Изобилие химических элементовявляется мерой присутствия химических элементов относительно всех других элементов в данной среде. Численность измеряется одним из трех способов: по массовой доле (то же, что и массовая доля); по мольной доле (доля атомов в числовом значении или иногда доля молекул в газах); или по объемной доле. Объемная доля - это обычная мера содержания в смешанных газах, таких как атмосферы планет, и аналогична по величине молекулярной мольной доле для газовых смесей при относительно низких плотностях и давлениях и смесей идеального газа. Большинство значений численности в этой статье даны в массовых долях.
Например, содержание кислорода в чистой воде можно измерить двумя способами: массовая доля составляет около 89%, потому что это доля воды масса, которая является кислородом. Однако мольная доля составляет около 33%, потому что только 1 атом из 3 в воде, H 2 O, является кислородом. В качестве другого примера рассмотрим массовую долю водорода и гелия как во Вселенной в целом, так и в атмосферах планет газовых гигантов, таких как как Юпитер, это 74% для водорода и 23–25% для гелия ; в то время как (атомная) мольная доля водорода в этих средах составляет 92%, а для гелия - 8%. Изменение данной среды на внешнюю атмосферу Юпитера, где водород двухатомный, а гелий нет, изменяет молекулярную мольную долю (долю от общего количества молекул газа), а также долю атмосферы по объему, водорода примерно до 86% и гелия до 13%.
Изобилие химических элементов во Вселенной определяется большим количеством водорода и гелия, которые были произведены в Большой взрыв. Остальные элементы, составляющие лишь около 2% Вселенной, в основном были произведены сверхновыми и некоторыми звездами-красными гигантами. Литий, бериллий и бор встречаются редко, потому что, хотя они производятся в результате ядерного синтеза, они затем разрушаются другими реакциями в звездах. Элементов от углерода до железа относительно больше во Вселенной из-за легкости их получения в нуклеосинтезе сверхновых. Элементы с более высоким атомным номером, чем железо (элемент 26), становятся все более редкими во Вселенной, потому что они все больше поглощают звездную энергию при их производстве. Кроме того, элементы с четными атомными номерами обычно более распространены, чем их соседи в периодической таблице, из-за благоприятной энергетики образования.
Обилие элементов на Солнце и внешних планетах аналогично тому, что есть во Вселенной. Из-за солнечного нагрева элементы Земли и внутренних каменистых планет Солнечной системы подверглись дополнительному истощению летучих водорода, гелия, неона, азота и углерода (который улетучивается в виде метана). Кора, мантия и ядро Земли демонстрируют признаки химической сегрегации плюс некоторая секвестрация по плотности. Более легкие силикаты алюминия находятся в коре, больше силиката магния в мантии, в то время как металлическое железо и никель составляют ядро. Обилие элементов в специализированных средах, таких как атмосфера, океаны или человеческое тело, в первую очередь является продуктом химического взаимодействия со средой, в которой они находятся.
Z | Элемент | Массовая доля (ppm) |
---|---|---|
1 | Водород | 739,000 |
2 | Гелий | 240,000 |
8 | Кислород | 10400 |
6 | Углерод | 4,600 |
10 | Неон | 1340 |
26 | Железо | 1090 |
7 | Азот | 960 |
14 | Кремний | 650 |
12 | Магний | 580 |
16 | Сера | 440 |
Итого | 999,500 |
Элементы - то есть обычные (барионная ) материя, состоящая из протонов, нейтронов и электронов, составляют лишь небольшую часть содержимого Вселенной. Космологические наблюдения показывают, что только 4,6% энергии Вселенной (включая массу, вносимую энергией, E = mc² ↔ m = E / c²) составляет видимую барионную материю, который составляет звезд, планет и живых существ. Остальное, как полагают, состоит из темной энергии (68%) и темной материи (27%). Считается, что эти формы материи и энергии существуют на основе научной теории и индуктивного мышления, основанного на наблюдениях, но они не наблюдались напрямую, и их природа недостаточно изучена.
Наиболее стандартное (барионное) вещество содержится в межгалактическом газе, звездах и межзвездных облаках в форме атомов или ионов (плазмы ), хотя его можно найти в вырожденных формах в экстремальных астрофизических условиях, таких как высокие плотности внутри белых карликов и нейтронных звезд.
Водород - самый распространенный элемент в Вселенная; гелий - секунда. Однако после этого ранг содержания не продолжает соответствовать атомному номеру ; кислород имеет степень распространенности 3, но атомный номер 8. Все остальные встречаются значительно реже.
Обилие самых легких элементов хорошо предсказывается стандартной космологической моделью, поскольку они в основном образовались вскоре (то есть в течение нескольких сотен секунд) после Большого взрыва в процессе, известном как нуклеосинтез Большого взрыва. Более тяжелые элементы были образованы намного позже, внутри звезд.
. По оценкам, водород и гелий составляют примерно 74% и 24% всей барионной материи во Вселенной соответственно. Несмотря на то, что они составляют лишь очень небольшую часть Вселенной, оставшиеся «тяжелые элементы» могут сильно влиять на астрономические явления. Только около 2% (по массе) диска галактики Млечный Путь состоит из тяжелых элементов.
Эти другие элементы генерируются звездными процессами. В астрономии «металл» - это любой элемент, кроме водорода или гелия. Это различие важно, потому что водород и гелий - единственные элементы, которые были произведены в значительных количествах во время Большого взрыва. Таким образом, металличность галактики или другого объекта является показателем звездной активности после Большого взрыва.
В общем, элементы вплоть до железа образуются в больших звездах в процессе сверхновых. Железо-56 особенно распространено, поскольку оно является наиболее стабильным нуклидом (в том смысле, что оно имеет самую высокую ядерную энергию связи на нуклон) и может быть легко получено из альфа-частиц (являясь продуктом распада радиоактивного никель-56, в конечном итоге состоит из 14 ядер гелия). Элементы тяжелее железа образуются в процессах поглощения энергии в крупных звездах, и их содержание во Вселенной (и на Земле) обычно уменьшается с увеличением атомного номера.
Периодическая таблица, показывающая космологическое происхождение каждого элементаНуклиды | A | Массовая доля в частях на миллион | Доля атомов в миллионных долях |
---|---|---|---|
Водород-1 | 1 | 705,700 | 909,964 |
Гелий-4 | 4 | 275,200 | 88,714 |
Кислород-16 | 16 | 9,592 | 477 |
Углерод-12 | 12 | 3,032 | 326 |
Азот-14 | 14 | 1,105 | 102 |
Неон-20 | 20 | 1,548 | 100 |
Другие нуклиды: | 3,879 | 149 | |
Кремний-28 | 28 | 653 | 30 |
Магний-24 | 24 | 513 | 28 |
Железо-56 | 56 | 1,169 | 27 |
Сера-32 | 32 | 396 | 16 |
Гелий- 3 | 3 | 35 | 15 |
Водород-2 | 2 | 23 | 15 |
Неон-22 | 22 | 208 | 12 |
Магний-26 | 26 | 79 | 4 |
Углерод-13 | 13 | 37 | 4 |
Магний-25 | 25 | 69 | 4 |
Алюминий-27 | 27 | 58 | 3 |
Аргон-36 | 36 | 77 | 3 |
Кальций-40 | 40 | 60 | 2 |
Натрий-23 | 23 | 33 | 2 |
Железо-54 | 54 | 72 | 2 |
Кремний-29 | 29 | 34 | 2 |
Никель-58 | 58 | 49 | 1 |
Кремний-30 | 30 | 23 | 1 |
Железо-57 | 57 | 28 | 1 |
Следующий график (шкала журнала заметок) показывает содержание элементов в S Старая система. В таблице показаны двенадцать наиболее распространенных элементов в нашей Галактике (оцененные спектроскопически), измеренные в частях на миллион по массе. Соседние галактики, которые развивались по аналогичным направлениям, имеют соответствующее обогащение элементами тяжелее водорода и гелия. Более далекие галактики рассматриваются такими, какими они были в прошлом, поэтому их содержание элементов кажется более близким к изначальной смеси. Однако, поскольку физические законы и процессы единообразны во всей Вселенной, ожидается, что в этих галактиках также будет развиваться подобное содержание элементов.
Изобилие элементов соответствует их происхождению от Большого взрыва и нуклеосинтеза в ряде звезд-прародителей сверхновых. В большом количестве водород и гелий являются продуктами Большого взрыва, тогда как следующие три элемента встречаются редко, так как у них было мало времени для образования во время Большого взрыва, и они не образуются в звездах (однако они производятся в небольших количествах при распаде более тяжелых элементов). элементы в межзвездной пыли, в результате удара космических лучей ).
Начиная с углерода, элементы были произведены в звездах за счет накопления из альфа-частиц (ядер гелия), что привело к попеременно большему количеству элементов с четными атомными номерами (они также более стабильны ). Эффект того, что химические элементы с нечетными номерами, как правило, более редки во Вселенной, был эмпирически замечен в 1914 году и известен как правило Оддо-Харкинса.
Расчетное содержание химических элементов в Солнечной системе (логарифмическая шкала)Наблюдалась слабая корреляция между оценкой содержания элементов во Вселенной и кривой энергии связи ядра. Грубо говоря, относительная стабильность различных атомных нуклидов оказала сильное влияние на относительное содержание элементов, образовавшихся во время Большого взрыва, а затем во время развития Вселенной. См. Статью о нуклеосинтезе для объяснения того, как определенные процессы ядерного синтеза в звездах (такие как сжигание углерода и т. Д.) Создают элементы тяжелее водорода и гелий.
Еще одной наблюдаемой особенностью является зубчатое чередование между относительной распространенностью и нехваткой соседних атомных номеров на кривой содержания элементов и аналогичной структурой уровней энергии на кривой энергии связи ядер. Это чередование вызвано более высокой относительной энергией связи (соответствующей относительной стабильности) четных атомных номеров по сравнению с нечетными атомными номерами и объясняется Принципом исключения Паули. Полуэмпирическая формула массы (SEMF), также называемая формулой Вейцзеккера или формулой массы Бете-Вейцзеккера, дает теоретическое объяснение общей формы кривой энергии связи ядер.
Земля образовалась из того же облака материи, которое сформировало Солнце, но планеты приобрели разный состав во время формирования и эволюции Солнечной системы. В свою очередь, естественная история Земли привела к тому, что части этой планеты имели разную концентрацию элементов.
Масса Земли составляет приблизительно 5,98 × 10 кг. В массе, по массе, он состоит в основном из железа (32,1%), кислорода (30,1%), кремния (15,1%), магний (13,9%), сера (2,9%), никель (1,8%), кальций (1,5%) и алюминий (1,4%); оставшиеся 1,2% состоят из следовых количеств других элементов.
Общий состав Земли по элементарной массе примерно аналогичен валовому составу Солнечной системы, с основными отличиями в том, что Земля отсутствует большое количество летучих элементов водород, гелий, неон и азот, а также углерод, который был потерян в виде летучих углеводородов. Остающийся элементный состав примерно типичен для «каменистых» внутренних планет, которые образовались в термической зоне, где солнечное тепло вытеснило летучие соединения в космос. Земля удерживает кислород как второй по величине компонент своей массы (и наибольшую атомную долю), главным образом из-за того, что этот элемент удерживается в силикатных минералах, которые имеют очень высокую температуру плавления и низкое давление пара.
Атомный номер | Название | Символ | Массовая доля (ppm) | Атомная доля (ppb) |
---|---|---|---|---|
8 | кислород | O | 297000 | 482,000,000 |
12 | магний | Mg | 154000 | 164,000,000 |
14 | кремний | Si | 161000 | 150,000,000 |
26 | железо | Fe | 319000 | 148,000,000 |
13 | алюминий | Al | 15900 | 15,300,000 |
20 | кальций | Ca | 17100 | 11,100,000 |
28 | никель | Ni | 18220 | 8,010,000 |
1 | водород | H | 260 | 6,700,000 |
16 | сера | S | 6350 | 5,150,000 |
24 | хром | Cr | 4700 | 2,300,000 |
11 | натрий | Na | 1800 | 2,000,000 |
6 | углерод | C | 730 | 1,600,000 |
15 | фосфор | P | 1210 | 1,020,000 |
25 | марганец | Mn | 1700 | 800,000 |
22 | титан | Ti | 810 | 440,000 |
27 | кобальт | Co | 880 | 390,000 |
19 | калий | K | 160 | 110,000 |
17 | хлор | Cl | 76 | 56,000 |
23 | ванадий | V | 105 | 53,600 |
7 | азот | N | 25 | 46,000 |
29 | медь | Cu | 60 | 25,000 |
30 | цинк | Zn | 40 | 16,000 |
9 | фтор | F | 10 | 14,000 |
21 | скандий | Sc | 11 | 6,300 |
3 | литий | Li | 1,10 | 4,100 |
38 | стронций | Sr | 13 | 3,900 |
32 | германий | Ge | 7,00 | 2,500 |
40 | цирконий | Zr | 7,10 | 2,000 |
31 | галлий | Ga | 3,00 | 1,000 |
34 | селен | Se | 2,70 | 890 |
56 | барий | Ba | 4,50 | 850 |
39 | иттрий | Y | 2,90 | 850 |
33 | мышьяк | As | 1,70 | 590 |
5 | бор | B | 0,20 | 480 |
42 | молибден | Mo | 1,70 | 460 |
44 | рутений | Ru | 1,30 | 330 |
78 | платина | Pt | 1,90 | 250 |
46 | палладий | Pd | 1,00 | 240 |
58 | церий | Ce | 1,13 | 210 |
60 | неодим | Nd | 0,84 | 150 |
4 | бериллий | Be | 0,05 | 140 |
41 | ниобий | Nb | 0,44 | 120 |
76 | осмий | Os | 0,90 | 120 |
77 | иридий | Ir | 0,90 | 120 |
37 | рубидий | Rb | 0,40 | 120 |
35 | бром | Br | 0,30 | 97 |
57 | лантан | La | 0,44 | 82 |
66 | диспрозий | Dy | 0,46 | 74 |
64 | гадолиний | Gd | 0,37 | 61 |
52 | теллур | Te | 0,30 | 61 |
45 | родий | Rh | 0,24 | 61 |
50 | олово | Sn | 0,25 | 55 |
62 | самариу m | Sm | 0,27 | 47 |
68 | эрбий | Er | 0,30 | 47 |
70 | иттербий | Yb | 0,30 | 45 |
59 | празеодим | Pr | 0,17 | 31 |
82 | свинец | Pb | 0,23 | 29 |
72 | гафний | Hf | 0,19 | 28 |
74 | вольфрам | W | 0,17 | 24 |
79 | золото | Au | 0,16 | 21 |
48 | кадмий | Cd | 0,08 | 18 |
63 | европий | Eu | 0,10 | 17 |
67 | гольмий | Ho | 0,10 | 16 |
47 | серебро | Ag | 0,05 | 12 |
65 | тербий | Tb | 0,07 | 11 |
51 | сурьма | Sb | 0,05 | 11 |
75 | рений | Re | 0,08 | 10 |
53 | йод | I | 0,05 | 10 |
69 | тулий | Tm | 0,05 | 7 |
55 | цезий | Cs | 0,04 | 7 |
71 | лютеций | Lu | 0,05 | 7 |
90 | торий | Th | 0,06 | 6 |
73 | тантал | Ta | 0,03 | 4 |
80 | ртуть | Hg | 0,02 | 3 |
92 | уран | U | 0,02 | 2 |
49 | индий | In | 0,01 | 2 |
81 | таллий | Tl | 0,01 | 2 |
83 | висмут | Bi | 0,01 | 1 |
. Массовая доля девяти самых распространенных элементов в земной коре приблизительно равна: 46% кислорода, 28% кремния, алюминия 8,3%, железо 5,6%, кальций 4,2%, натрий 2,5%, магний 2,4%, калий 2,0% и титан 0,61%. Остальные элементы составляют менее 0,15%. Полный список см. В разделе содержание элементов в земной коре.
На графике справа показано относительное содержание атомов химических элементов в верхней континентальной коре Земли - части, которая относительно доступна для измерений и оценок.
Многие из элементов, показанных на графике, классифицируются по (частично перекрывающимся) категориям:
Обратите внимание, что есть два разрыва, где будут находиться нестабильные (радиоактивные) элементы технеций (атомный номер 43) и прометий (атомный номер 61). Эти элементы окружены стабильными элементами, но оба имеют относительно короткий период полураспада (~ 4 миллиона лет и ~ 18 лет соответственно). Таким образом, они чрезвычайно редки, поскольку любые их изначальные первоначальные фракции в материалах до Солнечной системы давно распались. Эти два элемента теперь производятся только естественным путем в результате спонтанного деления очень тяжелых радиоактивных элементов (например, уран, торий или следовые количества плутония, присутствующие в урановых рудах), или в результате взаимодействия некоторых других элементов с космическими лучами. И технеций, и прометий были идентифицированы спектроскопически в атмосферах звезд, где они производятся в ходе продолжающихся процессов нуклеосинтеза.
На графике содержания также есть разрывы, где могли бы находиться шесть благородных газов, поскольку они химически не связаны в земной коре и образуются только цепочками распада радиоактивных элементов. в коре, и поэтому встречаются там крайне редко.
Восемь природных очень редких высокорадиоактивных элементов (полоний, астат, франций, радий, актиний, протактиний, нептуний и плутоний ) не включены, поскольку любой из этих элементов, присутствовавших при образовании Земли распались эоны назад, и сегодня их количество незначительно и производится только в результате радиоактивного распада урана и тория.
Кислород и кремний, в частности, наиболее распространенные элементы в коре. На Земле и вообще на каменистых планетах кремний и кислород встречаются гораздо чаще, чем их космическое количество. Причина в том, что они соединяются друг с другом, образуя силикатные минералы. Другие космически распространенные элементы, такие как водород, углерод и азот, образуют летучие соединения, такие как аммиак и метан которые легко выкипают в космос от тепла планетарного образования и / или света Солнца.
«Редкоземельные элементы» - историческое неправильное название. Устойчивость этого термина отражает скорее незнакомость, чем истинную редкость. Более распространенные редкоземельные элементы сконцентрированы в коре аналогичным образом по сравнению с обычными промышленными металлами, такими как хром, никель, медь, цинк, молибден, олово, вольфрам или свинец. Два наименее распространенных редкоземельных элемента (тулий и лютеций ) встречаются почти в 200 раз чаще, чем золото. Однако, в отличие от обычных цветных и драгоценных металлов, редкоземельные элементы имеют очень небольшую тенденцию к концентрации в пригодных для эксплуатации рудных месторождениях. Следовательно, большая часть мировых запасов редкоземельных элементов поступает из небольшого числа источников. Кроме того, все редкоземельные металлы довольно химически похожи друг на друга, и поэтому их довольно трудно разделить на количества чистых элементов.
Различия в содержании отдельных редкоземельных элементов в верхней континентальной коре Земли представляют собой суперпозицию двух эффектов, одного ядерного и одного геохимического. Во-первых, редкоземельные элементы с четными атомными номерами (58 Ce, 60 Nd,...) имеют большее космическое и земное содержание, чем соседние редкоземельные элементы с нечетными атомными номерами ( 57 La, 59 Pr,...). Во-вторых, более легкие редкоземельные элементы более несовместимы (потому что они имеют больший ионный радиус) и, следовательно, более сильно сконцентрированы в континентальной коре, чем более тяжелые редкоземельные элементы. В большинстве месторождений редкоземельных руд первые четыре редкоземельных элемента - лантан, церий, празеодим и неодим - составляют 80%. до 99% от общего количества редкоземельного металла, который может быть найден в руде.
Массовая доля восьми самых распространенных элементов в мантии Земли (см. Основную статью выше) составляет приблизительно: кислород 45%, магний 23%, кремний 22%, железо 5,8%, кальций 2,3%, алюминий 2,2%, натрий 0,3%, калий 0,3%.
Из-за массовой сегрегации ядро Земли, как полагают, в основном состоит железа (88,8%), с меньшими количествами никеля (5,8%), серы (4,5%) и менее 1% микроэлементов.
Наиболее распространенные элементы в В океане по массе в процентах находятся кислород (85,84%), водород (10,82%), хлор (1,94%), натрий (1,08%), магний (0,13%), сера (0,09%), кальций (0,04%), калий (0,04%), бром (0,007%), углерод (0,003%) и бор (0,0004%).
Порядок элементов по объемной доле (что приблизительно соответствует молекулярной мольной доле) в атмосфере : азот (78,1% ), кислород (20,9%), аргон (0,96%), за которым следуют (в неопределенном порядке) углерод и водород, потому что водяной пар и диоксид углерода, которые представляют собой большую часть этих двух элементов в воздухе - переменные компоненты. Сера, фосфор и все другие элементы присутствуют в значительно меньших количествах.
Согласно графику кривой содержания (вверху справа), аргон, значительный, если не главный компонент атмосферы, вообще не появляется в коре. Это связано с тем, что атмосфера имеет гораздо меньшую массу, чем кора, поэтому аргон, остающийся в коре, мало влияет на ее массовую долю, в то же время накопление аргона в атмосфере стало достаточно большим, чтобы быть значительным.
Полный список содержания элементов в городских почвах см. В разделе Изобилие элементов (страница данных) # Городские почвы.
Элемент | Пропорция (по массе) |
---|---|
Кислород | 65 |
Углерод | 18 |
Водород | 10 |
Азот | 3 |
Кальций | 1,5 |
Фосфор | 1,2 |
Калий | 0,2 |
Сера | 0,2 |
Хлор | 0,2 |
Натрий | 0,1 |
Магний | 0,05 |
Железо | < 0.05 |
Кобальт | < 0.05 |
Медь | < 0.05 |
Цинк | < 0.05 |
Йод | < 0.05 |
Селен | < 0.01 |
По массе человеческие клетки состоят на 65–90% из воды (H 2 O), а значительная часть остатка состоит из углеродсодержащих органических молекул. Таким образом, кислород составляет большую часть массы человеческого тела, за ним следует углерод. Почти 99% массы человеческого тела состоит из шести элементов: водород (H), углерод (C), азот (N), кислород (O), кальций (Ca) и фосфор (P) (для краткости CHNOPS ). Следующие 0,75% состоят из следующих пяти элементов: калий (K), сера (S), хлор (Cl), натрий. (Na) и магний (Mg). Известно, что только 17 элементов необходимы для жизни человека, а еще один элемент (фтор) считается полезным для прочности зубной эмали. Еще несколько микроэлементов могут играть определенную роль в здоровье млекопитающих. Бор и кремний особенно необходимы для растений, но играют неопределенную роль в организме животных. Элементы алюминий и кремний, хотя и очень распространены в земной коре, заметно редки в организме человека.
Ниже представлена таблица Менделеева, в которой выделены питательные элементы.
H | He | |||||||||||||||||
Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||
Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||
K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |
Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |
Cs | Ba | La | * | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
Fr | Ra | Ac | ** | Rf | Db | Sg | Bh | HS | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
* | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | ||||
** | Th | Па | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | Нет | Lr |
Обозначения: | ||
---|---|---|
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
|
.