Содержание химических элементов в земной коре выражается в граммах на тонну или в ppm - сокр. англ. "частице на миллион", что в числовом выражении совпадает. Например, содержание никеля составляет 84 г/т, или 84 ppm. Для этой характеристики имеется специальный термин - кларк. Другими словами, кларк никеля в земной коре - 84 г/т. Термин введён в 1923 году А.Е. Ферсманом в честь американского геохимика Кларка, который занимался, в том числе, и подсчётом содержаний химических элементов в горных породах.
Кларки породообразующих элементов, таких как алюминий, железо, магний, составляют десятки килограмм на тонну. А какие самые редкие? Переворошив интернет, самую последнюю и наиболее исчерпывающую информацию я нашёл в англоязычных источниках. Западная цивилизация вообще любит всё каталогизировать и раскладывать по полочкам, поэтому у меня нет оснований им не доверять в вопросах чистой науки.
Как и ожидалось, самыми редкими стали металлы платиновой группы, хотя и не все. Например, платина в топ-20 самых редких не вошла, со своими 5 миллиграммами на тонну. Не вошёл и палладий, которого вообще "завались" - аж 15 мг/т. А самым распространённым среди самых редких элементов стало золото, занимающее последнюю, двадцатую строчку.
20. Золото Au
Кларк - 4 мг/т (в других источниках - 4,6 миллиграмма на тонну)
Много это или мало? Давайте представим это наглядно. Масса всей перемещаемой человечеством горной породы за год составляет десятки миллиардов тонн. Сюда входит грунт, перемещаемый при строительстве дамб, насыпей, других инженерных сооружений, вскрыша угольных пластов, породные отвалы карьеров и т.д. Возьмём объём за последние несколько лет, для ровного числа пусть будет 100 миллиардов тонн. Конечно, это не представительная проба, так как подсчёт кларков элементов вёлся в слое земной коры со средней мощностью 16 км, а человечество царапает лишь самый верхний слой. Но для общей картинки сгодится. Золота, если извлечь его из этой стомиллиардной горы, окажется 400 т. Приблизительно, это 20 кубометров, или столб, диаметром 1 м и высотой 25,5 м.
19. Осмий Os
Кларк - 1,5 мг/т
Самый плотный химический элемент. Из горы камней, массой 100 млрд. т., представляющей по составу все горные породы земной коры, осмия удастся извлечь 150 т. Столб из осмия получится гораздо ниже золотого. При диаметре 1 м, его высота составит 8,45 м. Далее в ряд МПГ врывается халькогенный полуметалл теллур.
18. Теллур Te
Кларк - 1 мг/т
Плотность теллура относительно небольшая - 6,24 т/кубометр. Из 100 тонн извлечённого теллура можно вытесать столб, диаметром 1 м и высотой 20,4 м.
17. Рутений Ru
Кларк - 1 мг/т.
Снова металл платиновой группы. Снова около ста тонн в наличии. Плотность рутения невелика (12,41 т/куб.м.) Метрового диаметра столб из рутения получится отлить 10,26 м высотой.
16. Родий Rh
Кларк - 1 мг/т
Всё тот же кларк, как у рутения, та же масса, та же плотность и тот же объём. Вот только цена побольше на порядок. Если стоимость стотонного слитка рутения приблизительно 140 млрд. руб, то такой же, но родиевый, будет стоить 1,45 трлн. руб. Хотя, если выбросить такой объём родия на мировой рынок одномоментно, цена обрушится, конечно.
15. Иридий Ir
Кларк - 1 мг/т
Видимо, было очень сложно подсчитывать элементы с таким мизерным содержанием в земной коре, поэтому целых четыре элемента занимают одно положение с содержанием приблизительно 1 мг/т. Плотность иридия почти такая же, как плотность осмия. Но если осмия мы "добыли" 150 т, то иридия только 100, и метрового диаметра столб из иридия получится только 5,63 м высотой.
14. Рений Re
Кларк - 700 мкг/т (700 микрограмм на тонну)
Самый редкий из металлов платиновой группы. Во всей куче породы, нарытой человечеством за последние десятилетия (100 млрд. т.) рения наберётся только 70 т. Это плотный металл, почти такой же, как осмий и иридий. Метровый столб из 70 т рения получится 4,24 м высотой. На этом привычные элементы заканчиваются, и мы переходим к экзотическим.
13. Криптон Kr
Кларк - 100 мкг/т (100 микрограмм на тонну)
Криптон - инертный благородный газ. С элементами земной коры в химические соединения не вступает, минералы не образует. Как я понимаю, он содержится в трещинах, порах, межкристаллических пространствах в составе воздуха, попавшего в литосферу, а также и в составе вулканических газов. Если его и в атмосфере-то совсем немного, то в земной коре и подавно. Отсюда и такой результат. Нам его удастся добыть всего лишь 10 т. При плотности газа 3,75 кг/кубометр, объём добытого криптона составит 2667 кубометров. Если эти 10 т охладить ниже -153 градусов, то надо будет 4640 литров жидкого Kr разлить по сосудам Дьюара. Привычный уже нам столб метрового диаметра придётся вытачивать из криптонового льда. Он получится 4,11 метров высотой (плотность криптонового льда 3,1 т/кубометр, больше чем у большинства горных пород)
12. Ксенон Xe
Кларк - 30 мкг/т (30 микрограмм на тонну)
Тоже инертный газ, крайне редкий. Из 100 млрд. т. горных пород можно было бы добыть всего 3 т ксенона. В сжиженном виде самый плотный, почти 6 кг/л. Понадобится пятисотлитровая ёмкость, чтобы в неё перелить 3 т криогенного ксенона. В виде льда ксенон имеет плотность обычных горных пород - 2,7 т/куб. м. Трёхтонный ледяной столб с диаметром сечения 1 м получится 1,41 м высотой - уже не столб, а цилиндр.
На ксеноне заканчиваются нормальные элементы. Дальше, вниз по шкале распространённости, идут уже "ненормальные". Их содержание в горных породах настолько мизерное, что лишь три последующих элемента из этого списка какое-то время ещё пытались выделять из руд. Остальные оказалось проще производить искусственно, в ядерных реакторах. Как вы уже догадались, самые редкие, "ненормальные" элементы - радиоактивные.
11. Протактиний Pa
Кларк - 1,4 мкг/т (1,4 микрограмма на тонну)
Элемент, не вошедший в топ-10 самых редких. Содержание 1,4 мкг/т - гигантское на самом деле, по сравнению с другими радиоактивными элементами, далее это будет видно наглядно. В богатых урановых рудах кларк Pa повышен в миллионы раз, доходя до граммов на тонну. Образуется при радиоактивном распаде урана, но при этом сам со временем распадается на изотопы тория и актиния. Период полураспада самого стабильного Pa-231 составляет 32650 лет. Такой длительный период полураспада, вкупе с относительно распространённым материнским ураном, и объясняют такой высокий кларк протактиния. Из нашей "кучки" грунта, массой 100 млрд. т. теоретически можно было бы выделить 140 кг протактиния.
Отливать высокие колонны, как с драгметаллами, уже не получится, поэтому будем представлять последующие элементы в виде проволоки. Из 140 кг Pa, (плотность у него 15,37 г/куб.см.) получится эдакий кусок арматуры, длинной 29 метров и диаметром 2 см. Хотя, из 140 кг можно было бы изготовить и шар. Это было бы безопасно. Ведь критическая масса у Pa-231 составляет аж 750 кг, при превышении которой в одном компактном слитке, последует атомный взрыв.
10. Радий Ra
Кларк - 900 нг/т (900 нанограмм на тонну)
Содержание чуть меньше, чем у протактиния, но тоже относительно высокое. Как щелочно-земельный элемент обладает сравнительно небольшой плотностью. Из-за этого, из 90 кг радия, двухсантиметрового диаметра прут получится длиной более 52 метров. Кстати, это гигантское количество металла, ведь его годовое производство составляет всего около 100 грамм.
9. Полоний Po
Кларк - 200 пг/т (200 пикограмм на тонну)
Период полураспада у полония невелик, потому и кларк небольшой. Из всего объёма перемещённых человечеством горных пород за последние годы, полония можно извлечь всего 20 грамм. Если на фото выше образец полония весит 20 г, то его размеры составили бы 2,7 на 2,7 см и толщину 3 мм. Полоний - последний элемент, который ещё пытались получать из руд. Масса самой большой партии полония составила 9 миллиграмм, после чего его перестали добывать из руд, переключившись на наработку в ядерных реакторах.
8. Плутоний Pu
Кларк - 30 пг/т (30 пикограмм на тонну)
В большинстве источников пишется об искусственном происхождении плутония. Да, из руд его не получают, но в составе горных пород земной коры плутоний всё же присутствует, хотя и в небольших количествах. Из наших 100 гигатонн мы смогли бы выделить 3 г этого тяжёлого радиоактивного металла.
Плотность плутония чуть больше плотности золота. На фото выше, если бы этот образец Pu имел размеры 8 мм в диаметре и 3 мм в толщину, то весил бы как раз 3 грамма.
7. Нептуний Np
Кларк - 3 пг/т (3 пикограмма на тонну)
Нептуния получилось бы выделить на порядок меньше, чем плутония - всего лишь 300 миллиграмм. Это приблизительно 15 кубических миллиметров, или кусочек 2 на 2,5 на 3 мм. Правда, за всё время ядерных испытаний, на Землю, вместе с радиоактивной пылью осело 2,5 тонны нептуния. Но за прошедшие десятилетия, из-за короткого периода полураспада, его осталось около 2 миллиграммов от этого количества.
6. Технеций Tc
Кларк - 1,35 пг/т (1,35 пикограмма на тонну)
В земной коре образуется в молибденовых рудах как продукт захвата нейтронов, и при спонтанном делении U-238 в урановых рудах. Технеция естественного происхождения из 100 млрд. т. можно было бы извлечь 135 мг. На фото выше, 135 мг технеция выглядели бы как полоска металла, размерами 18 на 3 мм, и толщиной 0,22 мм. Как видно, добыча Tc из горных пород совершенно бесперспективна, так как его итак некуда девать - ежегодно образуется около 10 т технеция, в составе отработанного ядерного топлива.
5. Актиний Ac
Кларк - 600 фг/т (600 фемтограмм на тонну)
Можно было бы написать, что месторождения актиниевых руд сопутствуют урановым, и в меньшей степени, молибденовым, оловянным и медным рудам, если бы концентрация этого элемента была повыше на несколько порядков. Ведь Ac не рассеянный элемент как радий, миграционная способность актиния невелика. Он образуется и распадается, что называется, на месте - в урановых рудах. Из наших 100 млрд. т можно было бы извлечь 60 мг актиния. Из-за его достаточно высокой плотности, 60-ти миллиграммовый кубик имел бы размер грани 1,813 мм.
4. Радон Rn
Кларк - 400 фг/т (400 фемтограмм на тонну)
Относится к благородным газам и рассеян в земной коре, в многолетнемёрзлых породах, в грунтовых и минеральных водах. Разумеется - в ничтожных количествах. Из 100 млрд. т породы можно было бы извлечь всего 40 мг радона. При атмосферном давлении такой объём радона занял бы 4,11 куб. см., так как газ очень тяжёлый. В жидком виде это была бы капелька, диаметром 2,59 мм. И лучше держаться от неё подальше!
И теперь переходим к призёрам редкости. Даже по сравнению с исчезающе малым радоном, следующий элемент реже него на 4 порядка!
3. Прометий Pm
Кларк - 20 аг/т (20 аттограмм на тонну)
Относится к лантаноидам. Из 100 млрд. т можно извлечь 2 микрограмма прометия. Если на фото выше образец прометия имел бы вес 2 мкг, то снимок явно был бы сделан в хороший микроскоп. Размер кубика из прометия был бы 65 микрон (0,065 мм).
2. Франций Fr
Кларк - 1 аг/т (1 аттограмм на тонну)
Из 100 млрд. т получилось бы выделить 100 нанограмм франция. Это шарик, диаметром 21,3 микрона. В лабораторных условиях было получено в миллиард раз меньше. И, наконец, призёр редкости:
1. Астат At
Кларк - 30 зг/т (30 зептограмм на тонну, или 0,03 аг на тонну)
Из всей перемещаемой человечеством за несколько лет горной породы, а это порядко 100 млрд. т., астата можно было бы извлечь всего 3 нанограмма. Такую крупинку не увидеть невооружённым глазом. Её диаметр был бы всего 7,7 мкм. Что и говорить - во всей массе земной коры, а это миллиарды миллиардов тонн, содержится менее грамма астата.
На современных ускорителях можно было бы синтезировать сотни нанограмм франция и астата, но с такими образцами невозможно было бы работать из-за их высокой радиоактивности. Даже если перевести эти элементы в растворы, при молярных концентрациях с ними невозможно было бы работать. Растворы бы вскипали, происходил бы интенсивный радиолиз воды.
Актиноиды, такие как америций, кюрий, берклий и другие, давно распавшиеся с момента образования Земли, теперь, в результате деятельности человека, снова появились в земной коре. Их следовые количества обнаруживаются на ядерных полигонах, вокруг мест, в которых произошли ядерные инциденты. Но это уже другая тема исследований.