"Природа", №3-5, 1922 год, стр. 31-40

Химические элементы и механизм земной коры.

Акад. В. И. Вернадского.

1. Работы последних лет выяснили, мне кажется, с несомненностию, что количественный химический состав земной коры и метеоритов является отражением строения атомов составляющих их химических элементов. В 1914 году проф. Г. Оддо в Павiи¹) указал, что 86.5% земной коры составлено из элементов, атомный вес которых является кратным или почти кратным 4, т. е. атомного веса гелия. В работах проф. У. Гаркинса в Чикаго связь распространенности химических элементов в земной коре с строением их атомов была (1916—1921)²) выяснена еще с большей ясностию и была доказана для метеоритов. Оставляя в стороне все другие черты строения атомов, совершенно ясно резкое преобладание среди химических элементов, строящих как земную кору, так и особенно метеориты, элементов с четными атомными числами, т. е. с четным числом зарядов ядер атомов.

Но это влияние строения атомов отражается не только на количественном химическом составе (распространенности элементов) земной коры. Оно может быть прослежено и в других областях ее химии.

Я остановлюсь здесь на некоторых из этих явлений, оставив в стороне распределение в земной коре изотопов, изучаемое пр. В. Гаркинсом. В химии земной коры сказываются наиболее резко химические свойства химических элементов и для подавляющего количества наблюдаемых в ней явлений изотопы не различимы. Правда, имея в виду неограниченное время, находящееся в нашем распоряжении в тех случаях, когда мы рассматриваем химию планеты, можно ждать, что в ней могут проявляться различия изотопов, нашим лабораториям недоступные. Но, очевидно, общая картина — которой я только здесь и касаюсь — не будет определяться этими меньщими по размерам различиями между химическими элементами, а их различиями более грубыми, различиями химического характера.

2. Легко убедиться, что все элементы, отличающиеся атомными числами, до сих пор найденные в земной коре, могут быть распределены на группы, на основании изучения их истории в земной коре.

Эти группы будут следующие:

I. Группа циклических (биогенных) элементов. Эта группа характеризуется тем, что входящие в нее элементы дают в земной коре соединения (минералы), которые при достаточном времени переходят друг в друга, в зависимости от различных термодинамических (и других) условий тех частей земной коры, в которых элемент находится. На земной поверхности, в биосфере, все эти элементы входят в состав живых организмов (живого вещества)³). В конце концов — в достаточно длительное время — изойдя из какой нибудь исходной формы нахождения эти элементы — пройдя через ряд различных соединений — вернутся в ту же самую исходную форму.

Их история выражается круговым процессом, циклом, давно уже отмеченным для некоторых из них, напр, для С, S, N, Р, О и т. д. В общем виде эти циклы могут быть выражены схемой:

В промежутке эти элементы проходят через минералы метаморфических областей земной коры (фреатические минералы).

Так как все реакции этих элементов обратимые и они постоянно возвращаются в исходное соединение⁴), то реакция может идти только на счет посторонней вносимой в циклический процесс энергии, с одной стороны получаемой на земной поверхности, с другой в области магматического состояния вещества земной коры.

Такими элементами несомненно являются 28 следующих химических элементов (т. е. 32.18% всех 87 сейчас известных)⁵):

Ag	Ва	*Cu	*К	*Na	Pb	Sr
*Al	*С	*Fe	*Mg	*Ni	*S	*Ti
*As	*Ca	*Fl	*Mn	*O	*Si	V*
B	*Cl	*H	*N	*P	Sn	*Zn

Эти элементы составляют по весу почти всю земную кору⁶) — 99.66%.

Кроме них вероятно сюда же относятся следующие 11 элементов⁷):

Если мы прибавим эти 11 элементов, мы получим 39 циклических элементов (46.98% всего их числа) и более 99.6% по весу земной коры. Среди них преобладают элементы с четным атомным числом. Они по весу составляют 86.4%.

II. Группа благородных газов. Относящиеся сюда химические элементы химически инертны и не участвуют в химических реакциях земли. Это будут: Аг, Не, Ne, Kr, Xe.

Они составляют 5.74% всех известных химических элементов и по весу 5·10^—4% земной коры. Все принадлежат к элементам с четным атомным числом.

III. Элементы редких земель (атомные числа 57—72). Здѣсь известно 15 (из 16 возможных) химических элементов:

Чрезвычайно характерно для этой группы отсутствие вадозных минералов, хотя минералы их — ювенильные и фреатические — относительно легко на земной поверхности разрушаются. Они — по крайней мере некоторые (Ce), входят в состав живого вещества, но их роль в нем и их нахождение неизучены. Для некоторых, а может быть для всех, характерно рассеяние в земной коре, т. е. переход в необратимую форму нахождения. Эта группа элементов и в смысле своего нахождения в земной коре, как во многих других своих свойствах, составляет загадку, настойчиво требующую разрешения. Едва ли можно сомневаться, что они образуют одну группу. Они составляют 17.24% всех известных элементов и по веоу n·10^—2—n·10^—3% земной коры.

IV. Сильно радиоактивные элементы (атомные числа 82—92). Эта группа семи химических элементов, генетически связанная c U или Th, в течение времени неизбежно разрушается, переходя в новые тела, давая Не (II гр.) или Pb (I гр.), причем обратимые циклические химические реакции не являются для них характерными и не захватывают всей их массы. Сюда относятся химические элементы — Ac. Nt. Rа. Ра. Ро. Th. U — составляющие 8.04% всех известных. Для U и Th в промежуточное время наблюдаются циклические процессы, не очень резко выраженные. Эти элементы, вместе взятые, составляют по весу n·10^—4% земной коры, м. б. m·10^—3% где m близко к единице.

V. Элементы инертные в биосфере. Небольшая редкая группа 7 химических элементов — Au. Ir. Os. Pd. Pt. Rh. Ru — не дает на земной поверхности — в биосфере— вадозных минералов и для нее характерно нахождение в чистом виде или в сплавах. Не исключена возможность для них явлений рассеяния, но эти явления не доказаны. Они составляют 8.04% всех известных элементов и едва ли много больше n·10^—6% по весу земной коры.

VI. Последняя⁸) группа 10 химических элементов — элементы рассеяния — *Br. Cs. Ga. In. *J. *Li. Rb. Sc. Tl. Y. Для всех этих элементов чрезвычайно характерна резко выраженная малая способность в земной коре давать молекулы и следовательно соединения. В то же время их атомы проникают всю земную материю. Повидимому, некоторая часть их массы в определенных термодинамических областях земной коры дает соединения (или входит в состав живого вещества), но и в этих областях остальная — большая часть их массы — находится в рассеянном состоянии (в форме свободных атомов), проникая как мертвую, так и живую земную материю. Характер их циклов выражается следующей схемой:

Часть их вещества, находящаяся в земной коре в форме рассеяния, выходит из циклического процесса, приближаясь в этом отношении к свойствам благородных газов. Любопытно, что с этой точки зрения эти элементы распадаются на две группы:

1. Элементы не дают вадозных минералов и соединений в живом веществе:

   Cs. Ga. In. Li. Rb. Sc. Tl. Y.

   Для них известны только фреатические и ювенильные минералы.

2. Элементы не дают фреатических или ювенильных минералов. Все их минералы вадозные и в организмах они дают соединения, в них концентрируются:

   Br. J.

Эти элементы составляют 11.61% всех известных и по весу не менее n·10^—1% земной коры. Все без исключения принадлежат к элементам с нечетными атомными числами.

3. Рассматривая историю всех элементов земной коры мы видим, что они в себе самих или в своих свойствах заключают ту энергию, которая необходима для поддержания всех связанных с ними химических процессов земной коры.

Эти процессы, выражающиеся в передвижении и перегруппировке в земной коре циклических химических элементов (99.6% всей ее массы) производятся с одной стороны энергией солнца, собираемой в живом веществе, через которое постоянно и непрерывно проходит некоторая часть циклических элементов, находящихся в биосфере. Масса атомов этих элементов, участвующих в энергетическом механизме биосферы — живом веществе — очень незначительна и может быть нами учтена лишь очень приблизительно. Она вероятно порядка n·10^—2% веса земной коры, может быть n·10^—11%.

Образовавшись на земной поверхности благодаря солнечной энергии, усвоенной живым веществом (автотрофным, хлорофильным организмом) природные соединения циклических элементов (минералы), попадая благодаря геологическим процессам в другие термодинамические оболочки земной коры в конце концов доходят до слоев земной коры (начиная с 3—4 килом, от земной поверхности и глубже), обладающих своей энергией — тепловой — независимой от солнца. Как известно, эта энергия совершенно объясняется тем количеством сильно радиоактивных элементов, какие известны в земной коре — в частности в массивных породах — и приводит все соединения земной коры в расплавленное состояние. Эта атомная энергия создается n·10^—3 — n·10^—4% массы земных атомов.

Таким образом весь химический механизм земной коры поддерживается относительно небольшим количеством составляющих ее атомов, входящих в живое вещество или сильно радиоактивных, в общей массе не превышающих n·10^—1% веса земной коры.

Пока будет 1) доходить до земли энергия солнца ныне наблюдаемого порядка и создаваться — в связи с этим — благоприятные термодинамические условия существования на нашей планете жизни и 2) пока не уменьшится заметным образом количество в земной коре сильно радиоактивных элементов химия земной коры будет неизменно той же самой, какую мы сейчас изучаем. Земная кора является механизмом, теснейшим образом связанным с характером входящих в нее атомов.

II.

До сих пор мы не отходили от эмпирических фактов и не вводили в наше рассуждение никаких гипотез.

Но углубление в эти явления неизбежно наводит на некоторые соображения, которые кажутся мне не только тесно логически связанными с эмпирическими данными, но и исходящими из их совокупности. Этим оправдываются попытки проникнуть с помощью их в ту огромную область нового, которая сейчас тесно связана с выяснившейся зависимостью химического состава земной коры от атомного строения составляющих ее атомов.

Резкое преобладание в земной коре атомов химических элементов с четными атомными числами объясняется сейчас их меньшей долговечностию. Повидимому этот вывод кажется логически неизбежным⁹).

Возможно, однако, другое его объяснение, отнюдь не связанное с большею продолжительностию существования атомов с четными положительными зарядами ядра, чему мне кажется не отвечают факты.

Указания на такую возможность дает нам рассеяние элементов. На эту их форму нахождения не обращают достаточного внимания, хотя роль их в земной коре огромна.

Под рассеянием элемента мы будем подразумевать те формы их нахождения, которые открываются спектроскопическим, радиохимическим электрическим путем, или явлениями люминесценции. Для объяснения такого нахождения элемента приходится допускать существование его в форме атомов, иногда обладающих зарядами; эти атомы не объединены в молекулы, по крайней мере в значительных количествах и не связаны с атомами других элементов. В природе распадение элементов на атомы происходит различным путем, радиоактивным распадом, растворением, испарением, диффузией растворенных молекул, прохождением в ничтожных количествах в живую материю, диффузией газов и т. п. Элементы, находящиеся в таком состоянии, должны обладать другими свойствами, чем совокупности, их атомов, а тем более молекул. К таким состояниям химических элементов не применимы наши обычные представления о газообразном, жидком или твердом состоянии материи¹⁰). Это представления, основанные на статистических законах совокупностей атомов, здесь же мы имеем дело с отдельными атомами. Как верно указал уже много десятилетий тому назад Кл. Максуэлль и как это подтвердилось ходом научной работы в области атомной физики и атомной химии последних десятилетий, нельзя на отдельный атом переносить законности, выведенные из изучения их совокупностей. Атомы обладают такой подвижностию, какой не обладают их совокупности. Они рассеиваются и могут не удерживаться массами вещества, состоящими из молекул и их совокупностей.

Проявление такой способности атомов должно быть очень резко выражено во всех тех явлениях космической, и в частности планетной химии, где в долгие промежутки времени накапливаются медленные и ничтожные — взятые единично — процессы. Им может быть обусловливается и наблюдаемый состав земной коры и метеоритов с преобладанием элементов с четными атомными числами.

Мы видим, что VI группа химических элементовъ, для которой характерны явления рассеяния, вся на цело — 100% — составлена из элементов с нечетными атомными числами. Можно убедиться, что вообще свойство рассеивания характерно для элементов с нечетными атомными числами.

Нам известно сейчас 41 элемент с нечетными атомными числами. Из них отмечены явления рассеяния для Ac, Ag, As, Au, В, Bi, Br, Cl, Cs, Eu, Fl, Ga, H, Ho, In, J, K, La, Li, Lu, Mn, N, Na, Pa, Pr, Rb, 8c, Tb, Tl, Tu, V и Y, т. e. 32 элемента или 78.05% всех таких элементов.

Элементов с четными атомными числами нам известно 46, из них рассеяние констатировано для Ar, С, Се, Ct, Dy, Er, Gd, Не, Kr, Nd, Ne, Nt, Pb, Po, Ra, Sa, Th, U, Xe, Zn, Tb — т. e. для 21 элемента или 45.65% всех таких элементов.

Но рассеяние элементов вызывается разными источниками. Если мы выделим иэ этих списков элементы II—IV групп, для который рассеивание вызывается или свойствами инертных газов, или радиоактивным распадом, или неизвестной нам причиной (для элементов редких земель), то окажется, что рассеяние наблюдается

для	22	из	31	элем.	с	нечетн.	ат.	числ.	(70.97%)
""	2	""	27	""	""	четн.	""	""	(7.4%)

Едва ли эта разница может объясняться неполнотой нашего знания.

Оставляя пока в стороне возможную причину этого явления, отметим, что она в течение достаточного времени будет проявляться в составе природных средин — земной коры или метеоритов — так, что бо́льшая часть атомов с нечетным атомным числом (т. е. нечетным положительным зарядом ядра) уйдет из них в окружающее пространство.

Мы получим наблюдаемый состав природных тел даже при относительно одинаковой продолжительности существования атомов с четными и нечетными зарядами ядра¹¹).