А. Е. Ферсман. Теория физико-химической миграции элементов в земной коре. Энергетическая характеристика ионов. Эки. Проблема концентрации и рассеяния элементов. Геоэнергетическая теория. Энергия решеток и энергия отдельных ионов

Крупнейший вклад в развитие ионной концепции внес А. Е. Ферсман. С учетом свойств ионов он строил общую теорию физико-химической миграции элементов в земной коре. В трудах А. Е. Ферсмана этот вопрос получил новое глубокое толкование: он объединил учение о радиусах ионов и их валентности в единую геоэнергетическую теорию, которую, к сожалению, не успел завершить.

Ученый ввел понятие об энергетической характеристике ионов, которая в основном определяется "размерами радиусов (R) и заряда {W — валентность ионов). Для анионов и маловалентных катионов им была установлена простая функция, названная эком (энергетическим коэффициентом)

Хотя эки по ряду причин не имеют точного физического значения, в отдельных случаях они являются полезными геохимическими характеристиками, так как связывают два важнейших параметра иона — валентность и радиус. «Весь вопрос миграции элементов, начиная с концентрации п кончая рассеянием, в основном связан с величиной эков» —писал А. Е. Ферсман.

Важнейшую в геохимии проблему концентрации и рассеяния элементов А. Е. Ферсман рассмотрел с энергетических позиций, показав, что рассеяние элементов в первую очередь вызывается низкими эками. Ученый наметил области, где накапливаются рассеянные элементы: рассолы солевых бассейнов и океана — J; Cs; Rb; Br; пегматиты и постпегматитовые воды — Li; В; Cs; остаточные воды рудных жил — Tl; In; Hg; Au. Элементы с очень высокими эками также склонны к рассеянию, в кислородной среде они образуют крупные комплексные анионы с очень низкими эками или дают замкнутые легколетучие молекулы (Re04~; N03~; CN~; SiF4; C02; CO). Наконец, рассеяние может быть связано с полной неспособностью элемента вступать в соединения (инертные газы).

Элементы концентрирующиеся характеризуются, по А. Е. Ферсману, четностью, средними и высокими эками (но не слишком высокими). В основном это элементы с валентностью 2, 3 и отчасти 4. К ним ученый отнес элементы: с FF = 4 — Ti, Zr, Hf, Th; с W = 3-'A1, V, Cr, Fe3+; с W= 2 - 0, S, Mg, Ca, Fe2+, Co, Ni, Mn.

Современные данные вносят коррективы в эти построения А. Е. Ферсмана, Однако сам энергетический подход его к анализу концентрации и рассеяния представляет по-прежнему большой методологический интерес.

Несомненно, некоторые природные процессы могут изучаться на основе геоэнергетической теории А. Е. Ферсмана.. Вместе с тем эки, так же как радиусы ионов, не могут объяснить все особенности миграции элементов и земной коре. Это связано с различными причинами.

Выпадение элементов из растворов и расплавов зависит не только от энергетических характеристик нонов, но и от их концентрации, которая не учитывается геоэнергетической теорией. Во многих системах земной коры элементы мигрируют в неионной форме. Например, при выветривании переход элементов из кристаллических решеток в воду должен происходить, по Ферсману, в после- доватсленостп эков: Na (0,45), К (0,36), Са (1,75), Mg (2,10). Как видим, Ферсмап поменял местами К и Na, что уже само по себе нарушает энергетические закономерности (натрий извлекается легче калия, в то время как экн калия меньше натрия). Однако Б. Б. ГГолынов показал, что и в таком «подправленном» виде эта последовательность не соответствует действительности22, так как кальций мигрирует энергичнее калия. Несоответствие объясняется большой ролью биологических и коллоидных процессов в зоне гипергенеза.

Эти и многие другие трудности разработки геоэнергетической теории были ясны и самому А. Е. Ферсману. Он неоднократно подчеркивал сложность геоэнергетиие- ского апализа природных процессов и несовершенство современных представлений: «Несомненно, многое очепь несовершенно в этом исследовании, многое недодумано, многое потребует коренного пересмотра и развития. Но такова диалектика каждого нового пути, такова история исследования каждой проблемы. Как и^ всякий новый путь, он вместе с тем всегда является уже старым. Значение исследования заключается часто не столько в том, что оно через гущу леса прорубает совершенно новую дорогу, но и в том, что оно делает просеку проезжей и заставляет всех передвигаться по новому пути.

Мне кажется, что идеи энергетики природных процессов должны сыграть именно такую роль в геохимии и наравне с геометрией решеток с их эффективными радиусами выдвинуть идеи энергии решеток с их эффективными энергиями ионов»23.

Ученый пришел к следующему "основному выводу: «Энергия решеток и энергия отдельных ионов в них представляет один из важнейших параметров как общей химии, так и геохимии»24. Этот вывод сохраняет свою силу и в настоящее время.

После классических исследований В. М. Гольдшмидта и А. Е. Ферсмана прошло почти полвека. Изучение ионов в земной коре шагнуло далеко вперед. Уточнены размеры ионов, в этой области-появились принципиально новые построения, основанные на современных достижениях атомной физики (В. И. Лебедев). Но самое главное — детально изучены разнообразные ионы, образуемые большинством химических элементов, их поведение в различных геологических условиях земной коры — от магматических очагов до земной поверхности. Благодаря классическим исследованиям английского ученого У. Брэгга, советского академика Н. В. Белова и других ученых было установлено, как ионы, сочетаясь друг с другом, образуют ионные кристаллы — различные минералы.

К содержанию книги: Геохимия природных вод