Что такое геохимия?

Римский писатель-эрудит, автор «Естественной истории» Плиний-старший писал: «Железорудные копи доставляют человеку превосходнейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградом, понуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем дома, разбиваем камни и употребляем железо на все подобные надобности».

Полезные ископаемые, в том числе и железо, ценились не только в начале христианской эры, во времена Плиния. В наш век, немыслимый без научно-технических разработок и развитой промышленности, их значение возросло еще больше. Но для того, чтобы человечество получало необходимые элементы в достаточном количестве, их необходимо постоянно добывать. А для этого нужно знать закономерности распределения химических элементов на планете Земля.

Изучением этих закономерностей занимают различные науки, среди которых ведущее место занимает геохимия — наука о химическом составе Земли, законах распределения элементов и их изотопов и о процессах формирования горных пород, почв и и природных вод. (Если кому интересно, то такими же изысканиями во внеземном пространстве занимается наука космохимия). Поскольку химические элементы содержатся в земной коре в виде руд и минералов, геохимия с одной стороны – родная сестра химии, а с другой – тесно соприкасается с геологией. А одной из главных областей геологии является изучение размещения полезных ископаемых в земной коре. Поэтому геохимию часто рассматривают как некую гибридную научную область, возникшую на границе геологии и химии. Так что отчасти будет справедливым такое «уравнение»: «геохимия = геология + химия» – но только отчасти.

Термин «геохимия» появился в последней четверти XIX века. Предположительно, в научный обиход его ввел один из первых профессиональных геохимиков – американский ученый Франк Кларк (1847-1931), которого называют отцом геохимии.

Одним из основателей современной геохимии по праву считается и выдающийся русский ученый В. И. Вернадский. В 1927 году он так расшифровал содержание этой науки: «Геохимия изучает химические элементы, то есть атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения».

В настоящее время наиболее распространенный взгляд на предмет и содержание геохимии таков: современная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосферную циркуляцию элементов в природе на основе свойств их атомов и ионов.

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, в том числе Земли, где его содержание достигает 90%. Содержание железа в земной коре составляет от 4 до 5%, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86% всего железа, а в мантии 14%.

Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002 – 0,02 мг/л. В речной воде несколько выше – 2 мг/л.

Большую роль железо играет в биосфере, так как атом железа входит в состав гемоглобина – белка красных клеток крови у высших организмов. Гемоглобин участвует в доставке кислорода к тканям и клеткам.

Интересный геохимический факт:

Считается, что железо вместе с никелем, кобальтом и кислородом (по другой теории – водородом) входит в состав земного ядра. Давление в центре Земли колоссальное (около 3 миллионов атмосфер), и свойства этих элементов, в том числе и железа должны стать необычными. Ученые полагают, что при таких сжатиях водород становится металлом, а электронная структура атомов железа и других металлов (прежде всего, внешние электронные оболочки) может сильно изменяться. Однако, хотя фантасты уже много раз описали путешествие к центру Земли, непосредственно состав земного ядра мы изучить не можем: геохимики судят о нем на основе косвенных данных.

Геохимические свойства железа

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe2O3 характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Ca2+ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Рудами называются природные минералы, содержащие железо в таких количествах и соединениях, при которых промышленное извлечение из них металла экономически целесообразно. Содержание железа в промышленных рудах изменяется в широких пределах – от 16 до 70%. В зависимости от химического состава железные руды применяются для выплавки чугуна в естественном виде или, если они содержат менее 50% Fe, после обогащения. Бóльшая часть железных руд используется для выплавки чугунов, сталей, а также ферросплавов. В относительно небольших количествах они используются в качестве природных красок (охры) и утяжелителей буровых глинистых растворов.

Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeO.Fe2O3, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в коре выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe(3PO4)2·8H2O, имеющий форму чёрных удлинённых кристаллов и радиально-лучистых агрегатов.