地球行星/3g. 地球上的常见无机化学分子
元素周期表上有118种元素，因此可以形成几乎无限多的分子，这些分子包含这些118种元素的各种组合。然而，在地球上，一些元素非常稀有，而另一些元素则更为常见。物质以及地球表面、海洋、大气和内部岩心中的各种类型元素的分布是一个引人入胜的话题。如果你要磨碎整个地球，其中多少百分比是金？多少百分比是氧？如何计算地球上各种元素的丰度？对地球上元素分布的洞察是在第二次世界大战期间出现的，当时科学家们开发了新的工具来确定物质的化学成分。维克多·戈德施密特是领导这项研究的伟大科学家之一。
1942年11月26日，维克多·戈德施密特站在挪威奥斯陆码头聚集的人群中，他们焦急地等待着德国的多瑙河号将他们运往奥斯维辛集中营。戈德施密特在瑞士的家中度过了幸福的童年，当他的家人移民到挪威后，戈德施密特很快就被发现他对地质学的早期科学兴趣。1914年，他成功地为他的关于挪威克里斯蒂安尼亚地区接触变质作用的论文答辩后，开始在当地大学任教。1929年，他被邀请到德国，成为哥廷根矿物学系主任，并可以使用科学仪器来检测岩石和陨石中微量的元素。他还与实验室的众多科学家团队合作，他们的目标是确定各种岩石和矿物的元素组成。然而，在1935年夏天，德国政府在校园里竖立了一个巨大的标志，上面写着：“犹太人不得入内”。戈德施密特抗议，因为他自己是犹太人，他认为这个标志是歧视性的和种族主义的。这个标志被拆除了，但后来又在夏天重新出现，尽管他再次抗议这个标志，但这个标志仍然按照新的纳粹党的命令保留下来。维克多·戈德施密特辞去了在德国的工作，回到挪威继续他的研究，他认为，任何一个仅仅因为种族或宗教而伤害和迫害人们的地方，都不是进行科学研究的欢迎之地。戈德施密特随身携带了大量关于地球上发现的天然材料，特别是岩石和矿物的化学成分的数据。这些数据使戈德施密特能够根据在地球上发现的频率对元素进行分类。
戈德施密特将第一组称为亲气元素，因为这些元素是气体，并且倾向于出现在地球的大气中。这些元素包括氢和氦（太阳系中最丰富的元素），以及氮，还有更重的惰性气体：氖、氩、氪和氙。戈德施密特认为，氢和氦作为非常轻的气体，大部分从地球早期的大气中剥离，地球上自然产生的氦来自地球深处放射性物质的衰变，并被困在地下，通常与天然气一起。氮以N2的成对分子形式成为大气中最常见的元素。令人惊讶的是，戈德施密特没有将氧气归类到这一组，这是因为在他研究的岩石和矿物中，氧气的含量更高，他将这一组称为亲石元素。
亲石元素或亲岩石元素是大陆表面地壳岩石中常见的元素。它们包括氧和硅（硅酸盐矿物中最常见的元素，如石英），但也包括一大类碱金属元素，包括锂、钠、钾、铍、镁、钙、锶，以及反应性卤素：氟、氯、溴和碘，以及一些位于元素周期表中间的元素，如铝、硼、磷，当然还有氧和硅。亲石元素还包括镧系元素中的稀土元素，它们在许多研究中的矿物和岩石中很少出现。
下一组是亲铜元素或亲铜元素。这些元素存在于许多金属矿石中，包括硫、硒、铜、锌、锡、铋、银、汞、铅、镉和砷。这些元素通常与矿脉相关联，并与硫分子一起富集。
戈德施密特描述的下一组是亲铁元素或亲铁元素，它们包括铁，以及钴、镍、锰、钼、钌、铑、钯、钨、铼、锇、铱、铂和金。戈德施密特发现，与地球表面发现的岩石相比，这些元素在陨石中更常见（尤其是在铁陨石中）。此外，这些元素在地球表面经常存在于铁矿石中，并与富含铁的岩石相关联。
最后一组元素是合成元素，或者是在自然界中很少发现的元素，包括周期表最下面一行的放射性元素，这些元素只能在实验室中产生。
1942年11月那个寒冷的下午，奥斯陆当地警察局可能正在讨论对戈德施密特元素分类的更深入理解。由于戈德施密特的犹太信仰，他在七年后被纳粹德国入侵挪威时被捕，尽管他逃离了德国，但法西斯主义的幽灵还是追上了他。犹太人要被关进监狱，大多数人会在纳粹占领的欧洲各地的集中营里面临死亡。科学同事向当局辩称，戈德施密特对宝贵元素分布的了解是急需的。请求奏效了，因为维克多·戈德施密特被释放了，在登上多瑙河号的532名乘客中，只有9人生还看到了战争结束。在帮助下，戈德施密特逃离了挪威，而不是登上那艘船，他生命的最后几年在英国度过，写了一本教科书，这是第一本关于地球地球化学的教科书。
作为地球化学成分研究的先驱，戈德施密特激励了下一代科学家不仅研究地球大气、海洋和岩石的化学成分，还将其与来自太空坠落到地球的地球外陨石进行比较。
陨石 可以被认为是地球的原材料。将足够的陨石混合在一起，你就会得到一个行星。然而，并非所有陨石都相同，一些主要由金属铁组成，称为铁陨石，其他陨石含有等量的铁和硅酸盐晶体，称为石铁陨石，而第三大类，石陨石，主要由硅酸盐晶体（SiO2）组成。
如果地球是由数千颗陨石的吸积形成的，那么陨石中化学元素和分子的百分比将为科学家提供一个起点，了解地球上元素的平均丰度。在地球的历史中，地球的组成可能已经发生了变化，因为元素在不同地方和地球内部的不同深度变得富集或贫乏。以下是陨石中分子的丰度：（来自 Jarosewich, 1990: Meteoritics）
| 石陨石 | （重量百分比） |
|---|---|
| SiO2 | 38.2% |
| MgO | 21.6% |
| FeO | 18.0% |
| CaO | 6.0% |
| FeS | 4.8% |
| Fe(m) | 4.4% |
| Al2O3 | 3.7% |
| H2O+ | 1.8% |
| Na2O | 0.9% |
| Ni | 0.7% |
| Cr2O3 | 0.5% |
| C | 0.5% |
| H2O- | 0.4% |
| MnO | 0.3% |
| NiS | 0.3% |
| NiO | 0.3% |
| SO3 | 0.3% |
| P2O5 | 0.2% |
| TiO | 0.2% |
| K2O | 0.1% |
| CO2 | 0.1% |
| Co | 痕量 |
| CoO | 痕量 |
| CoS | 痕量 |
| CrN | 痕量 |
| 铁陨石 | （重量百分比） |
|---|---|
| Fe(m) | 92.6% |
| Ni | 6.6% |
| Co | 0.5% |
| P | 0.3% |
| CrN | 痕量 |
如果地球是一个均匀的行星（由这些元素的均匀混合物组成），那么地球物质的平均组成将与石陨石和铁陨石的混合物具有相似的组成。我们看到了一些这方面的迹象，例如 SiO2 (二氧化硅) 是石陨石中最常见的分子，占 38.2%，硅与两个氧分子结合。硅和氧是岩石中最常见的分子，形成了一组称为硅酸盐的矿物，其中包括石英，一种在地球表面常见的矿物。接下来的三种分子 MgO、FeO 和 CaO 也常见于地球上的岩石中，然而，铁 (Fe) 在铁陨石中非常常见，并且也占了石陨石的很大一部分，其中含有各种包含 FeO、FeS 和 Fe 的分子，以天然金属的形式存在。然而，在地球表面发现的典型岩石中，铁含量很少。所有这些铁都去哪里了？
戈德施密特认为 铁 (Fe) 是一种亲铁元素，就像 镍 (Ni)、锰 (Mn) 和 钴 (Co) 一样，在熔融阶段沉入了地球的核心。因此，随着时间的推移，地球表面这些元素变得越来越少。进一步支持铁质内核的证据是地球磁场，通过指南针观测到。这个磁场支持地球中心存在铁质内核的理论。因此，亲铁元素可以被认为是在地球中心比在地球近地表更常见的元素。这就是为什么其他稀有的亲铁元素，如 金、铂 和 钯 被认为是地球表面的贵金属。
戈德施密特还研究了大气中常见的元素，即我们呼吸的空气中，在与地球温度和压力的条件下易于形成气体。这些亲气元素包括氢和氦，它们在陨石中仅以 H2O 的形式被观测到，以及极少的孤立氦气。尽管太阳主要由氢和氦组成。如果你曾经丢失过氦气球，你可能知道为什么地球上氢和氦含量如此之少。氢和氦都是非常轻的元素，可以逃逸到高层大气中，甚至逃逸到太空。太阳系的大部分氢和氦都存在于太阳中，太阳具有更大的引力，以及外太阳系中更大的气态巨行星，比如木星，其大气层由氢和氦组成。与太阳类似，较大的行星可以通过其更高的引力将这些轻元素束缚住。地球已经失去了大部分氢和氦，几乎所有的地球氢都与其他元素结合在一起，防止其逃逸。
氮只在陨石中以微量存在，以卡尔斯伯格石矿物形式存在，这可能是地球大气中氮的来源。另一种较重的气体是二氧化碳 (CO2)，它占石陨石的约 0.1%。然而，在当前的大气中，它占不到 0.04%，并且作为整个地球的总百分比，比这还要低得多。将地球与金星和火星进行比较，二氧化碳是金星和火星大气中最丰富的分子，占这两个星球大气的 95% 到 97%，而在地球上，它是大气中的罕见成分。作为一个比氢和氦重的分子，二氧化碳可以粘附在金星和地球大小范围内的行星上。地球在其早期很可能具有与火星和金星相似的二氧化碳含量，然而，随着时间的推移，它被从大气中抽走了。这是由于地球异常高的水 (H2O) 含量。请注意，水存在于石陨石中，并且这种水在地球较热的熔融历史中以气体的形式释放出来，并且随着地球冷却，它导致了降雨，形成了今天地球表面广阔的海洋。科学界一直存在着关于为什么地球拥有这些广阔的海洋和巨大的冰盖，而火星和金星缺乏海洋或大量冰的巨大争论。一些科学家认为，地球在其早期历史中，受到彗星撞击富含了水 (H2O)，但另一些科学家认为，仅仅来自形成早期地球的岩石和陨石中发现的熔融气体中就能找到足够的水 (H2O)。
那么，这种异常大量的水是如何导致地球大气中二氧化碳减少的呢？观察二氧化碳和水之间的简单化学反应，你就可以理解原因。
请注意，g 代表气体，l 代表液体，aq 代表水溶液（溶解在水中），并且还要注意该反应是双向的，用双箭头表示。每个碳原子会额外获得一个氧原子，从而得到两个额外的电子，形成离子 CO3-2。该离子与两个氢离子 (H+) 形成离子键，形成 H2CO3。由于这些氢离子可以从碳和氧中分离出来，因此溶液中的该分子会形成一种弱酸，称为碳酸。碳酸是碳酸饮料中气泡的来源。如果水从天空降落，形成雨水，碳酸的含量会导致与由钙组成的固体岩石发生进一步反应。请记住，钙会形成 Ca+2 的离子，这使得这些离子成为与 CO2−3 离子反应形成碳酸钙 (CaCO3) 固体。
请注意，离子 前面有一个 2， 这样化学反应两边的元素数量就平衡了。
随着时间的推移，大气中的二氧化碳含量会减少。但是，如果地球火山活动活跃，地核仍然处于熔融状态，那么当由碳酸钙组成的固体岩石被加热熔化时，二氧化碳会重新释放到大气中 (向 1 摩尔 CaCO3 供应 178 千焦的能量将会将其转化为 CaO 和 CO2)。
二氧化碳、水和钙之间的这种动态化学反应导致地球的某些部分富含或缺乏碳，但最终，大气中的二氧化碳含量会随着时间的推移达到平衡。在地球早期历史中，水从地球大气中吸收了大量的二氧化碳。
回到陨石的整体成分，氧存在于许多分子中，包括一些最丰富的分子 (SiO2, MgO, FeO, CaO)。Goldschmidt 将氧不纳入亲气元素群的原因之一是它在岩石中更常见，特别是在二氧化硅 (SiO2) 中与硅共价键合。纯二氧化硅是石英矿物，在地球表面是一种非常常见的矿物。因此，氧与镁、铝和钙一起是亲石元素。稍后我们将探讨地球大气如何变得富含氧气，而氧气在固体晶体和地球表面的岩石中更为常见。
陨石中分离的碳 (C) 相当常见 (0.5%)，但与氢键合的碳 CH4 (甲烷) 或碳和氢链 (例如 C2H6) 在陨石中极其罕见。一些孤立的陨石含有略高的碳含量 (1.82%)，包括著名的默奇森和班登石陨石，这些陨石中碳分子与氢键合。这些被称为碳氢化合物的分子对生命至关重要，并将在地球上生命起源中发挥重要作用。但是，为什么这些碳氢化合物在陨石中如此罕见呢？
这很可能与化学中一个重要的概念有关，即焓。焓是在已知温度和压力下化学反应中获得或损失的能量。这种焓变表示为 (ΔH)，并以每摩尔的能量焦耳表示。摩尔是一个测量单位，它将每克分子的原子质量与原子数量相关联。焓的正变化表示吸热反应 (需要热量)，而焓的负变化释放热量，导致放热反应 (产生热量)。在碳氢化合物 (如 CH4) 和氧气存在的情况下，会发生放热反应，每摩尔释放 890.32 千焦的热量。
这种化学反应释放的能量使碳氢化合物成为极好的燃料来源，因为它们很容易与氧气反应产生热量。事实上，甲烷或天然气 (CH4) 用于发电、供暖住宅和用燃气灶烹饪食物。这也是为什么碳氢化合物很少与氧气密切相关的原因。然而，碳氢化合物非常重要，不仅因为它们能够在这些放热反应中与氧气燃烧，而且因为它们也是生物体中发现的主要元素。对生物体重要的其他元素是磷 (P)、氮 (N)、氧 (O)、硫 (S)、钠 (Na)、镁 (Mg)、钙 (Ca) 和铁 (Fe)。所有这些亲石元素都存在于地球表面附近生命形式内的复杂分子中，这些分子统称为有机分子，它们与生物体内的复杂分子中的碳和氢键合。研究这些复杂碳氢化合物链的化学领域称为有机化学。
Goldschmidt 对元素的分类是一种简化地球上众多元素的有用方法，也是思考它们可能存在于何处的一种方法，无论是在大气中、海洋中、岩石表面上还是地球内部深处。
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