4040602
Натрий-2323332
Утюг-5454722
Кремний-2929342
Никель-5858491
Кремний-3030231
Утюг-5757281

Следующий график (шкала журнала заметок) показывает количество элементов в Солнечная система. 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 тяжелее водорода и гелия. 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 Большой взрыв и нуклеосинтез в ряду прародителей сверхновая звезда звезды. В большом количестве водород и гелий являются продуктами Большого взрыва, тогда как следующие три элемента встречаются редко, так как у них было мало времени для образования во время Большого взрыва, и они не образуются в звездах (однако они производятся в небольших количествах при распаде более тяжелых элементов). элементов в межзвездной пыли, в результате удара космические лучи).

Начиная с углерода, элементы образовывались в звездах путем накопления из альфа-частицы (ядра гелия), что приводит к попеременно большему количеству элементов с четными атомными номерами (они также более стабильны). Влияние нечетных химических элементов, которые обычно встречаются во Вселенной более редко, было эмпирически замечено в 1914 году и известно как Правило Оддо-Харкинса.

Расчетное содержание химических элементов в Солнечной системе (логарифмическая шкала)

Отношение к ядерной энергии связи

Наблюдались слабые корреляции между оценкой содержания элементов во Вселенной и кривая энергии связи ядер. Грубо говоря, относительная стабильность различных атомных нуклидов оказала сильное влияние на относительное содержание элементов, образующихся в Большой взрыв, а затем во время развития Вселенной.[9]См. Статью о нуклеосинтез для объяснения того, насколько точно термоядерная реакция процессы в звездах (например, сжигание углеродаи др.) создают элементы тяжелее водорода и гелия.

Еще одна наблюдаемая особенность - это неровное чередование относительного содержания и дефицита соседних атомных номеров на кривой содержания элементов, а также аналогичная картина уровней энергии на кривой энергии связи ядер. Это чередование вызвано высшим относительным энергия связи (соответствует относительной стабильности) четных атомных номеров по сравнению с нечетными атомными номерами и объясняется Принцип исключения Паули.[10]В полуэмпирическая формула массы (SEMF), также называемый Формула Вайцзеккера или Формула массы Бете-Вайцзеккера, дает теоретическое объяснение общей формы кривой энергии связи ядра.[11]

земной шар

В земной шар образовались из того же облака вещества, которое сформировало Солнце, но планеты приобрели разный состав во время формирование и эволюция солнечной системы. В свою очередь, естественная история Земли заставили части этой планеты иметь разную концентрацию элементов.

Масса Земли примерно 5,98×1024 кг. В массе, по массе, он состоит в основном из утюг (32.1%), кислород (30.1%), кремний (15.1%), магний (13.9%), сера (2.9%), никель (1.8%), кальций (1,5%), и алюминий (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 вытесняет летучие соединения в космос. Земля сохраняет кислород как второй по величине компонент своей массы (и наибольшую атомную долю), в основном из этого элемента, удерживаемого в силикатные минералы которые имеют очень высокую температуру плавления и низкое давление пара.

Корка

Содержание (атомная доля) химических элементов в верхней континентальной коре Земли как функция атомного номера. Самые редкие элементы в коре (показаны желтым цветом) редки из-за сочетания факторов: все, кроме одного, являются наиболее плотными сидерофильными (железолюбивыми) элементами в Классификация Гольдшмидта, что означает, что они имеют тенденцию хорошо смешиваться с металлическим железом, истощая их, перемещаясь глубже в ядро ​​Земли. Их изобилие в метеороиды выше. Кроме того, теллур был истощен в результате предварительной сортировки в туманности за счет образования летучих теллурид водорода.[14]

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%. Полный список см. обилие элементов в земной коре.

График справа иллюстрирует относительную атомную распространенность химических элементов в верхней части континентальной коры Земли - части, которая относительно доступна для измерений и оценок.

Многие элементы, показанные 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);
  3. основные промышленные металлы (мировое производство> ~ 3 × 107 кг / год; помечены красным);
  4. драгоценные металлы (помечены фиолетовым цветом);
  5. девять самых редких «металлов» - шесть платиновая группа элементы 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 из-за преаккреционной сортировки в туманности как летучих. теллурид водорода.[14]

Обратите внимание, что есть два разрыва, где нестабильные (радиоактивные) элементы технеций (атомный номер 43) и прометий (атомный номер 61) будет. Эти элементы окружены стабильными элементами, но оба имеют относительно короткий период полураспада (~ 4 миллиона лет и ~ 18 лет соответственно). Таким образом, они чрезвычайно редки, так как любые их изначальные первоначальные фракции в материалах до Солнечной системы давно распались. Эти два элемента теперь производятся естественным путем только через спонтанное деление очень тяжелых радиоактивный элементы (например, уран, торий, или следовые количества плутоний которые существуют в урановых рудах), или взаимодействием некоторых других элементов с космические лучи. И технеций, и прометий были идентифицированы спектроскопически в атмосферах звезд, где они производятся в ходе продолжающихся процессов нуклеосинтеза.

На графике численности также есть разрывы, где шесть благородные газы было бы так, поскольку они не связаны химически в земной коре, и они генерируются в коре только цепочками распада из радиоактивных элементов, и поэтому чрезвычайно редки там.

Восемь природных очень редких высокорадиоактивных элементов (полоний, астатин, франций, радий, актиний, протактиний, нептуний, и плутоний) не включены, поскольку любой из этих элементов, которые присутствовали при формировании Земли, распался эоны назад, и их количество сегодня незначительно и производится только из радиоактивный распад урана и тория.

Кислород и кремний являются наиболее распространенными элементами в коре. 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 космически общие элементы, такие как водород, углерод и азот образуют летучие соединения, такие как аммиак и метан которые легко выкипают в космос от тепла планетарного образования и / или света Солнца.

Редкоземельные элементы

"Редкие" земные элементы - историческое неправильное название. Постоянство этого термина отражает скорее незнакомость, чем истинную редкость. Более обильный редкоземельные элементы сконцентрированы в коре примерно так же, как и обычные промышленные металлы, такие как хром, никель, медь, цинк, молибден, олово, вольфрам или свинец. Два наименее распространенных редкоземельных элемента (тулий и лютеций) почти в 200 раз более распространены, 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 из небольшого числа источников. Кроме того, все редкоземельные металлы довольно химически похожи друг на друга, и поэтому их довольно сложно разделить на количества чистых элементов.

Различия в содержании отдельных редкоземельных элементов в верхней континентальной коре Земли представляют собой суперпозицию двух эффектов, одного ядерного и одного геохимического. Во-первых, редкоземельные элементы с четными атомными номерами (58Ce, 60Nd, ...) имеют большее космическое и земное содержание, чем соседние редкоземельные элементы с нечетными атомными номерами (57Ла, 59Пр, ...). Во-вторых, более легкие редкоземельные элементы более несовместимы (потому что они имеют больший ионный радиус) и поэтому 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, содержащегося в руде.

Мантия

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%.[нужна цитата]

Основной

Из-за массовая сегрегацияядро Земли, как полагают, в основном состоит из железа (88,8%) с меньшими количествами никеля (5,8%), серы (4,5%) и менее 1% микроэлементов.[12]

Океан

Наиболее 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

Порядок элементов по объемной доле (что приблизительно соответствует молекулярной мольной доле) в атмосфера является азот (78.1%), кислород (20.9%),[15] аргон (0,96%), за которыми следуют (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 же время накопление аргона в атмосфере стало достаточно большим, чтобы быть значительным.

Городские почвы

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

Тело человека

По массе клетки человека состоят на 65–90% из воды (H2O), а значительная часть остатка состоит из углеродсодержащих органических молекул. Следовательно, кислород составляет большую часть массы человеческого тела, за ним следует углерод. Почти 99% массы человеческого тела состоит из шести элементов: водород (ЧАС), углерод (С), азот (N), кислород (O), кальций (Ca) и фосфор (П) (ЧНОПС для краткости). Следующие 0,75% состоят из следующих пяти элементов: калий (К), сера (S), хлор (Cl), натрий (Na) и магний (Mg). Известно, что только 17 элементов необходимы для жизни человека, а еще один элемент (фтор) считается полезным для прочности зубной эмали. Еще несколько микроэлементы может играть определенную роль в здоровье млекопитающих. Бор и кремний особенно необходимы для растений, но играют неопределенную роль у животных. 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]

Элементы питания в периодическая таблица[18]
ЧАС Он
ЛиБыть BCNОFNe
NaMg AlSiпSClAr
KCaSc TiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeВ качествеSeBrKr
Руб.SrY ZrNbПнTcRURhPdAgCDВSnSbTeяXe
CSБаЛа*HfТаWReОперационные системыIrPtAuHgTlPbБиПоВRn
ПтРаAc**RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvЦOg
 
 *CePrNdВечераСмЕвропаБ-гTbDyХоЭТмYbЛу
 **ЧтПаUNpПуЯвляюсьСмBkCfEsFMМкрНетLr

Легенда:


Смотрите также

Рекомендации

Сноски

  1. ^ Вангиони-Флам, Элизабет; Кассе, Мишель (2012). Несмотря на то, Моник (ред.). Эволюция галактик: связь далекой Вселенной с местной летописью окаменелостей. Springer Science & Business Media. С. 77–86. ISBN 978-9401142137.
  2. ^ Тримбл, Вирджиния (1996). «Происхождение и эволюция химических элементов». В Малкане, Matthew A .; Цукерман, Бен (ред.). Происхождение и эволюция Вселенной. Садбери, штат Массачусетс: Джонс и Бартлетт Издательство. п. 101. ISBN 0-7637-0030-4.
  3. ^ а б Кросуэлл, Кен (февраль 1996 г.). Алхимия Небес. Якорь. ISBN 0-385-47214-5. В архиве из оригинала от 13.05.2011.
  4. ^ Что такое темная энергия? В архиве 2016-01-15 в Wayback Machine, Space.com, 1 мая 2013 г.
  5. ^ Зьюсс, Ганс; Юри, Гарольд (1956). «Изобилие стихий». Обзоры современной физики. 28 (1): 53. Bibcode:1956РвМП ... 28 ... 53С. Дои:10.1103 / RevModPhys.28.53.
  6. ^ Кэмерон, A.G.W. (1973). «Изобилие элементов в солнечной системе». Обзоры космической науки. 15 (1): 121. Bibcode:1973ССРв ... 15..121С. Дои:10.1007 / BF00172440. S2CID 120201972.
  7. ^ Андерс, Э; Эбихара, М. (1982). «Изобилие элементов в солнечной системе». Geochimica et Cosmochimica Acta. 46 (11): 2363. Bibcode:1982GeCoA..46.2363A. Дои:10.1016/0016-7037(82)90208-3.
  8. ^ Арнетт, Дэвид (1996). Сверхновые и нуклеосинтез (Первое изд.). Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press. п. 11. ISBN 0-691-01147-8. OCLC 33162440.
  9. ^ Белл, Джерри А .; Команда редакторов и авторов GenChem (2005). «Глава 3: Происхождение атомов». Химия: проект Американского химического общества. Нью-Йорк [u.a.]: Фриман. С. 191–193. ISBN 978-0-7167-3126-9. Корреляция между изобилием и энергией связи ядра [Название раздела]
  10. ^ Белл, Джерри А .; Команда редакторов и авторов GenChem (2005). «Глава 3: Происхождение атомов». Химия: проект Американского химического общества. Нью-Йорк [u.a.]: Фриман. п. 192. ISBN 978-0-7167-3126-9. Более высокое содержание элементов с четными атомными номерами [Название подраздела]
  11. ^ Бейли, Дэвид. «Полуэмпирическая формула ядерной массы». PHY357: струны и связывающая энергия. Университет Торонто. В архиве из оригинала 2011-07-24. Получено 2011-03-31.
  12. ^ а б Morgan, J. W .; Андерс, Э. (1980). «Химический состав Земли, Венеры и Меркурия». Труды Национальной академии наук. 77 (12): 6973–6977. Bibcode:1980ПНАС ... 77.6973М. Дои:10.1073 / pnas.77.12.6973. ЧВК 350422. PMID 16592930.
  13. ^ а б Уильям Ф. Макдонаф Состав Земли. quake.mit.edu, заархивированный системой Internet Archive Wayback Machine.
  14. ^ а б c Андерсон, Дон Л .; «Химический состав мантии» в Теория Земли, стр. 147–175 ISBN 0865421234
  15. ^ Циммер, Карл (3 октября 2013 г.). "Кислород Земли: загадка, которую легко принять на веру". Нью-Йорк Таймс. В архиве из оригинала 3 октября 2013 г.. Получено 3 октября 2013.
  16. ^ Табличные данные из Чанг, Раймонд (2007). Химия (Девятое изд.). Макгроу-Хилл. п. 52. ISBN 978-0-07-110595-8.
  17. ^ Нильсен, Форрест Х. (1998). «Ультра-следовые минералы». В Морисе Э. Шилсе; Джеймс А. Олсен; Моше Шайн; А. Кэтрин Росс (ред.). Современное питание при здоровье и болезнях. Балтимор: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. С. 283–303. HDL:10113/46493. ISBN 978-0683307696.
  18. ^
    • Ультра-следовые минералы. Авторы: Нильсен, Форрест Х. USDA, ARS Источник: Современное питание в здоровье и болезнях / редакторы, Морис Э. Шилс ... и др. Балтимор: Williams & Wilkins, c1999, стр. 283-303. Дата выпуска: 1999 URI: [1]
  19. ^ Дауманн, Лена Дж. (25 апреля 2019 г.). «Важное и повсеместное явление: появление металлобиохимии лантанидов». Angewandte Chemie International Edition. Дои:10.1002 / anie.201904090. Получено 15 июн 2019.

Примечания

  1. ^ Ниже внешней атмосферы Юпитера объемные доли значительно отличаются от мольных долей из-за высоких температур (ионизация и диспропорционирование) и высокой плотности, где Закон идеального газа неприменимо.

Обозначения

внешняя ссылка