地球/3g. 地球常见无机化学分子
元素周期表上有 118 种元素，因此可以形成几乎无限多种包含这 118 种元素不同组合的分子。然而，在地球上，有些元素非常稀有，而另一些元素则要常见得多。物质以及各种类型的元素在地球表面、海洋、大气以及其内部岩石核心中的分布是一个引人入胜的话题。如果你把整个地球磨碎，金的含量是多少？氧气的含量是多少？如何计算地球上各种元素的丰度？对地球元素分布的了解是在二战期间出现的，当时科学家开发了新的工具来确定材料的化学成分。领导这项研究的伟大科学家之一是 Victor Goldschmidt。
1942 年 11 月 26 日，Victor Goldschmidt 站在挪威奥斯陆码头上的害怕人群中，等待着德国 Donau 号将他们运送到 奥斯维辛集中营。Goldschmidt 在瑞士的家中度过了快乐的童年，当他的家人移民到挪威时，Goldschmidt 很快就因他在地质学方面的早期科学兴趣而得到认可。1914 年，他成功地为自己在挪威克里斯蒂安尼亚地区的接触变质作用撰写了论文，并在当地大学任教。1929 年，他被邀请到德国担任 哥廷根大学矿物学系主任，并且可以接触到科学仪器，这些仪器使他能够检测岩石和陨石中微量的元素。他还与实验室中的一大群科学家合作，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块巨大的标语，上面写着：“犹太人不得入内”。Goldschmidt 提出抗议，因为他是一名犹太人，他认为这块标语具有歧视性和种族主义色彩。这块标语被移除了，但后来又在夏天重新出现，尽管他再次抗议这块标语，但这块标语仍然按照新纳粹党的命令保留下来。Victor Goldschmidt 辞去了在德国的职位，返回挪威继续他的研究，他认为，任何以种族或宗教为由伤害和迫害人们的地方，都不是进行科学研究的理想场所。Goldschmidt 随身携带着大量关于地球上自然材料（特别是岩石和矿物）化学成分的数据。这些数据使 Goldschmidt 能够根据在地球上发现的元素频率对元素进行分类。
Goldschmidt 将第一组元素称为亲气元素，因为这些元素是气体，并且倾向于在地球大气中发现。这些元素包括氢和氦（太阳系中最丰富的元素），但也包括氮，以及更重的惰性气体：氖、氩、氪和氙。Goldschmidt 认为氢和氦作为非常轻的气体，大部分都被剥离了地球早期的大气层，在地球上自然产生的氦来自地球深处放射性物质的衰变，并且经常与地下天然气一起被捕获。氮以 N2 的配对分子形式构成大气中最常见的元素。令人惊讶的是，Goldschmidt 没有将氧归入这一组，这是因为他在研究的岩石和矿物中发现氧的含量更高，他将其归入一组称为亲岩元素的元素中。
亲岩元素或“爱岩石”元素是指在大陆表面发现的地壳岩石中常见的元素。它们包括氧和硅（在硅酸盐矿物如石英中发现的最常见元素），但也包括一组广泛的碱金属元素，这些元素属于这一组，包括锂、钠、钾、铍、镁、钙、锶，以及反应性卤素：氟、氯、溴和碘，以及一些图表中间的奇怪元素，如铝、硼、磷，当然还有氧和硅。亲岩元素还包括在镧系元素中发现的稀土元素，它们在许多正在研究的矿物和岩石中很少出现。
下一组元素是亲铜元素或“爱铜”元素。这些元素在许多金属矿石中发现，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，并与硫分子浓缩在一起。
Goldschmidt 描述的下一组是亲铁元素或“爱铁”元素，包括铁，以及钴、镍、锰、钼、钌、铑、钯、钨、铼、锇、铱、铂和金。Goldschmidt 发现，与地球表面发现的岩石相比，这些元素在陨石（尤其是铁陨石）中更为常见。此外，这些元素在铁矿石中很常见，并且在地球表面与富含铁的岩石相关联。
最后一组元素就是合成元素，或者是在自然界中很少发现的元素，包括在元素周期表底部发现的放射性元素，这些元素只能在实验室中产生。
1942 年 11 月那个寒冷的深夜，奥斯陆当地的警察局可能正在讨论对 Goldschmidt 元素分类的更深入理解。Goldschmidt 的犹太信仰导致他在七年后被捕，当时纳粹德国入侵挪威，尽管他从德国逃亡，但法西斯主义的幽灵还是追上了他。犹太人将被监禁，大多数人将在遍布纳粹占领欧洲的集中营中面临死亡。科学同事向当局辩解说，Goldschmidt 对宝贵元素分布的知识非常必要。恳求起作用了，因为 Victor Goldschmidt 被释放了，在登上 Donau 号的 532 名乘客中，只有 9 人活下来见证了战争的结束。在帮助下，Goldschmidt 逃离了挪威，而不是登上那艘船，他将在生命的最后几年在英国撰写一本教科书，这是关于地球地球化学的第一本教科书。
作为理解地球化学成分的先驱，Goldschmidt 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，还将这些数值与从太空坠落到地球的地球外陨石进行比较。
陨石 可以被视为地球的原始材料。将足够的陨石混合在一起，你就可以得到一颗行星。然而，并非所有的陨石都一样，有些主要由金属铁组成，称为铁陨石，其他陨石则含有等量的铁和硅酸盐晶体，称为石铁陨石，而第三大类陨石，石陨石，则主要由硅酸盐晶体 (SiO2) 组成。
如果地球是由数千颗陨石的吸积形成的，那么陨石中发现的化学元素和分子的百分比将为科学家提供地球元素平均丰度的起点。在地球的历史中，由于元素在不同地方以及地球内部不同深度富集或枯竭，地球的成分可能发生了变化。以下是陨石中分子丰度：（来自 Jarosewich, 1990: Meteoritics）
| 石陨石 | (% 重量) |
|---|---|
| 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) |
|---|---|
| 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），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成分。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%，其中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。接下来的三个分子 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，并且在含有 FeO、FeS 和 Fe 的各种分子中也构成了石陨石的很大一部分，以天然金属形式存在。然而，在地球表面发现的典型岩石中，铁含量很少。这些铁都到哪里去了呢？
Goldschmidt 认为 铁 (Fe) 是一种亲铁元素，以及 镍 (Ni)、锰 (Mn) 和 钴 (Co) 在地球熔融阶段沉入了地核。因此，随着时间的推移，地球表面的这些元素变得贫乏。进一步证明富含铁核心的证据是地球磁场，可以通过指南针观测到。这种磁场支持了地球中心存在富含铁核心的理论。因此，亲铁元素可以被认为是地球中心比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。
Goldschmidt 还研究了大气中常见的元素，这些元素存在于我们呼吸的空气中，并且在与地球温度和压力的条件下容易形成气体。这些亲气元素包括氢和氦，它们只在陨石中以 H2O 和极少量的孤立氦气形式被观察到。尽管太阳主要由氢和氦组成。如果你曾经丢失过一个氦气球，你可能知道为什么地球上几乎没有氢和氦。氢和氦都是非常轻的元素，可以逃逸到高层大气，甚至逃逸到太空。太阳系中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，如木星，其大气层由氢和氦组成。与太阳一样，更大的行星可以凭借其更高的引力抓住这些轻元素。地球已经失去了大部分的氢和氦，而地球上几乎所有的氢都与其他元素结合，阻止了它们的逃逸。
氮只以痕量形式存在于陨石中，作为卡尔斯伯格石矿物，它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)，它约占石陨石的 0.1%。然而，在目前的大气中，它占不到 0.04%，而在地球的总百分比中，它比这还要少得多。在比较地球、金星和火星时，二氧化碳是金星和火星大气中最丰富的分子，占这些行星大气层的 95% 到 97%，而在地球上，它是大气中的一种稀有成分。作为一种比氢和氦更重的分子，二氧化碳可以粘附在金星和地球大小的行星上。地球在其早期可能具有与火星和金星相似的二氧化碳高百分比，然而，随着时间的推移，它被从大气中提取出来。这一过程是由于地球非同寻常的高水含量 (H2O)。请注意，水中存在于石陨石中，这种水在地球较热的熔融历史中作为气体被释放出来，随着地球冷却，它导致了降雨，形成了今天地球表面上广阔的海洋。在科学界，一直存在一个关于为什么地球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的冰的争论。一些科学家认为，在地球早期，来自彗星的撞击使地球富含水 (H2O)，但另一些科学家认为，仅仅来自岩石和陨石中发现的熔融气体，就足以提供形成早期地球所需的水 (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？看一下二氧化碳和水之间的一组简单的化学反应，你就会明白为什么。
请注意，g 代表气体，l 代表液体，aq 代表水溶液（溶解在水中），还要注意这个反应是双向的，带有双箭头。每个碳原子都会带上一个额外的氧原子，从而获得两个额外的电子，从而形成 CO3-2 离子。这种离子与两个氢离子 (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，因此这种分子在溶液中形成了一个称为碳酸的弱酸。碳酸是苏打饮料起泡的原因。如果水从天空中降下来，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。记住，钙形成 Ca+2 离子，使这些离子成为与 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，以使化学反应两边的化学元素数量平衡。
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且地核仍处于熔融状态，这些二氧化碳会被重新释放回大气中。因为由碳酸钙组成的固体岩石在加热和熔化时会释放二氧化碳（1 摩尔 CaCO3 需要提供 178 千焦的能量才能转化为 CaO 和 CO2）。
二氧化碳、水和钙之间的这种动态化学反应会导致地球某些地区富含或贫乏碳，但最终大气中的二氧化碳含量会随着时间的推移而达到平衡。在地球早期，水从地球大气中清除掉了大量的二氧化碳。
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 没有将氧包括在大气亲元素中的原因之一是，氧在地壳中更常见，特别是与二氧化硅中的硅以共价键结合。纯二氧化硅是石英矿物，在地球表面很常见。因此，氧与镁、铝和钙一起，是亲石元素。我们将在后面探讨地球大气是如何富集氧的，氧是一种在地球表面固体晶体和岩石中更常见的元素。
陨石中存在相当多的单质碳 (C)（0.5%），但碳与氢结合形成 CH4（甲烷）或碳和氢链（例如 C2H6）在陨石中极其罕见。少数陨石中含有略高浓度的碳（1.82%），包括著名的默奇森和班登石陨石，这些陨石含有碳与氢结合形成的碳分子。这些被称为烃的分子在生命中很重要，并且将在地球生命的起源中发挥重要作用。但是为什么这些烃在陨石中如此罕见呢？
这很可能与化学中的一个重要概念——焓有关。焓是指在已知温度和压力下化学反应中获得或损失的能量。焓变表示为 (ΔH)，以每摩尔的能量焦耳表示。正的焓变表示吸热反应（需要热量），而负的焓变表示放热反应（产生热量）。对于烃（如 CH4）和氧的存在，存在一个放热反应，每摩尔释放 890.32 千焦的热量。
这种化学反应释放的能量使烃成为极好的燃料来源，因为它们很容易与氧反应产生热量。事实上，甲烷或天然气 (CH4) 被用于发电、供暖房屋和在燃气灶上烹饪。这也是为什么在与氧紧密接触时很少发现烃的原因。然而，烃非常重要，不仅因为它们能够在这些放热反应中与氧燃烧，而且因为它们也是生物体中主要元素。对生物体重要的其他元素包括磷 (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生命形式内的复杂分子中，这些分子统称为有机分子，它们在生命形式内的复杂分子中与碳和氢结合。研究这些复杂的烃分子链的化学分支称为有机化学。
Goldschmidt 对元素的分类是一种简化地球上众多元素的有用方法，也是思考这些元素可能存在位置的一种方法，无论是大气中、海洋中、岩石表面还是地球内部深处。
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