Распространенность элементов в земной коре
Общие сведения
Земная кора представляет собой внешнюю твердую оболочку планеты, характеризующуюся чрезвычайно сложным и гетерогенным химическим составом. Из ста восьми известных фундаментальной науке химических элементов в составе земной коры достоверно обнаружено присутствие восьмидесяти восьми. Распределение этих элементов в литосфере носит крайне неравномерный и непропорциональный характер. Абсолютным лидером по распространенности является кислород, на долю которого приходится приблизительно половина всей массы земной коры. Однако кислород присутствует в литосфере не в форме свободного газа, а исключительно в химически связанном состоянии, образуя огромное количество разнообразных минералов.
За кислородом по степени распространенности следуют семь элементов, которые в совокупности формируют подавляющую часть массы земной коры. К их числу относятся кремний, алюминий, натрий, железо, кальций, магний и калий. Кроме того, существенную геохимическую роль играют такие элементы, как титан, фосфор, водород и марганец, присутствующие в заметных макроскопических количествах. На долю всех остальных семидесяти шести химических элементов, обнаруживаемых в земной коре, приходится в сумме не более половины процента от ее общей массы.
Подавляющее большинство элементов находится в природе в виде сложных химических соединений. Наиболее распространенным типом соединений являются оксиды и производные кремния и кислорода — силикаты. Взаимодействие трех наиболее распространенных элементов (кислорода, кремния и алюминия) приводит к образованию алюмосиликатов, которые выступают главными породообразующими минералами земной коры. Наряду с силикатами и алюмосиликатами, значительную долю литосферы составляют соли других кислот: карбонаты, сульфиды и сульфаты. Лишь малая часть химических элементов способна встречаться в природе в свободном состоянии в виде простых веществ, например, самородное железо.
Классификация
В химической номенклатуре и материаловедении принято строгое разделение понятий «химический элемент» и «простое вещество». В то время как количество химических элементов составляет сто восемь, число известных простых веществ достигает приблизительно четырехсот. Данное несоответствие объясняется явлением аллотропии — способностью одного и того же химического элемента существовать в виде нескольких различных простых веществ. Аллотропные модификации могут отличаться друг от друга количеством атомов в молекуле (как в случае двухатомного молекулярного кислорода и трехатомного озона) или типом кристаллической структуры (например, серое и белое олово).
Сходным физико-химическим явлением выступает полиморфизм — способность веществ образовывать различные кристаллические структуры в зависимости от термодинамических условий (прежде всего, температуры и давления). Сложные химические соединения демонстрируют еще большую склонность к полиморфизму по сравнению с простыми веществами. Например, для карбида кремния научно описано около сорока различных полиморфных модификаций.
Фундаментальная классификация всех простых веществ базируется на их физико-химических свойствах и электронном строении. Выделяют три основные макрогруппы: металлы, неметаллы и полуметаллы. Подавляющее большинство известных простых веществ относится к классу металлов.
Способы получения
Способы получения различных полиморфных и аллотропных модификаций химических веществ базируются на целенаправленном изменении термодинамических параметров системы, главным образом температуры и давления. Для прогнозирования процессов получения конкретных структурных форм в материаловедении и физической химии активно применяются диаграммы состояния (фазовые диаграммы). Эти диаграммы представляют собой графическое отображение условий, при которых та или иная полиморфная модификация (например, одна из многочисленных форм железа или карбида кремния) является термодинамически устойчивой.
Переход одной модификации в другую представляет собой фазовый переход первого рода, который может быть инициирован нагреванием, охлаждением или механическим сжатием вещества. В лабораторных и промышленных условиях анализ диаграмм состояния позволяет технологам подбирать точные режимы термической и барической обработки материалов для получения структур с требуемыми эксплуатационными характеристиками.
Свойства
Физические и химические свойства элементов подчиняются периодическому закону Д. И. Менделеева, согласно которому они находятся в периодической зависимости от порядкового номера (заряда ядра). Однако свойства простых веществ, образуемых этими элементами, не всегда демонстрируют строгую математическую периодичность. Это связано с тем, что на макроскопические характеристики простого вещества (например, на температуру плавления) колоссальное влияние оказывают тип химической связи и пространственная структура кристаллической решетки. Графики зависимости температуры плавления от порядкового номера имеют волнообразный характер, но периодичность на них может нарушаться, особенно в конце периодической системы.
Свойства простых веществ радикально различаются в зависимости от их принадлежности к металлам, неметаллам или полуметаллам. Металлы характеризуются наличием специфической металлической связи и соответствующей кристаллической решетки. Благодаря присутствию делокализованных электронов, металлы обладают характерным металлическим блеском, высокой пластичностью (способностью к необратимой деформации без разрушения), а также исключительной теплопроводностью и электрической проводимостью.
Неметаллы, напротив, как правило, являются диэлектриками и не проводят электрический ток. Структурно они могут быть представлены одноатомными газами (благородные газы, такие как аргон), двухатомными молекулами (кислород) или образовывать сложные атомные кристаллические решетки (углерод в форме алмаза или графита, сера, фосфор).
Полуметаллы занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами, сочетая в себе черты обеих групп. К типичным полуметаллам относятся бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур. Они обладают специфическими электронными свойствами, позволяющими использовать их в качестве полупроводниковых материалов.
Применение
Знания о распространенности элементов и формах их нахождения в природе составляют базис геологии, геохимии и горнодобывающей промышленности. Алюмосиликаты, карбонаты и сульфаты, составляющие основу земной коры, являются важнейшим сырьем для производства строительных материалов, керамики, стекла и минеральных удобрений.
Теоретические концепции аллотропии и полиморфизма находят широчайшее применение в современном материаловедении и металлургии. Изучение диаграмм состояния железа и его сплавов критически важно для процессов термической обработки сталей, позволяющих получать материалы с заданными показателями твердости и прочности. Полиморфные модификации карбида кремния активно исследуются и применяются при создании сверхтвердых абразивных материалов и высокотемпературной электроники.
Разделение веществ на металлы, неметаллы и полуметаллы предопределяет сферы их практического использования. Металлы выступают главными конструкционными и электротехническими материалами современности. Полуметаллы, такие как кремний и германий, стали фундаментом всей современной микроэлектроники и вычислительной техники благодаря их уникальным полупроводниковым свойствам. Неметаллы широко применяются в химическом синтезе, производстве полимеров, фармацевтике и в качестве изолирующих материалов.