Klasyfikacja Goldschmidta - Goldschmidt classification

Klasyfikacji Goldschmidt , opracowany przez Victor Goldschmidt (1888-1947) jest klasyfikacja geochemicznego których grupy pierwiastków chemicznych w ramach robót ziemnych według preferowanych faz gospodarza w lithophile ( skała -loving) siderophile ( żelazo -loving) chalcophile ( siarczek kochający rudę lub kochający chalkogen ) i atmosferyczny (lubiący gaz) lub lotny (pierwiastek lub związek, w którym występuje, jest ciekły lub gazowy w warunkach powierzchni otoczenia).

Niektóre elementy mają powinowactwo do więcej niż jednej fazy. Główne podobieństwo podano w poniższej tabeli, a omówienie każdej grupy znajduje się pod tą tabelą.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Grupa  →
↓  Okres
1 1
godz
2
On
2 3
Li
4
Be
5
Ł
6
stopni
7
N
8
O
9
F
10
Ne
3 11
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
godz
16
S
17
Cl
18
Ar
4 19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
kr
25
mln
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
Jako
34
Se
35
Br
36
kr
5 37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
mies
43
Tc
44
Ruy
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
cali
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
6 55
Cs
56
Ba
1 gwiazdka 71
Lu
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
pkt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
pkt
85
At
86
Rn
7 87
Fr
88
Ra
1 gwiazdka 103
Lr
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
godz
109
mln ton
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Nh
114
Fl
115
mc
116
Lwów
117
Ts
118
Og
 
1 gwiazdka 57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61 po
południu
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
1 gwiazdka 89
Ac
90
Th
91
Pa
92
godz
93
Np
94
Pu
95
rano
96
cm²
97
Bk
98
Por
99
Es
100
FM
101
Md
102
Nie

Elementy litofilowe

Pierwiastki litofilowe to te, które pozostają na lub blisko powierzchni, ponieważ łatwo łączą się z tlenem, tworząc związki, które nie zatapiają się w jądrze Ziemi . Do pierwiastków litofilowych należą: Al , B , Ba , Be , Br , Ca , Cl , Cr , Cs , F , I , Hf , K , Li , Mg , Na , Nb , O , P , Rb , Sc , Si , Sr , Ta , Th , Ti , U , V , Y , Zr , W oraz lantanowce lub REE (pierwiastki ziem rzadkich).

Pierwiastki litofilowe składają się głównie z wysoce reaktywnych metali bloków s i f . Zawierają również niewielką liczbę reaktywnych niemetali oraz bardziej reaktywne metale bloku d, takie jak tytan , cyrkon i wanad . Lithophile pochodzi od „lithos”, co oznacza „skała”, i „phileo”, co oznacza „miłość”.

Większość pierwiastków litofilowych tworzy bardzo stabilne jony o konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego (czasami z dodatkowymi f-elektronami). Te nieliczne, takie jak krzem, fosfor i bor, tworzą niezwykle silne wiązania kowalencyjne z tlenem – często z udziałem wiązania pi . Ich silne powinowactwo do tlenu powoduje, że pierwiastki litofilowe bardzo silnie łączą się z krzemionką, tworząc minerały o stosunkowo małej gęstości, które w ten sposób unoszą się do skorupy ziemskiej . Bardziej rozpuszczalne minerały utworzone przez metale alkaliczne mają tendencję do koncentrowania się w wodzie morskiej lub w skrajnie suchych regionach, gdzie mogą krystalizować. Mniej rozpuszczalne pierwiastki litofilowe są skoncentrowane na starożytnych tarczach kontynentalnych, gdzie wszystkie rozpuszczalne minerały zostały zwietrzałe.

Ze względu na ich silne powinowactwo do tlenu, większość pierwiastków litofilowych jest wzbogacona w skorupie ziemskiej w stosunku do ich liczebności w Układzie Słonecznym. Wiadomo, że najbardziej reaktywne metale z bloku s i f, które tworzą sól fizjologiczną lub wodorki metali , są niezwykle wzbogacone na Ziemi jako całości w stosunku do ich obfitości słonecznej. Dzieje się tak dlatego, że na najwcześniejszych etapach powstawania Ziemi reakcją, która kontrolowała stabilną formę każdego pierwiastka chemicznego, była jego zdolność do tworzenia związków z wodorem. W tych warunkach metale blokowe s i f zostały silnie wzbogacone podczas formowania się Ziemi. Najbardziej wzbogaconymi pierwiastkami są rubid , stront i bar , które razem stanowią ponad 50 procent masy wszystkich pierwiastków cięższych od żelaza w skorupie ziemskiej.

Niemetaliczne litofile – fosfor i halogeny – występują na Ziemi w postaci soli jonowych z metalami bloku s w pegmatytach i wodzie morskiej. Z wyjątkiem fluoru , którego wodorki tworzą wiązania wodorowe, a zatem ma stosunkowo niską lotność, te pierwiastki zostały znacznie zmniejszone na Ziemi poprzez ulatnianie się lotnych wodorków podczas formowania się Ziemi. Chociaż są one obecne w skorupie ziemskiej w stężeniach zbliżonych do ich obfitości słonecznej, fosfor i cięższe halogeny są prawdopodobnie znacznie uszczuplone na Ziemi jako całości w stosunku do ich obfitości słonecznej.

Kilku metali przejściowych, w tym chromu , molibdenu , żelaza i manganu , wykazują zarówno lithophile i właściwości siderophile i znajdują się w obu tych warstw. Chociaż metale te tworzą silne wiązania z tlenem i nigdy nie znajdują się w skorupie ziemskiej w stanie wolnym, uważa się, że metaliczne formy tych pierwiastków z dużym prawdopodobieństwem istnieją w jądrze Ziemi jako relikty z czasów, gdy atmosfera nie zawierała tlenu. Podobnie jak „czyste” syderofile, pierwiastki te (z wyjątkiem żelaza) są znacznie uszczuplone w skorupie w stosunku do ich obfitości słonecznej.

Ze względu na ich silne powinowactwo do tlenu, metale litofilowe, chociaż stanowią większość pierwiastków metalicznych w skorupie ziemskiej, nigdy nie były dostępne jako wolne metale przed rozwojem elektrolizy . Dzięki temu rozwojowi wiele metali litofilowych ma znaczną wartość jako metale konstrukcyjne ( magnez , glin , tytan , wanad ) lub jako środki redukujące ( sód , magnez , wapń ). Proces wytapiania tych metali jest niezwykle energochłonny. Biorąc pod uwagę emisje gazów cieplarnianych, które podejrzewa się o przyczynianie się do zmian klimatycznych , wykorzystanie tych pierwiastków jako metali przemysłowych jest kwestionowane, pomimo ubytku rzadszych i mniej reaktywnych metali chalkofilowych, które pozostawiają niewiele substytutów.

Niemetaliczny fosfor i halogeny również nie były znane wczesnym chemikom, chociaż produkcja tych pierwiastków jest mniej trudna niż litofili metalicznych, ponieważ elektroliza jest wymagana tylko z fluorem. Chlor pierwiastkowy jest szczególnie ważny jako środek utleniający – zwykle wytwarzany przez elektrolizę chlorku sodu .

Elementy syderofilne

Obfitość (frakcja atomowa) pierwiastków chemicznych w górnej skorupie kontynentalnej Ziemi jako funkcja liczby atomowej. Najrzadsze pierwiastki w skorupie (pokazane na żółto) nie są najcięższe, ale raczej syderofilne (lubiące żelazo) pierwiastki w klasyfikacji pierwiastków Goldschmidta. Zostały one uszczuplone przez przeniesienie w głąb jądra Ziemi . Ich liczebność w materiałach meteoroidowych jest stosunkowo wyższa. Dodatkowo, tellur i selen zostały zubożone w skorupie z powodu tworzenia lotnych wodorków.

Pierwiastki syderofilne (od sideronu , „żelazo” i phileo , „miłość”) są metalami przejściowymi, które mają tendencję do zatapiania się w rdzeniu, ponieważ łatwo rozpuszczają się w żelazie w postaci stałej lub w stanie stopionym, chociaż niektóre źródła zawierają pierwiastki, które nie są metalami przejściowymi na liście syderofili, takich jak german . Inne źródła mogą również różnić się listą w zależności od omawianej temperatury - niob , wanad , chrom i mangan mogą być uważane za syderofile lub nie, w zależności od zakładanej temperatury i ciśnienia. Mylące jest również to, że niektóre pierwiastki, takie jak wspomniany mangan , a także molibden , tworzą silne wiązania z tlenem, ale w stanie wolnym (jak istniały na pierwotnej Ziemi, gdy wolny tlen nie istniał) mogą się tak łatwo mieszać z żelazem, aby nie koncentrowały się w skorupie krzemionkowej, tak jak prawdziwe pierwiastki litofilowe. Tymczasem żelazo jest po prostu wszędzie .

Do pierwiastków syderofilnych zaliczamy ruten , rod , pallad , ren , osm , iryd , platynę i złoto , umiarkowanie syderofilny kobalt i nikiel , oprócz wspomnianych wcześniej „kwestionowanych” pierwiastków – niektóre źródła zawierają nawet wolfram i srebro .

Większość pierwiastków syderofilnych praktycznie nie wykazuje żadnego powinowactwa do tlenu: rzeczywiście tlenki złota są termodynamicznie niestabilne w stosunku do pierwiastków. Tworzą silniejsze wiązania z węglem lub siarką , ale nawet one nie są na tyle silne, aby oddzielić je pierwiastkami chalkofilowymi. Tak więc pierwiastki syderofilne są związane metalicznymi wiązaniami z żelazem w gęstej warstwie jądra Ziemi, gdzie ciśnienia mogą być wystarczająco wysokie, aby utrzymać żelazo w stanie stałym. Mangan, żelazo i molibden zrobić tworzą silne więzi z tlenem, ale w stanie wolnym (ponieważ istnieje na prymitywnej Ziemi gdy wolny tlen nie istnieje) można mieszać tak łatwo z żelazem, które nie koncentrują się one w krzemionkowych skorupy, jak czy prawdziwe elementy litofilne. Jednak rudy manganu znajdują się w tych samych miejscach, co glin i tytan, ze względu na dużą reaktywność manganu w stosunku do tlenu.

Ponieważ są tak skoncentrowane w gęstym jądrze, pierwiastki syderofilne znane są z rzadkości występowania w skorupie ziemskiej. Z tego powodu większość z nich zawsze była znana jako metale szlachetne . Iryd jest najrzadszym metalem przejściowym występującym w skorupie ziemskiej, występującym masowo w ilości mniejszej niż jedna część na miliard. Istnieją dostępne dla górnictwa depozyty z metali szlachetnych tworzą na ogół jako skutek erozji z ultramaficznych skał , ale nie są mocno skoncentrowane, nawet w porównaniu do ich skorupy obfitości , które są zazwyczaj o kilka rzędów wielkości poniżej ich obfitości słonecznych. Jednakże, ponieważ są one skoncentrowane w płaszczu i jądrze Ziemi , uważa się, że pierwiastki syderofilne są obecne w Ziemi jako całości (w tym w jądrze) w czymś zbliżonym do ich obfitości słonecznej.

Elementy chalkofilowe

Do pierwiastków chalkofilowych należą: Ag , As , Bi , Cd , Cu , Ga , Ge , Hg , In , Pb , S , Sb , Se , Sn , Te , Tl i Zn .

Pierwiastki chalkofilne to te, które pozostają na lub blisko powierzchni, ponieważ łatwo łączą się z siarką i jakimś innym chalkogenem innym niż tlen, tworząc związki, które nie zatapiają się w jądrze Ziemi.

Pierwiastki chalkofilowe to te metale i cięższe niemetale, które mają niskie powinowactwo do tlenu i preferują wiązanie z siarką jako wysoce nierozpuszczalne siarczki . Chalcophile wywodzi się z greckiego khalkós (χαλκός), co oznacza „ rudę ” (oznaczało to również „ brąz ” lub „ miedź ”, ale w tym przypadku „ruda” jest właściwym znaczeniem) i przez różne źródła.

Ponieważ te siarczki są znacznie gęstsze niż minerały krzemianowe utworzone przez pierwiastki litofilowe, pierwiastki chalkofilne oddzieliły się poniżej litofili w czasie pierwszej krystalizacji skorupy ziemskiej. Doprowadziło to do ich zubożenia w skorupie ziemskiej w stosunku do ich obfitości słonecznej, chociaż ponieważ minerały, które tworzą, są niemetaliczne, ubytek ten nie osiągnął poziomu występującego w przypadku pierwiastków syderofilnych.

Jednakże, ponieważ utworzyły one lotne wodorki na prymitywnej Ziemi, gdy kontrolowaną reakcją redoks było utlenianie lub redukcja wodoru, mniej metalicznych pierwiastków chalkofilowych jest silnie zubożony na Ziemi jako całości w stosunku do liczebności kosmicznej. Jest to najbardziej zwłaszcza z tlenowców selenu i telluru (tworzącej lotny selenowodór i wodoru tellurku , odpowiednio), które z tego powodu są między najrzadszych elementów występujących w skorupie ziemskiej (w celu zilustrowania, tellur jest tylko jako liczne, jak platyna ).

Najbardziej metaliczne pierwiastki chalkofilowe (z grup miedzi, cynku i boru) mogą w pewnym stopniu mieszać się z żelazem w jądrze Ziemi. Jest mało prawdopodobne, że na Ziemi jako całość zostaną wyczerpane w stosunku do ich obfitości słonecznej, ponieważ nie tworzą lotnych wodorków. Cynk i gal są z natury nieco „litofilowe”, ponieważ często występują w krzemianach lub pokrewnych minerałach i tworzą dość silne wiązania z tlenem. W szczególności gal jest pozyskiwany głównie z boksytu , rudy wodorotlenku glinu, w której jon galu zastępuje chemicznie podobny glin.

Chociaż żaden pierwiastek chalkofilny nie występuje w dużej ilości w skorupie ziemskiej, pierwiastki chalkofilne stanowią większość metali ważnych z handlowego punktu widzenia. Dzieje się tak dlatego, że podczas gdy pierwiastki litofilowe wymagają energochłonnej elektrolizy do ekstrakcji, chalkofile można łatwo wyekstrahować przez redukcję koksem , a stężenie geochemiczne chalkofili – które w skrajnych przypadkach może przekroczyć 100 000 razy średnią liczebność skorupy ziemskiej. Te największe wzbogacenia występują na wysokich płaskowyżach, takich jak Płaskowyż Tybetański i boliwijski altiplano, gdzie duże ilości pierwiastków chalkofilnych zostały wyniesione w wyniku zderzeń płyt . Efektem ubocznym tego w czasach współczesnych jest to, że najrzadsze chalkofile (takie jak rtęć ) są tak całkowicie wykorzystywane, że ich wartość jako minerałów prawie całkowicie zanikła.

Elementy atmosferyczne

Do pierwiastków atmofilnych należą: H , C , N oraz gazy szlachetne .

Pierwiastki atmosferyczne (zwane również „elementami lotnymi”) są definiowane jako te, które pozostają głównie na lub nad powierzchnią, ponieważ są lub występują w cieczach i/lub gazach w temperaturach i ciśnieniach występujących na powierzchni. Gazy szlachetne nie tworzą trwałych związków i występują jako gazy jednoatomowe , natomiast azot , chociaż nie posiada stabilnej konfiguracji dla swoich poszczególnych atomów , tworzy cząsteczkę dwuatomową tak silną , że wszystkie tlenki azotu są termodynamicznie niestabilne w stosunku do azotu i tlenu . W konsekwencji, wraz z rozwojem wolnego tlenu w procesie fotosyntezy , amoniak został utleniony do azotu cząsteczkowego, który tworzy cztery piąte ziemskiej atmosfery. Węgiel jest również klasyfikowany jako atmofil, ponieważ tworzy bardzo silne wiązania wielokrotne z tlenem w tlenku węgla (wolno utlenianym w atmosferze) i dwutlenkiem węgla . Ten ostatni jest czwartym co do wielkości składnikiem atmosfery ziemskiej, podczas gdy tlenek węgla występuje naturalnie w wulkanach i jego czas przebywania w atmosferze wynosi kilka miesięcy.

Wodór, który występuje w wodzie złożonej, jest również klasyfikowany jako atmofil. Woda jest klasyfikowana jako lotna, ponieważ większość z niej jest cieczą lub gazem, mimo że istnieje jako stały związek na powierzchni.

Ponieważ wszystkie pierwiastki atmosferyczne są albo gazami, albo tworzą lotne wodorki, pierwiastki atmosferyczne są silnie zubożone na Ziemi jako całości w stosunku do ich obfitości słonecznej z powodu strat z atmosfery podczas formowania się Ziemi. Cięższe gazy szlachetne ( krypton , ksenon ) są najrzadszymi trwałymi pierwiastkami na Ziemi.

Pierwiastki śladowe i syntetyczne

Elementy syntetyczne są wyłączone z klasyfikacji, ponieważ nie występują naturalnie.

Śladowe pierwiastki promieniotwórcze (tj. Tc, Pm, Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Pa, Np, Pu) są również traktowane jako syntetyczne. Chociaż występują one w naturze, ich występowanie jest całkowicie zależne od ich długowiecznych rodziców Th i U, a oni nie są bardzo mobilni. Na przykład, chemia polonu przewidziała, że ​​jest on chalkofilem, ale zamiast tego występuje raczej jako litofil wraz z macierzystym uranem . Nawet radon , który jest gazem, zwykle nie ma czasu na podróżowanie bardzo daleko od pierwotnego źródła uranu przed rozpadem. W razie potrzeby pierwiastki te są zwykle wytwarzane syntetycznie w reaktorach jądrowych zamiast żmudnego i pracochłonnego procesu ekstrakcji z rud uranu .

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne