Минеральная форма нахождения химических элементов

Метадалагiчныя пытаннi школьнага курса хiмii
Минеральная форма
нахождения химических элементов
Хiмiя: праблемы выкладання. № 2, 2005
Д. И. Мычко, кандидат химических наук,
доцент кафедры неорганической химии БГУ
Понятие «химический элемент» является
основным в химии. Можно даже сказать, что
выделение химии в самостоятельную естествен
нонаучную дисциплину связано с определени
ем химических элементов в качестве основного
объекта исследования. Поэтому не так давно ее
называли наукой о химических элементах.
Этот рубеж в истории развития химии
связан c новой исследовательской программой
Роберта Бойля (1627—1691), ориентирующей
деятельность химиков на экспериментальный
поиск элементарных материальных составных
частей всех тел. Эту программу называют
аналитикоэлементаристской.
В русле методологической установки Бой
ля оформилось представление о химическом
элементе как о простейшем (элементарном)
качественно определенном веществе, до кото
рого доходит разложение любого вещества и
которое далее не может быть разложено хи
мическими способами, а поэтому не изменя
ется в химических реакциях. В 1789 г. Ла
вуазье в своем «Начальном курсе химии»
привел таблицу химических элементов («Таб
лицу простых тел») — первую рациональ
ную классификацию химических элементов,
разделив все вещества по элементному соста
ву на простые и сложные. Лавуазье был
очень близок к тому, чтобы придать хими
ческому элементу количественную характе
ристику — вес, поскольку именно весом он
контролировал предел делимости веществ.
Приоритет в этом принадлежит Дж. Дальто
ну, который придал (1802) химически не
превращаемому элементу количественную оп
ределенность — атомный вес — характерис
тику, отличную для каждого вида атомов и
обусловливающую индивидуальность хими
ческого элемента. С этих пор атом стал рас
сматриваться как первичная структурная
единица химических соединений, носитель
свойств химического элемента, как его мера,
т.е. его минимальное количество, качествен
но отличное от всех других элементов. При
разрушении этого количества исчезает и ка
чественная определенность элемента.
Как видно, А. Лавуазье и Дж. Дальтон не
делали различия между понятиями «хими
ческий элемент» и «простое вещество».
Проведение такого различия — дело
Д. И. Менделеева, который уже в первом из
дании своих «Основ химии» (1871) подчерк
нул: «Понятия и слова «простое тело» и «эле
мент» нередко смешивают между собой…
Простое тело есть вещество, металл или ме
таллоид с рядом физических признаков или
химических реакций... Под химическим эле
ментом должно подразумевать те материаль
ные составные части простых и сложных тел,
которые придают им известную совокупность
физических и химических свойств. Они ви
доизменениям и взаимным превращениям не
подвергаются и представляют, по современ
ным воззрениям, неизменную сущность изме
няющегося (химически, физически и механи
чески) вещества, входящую как в простые,
так и в сложные тела. При таком представ
лении о химических элементах они оказыва
ются чемто отвлеченными, так как в отдель
ности мы их не видим и не знаем. Если про
стому телу соответствует понятие о частице,
то элементу отвечает понятие об атоме».
Хотя этому замечанию великого химика
уже более ста лет, однако и сейчас даже в се
рьезных изданиях встречаются такие архаиз
мы, как «данный элемент является металлом»,
или в характеристиках элемента есть указание
на его температуру кипения и плавления. По
этому в документах IUPAC содержится специ
альное указание на необходимость разграниче
ния понятий «химический элемент» и «про
стое вещество». При этом понятие «химичес
кий элемент» называется абстрактным.
Обсуждение этого вопроса имеет не толь
ко методологическое значение. Оно интерес
но и важно в аспекте методики преподава
ния химии в школе. Как известно, в совре
менных учебниках наряду с понятием «хи
мический элемент» используются такие по
нятия, как «изотопы», «нуклид». В каком от
ношении друг к другу они находятся? Через
что следует их определять?
Д. И. Мычко
По поводу абстрактности понятия «хими
ческий элемент» и в отечественной литерату
ре в середине 80х годов XX века возникали
различные спекуляции. Так, обсуждалась
точка зрения, с которой химический элемент
рассматривался не как реальный материаль
ный объект, в отличие от атомов, молекул,
простых и сложных веществ. Если придержи
ваться этой позиции, то возникает вопрос:
как относиться к таким понятиях, как «свой
ства химических элементов», «элементный
анализ», «периодическая система химичес
ких элементов», «s, p и dэлементы», «ред
коземельные элементы», «распространенность
и распределение химических элементов» и
т.п.? Дискуссия по этому поводу на методо
логическом семинаре МГУ закончилась сле
дующим указанием: всякое понятие находит
ся в единстве с реальностью, совпадает с
объектом, т.е. понятие есть «не что иное, как
материальное, пересаженное в человеческую
голову».
С тех пор, как под химическим элементом
стали понимать разновидность атомов (нукли
дов), объединенных общим свойством — оди
наковым зарядом ядра, выяснилось, что атом
в свободном состоянии отличается от атома
в химически связанном состоянии. Это отли
чие состоит прежде всего в том, что хими
чески связанный атом часть своей электрон
ной плотности отдает на взаимодействие с
другими атомами. Эта часть электронной
плотности становится общей для атомов, свя
занных между собой. Хотя мы и используем
в моделях первого приближения представле
ниях о связанных атомах (ковалентная, метал
лическая связи) или атомных частицах —
ионах (ионная связь), однако в реальности
любое вещество — это система атомных ядер
и электронных оболочек, а химическая реак
ция — процесс перегруппировки атомных
ядер и преобразования их электронных оболо
чек. Поэтому сейчас корректней будет гово
рить, что объектом химии является не от
дельный атом (или нуклид) — электронейт
ральная система из ядра и электронов, а
различные электронные состояния атома в
веществе. Эти состояния атома определяют
ся как природой самого атома, так и его ок
ружением. Все возможные состояния атомов
с фиксированным зарядом ядра и являются
химическим элементом, объединяясь этим
общим видовым понятием. Каждый химичес
кий элемент имеет название и символ, спис
ком которых (химической формулой) обозна
чают состав химического вещества или хи
мического соединения. Химический элемент
имеет и количественные характеристики, та
кие, как порядковый (атомный) номер, отно
сительная атомная масса элемента (relative
atomic mass of an element), кларк химичес
кого элемента или его международный ана
лог — распространенность химического эле
мента — величина, которая выражает сред
нее содержание химического элемента в зем
ной коре или в Земле в целом.
Разные состояния атомов одного хими
ческого элемента называют формами суще
ствования химического элемента. Напри
мер, марганец может образовывать такие
соединения, как MnCl 2, MnO2 , KMnO 4. Во
всех случаях мы будем иметь дело с од
ним и тем же химическим элементом —
Mn, но он будет находиться в разных со
стояниях, характеризуемых разными значе
+II
+IV
+VII
ниями степени окисления: Mn, Mn, Mn. А
поэтому каждое из указанных соединений
будет обладать разными химическими свой
ствами.
Формы существования химических элементов в природных системах (Н. С. Ахметов)
Хiмiя: праблемы выкладання. № 2, 2005
вода
H2O
Cu
сильвин
KCl
галит
NaCl
Fr
нет
самородное
золото
Au
поллуцит
Cs[AlSi2O6]
Cs
самородное
серебро
Ag
примесь в
минералах
калия
Rb
халькопирит
CuFeS2
K
Na
сподумен
LiAl[Si2O6]
Li
H
B
урановые
руды
Ra
киноварь
HgS
Hg
барит
Ba[SO4]
Ba
сфалерит
(Zn,Cd)S
Cd
целестин
Sr[SO4]
Sr
сфалерит
ZnS
Zn
кальцит
CaCO3
Ca
магнезит
MgCO3
Mg
In
сфалерит
(Zn,In)S
Y[PO4]
ксенотим
Ge
Si
Sn
циркон
Zr[SiO4]
касситерит
SnO2
Zr
C
циркон
(Ce,La,Th)[PO4]
монацит
Актиноиды
лорандит
TlAlS2
Tl
Rf
нет
галенит
PbS
Pb
(Ce,La,Th)[PO4] (Zr,Hf)[SiO4]
монацит
рутил
TiO2
кварц
SiO2
графит
руды
цветных
металлов
Ti
Лантаноиды Hf
Y
растворы
переработки
глинозема
Ga
тортвейтит
Sc[Si2O7]
Sc
нефелин
Na3K[AlSiO4]4
Al
бура
берилл
Be3Al2[Si6O18] Na2[B4O7].4H2O
Be
P
N
воздух,
вода
S
O
карнотит
Db
нет
висмутин
Bi2S3
Bi
танталит
(Fe,Mn)Ta2O6
Ta
стибнит
Sb2S3
Sb
колумбит
(Fe,Mn)Nb2O6
Nb
аурипигмент
As2S3
As
K2(UO2)2(VO4)2.3H2O
V
Se
Sg
нет
нет
Po
вольфрамит
(Fe,Mn)WO4
W
калаверит
AuTe2
Te
молибденит
MoS2
Mo
медные
руды
хромит
(Mg,Fe)Cr2O4
Cr
самородная
Ca5[PO4]3(F,Cl,OH)
сера
апатит
воздух
Cl
нет
I
Bh
нет
нет
At
примесь в
молибдените
MoS 2
Re
морские
водоросли и
рассолы
Tc
рассолы
калия, натрия,
магния
Br
пиролюзит
MnO2
Mn
галит
NaCl
флюорит
CaF2
F
Hs
нет
осмирид
(Ir,Os)
Os
лаурит
RuS2
гематит
Fe2O3
Ru
Fe
Природные источники промышленного получения химических элементов
Хiмiя: праблемы выкладання. № 2, 2005
Pd
воздух
Kr
пентландит
(Fe,Ni)9S8
Ni
Ar
нет
осмирид
(Ir,Os)
Mt
Ir
Ds
нет
радий
Rn
самородная
платина
Pt
воздух
Xe
твердые
твердые
растворы с Pt растворы с Pt
Rh
кобальтин
Co(AsS)
Co
воздух
воздух
Ne
He
воздух
Д. И. Мычко
Еще одной характеристикой химических
элементов, используемой для обозначения со
стояния его атомов в природных объектах,
является форма нахождения химического
элемента. Например, одна из форм суще
ствования водорода и кислорода как хими
ческих элементов является Н2О. Но Н2О мо
жет находиться в природе и в виде жидкой
воды, и виде твердого льда, и в виде пара,
и в виде связанной воды в составе химичес
ких соединений. Связанная, или конститу
ционная, вода входит в состав минералов в
ионном виде (ОН–, Н3О+), образует наиболее
прочные связи в кристаллической структуре
(например, в гиббсите Al(OH)3). Кристалли
зационная — в виде молекул, количество
которых в решетке кристалла постоянно
(гипс, Ca[SO4] . 2H2O). Свободная (адсорбирован
ная, капиллярная, межслоевая и др.), количе
ство которой непостоянно, обозначается симво
лом aq или nH2O (например, гидромусковит
(K,H3O)Al2[AlSi3O10](OH)2 . nH2O.
Выделяют следующие основные формы
нахождения химических элементов в земной
коре: горные породы и минералы, биогенная
форма (живое вещество), магматические рас
плавы, состояние рассеяния в виде примеси
в других минералах, водные растворы, газо
вые смеси, коллоидная форма с жидкой дис
персионной средой, техногенные соединения,
не имеющие природных аналогов.
В этой статье мы обратим внимание только
на две из них — минералы и горные породы.
Минерал (от лат. minera — руда) —
встречающееся в природе однородное тело с
характерным химическим составом, кристал
лической структурой и свойствами, образо
вавшееся в ходе геологических процессов на
Земле или на других космических телах. В
настоящее время установлено существование
около 4000 минералов при ежегодном откры
тии около 80 новых минералов. Как исклю
чение к минералам относят жидкую ртуть и
природные амальгамы, аморфный опал и ал
лофан (водный силикат алюминия). Минера
лы, как правило, — неорганические веще
ства, но к ним относятся и органические
кристаллические вещества, например, уэдде
лит, СаС2О4 . 2Н2О. Воду, в отличие от льда,
обычно не считают минералом.
По массовому содержанию в минерале
различают: видообразующие элементы (еди
ницы и десятки %), по числу которых выде
ляют самородные элементы (простые веще
ства), бинарные и более сложные соединения;
элементы примеси (сотые доли %), к кото
рым относятся редкие и рассеянные элемен
ты. Примеси могут быть структурными (изо
морфными) и механическими (адсорбирован
ные, газожидкие микровключения, микроско
пические и субмикроскопические включения).
Состав минерала выражается химической
формулой.
Эмпирическая формула отражает мольные
соотношения входящих в состав минералов
элементов, символы которых записываются
слева направо по мере увеличения номера
группы в периодической системе, а для од
ной группы — по мере уменьшения их по
рядкового номера.
Кристаллохимическая формула отражает
связь состава со структурой. Записываются сна
чала катионы, а затем анионы. Комплексные
анионы, как отдельный структурный фрагмент,
заключаются в квадратные скобки — [SO4].
Затем в круглых скобках записываются до
полнительные анионы — (F,OH). Формула
воды, входящей в состав минерала, и число
ее молекул указываются в конце. Изоморф
ные элементы записываются в круглых скоб
ках через запятую. Может дополнительно
указываться мотив структуры. Например,
LiAl[Si2O6]y — цепочечная структура споду
мена; Mg3[Si4O10]2y — слоистая структура
талька; Na(AlSi3O 8]3y — каркасная структу
ра альбита.
Понятие минерал используется не только
для обозначения отдельных тел, но и для вы
деления минерального вида и разновидности.
Минеральный вид — это совокупность мине
ральных индивидов однотипной структуры, хи
мический состав которых может изменяться в
определенных пределах без изменения структу
ры. Минералы одинакового состава, но разной
структуры — полиморфные модификации —
относятся к разным минеральным видам. На
пример, кристаллическая структура алмаза
описывается кубической кристаллической ре
шеткой, а графита — гексагональной; хотя сфа
лерит и вюртцит — одно и то же химическое
соединение — ZnS, — однако это два различ
ных минеральных вида, так как у сфалерита
кубическая решетка, а у вюртцита гексагональ
ная. В то же время, минералы, состав которых
отображается формулами CaMg[Si2O6] и
(Ca0,96,Na0,04)1,00(Mg0,82,Mn0,02,Fe0,062+,Fe0,053+,Al0,03,Ti0,03)[(Si0,92Al0,08)2,00O6,00],
относятся к одному и тому же минералу —
диопсиду, но во втором случае в круглых
скобках выделены через запятую изоморф
ные примеси с указанием доли атомов каж
дого сорта, приходящееся на одну элемен
тарную ячейку кристалла (стехиометричес
кая формула минерала).
Горная порода — природные агрегаты
минералов или доминеральные образования
более или менее постоянного состава, образу
Хiмiя: праблемы выкладання. № 2, 2005
Хiмiя: праблемы выкладання. № 2, 2005
ющие самостоятельные геологические тела,
слагающие земную кору. Представляет меха
ническое сочетание разных по составу мине
ралов, в том числе и жидких.
Еще раз подчеркнем, что минерал — это
химическое соединение, вещество с опреде
ленным составом и структурой, хотя может
содержать в виде примесей и атомы других
элементов, не изменяющих структуру мине
рала, которые называют изоморфными приме
сями. Горная порода — это не химическое со
единение, а механическая смесь одного и
того же или разных минералов. Горная поро
да может представлять собой тело в виде
сплавленных кристаллов, как, например, мра
мор, или быть плотно скрепленными кристал
ликами, как, например, известняк или мел.
Известняк, мел и мрамор — это разные
горные породы, образованные одним и тем
же минералом — кальцитом (СаСО3). Извес
тняк — осадочная горная порода, образуется
в результате как химических, так и биоген
ных процессов. Мрамор — это метаморфи
ческая горная порода, образованная из изве
стняка, уплотненного в недрах Земли под
воздействием высоких температур и повы
шенного давления.
Примером полиминеральной горной поро
ды является сильвинит, в состав которого
входит два основных минерала — галит
(NaCl) и сильвин (KCl). Полиминеральной гор
ной породой является гранит, состоящий из
таких основных минералов, как полевые шпа
ты (K[AlSi3O8] — микроклин), кварц (SiO2),
слюды (KAl2[AlSi3O10](OH,F)2 — мусковит).
Природные минеральные образования зем
ной коры, химический состав и физические
свойства которых позволяют эффективно при
менять их в различных отраслях народного
хозяйства, называются полезными ископае
мыми. К ним относятся благородные метал
лы (Au, Ag, Pt, Os, Ir, Rh, Ru, Pd), руды
черных (Fe, Cr, Ti, Mn), цветных (Al, Cu, Zn
и др.), редких (Li, Be, Zr, Nb и др.), радио
активных (U, Th, Ra) металлов, неметалли
ческие полезные ископаемые (апатит, фосфо
рит, асбест, слюды, графит, гранит, глины,
пески, драгоценные и поделочные камни,
нефть, газ, уголь, торф, пресные и мине
ральные воды, рассолы и др).