Земная кора - это тонкая оболочка нашей планеты, которая находится прямо под нашими ногами. Её толщина колеблется всего от 10 до 70 километров, что в масштабах планеты совсем немного. Однако именно в земной коре сосредоточены все те минералы, камни и полезные ископаемые, которые мы видим и используем в повседневной жизни. Интересно, что несмотря на огромное разнообразие минералов и горных пород, земная кора состоит всего из восьми основных химических элементов, которые составляют более 97% её массы. Давайте разберёмся, какие это элементы, как они распределены и почему это так важно.
Процентное содержание основных химических элементов в земной коре
Какие элементы составляют земную кору?
Когда мы говорим о составе земной коры, нужно помнить, что это не просто смесь элементов в чистом виде. Все элементы находятся в виде химических соединений - они образуют молекулы и сложные структуры, из которых состоят минералы и горные породы. Но если считать массу всех атомов, содержащихся в земной коре, то нетрудно вычислить, сколько процентов приходится на каждый элемент.wikipedia+1
Самый важный факт для запоминания: ровно восемь элементов таблицы Менделеева составляют почти всю земную кору. Это кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний. Кроме того, есть девятый элемент - водород, который немного отстает по распространённости, но всё равно входит в список главных. На все остальные 80 элементов таблицы Менделеева приходится менее одного процента.school71.spb+1
Кислород - король земной коры
Когда мы произносим слово «кислород», большинство людей вспоминает воздух, которым мы дышим. Действительно, в атмосфере кислорода около 21%. Но это совершенно ничто по сравнению с содержанием кислорода в земной коре! Под нашими ногами кислорода содержится примерно 49,5% от всей массы земной коры.wikipedia+2
Этот факт поражает воображение: половина всей твёрдой поверхности нашей планеты - это кислород! Но, конечно, он находится там не в виде газа, а в связанном состоянии. Кислород крепко держится за другие элементы, образуя соединения. Больше всего кислорода связано с кремнием (образуя кремнезём SiO₂), с алюминием (в составе глинозёма Al₂O₃) и с железом (в составе железных окислов).externat.foxford+1
Кремний - второй по значению элемент
После кислорода вторым по распространённости элементом в земной коре является кремний, содержание которого составляет примерно 26-28% от массы земной коры. Кремний - это серебристо-серый полупроводник, который очень похож на металл, но на самом деле не совсем им является.wikipedia+1
Очень важно понимать, что кислород и кремний часто встречаются вместе. Вместе они образуют оксид кремния - кремнезём (SiO₂), который составляет основу многих минералов. Если сложить содержание кислорода и кремния, получится примерно 75-76% от всей массы земной коры. Это означает, что три четверти всей земной коры сложены этими двумя элементами!school71.spb+1
Кремний очень часто встречается в минералах группы силикатов - это самые распространённые минералы нашей планеты. Кварц, полевые шпаты, слюда - все они содержат кремний и кислород.wikipedia+1
Алюминий, железо и остальные основные элементы
После кислорода и кремния идёт алюминий - третий по распространённости элемент, составляющий примерно 7-8% от массы земной коры. Это лёгкий, прочный и серебристый металл, с которым вы встречаетесь в повседневной жизни - это фольга, из которой делают упаковку для еды, и корпуса самолётов, и множество других предметов.wikipedia+1
Четвёртым идёт железо (примерно 4-5% от массы), которое придаёт некоторым горным породам и минералам тёмный цвет и прочность. Железо - это основной металл, из которого люди получают сталь и чугун.otvet.mail+1
Замыкают группу основных элементов земной коры кальций (3-3,3%), натрий (2,4%), калий (2,4%) и магний (2-2,4%). Водород добавляет ещё один процент.geomineral+2
Соотношение групп элементов в химическом составе земной коры
Из чего состояла бы земная кора, если бы она состояла только из восьми элементов?
Представьте себе: если вы возьмёте сто килограммов земной коры и полностью её разберёте на отдельные атомы, то получите примерно 49,5 килограммов кислорода, 26 килограммов кремния, 7,5 килограммов алюминия, 4,2 килограмма железа, 3,25 килограмма кальция, 2,4 килограмма натрия, 2,35 килограмма калия, столько же магния, и ровно 1 килограмм водорода. Вместе это даёт 97,1 килограмма из 100. Остальные 2,9 килограмма - это все остальные элементы периодической таблицы, вместе взятые.wikipedia+2
Минералы - это соединения элементов земной коры
Теперь встаёт логичный вопрос: если земная кора состоит в основном из девяти элементов, почему существует столько разных минералов? Ответ прост: одни и те же элементы могут соединяться друг с другом в разных комбинациях, образуя совершенно разные вещества.
Возьмём для примера углерод. В составе земной коры его совсем немного - всего 0,35%. Но этот углерод может образовывать совершенно разные минералы. Если углерод соединится с кислородом, получится углекислый кальций - обычный известняк (CaCO₃). Если углерод кристаллизуется в чистом виде при высоком давлении, получится алмаз - один из самых драгоценных камней в мире! А если он образует слои с другими элементами, может получиться графит, который мы используем в карандашах.studfile
Силикаты - главные строительные материалы земной коры
Самым распространённым классом минералов в земной коре являются силикаты - это соединения, которые содержат кремний, кислород и другие элементы. Силикаты составляют примерно 80% от всей массы земной коры! Это фантастическое число, которое показывает, насколько важна комбинация кремния и кислорода.wikipedia+1
В состав силикатов, кроме кремния и кислорода, входят различные металлы: алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний. Самыми известными и распространёнными силикатами являются:
- Полевые шпаты - самые распространённые минералы Земли. Они составляют примерно 42% от всей земной коры. Входят в состав гранита, используются в стекольной и керамической промышленности.studfile+1
- Кварц - это оксид кремния в чистом виде (SiO₂). Это прозрачный или белый минерал, который очень устойчив к выветриванию. Из кварца состоит морской песок на пляжах.wikipedia+1
- Слюды - это минералы, которые расслаиваются на тонкие пластинки. Когда полевые шпаты разрушаются при выветривании, из них образуются глины, которые содержат слюду.studfile+1
- Оливин - это магнезиальный силикат, то есть силикат магния с железом. Это довольно твёрдый и прочный минерал, входит в состав магматических пород.wikipedia+1
Горные породы - это скопления минералов
Надо различать два понятия: минерал и горная порода. Минерал - это кристаллическое вещество, которое имеет чёткий химический состав. Горная порода - это скопление нескольких минералов, которые срослись вместе.rosgranit
Самая известная горная порода - это гранит, который состоит из трёх минералов: полевого шпата, кварца и слюды. Когда вы видите гранитную ступеньку или гранитный памятник, вы видите именно эту комбинацию трёх минералов, слипшихся вместе. Каждая крупинка в граните - это один из этих трёх минералов.wikipedia+1
Существуют и другие знаменитые горные породы. Например, известняк - это в основном кальцит (углекислый кальций, CaCO₃). Мрамор - это известняк, который был преобразован под действием высокого давления и температуры в недрах Земли. Базальт - это тёмная магматическая порода, которая содержит много железа и магния и очень мало кремния.wikipedia
Распределение элементов на глубине
Земная кора неоднородна. На разных глубинах состав меняется. Верхние слои земной коры, которые мы можем изучить напрямую, содержат относительно больше кремния и алюминия. Здесь в основном залегают силикаты и алюмосиликаты. Эти слои называют континентальной корой, и их толщина под материками составляет 30-40 километров.wikipedia+2
Более глубокие слои содержат больше магния и железа, но меньше алюминия. Это более плотные и тяжёлые породы. Под океанами земная кора намного тоньше (всего 5-10 километров) и состоит в основном из базальтов - пород, содержащих много железа и магния.externat.foxford+1
Ещё глубже, ниже земной коры, находится мантия Земли. Её состав также немного отличается: там ещё больше магния и железа, и меньше кремния и алюминия. По сравнению с земной корой, мантия - это более «железистая» и «магниевая» часть планеты.priroda+1
Редкие элементы и их роль
Хотя 97% земной коры состоит из восьми основных элементов, остальные элементы тоже очень важны. Некоторые из них имеют огромное значение для человечества.wikipedia+1
Например, медь (0,01% от массы земной коры) - это важный металл, который используют для электропроводки и производства сплавов. Цинк (0,005%) применяют в гальванике для защиты стали от ржавчины. Свинец (0,0016%) использовали в аккумуляторах и красках. Золото и серебро есть в земной коре в огромно малых количествах (0,0000005% и 0,00001% соответственно), но они чрезвычайно ценны.otvet.mail
Есть также группа так называемых редкоземельных элементов - это лантан, церий, неодим и другие элементы из нижней части периодической таблицы. Они встречаются в земной коре в очень небольших количествах, но при этом они даже более распространены, чем серебро или золото. Эти элементы очень нужны для производства мобильных телефонов, компьютеров, постоянных магнитов и других современных технологий.tdm96+1
Практическое применение элементов земной коры
Каждый элемент земной коры имеет огромное практическое значение для человечества. Кислород - это не только воздух, который мы вдыхаем. Кислород нужен для горения, для окисления веществ в производстве стали и других металлов, для дезинфекции воды.wikipedia+1
Кремний используется в производстве стекла - достаточно нагреть кварцевый песок (SiO₂) при высокой температуре с добавлением других веществ, и получится стекло. Кремний также необходим для производства полупроводников, которые находятся в основе всех современных электронных приборов.wikipedia
Алюминий - это один из самых используемых металлов в мире. Его применяют в авиационной промышленности (благодаря лёгкости), в упаковке продуктов, в строительстве, в автомобилях. Интересно, что алюминий используется и как раскислитель при производстве качественной стали.profnastillist+1
Железо - это самый важный промышленный металл. Из железа и его сплавов (стали и чугуна) делаются мосты, здания, машины, инструменты, оружие. Без железа современная цивилизация не смогла бы существовать.wikipedia
Кальций входит в состав костей и зубов живых организмов. Мел, известняк, мрамор - всё это содержит кальций. Кальций применяется в строительстве и в химической промышленности.wikipedia
Натрий и калий - это элементы, которые нужны для жизни животных и растений. Поваренная соль (хлорид натрия, NaCl) содержит натрий. Калий используется в производстве удобрений.wikipedia
Магний - это лёгкий металл, который используется в сплавах для авиастроения и в производстве зажигалок.wikipedia
Почему элементы распределены именно так?
Этот вопрос связан с историей образования нашей планеты. Земля сформировалась примерно 4,5 миллиарда лет назад из космической пыли и газа. Тяжёлые элементы, такие как железо и никель, со временем опустились в центр планеты, образовав ядро. Более лёгкие элементы остались в верхних слоях. Земная кора образовалась из самых лёгких и химически активных элементов, которые скопились на поверхности.gemp+1
Кислород и кремний оказались самыми распространёнными потому, что они очень легко образуют прочные химические соединения друг с другом и с другими элементами. Они буквально «перехватили» большинство других элементов, соединившись с ними и создав сложные минералы.
Как учёные определили состав земной коры?
Полностью разбурить земную кору невозможно - ни одной скважине не удаётся пройти глубже, чем на несколько километров. Но учёные нашли способ! Они изучают горные породы, которые вышли на поверхность благодаря тектоническим процессам. Они анализируют лаву, вытекающую из вулканов. Они изучают метеориты, которые упали на Землю - считается, что метеориты имеют примерно такой же состав, как и вся планета.gemp+1
Кроме того, учёные используют косвенные методы. Например, они изучают, как сейсмические волны от землетрясений проходят через разные слои Земли. По изменению скорости и направления волн можно понять, какие вещества находятся на разных глубинах.products.pcc
Заключение
Земная кора - это поразительный мир, состоящий в основном из всего девяти химических элементов. Половину этого мира составляет кислород, четверть - кремний, остальное делят между собой алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и водород. Эти элементы соединяются в бесчисленные комбинации, создавая разнообразие минералов и горных пород, которые мы видим вокруг себя.
Понимание химического состава земной коры помогает нам лучше разобраться в окружающем мире. Когда вы видите гранитную ступень, вы теперь знаете, что она состоит из полевого шпата, кварца и слюды. Когда вы пьёте воду, вы знаете, что она содержит кислород и водород из земной коры. Когда вы держите в руках металлический предмет, вы понимаете, что этот металл (скорее всего, железо или алюминий) был извлечён из земной коры благодаря деятельности человека.
Наконец, знание о составе земной коры показывает нам, насколько красив и логичен порядок в природе. Несмотря на огромное разнообразие минералов и горных пород, вся эта красота построена на простой основе - всего из девяти элементов! Это замечательный пример того, как сложность может возникнуть из простоты.