Поняття про сучасну ізотопну геохімію: Об ’ єкт та предмет, коротка історія розвитку,

1. ОСНОВИ ІЗОТОПНОЇ ГЕОХІМІЇС.Є.Шнюков Лекція 1 Поняття про сучасну ізотопну геохімію: Об’єкт та предмет, коротка історія розвитку, сучасний стан та зв’язок з іншими дисциплінами

2. Вступ (коротка характеристика дисципліни): • Навчальна дисципліна "Основи ізотопної геохімії" є базовою нормативною дисципліною, яка викладається у 8-му семестрі на 4-му курсі при підготовці фахівців‑бакалаврів за спеціальністю 6.040103 – геологія (спеціалізації - геохімія і мінералогія та геологія). • Її викладання передбачає 32 години лекцій (16!), самостійну роботу студентів, 2 модульні контрольні роботи. • Вивчення дисципліни завершується іспитом (2 кредити ECTS).

3. Згадаємо! Об’єкт та передметгеохімії: Об’єктом вивчення навчальної дисципліни "Основи геохімії" є хімічні елементи (нейтральні атоми, іони, групи атомів), які знаходяться в умовах земної кори та інших геосфер. Предметом вивчення навчальної дисципліни"Основи геохімії" саме й є ті умови земної кори та інших геосфер (мантії, ядра, гідросфери, атмосфери, біосфери, тошо), що зумовлюють процеси міграції, концентрування і розсіяння хімічних елементів та призводять до формування хімічного складу природних об’єктів (гірських порід, руд, мінералів тощо), який ми можемо безпосередньо спостерігати у теперешній час.

4. Об’єктом вивчення навчальної дисципліни "Основи ізотопної геохімії" є ізотопи хімічних елементів, які знаходяться в умовах земної кори та інших геосфер. • Предметом вивчення навчальної дисципліни"Основи ізотопної геохімії" саме й є ті умови земної кори та інших геосфер (мантії, ядра, гідросфери, атмосфери, біосфери, тошо), що зумовлюють процеси міграції, концентрування і розсіяння хімічних елементів та призводять до формування хімічного складу природних об’єктів (гірських порід, руд, мінералів тощо), який ми можемо безпосередньо спостерігати в теперешній час.

5. Головна відміна геохімія від хімії : • Хімія вивчає перетворення речовини в найрізноманітних! діапазонах фізико-хімічних (РТX) умов, які можуть бути спеціально та досить довільно задані дослідниками. • Геохімія досліджує поведінку хімічних елементів та їх ізотопів лише у специфічних та більш вузьких! діапазонах фізико-хімічних (РТX) умов, які властиві земним геосферам. • Наочною ілюстрацією цієї відміни є той факт, що в лабораторних умовах хіміками одержано десятки тисяч різноманітних тількі неорганічних сполук, а на Землі зараз відомо лише більше 3500 мінеральних видів, які утворені з тих самих хімічних елементів, але не в довільних, а конкретних РТX-умовах земних геосфер. • Ізотопна геохімія – частина геохімії, яка оперує концентраціями ізотопів. Значення цих концентрацій – досить низьке. Тому ізотопна геохімя – найбільш прецизійна, кількісна та “фізична” частина геохімії.

6. Зв’язок ізотопної геохімії з іншими науками Ізотопна геохімія Геологія: Мінералогія Петрологія Прикладні дисципліни

7. Головні завдання та розділи ізотопної геохімії: • Визначення віку мінералів та гірських порід, датування процесів їх утворення. Відповідний розділ має назву “Ізотопна геохронологія”. • Дослідження геологічних процесів за допомогою використання ізотопів в якості природних “мічених атомів”. Основою цього підходу є контрасна геохімічна поведінка радіоактивних ізотопів (курс “Основи геохімії”!!!) – одних породах вони концентруються, а з інших виносяться (U, Th, Rb – несумісні елементи!!!). Наприклад, корові породи збагачені Rb, та, як наслідок, вміщують значно більше радіогенного 87Sr (85Rb – стабільний, 72%, а 87Rb– радіоактивний, 28% дає 87Sr) ніж мантійні деплетовані породи. Тому співвідношення 87Sr/ 86Sr (86Sr – стабільний та нерадіогенний, один з 4 – 88 найбільш поширений , 87, 86, 84 ) – індикатор рівня мобілізації речовини. Відповідний розділ має назву “Геохімія радіогенних ізотопів”. • Дослідження поведінки ізотопів легких елементів (кисень, вуглець, сірка ...) в залежності від PTX-умов геохімічних процесів, та вирішення зворотної задачі – реставрування цих умов за спостереженими ізотопно-геохімічними даними.Відповідний розділ має назву “Геохімія стабільних ізотопів” • Ще раз: ізотопна геохімія – частина геохімії, яка оперує концентраціями ізотопів. Значення цих концентрацій – досить низьке. Тому ізотопна геохімя – найбільш прецизійна, кількісна та “фізична” частина геохімії.

8. Місце дисципліни в структурно-логічній схемі спеціальності: Нормативна навчальна дисципліна "Основи ізотопної геохімії" є важливою та невід’ємною складовою частиною циклу професійної підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня "бакалавр" за спеціальністю „Геологія” (спеціалізація „геохімія і мінералогія”). Дисципліна "Основи ізотопної геохімії" розрахована на студентів-бакалаврів, які успішно засвоїли курси “речовинного” профілю “Основи космохімії”, “Основи геохімії”, „Фізика”, „Хімія”, „Мінералогія”, „Петрографія” тощо. Поряд з іншими дисциплінами геохімічного напрямку вона складає чітку послідовність у навчальному плані спеціалізації “геохімія і мінералогія”. Тобто, для бакалаврів спеціалізації “геохімія і мінералогія” має місце наступний ряд дисциплін геохімічного напрямку: “Основи аналітичної геохімії” – “Методи дослідження мінеральної речовини” – “Основи фізична геохімія” – “Основи космохімії” – “Основи геохімії” – “Основи ізотопної геохімії” – “Геохімічні методи пошуків” – “Методи обробки геохімічних даних”. Цей ряд продовжується у магістерській програмі за спеціальністю “геохімія і мінералогія”: “Прикладна фізична геохімія”, „Методи фізико-хімічного моделювання геологічних процесів”, „Методи ізотопної геохронології” тощо.

9. Загальний план курсу “Основи геохімії”: ОБНОВЛЯЕМЫЙ ВАРИАНТ 1. Поняття про сучасну геохімію та її методи 2. Хімічні елементи в геохімії • Будова атомів та іонів • Важливі для геохімії властивості хімічних елементів • Геохімічна класифікація елементів 3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер 4. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах • Головні поняття та засоби, які використовуються в дослідженні розподілу елементів • Структурний контроль розподілу елементів. • Термодинамічний контроль розподілу елементів. • Кінетичний контроль розподілу елементів. • Поєднаний вплив структурного, термодинамічного та кінетичного факторів на поведінку елементів в геохімічних процесах. • Розсіяний та концентрований стан елементів в природі, інтенсивність та типи їх міграції. 5. Ізотопи та радіоактивність 6. Геохімія ендогенних систем • Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи • Метаморфічні системи • Гідротермально-метасоматичні системи • Геохімічний взаємозв’язок ендогенних рудоутворюючих систем 7. Геохімія седиментогенезу 8. Геохімічна еволюція Землі 9. Значення геохімії для вирішення актуальних теоретичних та прикладних задач

10. В НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНОМУ ПЛАНІ КУРСУ “ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ”: 4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії (1) Будова та розміри атомів та іонів • Елементарні частки та розподіл електронів в атомах. • Атомні радіуси хімічних елементів. • Іонні радіуси хімічних елементів. • Потенціали іонізації та спорідненість до електрону атомів та іонів. • Електронегативність хімічних елементів. • Кислотно-основні властивості хімічних елементів. • Типи хімічного зв’язку та їх значення для геохімії. • Кристалохімія та їзоморфізм. Головні типи ізоморфізму та його геохімічне значення.

11. В НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНОМУ ПЛАНІ КУРСУ “ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ”: 4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії (2) Ізотопи та радіоактивність • Будова ядер атомів і геохімічні особливості елементів. Поняття про нукліди. Розповсюдженість (поширеність) атомів у природі як функція будови їх ядер. • Ядерні процеси у природі. Значення радіоактивних (K, U, Th) елементів як джерела енергії у еволюції Землі. Поняття про "вимерлі" елементи (на прикладі “проблеми 61-го (Pm) елементу”). • Радіоактивні ізотопи та їх значення для геохімії. Поняття про методи визначення віку геологічних об’єктів (U-Pb, K-Ar, Rb-Sr, Sm-Nd та інші). Використання радіогенних ізотопів Sr, Nd, Pb для встановлення генезису та історії формування геологічних об'єктів. • Поширення та геохімія стабільних ізотопів. Кінетичний та термодинамічний ізотопні ефекти. Ізотопна геотермометрія. Ізотопи H, O, C і S та їх роль як індикаторів генезису та умов формування геологічних об’єктів.

12. В НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНОМУ ПЛАНІ КУРСУ “ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ”: 8. Геохімічна еволюція Землі. • Геохімічна диференціація первинної земної речовини. Формування мантії та ядра. • Примітивна мантія Землі як джерело речовини для формування земної кори. • Виникнення системи мантія — кора та загальна спрямованість її еволюції. • Часткове плавлення на мантійному та коровому рівні глибин і подальша магматична еволюція розплавів як головний механізм формування континентальної кори. Роль мантійних геохімічних резервуарів в цьому процесі. • Формування океанічної кори. Роль процесу корового рециклювання в геохімічній еволюції верхньої мантії та земної кори в цілому. • Сучасні моделі росту континентальної кори та взаємовідносин мантія — кора. • Дегазація мантії та її геохімічне значення. • Головні тенденції еволюції та геохімічний взаємозв’язок процесів седиментогенезу, магматизму, метаморфізму. Металогенічні епохи, їх практичне значення.

13. Повернемось до ряду дисциплін геохімічного профілю: “Основи аналітичної геохімії” – “Методи дослідження мінеральної речовини” – “Основи фізична геохімія” – “Основи космохімії” – “Основи геохімії” – “Основи ізотопної геохімії” – “Геохімічні методи пошуків” – “Методи обробки геохімічних даних”. – лабораторні заняття Цей ряд продовжується у магістерській програмі за спеціальністю “геохімія і мінералогія”: “Прикладна фізична геохімія”, „Методи фізико-хімічного моделювання геологічних процесів”, „Методи ізотопної геохронології” тощо.

14. ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ Основна: • Барабанов В.Ф. Геохимия. — Л.: Недра, 1985. — 422 с. • Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. — М.: Высшая школа, 1976. - 365 с. • Мейсон Б. Основы геохимии — М.: Недра, 1971. — 311 с. • Хендерсон П. Неорганическая геохимия. — М.: Мир, 1985. — 339 с. • Тугаринов А.И. Общая геохимия. — М.: Атомиздат, 1973. — 288 с. Додаткова: • Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. — М.: Недра, 1990. — 480 с. • Geochemistry and Mineralogy of Rare Earth Elements / Ed.: B.R.Lipin & G.A.McKay. – Reviews in Mineralogy, vol. 21. — Mineralogical Society of America, 1989. – 348 p. • White W.M. Geochemistry -2001

15. Зв’язок ізотопної геохімії з іншими науками Ізотопна геохімія Геологія: Мінералогія Петрологія Прикладні дисципліни

16. Геохімія – молода наука. Історія її створення та розвитку є типовою для багатьох перспективних наукових галузей (ядерна фізика, космохімія, космологія, космохімія тощо). Головні періоди (етапи) історії геохіміїназвемо таким чином: Етап 1. “Загальнонауковий”: античність–друга половина XIX сторіччян.е.Етап 2. “Етап формування та інтенсивного розвитку”:друга половина XIX сторіччя – 1950-ті ...1960-ті рокиЕтап 3. “Сучасний” :1960-ті роки – 2020-ті ??? рокиЗауважимощо: 3-й етап, звичайно, не є останнім. Вже зараз (починаючи з кінця 1980-х – початку 1990-х років) спостерігаються наявні ознаки переходу до наступного етапу розвитку геохімії та всього комплексу споріднених дисциплін. Назвемо цей етап “перспективним”. Хронологічні межи цього та інших етапів, а також реперні ознаки переходу від одного етапу до іншого раціонально обгрунтувати надаючи їх коротку характеристику.

17. Френк Уиглсуорт Кларк(Frank Wigglesworth Clarke ) Видатний американский геохимик, член Академии искусств и наук (1911). 1867 р. — закінчив Гарвардський університет 1874-1883 рр. — профессор университета в Цинциннати. 1883-1924 рр. — головний хімік Геологічної Служби США (USGS). Головні праці присвятив дослідженню хімічного складу різноманітних геологічних утворень. Вперше коректно оцінив середній склад земної кори (визначив кларки елементів). 19.03.1847, Бостон — 23.05.1931, Вашингтон

18. Владимир Иванович Вернадский Владимир Иванович Вернадский родился в Санкт-Петербурге. В 1885 окончил физико-математический факультет Петербурского университета. В 1898 — 1911 профессор Московского университета. В круг его интересов входили геология и кристаллография, минералогия и геохимия, радиогеология и биология, биогеохимия и философия. Деятельность Вернадского оказала огромное влияние на развитие наук о Земле, на становление и рост АН СССР, на мировоззрение многих людей. В 1915 — 1930 председатель Комиссии по изучению естественных производственных сил России, был одним из создателей плана ГОЭЛРО. Комиссия внесла огромный вклад в геологическое изучение Советского Союза и создание его независимой минерально-сырьевой базы. С 1912 академик РАН (позже АН СССР ). Один из основателей и первый президент ( 27 октября 1918) Украинской АН. С 1922 по 1939 директор организованного им Радиевого института. В период 1922 — 1926 работал за границей в Праге и Париже. Опубликовано более 700 научных трудов. Основал новую науку — биогеохимию, и сделал огромный вклад в геохимию. С 1927 до самой смерти занимал должность директора Биогеохимической лаборатории при АН СССР. Был учителем целой плеяды советских геохимиков. Наибольшую известность принесло учение о ноосфере. Создал закон о повсеместной распространенности х. э. Первым широко применял спектральный анализ. 28.02.1863, СПб — 6.01.1945, Москва

19. Виктор Мориц Гольдшмидт (Victor Moritz Goldschmidt) Виктор Мориц Гольдшмидт родился в Цюрихе. Его родители, Генрих Д. Гольдшмидт (Heinrich J. Goldschmidt) и Амели Коэн (Amelie Koehne) назвали своего сына в честь учителя отца, Виктора Майера. Семья Гольдшмидта переехала в Норвегию в 1901 году, когда Генрих Гольдшмидт получил должность профессора химии в Кристиании (старое название Осло). Первая научная работа Гольдшмидта называлась «Контактовый метаморфизм в окрестностях Кристиании». В ней он впервые применил термодинамическое правило фазГиббса к геологическим объектам. Серия его работ под названием «Геохимия элементов» (Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente) считается началом геохимии. Работы Гольдшмидта о атомных и ионных радиусах оказали большое влияние на кристаллохимию. Гольдшмидт предложил геохимическую классификации элементов, законизоморфизма названый его именем. Выдвинул одну из первых теорий относительно состава и строения глубин Земли, причем предсказания Гольдшмидта подтвердились в наибольшей степени. Одним из первых рассчитал состав верхней континентальной коры. Во время немецкой оккупации Гольдшмидт был арестован, но незадолго до запланированной отправки в концентрационный лагерь был похищен Норвежским Сопротивлением, и переправлен в Швецию. Затем он перебрался в Англию, где жили его родственники. После войны он вернулся в Осло, и умер там в возрасте 59 лет. Его главный труд — «Геохимия» — был отредактирован и издан посмертно в Англии в 1954 году. 27.01.1888, Цюрих — 20.03.1947, Осло

20. Тісна співпраця наук та їх провідних представників: Важливим є те, що результати досліджень перелічених дисциплін були комплементарними. Так, наприклад, геохімія разом з астрономією забезпечувала одержання оцінок космічної розповсюдженості елементів, а фізика розробляла моделі нуклеосинтезу, які дозволяли теоретично розрахувати розповсюдженість елементів виходячи з кожної моделі. Зрозуміло, що відповідність емпіричних та модельних оцінок є критерієм адекватності моделі. Використання такого класичного підходу дозволило помітно вдосконалити теорію нуклеосинтезу та космологічні концепції, перш за все концепцію «Великого Вибуху». Така співпраця між геохімією та фізикою була тісною та плідною. Її ілюструє досить рідкісне фото цього слайду. В.М. Гольдшмідт та А. Ейнштейн на одному з о-вів Осло-фіорду (Норвегія), де вони знайомились з палеозойскими осадочними породами (1920 р.)

21. Ферсман Олександр Євгенович (1883, СПб – 1945, Сочі) • Навчався: Новоросійський таМосковський ун-ти, учень В.І.Вернадського , який керував його першими роботами. • Аспірантура — Германія (рук. — В.М.Гольдшмидт), присвячена дослідженнюкристалівалмазу (монография «Алмаз»). • У 1912 р. О.Є. Ферсман стає професором Московського університету, де читає перший у світі курс геохімії. • 1917-1945 рр. — директор Мінералогічного музею РАН, який зараз носить його ім’я. • 1920 р. — інициатор створення першого у СРСР Ільменського державного наукового заповідника. • 1920-30-ті рр. — відкриття унікальних родовищ світового класу — Мончегорського мідно-нікелевого та Хибинського апатитового. • 1930-ті рр. — фундаментальна праця «Геохімія» (4 т.), праці в області геохімії космосу та прикладної (пошукової) геохімї, детальне, класичне дослідження пегматитів (монографія «Мінералогія гранітних пегматитів»). • Академік СПб Імператорської Академії Наук з 1912 р., академік АН СРСР (РАН) з 1919 р. Віце-президент АН СРСР (1926-1929 рр.).

22. Александр Павлович Виноградов • Ученик и ближайший сотрудник В. И. Вернадского. • Окончил Военно-медицинскую академию и химический факультет Ленинградского университета в 1924г. • Академик АН СССР (1953), вице-президент АН СССР (1967-1975). • Ддиректор института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР с 1947г. Основатель его прецизионной аналитической базы. • В 1953г. основал и возглавил кафедру геохимии геологического факультета МГУ, зав. кафедрой геохимии МГУ (1953-1975 гг.) • Геохимии: проводил идею создания физико-химической теории геологических процессов. Оопределил средний состав главных пород Земли. Предложил гипотезу универсального механизма образования оболочек планет на основе зонного плавления силикатной фазы и разработал представление о химической эволюции Земли. Развил в СССР геохимию изотопов и геохимию океана и методы изотопной геохронологии.Биогеохимия: ввёл понятие «биогеохимические провинции», развил биогеохимический метод поисков полезных ископаемых. • Космохимия: хим. состав метеоритов, планет (Луна, Венера). 9.08.1895, СПб — 16.11.1975, Москва

23. Бурксер Євген Самійлович • Піонер ізотопно-геохімічних та геохронологічних досліджень в Україні • Проф. Київського Університету • Більшу частину життя працював у Інституті Геологічних наук НАНУ

24. Етап 3.“Сучасний” :1960-ті роки – 2020-ті ??? роки Ми можемо сказати, що саме починаючи з цього етапу почалась епоха “кількісної геохімії”. Передумовою цього етапу є подальший, ще більш інтенсивний науково-технічний розвиток: • Розвиток аналітичної техніки (ICP, MS, XRF, EMP, PMP, SHRIMP, LA-ICP-MS) • Широке застосування фізико-хімічних підходів до інтерпретації геохімічних даних • Широке використання експериментальних досліджень – моделюються системи, які наближені до прирородних (магматичних, гідротермальних) • Застосування методів математичного моделювання геохімічних процесів • Широке використання численних новітніх космохімічних даних Все це зумовило перехід до створення комплексних геохімічних (петролого-геохімічних) моделей ендогенних та екзогенних систем, в тому числі до моделей, які описують міграцію елементів при формуванні геосфер Землі (моделі планетарного масштабу). Таким чином, геохімія починає “віддавати”свої потужні моливості в петрологію, мінералогію, геодинаміку ... . Поступово вона стає узагальнюючою науковою дисципліною, яка саме й спроможна сформувати коректне, повне та системне уявлення про планетарну еволюцію планети Земля та її геосфер. Звичайно, що такий розвиток можливостей призвів й до розквіту прикладних розділів геохімії, насамперед пошукової та екологічної геохімії. В сучасних умовах геохімія займає почесне місце серед найбільш розвинутих геологічних дисциплін. Перелік видатних постатей серед вчених, які внесли суттєвий внесок у розвиток геохімії на 3-му етапі її розвитку дуже великий. В цьому переліку звичайно такі вчені як С. Р. Тейлор, Мак-Леннан, К. Г. Ведеполь, В.Гриффин, Д.Шоу, В. Уайт, багато інших закордонних дослідників, а також:

25. Коржинский Дмитрий Сергеевич (1899-1985) – один из крупнейших петрологов и геохимиков всего 20-го века. Создатель: (1) теории термодинамически открытых систем с вполне подвижными компонентами, которые являются моделью природных минералообразующих процессов, (2) теории метасоматических процессов и формирования метасоматической зональности (диффузионный и инфильтрационный типы), (3) теории кислотно-основной эволюции постмагматических гидротермальных растворов, (4) гипотезы о потоках трансмагматических флюидов …… Жариков Вилен Андреевич. Академик РАН, доктор геол.-мин. наук, директор Института экспериментальной минералогии АН СССР, профессор, зав. кафедрой геохимии геологического факультета МГУ, Опубликовал более 300 научных работ в оласти теоретической и экспериментальной геохимии, минералогии, петрологии Рябчиков Игорь Дмитриевич - геохимик, доктор геол.-мин. наук, профессор кафедры геохимии геологического факультета МГУ, академик РАH. Создатель теории поведения элементов-примесей в магматических системах, предложил термодинамические методы оценки коэффициента распределения, провел комплекс экспериментальных исследований систем, моделирующих процессы формирования рудоносных флюидов при кристаллизации магм. Первым выполнил серию экспериментальных исследований, которые позволили установить механизм генерации алмазоносных лампроитовых и кимберлитовых магм.

26. Izotope geochemistry (W. M. White, 2007) • Part I. Introduction • Lecture 1: Introduction and the Physics of the NucleusLecture 2: Radioactive DecayLecture 3: Nucleosynthesis • Part II. Geohronology • Lecture 4: Basics of Radiogenic Isotope GeochemistryLecture 5: Geochronology I: The K-Ca-Ar systemLecture 6: Geochronology II: The K-Ar and Rb-Sr systemsLecture 7: Geochronology III: The Sm-Nd systemLecture 8: Geochronology IV: The U-Th-Pb systemLecture 9: Geochronology V: The U-Th-Pb system: zircon datingLecture 10: Geochronology VI: U-Th decay series datingLecture 11: Geochronology VII: Other decay systemsLecture 12: Cosmogenic Isotopes in GeochronologyLecture 13: Cosmogenic Isotopes in Geochronology II Lecture 14: Fission Track DatingLecture 15: Analytical Methods • Part III: Radiogenic Isotope Geochemistry • Lecture 16: Isotope CosmochemistryLecture 17: Isotope Cosmochemistry IILecture 18: The Mantle ILecture 19: The Mantle II: The Pb PictureLecture 20: Mantle ModelsLecture 21: Mantle Plumes; Subcontinental LithosphereLecture 22: The Continental CrustLecture 23: The Continental Crust IILecture 24: Isotope Geochemistry of Subduction Zone MagmasLecture 25: U-Series Isotopes and Melt GenerationLecture 26: Noble Gases and Evolution of the Atmosphere • Part IV: Stable Isotope Geochemistry • Lecture 27: Stable Isotope Theory: Equilibrium FractionationsLecture 28: Kinetic Fractionations and the Hydrologic SystemLecture 29: Biological Fractionations of Stable IsotopesLecture 30: Stable Isotope Applications I: High TemperaturesLecture 31: Stable Isotope Applications II: Assimilation-Fractional CrystallizationLecture 32: Stable Isotope Applications III: Assimilation and SubductionLecture 33: Hydrothermal Activity, Metamorphism and Ore Deposits ILecture 34: Hydrothermal Activity, Metamorphism and Ore Deposits IILecture 35: Stable Isotopes in Paleontology and ArchaeologyLecture 36: Stable Isotopes in Paleoclimatology ILecture 37: Stable Isotopes in Paleoclimatology IILecture 38: The Carbon Cycle, Isotopes, and Climate ILecture 39: The Carbon Cycle, Isotopes, and Climate IILecture 40: Mass Independent Fractionation; Li and B isotopes • Comments to W. M. White wmw4@cornell.edu

27. ОСНОВИ ІЗОТОПНОЇ ГЕОХІМІЇС.Є.Шнюков Лекція 2 Нукліди: Систематика, поширеність та геохімічне значення

28. Атом: визначення А́том (від грец.άτομοσ — неподільний, лат. відповідник - individuum) — найменша частинка хімічного елементу, яка зберігає всі його хімічні властивості. Атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів, яке оточене набагато більшою хмарою негативно зарядженихелектронів. Коли число протонів відповідає числу електронів, атом електрично нейтральний; в іншому випадку це є іон, з певним зарядом. Атоми класифікують відповідно до числа протонів та нейтронів: число протонів визначає хімічний елемент, а число нейтронів визначає ізотоп елементу. Схематичне зображення атома гелію з електронною хмарою навколо і складним за будовою ядром В кінці 19-го та на початку 20-го столітть, фізики відкрили першу з субатомних частинок — електрон, а дещо пізніше атомне ядро, таким чином показавши, що атом не є неподільний. Розвиток квантової механіки дозволив пояснити не лише будову атомів, а також іхні властивості: оптичні спектри, здатність вступати в реакції й утворювати молекули, тощо.

29. Атом: історія відкриття та дослідження Поняття атом, як і саме слово, має давньогрецьке походження, хоча істинність гіпотези про існування атомів знайшла своє підтвердження лише в 20 сторіччі. Першим почав проповідувати атомістичне вчення в 5 ст. до н.е філософ Левкіпп. Потім естафету підхопив його учень Демокріт (фото зверху праворуч). Основною ідеєю, яка стояла за даним поняттям протягом всіх сторіч, було уявлення про світ як про набір величезної кількості неподільних елементів, які є дуже простими за своєю структурою і існують від початку часів. Але це була лише ідея, яка дуже довго не знаходила свого експериментального підтвердження. В 17-му та 18-му сторіччі хіміки встановили, що хімічні речовини вступають в реакції в певних пропорціях, які виражаються за допомогою малих чисел. Крім того вони виділили певні найпростіші речовини, які назвали хімічними елементами. Ці відкриття призвели до відродження та розвитку ідеї про неподільні частинки. Але тільки в 19 столітті Джон Дальтон (1808 р.) одержав свідчення існування атомів, але припускав, що вони неподільні. Ернест Резерфорд (1911) показав експериментально, що атом складається з ядра, оточеного електронами.

30. Атом: будова Планетарна модель атома, запропонована Резерфордом Сучасні уявлення про будову атома базуються на квантовій механіці. На популярному рівні будову атома можна викласти у рамках хвильової моделі, яка опирається на модель Бора, але враховує також додаткові відомості з квантової механіки. Модель атома Нільса Бора

31. Атом: електронна конфігурація Ядро оточене електронною хмарою, яка займає більшу частину його об'єму. В електронній хмарі можна виділити оболонки, для кожної з яких існує кілька можливих орбіталей. Заповнені орбіталі складають електронну конфігурацію, індивідуальну для кожного хімічного елемента. Схематичне зображення електронної конфігурації Ba Електронна конфігурація — формула розташування електронів на різних електронних оболонкахатомахімічного елемента. З погляду квантової механіки, електронна конфігурація - це повний перелік одноелектронниххвильових функцій, із яких можна скласти повну хвильову функцію атома. Електронна конфігурація атома значною мірою визначає його хімічні властивості. Для позначення електронної конфігурації хімічного елементу використовують назви орбіталей: s,p,d,f,g. Перед назвою орбіталі стоїть основне квантове число, а верхній індекс після позначення орбіталі вказує на те, скільки електронів є на орбіталях даного сорту. Наприклад, для неону електронна конфігурація записується 1s22s22p6. Цей запис означає, що неон має два електрони на внутрішній s-орбіталі, 2 електрони на зовнішній s-орбіталі й 6 електронів на зовнішній p-орбіталі.

32. Атом: електронні конфігурації Кожна орбіталь може містити до двох електронів, що характеризуються трьома квантовими числами: основним (n = 1,2…), орбітальним(l =0,1, 2 … n-1), магнітним (m = 0, +1, +2 … +l ). Кожен електрон на орбіталі має унікальне значення четвертого квантового числа: спіну (ms = +1/2) Орбіталі визначаються специфічним розподілом ймовірностізнаходження електрону. «Границею» орбіталі вважається відстань, на якій імовірність того що електрон може перебувати поза нею є меншою 90 %. Кожна орбиталь не може містити більше ніж 2 електрони з однаковим набіром трьох квантових чисел. Їх спіни повинні бути протилежними (принцип Паулі) Для позначення електронної конфігурації хімічного елементу використовують назви орбіталей: s, p, d, f, g (n = 1,2…) Атоми можуть віддавати та приєднувати електрони, стаючи позитивно або негативно зарядженими іонами. Лише електрони зовнішньої оболонки можуть брати участь в утворенні міжатомних зв'язків. Хімічні властивості елемента визначаються тим, з якою легкістю ядро може віддавати або здобувати електрони. Це залежить як від числа електронів так і від ступеня заповненості зовнішньої оболонки.

33. Атом: електронні конфігурації Електро́нна оболо́нка — група вироджених або близьких за енергієюелектронних орбіталейатома. За принципомПаули, на кожній із оболонок може розташовуватися лише певне число електронів = 2n2, а емність кожної підоболонки — 2(2l + 1) . Из вышеприведённой схемы легко определяются ёмкости последовательных периодов: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32... Розрізняють внутрішні й зовнішні (валентні) електронні оболонки. Внутрішні оболонки відповідають за спектрирентгенівського випромінювання та спектри рентгенівського поглинання атомів. Зовнішні оболонки відповідають за хімічні властивості атома. Облолонки бувають заповненими, незаповненими та частково заповненими.

34. Атом: періодичний закон Д.І.Менделеєва Периодический закон Менделеева, фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д. И. Менделеевымв 1869 при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных весов. Графическим (табличным) выражением П. з. явилась разработанная Менделеевым периодическая система элементов.  Физический смысл П. з. был вскрыт лишь после выяснения того, что заряд ядра атома возрастает при переходе от одного химического элемента к соседнему (в периодической системе) на единицу элементарного заряда. Численно заряд ядра равен порядковому номеру (Z) соответствующего элемента в периодической системе, то есть числу протонов в ядре, в свою очередь равному числу электронов соответствующего нейтрального атома. Химические свойства атомов определяются структурой их внешних электронных оболочек, периодически изменяющейся с увеличением заряда ядра, и, следовательно, в основе П. з. лежит представление об изменении заряда ядра атомов, а не атомной массы элементов. Наглядная иллюстрация П. з.— кривые периодические изменения некоторых физических величин (ионизационных потенциалов, атомных радиусов, атомных объёмов) в зависимости от Z .Какого-либо общего математического выражения П. з. не существует.

35. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами. Элементы а- и б-подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между собой определённое химическое сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, соответствуют номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом (особый случай — 1-й период); каждый период содержит строго определённое число элементов. П. с. э. состоит из 8 групп и 7 периодов (7-й не завершен).

36. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Первый период содержит всего 2 элемента: H и He. Место H в системе неоднозначно: поскольку он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами, его помещают либо в Ia-, либо (предпочтительнее) в VIIa-подгруппу. Гелий — первый представитель VIIa-подгруппы (однако долгое время Не и все инертные газы объединяли в самостоятельную нулевую группу).

37. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Второй период (Li — Ne) содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом Li, единственная степень окисления которого равна I. Затем идёт Be — металл, степень окисления II. Металлический характер следующего элемента В выражен слабо (степень окисления III). Идущий за ним C — типичный неметалл, может быть как положительно, так и отрицательно четырёхвалентным. Последующие N, O, F и Ne — неметаллы, причём только у N высшая степень окисления V соответствует номеру группы; кислород лишь в редких случаях проявляет положительную валентность, а для F известна степень окисления VI. Завершает период инертный газ Ne.

38. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Третий период (Na — Ar) также содержит 8 элементов, изменение их свойств во многом аналогично второму периоду. Однако Mg, в отличие от Be, более металличен, равно как и Al по сравнению с В, хотя Al присуща амфотерность. Si, Р, S, Cl, Ar — типичные неметаллы, но все они (кроме Ar) проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы. Т.о., в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается ослабление металлического и усиление неметаллического характера элементов. Они наиболее распространены в природе, а С, N и O являются наряду с H основными элементами органической материи (органогенами). Все элементы 1-3 периодов входят в подгруппы а.

39. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Четвёртый период (K — Kr) содержит 18 элементов (первый большой период, по Менделееву). После щелочного металла K и щёлочноземельного Ca (s-элементы) следует ряд из десяти так называемых переходных элементов (Sc — Zn), или d-элементов (символы даны синим цветом), которые входят в подгруппы б соответствующих групп П. с. э. Большинство переходных элементов (все они металлы) проявляет высшие степени окисления, равные номеру группы (исключение — Fe, Co, Ni). Элементы, начиная с Ga и кончая Kr (р-элементы), принадлежат к подгруппам а, и характер изменения их свойств такой же, как и в соответствующих интервалах Z у элементов второго и третьего периодов.

40. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Пятый период (Rb — Xe) построен аналогично четвёртому; в нём также имеется вставка из 10 переходных элементов (Y — Cd), d-элементов. Специфические особенности периода: 1) в триаде Ru — Rh — Pd только рутений проявляет степень окисления VIII; 2) все элементы подгрупп а проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы; 3) у I отмечаются слабые металлические свойства. Таким образом, характер изменения свойств по мере увеличения Z у элементов четвёртого и пятого периодов более сложен (металлические свойства сохраняются в большом интервале Z).

41. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Шестой период (Cs — Rn) включает 32 элемента. В нём помимо 10 d-элементов (La, Hf — Hg) содержится совокупность из 14 f-элементов, лантаноидов, от Ce до Lu (символы чёрного цвета). Элементы от La до Lu химически весьма сходны. Особенности периода: 1) в триаде Os — Ir — Pt только осмий проявляет степень окисления VIII; 2) At имеет более выраженный (по сравнению с 1) металлический характер; 3) Rn, по-видимому (его химия мало изучена), должен быть наиболее реакционноспособным из инертных газов.

42. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Современная охватывает 106 химических элементов. Все трансурановые елементы (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Седьмой период (Fr (Z = 87), также должен содержать 32 элемента, из которых пока известно 20 (до элемента с Z = 106). Fr и Ra — элементы соответственно Ia- и IIa -подгрупп (s-элементы), Ac — аналог элементов IIIб -подгруппы (d-элемент). Следующие 14 элементов, f-элементы (с Z от 90 до 103), составляют семейство актиноидов. В химическом отношении ряды лантаноидов (3+) и актиноидов (N+) обнаруживают заметные различия. Изучение элементов с Z = 104 и Z = 105 показало, что эти элементы являются аналогами гафния и тантала соответственно, то есть d-элементами, и должны размещаться в IVб- и Vб-подгруппах. Членами б-подгрупп должны быть и последующие элементы до Z = 112, а далее (Z = 113—118) появятся р-элементы (IIIa — VIlla-подгруппы).

43. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва В основе теории П. с. э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоев, уровней) и подоболочек (подуровней) в атомах по мере роста Z. Нильс Бор (1913-21) выявил три особенности формирования электронных конфигураций атомов: 1) заполнение электронных оболочек (кроме оболочек, отвечающих значениям главного квантового числаn = 1 и 2) происходит не монотонно до полной их ёмкости, а прерывается появлением совокупностей электронов, относящихся к оболочкам с большими значениями n; 2) сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются; 3) границы периодов (за исключением первого и второго) не совпадают с границами последовательных электронных оболочек.   Реальная схема формирования электронных конфигураций атомов по мере роста Z может быть в общем виде записана следующим образом:   Вертикальными чертами разделены периоды П. с. э. (их номера обозначены цифрами наверху); жирным шрифтом выделены подоболочки, которыми завершается построение оболочек с данным n. Под обозначениями подоболочек проставлены значения главного (n) и орбитального (l) квантовых чисел, характеризующие последовательно заполняющиеся подоболочки.

44. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва   В соответствии с принципомПаулиёмкость каждой электронной оболочки равна 2n2, а ёмкость каждой подоболочки — 2(2l + 1). Из вышеприведённой схемы легко определяются ёмкости последовательных периодов: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32... Каждый период начинается элементом, в атоме которого появляется электрон с новым значением n. Таким образом, периоды можно характеризовать как совокупности элементов, начинающиеся элементом со значением n, равным номеру периода, и l = 0 (ns1-элементы), и завершающиеся элементом с тем же n и l = 1 (np6-элементы); исключение — первый период, содержащий только ls-элементы. При этом к а-подгруппам принадлежат элементы, для атомов которых n равно номеру периода, а l = 0 или 1, то есть происходит построение электронной оболочки с данным n. К б-подгруппам принадлежат элементы, в атомах которых происходит достройка оболочек, остававшихся незавершёнными (в данном случае n меньше номера периода, а l = 2 или 3). Первый — третий периоды П. с. э. содержат только элементы а-подгрупп.   Приведённая реальная схема формирования электронных конфигураций атомов не является безупречной, поскольку в ряде случаев чёткие границы между последовательно заполняющимися подоболочками нарушаются (например, после заполнения в атомах Cs и Ba 6s-подоболочки в атоме лантана появляется не 4f-, а 5d-электрон, имеется 5d-электрон в атоме Gd и т.д.). Кроме того, первоначально реальная схема не могла быть выведена из каких-либо фундаментальных физических представлений; такой вывод стал возможным благодаря применению квантовой механики к проблеме строения атома.

45. Атом: періодична система елементів Д.І.Менделеєва Закон Мозли Экспериментально установлен Г.Мозли(1913).Согласно этому закону корень квадратный из частоты (ν) спектральной линии характеристического рентгеновского излучения элемента есть линейная функция его порядкового номера (Z): где R — постоянная Ридберга, Sn —постоянная экранирования, n —главное квантовое число. На диаграмме Мозли (см. рис.) зависимость   от Z представляет собой ряд прямых (К-, L-, М- и т. д. серии, соответствующие значениям n = 1, 2, 3,...). Неопровержимое доказательство правильности размещения элементов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Содействовал выяснению физического смысла Z. В соответствии с М. з., рентгеновские характеристические спектры не обнаруживают периодических закономерностей, присущих оптическим спектрам (определяются внешними электронными оболочками). Это указывает на то, что проявляющиеся в характеристических рентгеновских спектрах внутренние электронные оболочки атомов всех элементов имеют аналогичное строение.

46. Періодична система та геохімічна класифікація хімічних элементів Повернемось до періодичної системи, яка, як ми побачили, базується на будові атомів. Звичайно, що періодична система була покладена в основу першої геохімічної класифікації хімічних елементів (В.М.Гольдшмідт, 1933), яка враховувала властивості атомів та їх поведінку в природних процесах.

47. Періодична система та геохімічна класифікація хімічних элементів 1 – атмофільні елементи (от греч. atmos - воздух) - инертные газы и азот, образующий самую прочную из двухатомных молекул N2. (Урусов)

48. Періодична система та геохімічна класифікація хімічних элементів 2 - літофільні элементи (від греч. lithos - камень), які сконцентровані в оксидных и силикатных фазах. Їх атоми мають в іонізованому стані будову атомів благородных газов (Урусов)

49. Періодична система та геохімічна класифікація хімічних элементів (Урусов) 3 – халькофільні елементи (от греч. chalkos - медь), які утворюють сполуки з сіркою та її аналогами (селеном, теллуром, мышьяком …). Звичайно належать до груп Б періодичної системи (заповнена 18- эл. оболонка перед валентною оболонкою )

50. Періодична система та геохімічна класифікація хімічних элементів (Урусов) 4 – сидерофільні елементи (от греч. sideros - железо), які утворюють металеву фазу метеоритів та, мабуть, ядро Землі. (переходні метали з незавершеною d-оболонкою)