Geochemiczne klasyfikacje pierwiastków
Klasyfikacja Goldschmidta
T 14. Przykładowy podział geochemiczny pierwiastków. Wiele pierwiastków klasyfikowanych jest jednocześnie w kilku klasach geochemicznych
Geochemiczna klasyfikacja pierwiastków (Fig. 2.10, Tab.2.5) została zaproponowana przez
V.Goldschmidta w latach 20-tych ubiegłego wieku. Wynikała ona m.in. z obserwacji, że całe grupy pierwiastków zachowują się podobnie w różnych środowiskach geochemicznych. Wyróżnione pierwotnie cztery grupy: pierwiastki litofilne, chalkofilne, syderofilne, i atmofilne, zostały przez późniejszych badaczy jeszcze uzupełnione o grupę pierwiastków biofilnych. Podział jest wyłącznie jakościowy i nie wyjaśnia przyczyn nierównomiernego rozmieszczenia pierwiastków na Ziemi. Geochemia do lat 50-tych XX wieku była w dużym stopniu nauką opisową zajmującą się przede wszystkim inwentarzem świata stawiając sobie za główne pytania „Co to jest?” oraz „Ile tego jest?”. Była to ogólna tendencja w wielu naukach przyrodniczych, związana z eksploracją, potrzebami surowcowymi, poszukiwaniami i odkryciami nowych, uprzednio niedostępnych lub nieznanych miejsc na powierzchni i pod powierzchnią Ziemi. Dopiero w drugiej połowie XX wieku geochemia (podobnie jak mineralogia i petrologia) zaczęła być bardziej nauką o przyczynach procesów, genetyczną, odpowiadającą na pytania „Dlaczego tak jest?”, „W jaki sposób to powstało?” czy „Jak szybko?”.
Oryginalna klasyfikacja geochemiczna pierwiastków wzięła swój początek z metalurgicznych analogii, których Goldschmidt doszukiwał się pomiędzy procesami hutniczymi a procesami zachodzącymi we wnętrzu Ziemi. Była też konsekwencją badań nad dystrybucją pierwiastków między fazy krzemianowe i tlenkowe oraz siarczkowe i metaliczne w meteorytach. Do pewnego stopnia klasyfikacja ta jest przydatna dla opisu i zrozumienia procesów zróżnicowanej chemicznej Ziemi jako protoplanety, prowadzącej do warstwowej budowy z przewagą atmofilnych pierwiastków w atmosferze, litofilnych pierwiastków w skorupie, chalkofilnych we wnętrzu a syderofilnych w jądrze ziemskim. Według klasyfikacji Goldschmidta:
- pierwiastki atmofilne to te, które maja tendencję do gromadzenia się w atmosferze ze względu na to, że występują w formie gazowej i tworzą łatwo lotne związki. Należą do nich H, C, O, N, P, gazy szlachetne (wodór, węgiel, tlen, azot i fosfor) Hg, Rn i I (rtęć, radon i jod)
- pierwiastki litofilne (skałolubne) to te, które mają większe od żelaza powinowactwo względem tlenu a mniejsze względem siarki. Preferują one minerały krzemianowe i tlenkowe. Z tego względu skorupa ziemska jest szczególnie wzbogacona w te pierwiastki. Należą do nich Li, Na, K, Rb, Cs (lit, sód, potas, rubid, cez), Be, Mg, Ca, Sr, Ba (beryl, magnez, wapń,strond, bar), B, Al, Sc, REE (bor, glin, skand, pierwiastki ziem rzadkich (lantanowców)), Si, Ti, Zr, Hf, Th, Pb (krzem, tytan, cyrkon, hafn, tor, ołów), P, V, Nb, Ta (fosfor, wanad niob, tantal), O, Cr, U (tlen, chrom, uran), Mn (mangan) oraz Fe, Ni i Co (żelazo, nikiel, kobalt (triada żelaza). Litowce, berylowce, skandowce, tytanowce, wanadowce, chromowce, manganowce
- pierwiastki chalkofilne (kruszcolubne) to te, które mają większe od żelaza powinowactwo do siarki, a mniejsze do tlenu. Preferują one minerały siarczkowe i siarkosole i koncentrują się w rudach, choć podobnie jak w przypadki syderofilnych, skorupa ziemska zawiera ich mniej, niż na to wstakuje przeciętny skład kuli ziemskiej. Należą do nich S, Zn, Pb, Hg, Bi, As, Ag, Au, Cu, Re i Os, a w niektórych przypadkach też Mo i Fe. (siarka, cynk, ołów, rtęć, bizmut, arsen, złoto, miedź, ren i osme, czasem i molibden oraz żelazo)
- pierwiastki syderofilne (żelazolubne) to te, które mają mniejsze od żelaza powinowactwo względem tlenu czy siarki. Występują głównie w stanie metalicznym i tworzą stopy z żelazem i wiele z nich wchodzi prawdopodobnie w skład jądra Ziemi a skorupa ziemska jest w te pierwiastki zubożona. Zdarza się im występować w stanie rodzimym. Należą do nich Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Re, Os i Mo, a w niektórych przypadkach również Au, Ag, Sn, W, Cu, As i Sb. (żelazo, kobalt, nikiel, ołów, platyna, ren, osme, molibden. (złoto, srebro, cyna, wolfram, kobalt, arsen i antymon)
- Pierwiastki biofilne stanowią podstawowe składniki żywych organizmów na Ziemi i należą do nich H, C, N, O i P. (wodór, węgiel, tlen, azot i fosfor)
Podział ten jest jakościowy i nie wyjaśnia przyczyn takiego czy innego zachowania pierwiastka. Ten sam pierwiastek może w jednych warunkach zachowywać się jak syderofilny, a w innych środowiskach geochemicznych jak chalkofilny (np. fosfor P, mangan Mn czy nikiel Ni). Dlatego wiele pierwiastków jest zaliczanych do więcej, niż jednej kategorii. Zawdzięczają to zdolności do tworzenia różnych wiązań chemicznych. Ogólnie, patrząc na tą klasyfikację należy zapamiętać, że pierwiastki syderofilne koncentrują się w jądrze Ziemi, chalkofilne w rudach, litofilne w płaszczu i skorupie ziemskiej a atmofilne i biofilne w strefie hipergenicznej.
Klasyfikacje geochemiczna pierwiastków wg Niggli (1948), Rankama i Sahama (1950)
Wady klasyfikacji Goldschmidta spowodowały, że podjęte zostały próby zastąpienia jej klasyfikacją prostszą i bardziej konsekwentnie przystosowaną do skorupy ziemskiej, jako praktycznie najważniejszego ze środowisk geochemicznych. Właśnie dlatego w 1948 Niggli, a niewiele później w 1948, Rankama i Sahama, zaproponowali dla skorupy ziemskiej podział geochemiczny pierwiastków na tlenolubne i siarkolubne (oksyfilne i sulfofilne).
Pierwiastki tlenolubne występują w skorupie ziemskiej w połączeniu z tlenem, zatem przede wszystkim lub nawet wyłącznie w postaci tlenków i wodorotlenków, krzemianów, fosforanów, węglanów, siarczanów, itp. Do grupy tej włącza się również chlorowce, gdyż mogą one, a zwłaszcza fluor i chlor, zastępować tlen w związkach z innymi pierwiastkami. W skałach, a więc całej skorupie ziemskiej pierwiastki oksylofilne mają olbrzymią przewagę ilościową.
Pierwiastki siarkolubne łączą się głównie z siarką lub zastępującymi ją innymi pierwiastkami, albo też obecne są w stanie wolnym (rodzimym). Pierwotną mineralną postacią występowania tych pierwiastków są głównie siarczki, czasem selenki, tellurki, arsenki, antymonki, a niektóre z nich, jak złoto i platyna, występują przede wszystkim w stanie wolnym (rodzimym). W skałach, a więc zarazem w całej skorupie ziemskiej, ilościowy udział tych pierwiastków jest podrzędny, natomiast wśród złóż mineralnych często trafiają się poważnie ich nagromadzenia (złoża kruszców).
Podział ten, eliminując grupę pierwiastków syderofilnych, jest w odniesieniu do skorupy ziemskiej bardziej realny i konkretny, niż podział Goldshmita. Niestety i ona nie jest doskonała, gdyż niektóre z pierwsiastków posiadają pod względem geochemicznym charakter dwojaki lub przejściowy. Przykładowo siarka może występować w siarczkach i siarczanach, a żelazo w siarczkach i tlenkach oraz przeróżnych solach tlenowych, co prowadzi do potrzeby zarysowania grupy pierwiastków oksyfilnych i sulfofilnych grupy pierwiastków przejściowych.
Inne klasyfikacje:
Klasyfikacja Washingtona z 1920 r, wyróżniająca pierwiastki perogeniczne i pierwiastki metalogeniczne.
Klasyfikacja Szydeczky-Kardossa stanowiąca rozbudowę i modyfikację klasyfikacji Goldschmidta, przez wyróżnienie pewnych podgrup:
Syderofilne
Chalkofilne
sulfochalkofilne
oksychalkofilne
Litofilne
litofilne w ścisłym znacz.
pegmatofilne
sedymentofilne
Atmofilne
Klasyfikacja Wernadskiego wyróżniająca:
Cykliczne 99% skorupy ziemskiej – 42 pierwiastki
REE lantanowce
Rozproszone Li, Sc, Ga, Rb, Y, In, Cs, Br, J
Lit, Skand, Gal, Rubin, Itr, Ind, Cez, Brom, Jod
P. silnie promieniotwórcze aktynowce
Metale szlachetne Rh, Ru, Pd, Os, Ir, Pt
Robin, Ruten, Ołów, Osm, Iryd, Platyna
Gazy szlachetne He, Ne, Ar, Kr, Xe
Hel, Neon, Argon, Krypton, Ksenon