Формы нахождения атомов химических элементов в земной коре.

Различают следующие формы нахождения химических элементов в земной коре: 1) самостоятельные минеральные виды; 2) примеси и смеси – а) неструктурные (состояние рассеяния), б) структурные (изоморфные примеси и смеси); 3) силикатные расплавы; 4) водные растворы и газовые смеси; 5) биогенная форма. Наиболее изученными являются первые две формы.

Самостоятельные минеральные виды (минералы) представляют важнейшую форму существования химических элементов в земной коре. По распространенности минералы делятся на пять групп: весьма распространенные, распространенные, распространенные рудные, редкие, очень редкие.

Неструктурные примеси не имеют кристаллохимической связи с кристаллической решеткой минерала-хозяина и находятся в состоянии рассеяния (по А.Е. Ферсману – эндокриптное рассеяние). Эта форма нахождения характерна для группы радиоактивных элементов, а также для элементов, не образующих самостоятельные минеральные виды. Особенно благоприятны для рассеяния атмосфера и гидросфера. За нижний предел рассеяния условно принято содержание 1 атома в 1 см³ вещества.

Структурные примеси обычно называются изоморфными. Изоморфизмом называется свойство атомов одного химического элемента замещать в узлах кристаллической решетки атомы другого химического элемента с образованием однородного (гомогенного) смешанного кристалла переменного состава. Образование изоморфной смеси определяется в первую очередь близостью параметров кристаллических решеток смешивающихся компонентов. Компоненты, имеющие аналогичную структуру, но не образующие однородного смешанного кристалла, называются изоструктурными (например, галит NaCl и галенит PbS).

В настоящее время выделяется несколько типов изоморфизма с учетом следующих особенностей: 1)степень изоморфной смесимости – совершенный и несовершенный; 2)валентности ионов, участвующих в замещениях – изовалентный и гетеровалентный; 3)механизм вхождения атома в кристаллическую решетку – полярный. Для изовалентного изоморфизма существует правило: если в замещении участвуют ионы большего или меньшего радиусов, то в кристаллическую решетку в первую очередь входит ион меньшего радиуса, во вторую очередь – ион большего радиуса. Гетеровалентный изоморфизм подчиняется закону диагональных рядов периодической системы Д.И. Менделеева, установленный А.Е. Ферсманом.

Образование изоморфных смесей обусловлено несколькими факторами, среди которых выделены внутренние и внешние. Внутренние факторы определяются особенностями, присущими атому (иону или молекуле); к ним относятся следующие: химическая индифферентность атомов, размеры атомов (ионов), сходства вида химической связи и кристаллических структур; сохранение электростатического равновесия в процессе формирования изоморфной смеси. Внешние факторы изоморфизма включают физико-химические условия среды – температуру, давление, концентрацию изоморфных компонентов. В условиях высоких температур изоморфная смесимость компонентов возрастает. С понижением температуры минерал освобождается от примесей. Это явление А.Е. Ферсманом было названо автолизией (самоочисткой). По мере повышения давления в кристаллическую решетку минерала-хозяина предпочтительно входят атомы с меньшими размерами радиусов. Совместная роль температуры и давления иллюстрируется изоморфными рядами В.И. Вернадского.

Изоморфные смеси стабильны при сохранении физико-химических условий их формирования. Изменение этих условий приводит к тому, что смеси распадаются на составные компоненты. В эндогенных условиях главными факторами распада являются температура и давление. В экзогенных условиях причины разложения изоморфных смесей более разнообразны: изменение валентности изоморфно замещающих друг друга химических элементов, сопровождаемое изменением ионных радиусов; изменение типа химической связи; изменение рН гипергенных растворов.

Явление изоморфизма широко используется для решения различных геологических задач, в частности палеотермометрии. Распад изоморфных смесей часто приводит к образованию легко растворимых соединений, которые в результате выщелачивания входят в состав подземных вод, являющихся объектом гидрогеохимических исследований (1.140–159; 2.128–130; 3.96–102).