"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Земля состоит из оболочек с разным химическим составом: в коре и мантии преобладают соединения кислорода и кремния, а в ядре — железо и никель. Поэтому состав земной коры нельзя считать составом всей планеты. Для сравнения распространённости элементов в коре используют кларки — средние содержания, выраженные обычно в процентах по массе. Эти сведения помогают понять, из чего состоят минералы и горные породы и где искать нужные элементы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химический элемент в составе Земли — это элемент, содержание и распределение которого рассматривают либо для планеты целиком, либо для отдельных её оболочек. Состав оболочек сравнивают, потому что доли одних и тех же элементов в коре, мантии и ядре различаются. Такое рассмотрение помогает не путать состав доступной для изучения коры с составом всей планеты.
Кларк — среднее содержание химического элемента в земной коре, обычно выраженное в процентах по массе. Это не значение для каждой конкретной породы, а ориентир для сравнения распространённости элементов. С его помощью можно оценить, какой элемент в коре встречается чаще, а какой — реже.
Литосфера — твёрдая внешняя оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии. Её не следует отождествлять только с корой: часть верхней мантии тоже входит в литосферу. Термин нужен, когда говорят о твёрдой оболочке, в которой находятся породы и минеральные ресурсы.
Геохимическая классификация элементов — способ связывать распределение элементов на Земле с их химическими свойствами и сродством к определённым веществам. Сродство показывает, с какими веществами элемент преимущественно соединяется. Благодаря такой классификации можно объяснять, почему элементы оказываются сосредоточены в разных оболочках и минералах.
Химический состав Земли неоднороден, потому что планета формировалась и постепенно разделялась на оболочки. Различия в свойствах веществ привели к их перемещению и сосредоточению в разных частях Земли. В результате ядро, мантия и кора получили неодинаковый набор преобладающих элементов, а состав поверхностных пород стал отличаться от состава глубинных оболочек.
Данные о составе всей планеты нельзя напрямую переносить на земную кору: оболочки различаются и по составу, и по доле в массе Земли. Например, большой вклад железа в состав ядра не означает, что железо в той же доле содержится в коре. Кора — лишь внешняя часть планеты, поэтому её средние показатели описывают только эту оболочку. Чтобы верно истолковать данные, сначала нужно уточнить, к какой части Земли они относятся.
В земной коре преобладают кислород и кремний, поскольку многие распространённые породообразующие минералы — силикаты. Силикаты — это соединения, в состав которых входят кремний и кислород вместе с другими элементами. Именно из силикатных минералов сложена значительная часть горных пород коры, поэтому оба элемента широко представлены в её составе. Кислород при этом в основном связан в соединениях, а не находится в свободном виде.
Кора и мантия состоят преимущественно из силикатных веществ, хотя их состав не одинаков. Мантия — мощная оболочка между корой и ядром; её вещества также богаты соединениями кислорода и кремния, но соотношение элементов отличается от корового. В ядре преобладают железо и никель, поэтому состав этой оболочки резко отличается от состава силикатных внешних частей. Такое сопоставление показывает, почему сведения об одной оболочке не описывают Землю целиком.
Кларки используют, чтобы сравнивать среднюю распространённость элементов в земной коре. Если содержание одного элемента выше, его кларк также выше, и отношение кларков можно найти делением одного значения на другое. Однако кларк не предсказывает точный состав отдельного образца: месторождение или порода могут быть обогащены конкретным элементом. Даже очень малое содержание означает, что элемент присутствует в небольшом количестве, а не обязательно отсутствует совсем.
| Оболочка | Основные элементы и вещества | Характерные особенности состава |
|---|---|---|
| Земная кора | Кислород, кремний, алюминий и другие элементы; силикаты | Кислород и кремний особенно распространены; элементы в основном входят в состав минералов. |
| Мантия | Кислород, кремний, магний, железо; силикатные вещества | Преобладают силикаты, но соотношение элементов отличается от корового. |
| Ядро | Железо и никель | Металлический состав отличает ядро от силикатных внешних оболочек. |
Сравнивайте строки по оболочкам, а не воспринимайте их как описание единого состава всей планеты. В колонке с элементами указаны главные составляющие, поэтому отсутствие элемента в перечне не означает, что его там совсем нет. Таблица помогает увидеть общий контраст между силикатными корой и мантией и металлическим ядром.
В земной коре содержится 46% кислорода по массе. Нужно найти массу кислорода в образце коры массой 250 г. Здесь известны массовая доля компонента и общая масса образца, поэтому ищем часть от целого.
Ответ: в образце содержится 115 г кислорода. Единица измерения результата — граммы, потому что массу образца задали в граммах.
По таблице содержаний элементов в земной коре требуется определить, во сколько раз кларк кремния больше кларка алюминия. Для этого нужны оба табличных значения, выраженные в одинаковых единицах. В качестве примера возьмём распространённые округлённые значения: кремний — 28%, алюминий — 8%.
Ответ: кларк кремния примерно в 3,5 раза больше кларка алюминия при выбранных округлённых данных. Если в таблице приведены другие значения, нужно подставить именно их: итоговое отношение может немного отличаться.
Для двух образцов известны масса породы и массовая доля железа. Чтобы выяснить, где железа больше, нельзя сравнить только проценты: больший процент может относиться к маленькому образцу. Для расчёта возьмём образец A массой 100 г с долей железа 10% и образец B массой 300 г с долей 5%.
Ответ: больше железа содержится в образце B. При решении для любых заданных образцов сначала вычисляют массу элемента в каждом, а затем сравнивают результаты в одинаковых единицах.
Ошибка — считать состав земной коры составом всей планеты. Её допускают, потому что кора доступнее для наблюдения, чем мантия и ядро, но оболочки имеют разный состав и разную долю в массе Земли. Проверьте себя: уточните, к какой оболочке относится приведённое содержание элемента.
Ошибка — принимать кларк за массовую долю элемента в любой конкретной породе. Причина в том, что кларк тоже выражается в процентах и его легко принять за универсальное значение для каждого образца. Проверьте себя: вспомните, что кларк является средним содержанием в земной коре, а состав отдельной породы может отличаться.
Ошибка — делать вывод, что в коре много свободного кислорода, раз кислород преобладает по массе. Так рассуждают, смешивая химический элемент с простым веществом, хотя кислород в породах обычно связан с другими элементами. Проверьте себя: выясните, входит ли кислород в состав минералов и соединений образца.
Ошибка — считать отсутствующими элементы, не перечисленные среди самых распространённых. Их не называют в кратком списке потому, что содержание может быть небольшим, а не обязательно нулевым. Проверьте себя: различайте слова «мало» и «нет» и учитывайте, что таблица может показывать только главные компоненты.
Для изучения состава Земли нужны понятия химического элемента, простого и сложного вещества, а также массовой доли элемента в соединении. Они помогают различать элемент и вещество, в состав которого он входит, и выполнять расчёты по составу образца. Тема пригодится при изучении минералов и горных пород, природных соединений элементов и способов рационально использовать минеральные ресурсы. Понимание распространённости элементов помогает оценивать, где они встречаются и почему важно бережно обращаться с природным сырьём.
Почему химический состав земной коры отличается от состава всей Земли?
При формировании Земли вещества распределились между ядром, мантией и корой неравномерно. Например, железо и никель сосредоточены главным образом в ядре, а состав коры во многом определяют кислород и кремний. Кроме того, кора составляет лишь часть массы планеты.
Что называют кларком химического элемента?
Кларк — это среднее содержание химического элемента в земной коре, обычно выраженное в процентах по массе. Он показывает распространённость элемента в среднем, но не обязан совпадать с его долей в каждой отдельной породе.
Какие элементы наиболее распространены в земной коре?
Наиболее распространены кислород и кремний. Также в коре заметны алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний. Кислород и кремний входят в состав многочисленных силикатных минералов.
Почему кислород в земной коре обычно входит в состав соединений?
Кислород в коре преимущественно связан с другими элементами в минералах и горных породах. Особенно часто он входит в силикаты и оксиды. Поэтому большая доля кислорода в составе коры не означает, что там много свободного кислорода.
Из каких элементов в основном состоит ядро Земли?
В составе ядра преобладают железо и никель. Это отличает его от коры и мантии, где главную роль играют силикатные вещества.
§ 37. Химический состав планеты Земля
