Địa hoá môi trường Địa hoá học

MỞ ĐẦU ĐỊNH NGHĨA VÀ NỘI DUNG MÔN HỌCI – Định nghĩa và nhiệm vụ của môn học 1 – Định nghĩa Những thành tựu mới trong lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc vật chất như: cấu trúctinh thể, nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM VĂN AN, NGUYỀN TIẾN DŨNG

BÀI GIẢNG

ĐỊA HÓA HỌC

HÀ NỘI 1988

Contents 2

MỞ ĐẦU ĐỊNH NGHĨA VÀ NỘI DUNG MÔN HỌC 5

I – Định nghĩa và nhiệm vụ của môn học 5

2- Nội dung môn học 5

II- Mối liên quan giữa Địa hóa học và các khoa học khác 6

PHẦN I - SỰ PHÂN BỐ CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG TỰ NHIÊN 8

CHƯƠNG I : NGUYÊN TỐ HÓA HỌC VÀ ĐỒNG VỊ TRONG TỰ NHIÊN 8

I – Sơ lược về cấu tạo nguyên tử 8

1 – Cấu tạo nguyên tử 8

2- Thể tích nguyên tử của các nguyên tố 11

3- Bán kính nguyên tử và ion 12

2 - Phân loại địa hóa các nguyên tố của Golsmit 12

III- Mối liên kết hóa học và cấu tạo tinh thể 13

2 - Các loại mạng tinh thể 15

IV- Đồng vị trong tự nhiên 18

V-Tính chất cơ bản của hạt nhân và tính phóng xạ 19

1 - Những tính chất cơ bản của hạt nhân 19

3 - Sự biến đổi và tỉ lệ đồng vị trong tự nhiên 23

CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ THÀNH PHẦN CỦA TRÁI ĐẤT – 24

THÀNH PHẦN CÁC VẬT THỂ VŨ TRỤ 24

I - Những giả thuyết về nguồn gốc Trái đất 24

1 - Thuyết “nóng’’ của Kant-Laplas 24

2 - Thuyết ‘’nguội’’ của Smit 24

II - Thiên thạch và ý nghĩa của chúng 25

1- Phân loại thiên thạch 25

2 - Thành phần khoáng vật 25

3 - Thành phần hóa học của thiên thạch 26

4 - Ý nghĩa của thiên thạch 26

III - Thành phần của mặt trăng 27

1 - Thành phần khoáng vật 27

2 - Thành phần hóa học 27

IV - Cấu tạo của Trái đất 28

1 - Những tài liệu nghiên cứu về cấu tạo Trái đất 28

V - Thành phần hóa học của Trái đất 30

CHƯƠNG III : THẠCH QUYỂN 32

II - Thành phần hóa học của vỏ trái đất 33

1 - Ý nghĩa của việc nghiên cứu thành phần hóa học 33

3 - Những qui luật về độ phổ biến của các nguyên tố trong vỏ trái đất 34

CHƯƠNG IV: THỦY QUYỀN 39

I – Khái niệm về thủy quyền và tính chất của nước 39

1 – Khái niệm về thủy quyền 39

2 – Tính chất của nước 39

II – Nước biển và thành phần hóa học của nước biển 42

1 – Thành phần hóa học của nước biển 42

2 – Độ muối của biển (S) 43

3 – Nguồn gốc các nguyên tố trong nước biển 44

III – Nước lục địa 44

A – Nước trên mặt 44

1 – Nước sông: 44

2 – Nước hồ: 45

B – Nước dưới đất: 45

IV – Vòng tuần hoàn của nước và ý nghĩa 46

CHƯƠNG V : KHÍ QUYỂN 48

I – Cấu tạo và tính chất của khí quyển 48

1 – Khái niệm chung của khí quyển 48

2 – Cấu tạo của khí quyển trên mặt đất và các tính chất của nó 48

II – Thành phần hóa học của khí quyển 48

III – Các khí dưới đất 49

CHƯƠNG VI: SINH QUYỂN 53

I – Khái niệm về sinh quyển 53

1 – Định nghĩa: 53

2 – Ranh giới của sinh quyển 53

3 – Sự phân bố của sinh vật 53

III – Thành phần hóa học của sinh quyển 54

2 – Thành phần nguyên tố 54

III – Quang hợp và tiềm năng địa hóa 55

1 – Quang hợp: 55

PHẦN II – CÁC QUÁ TRÌNH ĐỊA HÓA 56

CHƯƠNG VII – ĐỊA HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH NỘI SINH 56

2 – Chu trình địa hóa: 56

II – Xu thế nhiệt động của các quá trình địa hóa 57

1 – định luật bảo toàn năng lượng 57

2 – Nguyên lý phẩn tác dung Le-Satelie 57

III – Địa hóa học của quá trình macma 58

2 – Đặc điểm địa hóa của quá trình kết tinh sớm 59

3 – Đặc điểm địa hóa của quá trình kết tinh muộn ( giai đoạn fecmatit) 59

IV – Địa hóa học của quá trình nhiệt dịch 60

1 – Khái niệm chung 60

2 – Thành phần khoáng vật của các mạch nhiệt dịch 61

3 – Đặc điểm địa hóa: 61

V – Các giả thiết về nguồn gốc nhiệt dịch 61

CHƯƠNG VIII: ĐỊA HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH NGOẠI SINH 63

1 – Nhiệt độ.(T) 63

5 – Chất keo 64

II – Địa hóa học của quá trình phong hóa 65

1 – Các phản ứng trong quá trình phong hóa 65

2 – Sự di chuyển của các nguyên tố trong quá trình phong hóa 67

III – Quá trình vận chuyển vật chất trong dung dịch nước 70

IV – Quá trình trầm tích 71

CHƯƠNG IX : ĐỊA HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN CHẤT 74

I – Các yếu tố chi phối quá trình biến chất 74

II – Quá trình biến chất các đá và sự phân dị vật chất trong vỏ trái đất 74

1 – Biến chất tiếp xúc nhiệt 74

2 – Biến chất động lực 75

3 – Biến chất khu vực 75

III – Sự di chuyển các nguyên tố trong quá trình biến chất 76

1 – Sự di chuyển của các nguyên tố trong trạng thái dung dịch khí 76

2 – Sự di chuyển các nguyên tố trong trạng thái yếu 77

IV – Biến chất các khoáng vật 77

CHƯƠNG X : TIẾN TRÌNH ĐỊA HÓA CỦA TRÁI ĐẤT 79

II – Sự tiến hóa thành phần trái đất 79

III – Sự tiến hóa năng lượng của trái đất 79

CHƯƠNG XI : ĐỊA HÓA HỌC CÁC NGUYÊN TỐ 81

I – Khái niệm chung: 81

II – Địa hóa học của sắt (Fe) 81

III – Địa hóa học của nguyên tố oxy 82

IV – Địa hóa học của nguyên tố cacbon (C) 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

MỞ ĐẦU ĐỊNH NGHĨA VÀ NỘI DUNG MÔN HỌC

I – Định nghĩa và nhiệm vụ của môn học

1 – Định nghĩa

Những thành tựu mới trong lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc vật chất như: cấu trúctinh thể, nguyên tử, hạt nhân và các hạt cơ bản khác, các pha vật chất đặc xít và các vậtchất hữu cơ đã mở ra khả năng lớn lao để hiểu biết lịch sử tự nhiên của các nguyên tốhóa học trong khuôn khổ có thể với tới được của vũ trụ và trong giới hạn của Trái đất.Nghiên cứu của lịch sử tự nhiên các nguyên tố hóa học cho phép ta hiểu biết sâuhơn những yếu tố cơ bản của sự phát triển hành tinh và những khái niệm hoàn toànmới về cơ chế hình thành vỏ trái đất, các khoáng vật, các đá và các qui luật hình thànhcác khoáng sàng

Địa hóa học là một khoa học về trái đất mà các khái niệm của ngành nguyên tửxâm nhập một cách sâu sắc Có lẽ khó thấy ngành khoa học về Trái đất nào lại có liênquan mật thiết với cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại như Địa hóa học

Theo quan niệm của các nhà khoa học tiền bối như Olaok, Vecnatati, FeoamanGolsmit thì môn Địa hóa được định nghĩa như sau:

Theo F.olaok (1924) “Mỗi loại đá có thể coi như một hệ hóa lý, nó có thể bị biếnđổi hóa học nhờ tác dụng của các tác nhân khác nhân Mỗi sự biến đổi gắn với sự pháhủy cân bằng và tiếp đó là thành tạo một hệ mới bền vững trong điều kiện mới Chínhmôn Địa hóa học nghiên cứu biến đổi đó

Theo V.I Veonataki (1927) – Địa hóa học nghiên cứu các nguyên tố hóa học –Các nguyên tử trong vỏ trái đất và có thể cả hành tinh Đía hóa nghiên cứu lịch sử củacác nguyên tố hóa học, sự di chuyển và phân bố của chúng trong không gian, theo thờigian và quan hệ nguồn gốc của chúng trong hành tinh chúng ta

Theo A.E.Fecman (1932) Địa hóa học nghiên cứu lịch sử của các nguyên tố hóahọc- các nguyên tử của vỏ trái đất và hành vi của chúng trong những điều kiện nhiệtđộng hóa lý khác nhau của tự nhiên

Theo Golsmit (1954) Địa hóa học hiện đại nghiên cứu sự phân bố và hàm lượngcủa các nguyên tố hóa học trong các khoáng vật, đá, đất, nước, quặng, khí quyển và sựluân lưu của chúng trong tự nhiên trên cơ sở những tính chất của nguyên tử và các Các nhà địa hóa Ba lan như A.Polanski và K.Smilicovaki năm 1969 đưa ra địnhnghĩa ngắn gọn “Địa hóa là môn học về lịch sử tự nhiên của các nguyên tố hóa học”

Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng đặc tính lịch sử của Địa hóa học hiện đạiđược nêu bật trong các định nghĩa của Veonetski Feosman Vậy ta có thể đưa ra địnhnghĩa chung nhất cho Địa hóa học như sau: Địa hóa học là môn khoa học về lịch sửcác nguyên tố hóa học của trái đất, không những giải quyết những vấn đề về sự phân

bố các nguyên tố trong các đối tượng tự nhiên khác nhau mà còn cả nhiệm vụ lớn củacác khoa học khác về Trái đất- tức là phải giải thích cội nguồn lịch sử phát triển củahành tinh chúng ta và các quy luật phát triển của nó

2- Nội dung môn học

Trên cơ sở các định nghĩa của các nhà địa hóa tiền bối, chúng ta thấy đối tượng

đối tượng tự nhiờn khỏc nhau Chớnh vỡ vậy nội dung của mụn học bao gồm cỏc vấn đề

3 Nghiờn cứu cỏc quỏ trỡnh địa húa tự nhiờn khỏc nhau

4 Nghiờn cứu địa húa từng nguyờn tố riờng biệt- nghiờn cứu toàn bộ lịch sử củatừng nguyờn tố kể cả nguyờn tố hiếm và phõn tỏn

5 Nghiờn cứu địa húa khu vực- giải thớch quy luật phõn bố của cỏc nguyờn tốtrong từng thể địa chất riờng biệt cú liờn quan đến tuổi của cỏc đỏ, cấu tạo và thànhphần thạch học của chỳng

II- Mối liờn quan giữa Địa húa học và cỏc khoa học khỏc.

Địa húa học là một ngành khoa học mới về trỏi đất, xuất hiện từ mối liờn quanhữu cơ giữa cỏc khoa học cơ bản về tự nhiờn như Vật lý, Húa học với cỏc khoa học địachất như: khoỏng vật học, thạch học, địa chất học

Mối liờn quan của địa húa học với cỏc khoa học được thể hiện ở hỡnh 1

Địa vật lý Vật lý

Tinh thể học

Khoáng vật

thạch học

Khoáng sàng học Luyện kim tuyển khoáng

Địa chất, địa lý Sinh vật học

Hóa học hóa lý Hóa vũ trụ

ĐịA HóA HọC

Hỡnh I : Mối liờn quan của Địa húa học với cỏc khoa học khỏcĐịa húa học cú mối liờn quan đặc biệt với Vật lý và Húa học Địa húa sử dụngphương phỏp luận thực nghiệm của Vật lý và Húa học để giải thớch sự phõn bố của cỏcnguyờn tố trong Trỏi đất, mặt khỏc để giải thớch cỏc tổ hợp nguyờn tố trong tự nhiờn.Vật lý và Húa học đúng vai trũ đặc biệt trong việc mụ hỡnh húa cỏc quỏ trỡnh húa lý ởlong sõu của Trỏi đất

Địa húa học và tinh thể học cú mối liờn hệ là húa học tinh thể Húa học tinh thểgiỳp cho địa húa học những số liệu quan trong, bởi vỡ đa số cỏc nguyờn tố húa học củaTrỏi đất tồn tại dưới dạng hợp chất cú cấu trỳc tinh thể

Địa húa học gắn bú với khoỏng vật học trong chừng mực cỏc nguyờn tố húa họcliờn quan với cỏc hợp chất húa học rắn(cỏc khoỏng vật) Khoỏng vật học đó tớch lũy

của khoáng vật học vẫn là hợp chất hóa học rắn, còn đối tượng của địa hóa học lànguyên tử.

Địa hóa học liên quan chặt chẽ với thạch học Sự phân dị macma, hiện tượngđồng hóa, biến chất trao đổi, biến chất tiếp xúc, quá trình lắng đọng trầm tích… luôn

đi kèm với sự phân bố lại các nguyên tử, đặc biệt là các nguyên tố chủ yếu Việcnghiên cứu sự phân bố các nguyên tố trong các khoáng vật và các đá là một nhiệm vụgắn với địa hóa học và thạch học

Sự phát triển của địa hóa học tạo điều kiện cho ngành địa chất và địa lý pháttriển Khi nghiên cứu các hiện tượng địa chất như vỏ phong hóa, cảnh quan, các đớisinh vật biển, không thể tránh né xu hướng nghiên cứu khoa học Ngược lại khi nghiêncứu các hiện tượng của quá khứ phải đi cùng với địa chất lịch sử và cổ sinh địa sử.Địa hóa học xác lập mối liên quan giữa các phần khác nhau của cảnh quan xa xưa

và hiện đại, xác lập quá trình trao đổi chất giữa các địa quyển trên bề mặt và các sinhvật lục địa và biển Các nguyên tử đặc biệt do bức xạ sinh ra (3H, 14c,…) cho phép hiểubiết tường tận các đặc điểm về sự cân bằng của khí trong khí quyển, thạch quyển và sựluân lưu của nước ở dưới sâu của đại dương

Sinh vật có vai trò quan trọng trong quá trình địa hóa- sự trao đổi khí và vòngtuần hoàn của nhiều nguyên tố hóa học xảy ra có sự tham gia trực tiếp hoặc gián tiếpcủa các sinh vật Sự tồn tại, sinh trưởng của các sinh vật tạo ra một vòng tuần hoàn cácnguyên tố

Bất kì một khoáng sàng nào cũng là sự tập trung của một hoặc là một số nguyên

tố Sự tập trung này bên cạnh các yếu tố địa chất, thạch học, nó còn được xác định bởicác quy luật địa hóa Bởi vậy địa hóa trở thành cơ sở để xét đoán nguồn gốc nhiềukhoáng sàng Địa hóa có vai trò quyết định trong công tác tìm kiếm các nguyên tốhiếm và phân tán, chúng để lại dấu vết tồn tại của mình trong môi trường xung quanhkhoáng sàng, trong thổ nhưỡng, thực vật, nước, trong đá và khí

Với tốc độ phát triển của công nghiệp và khoa học kỹ thuật thì nhiều khoáng sàngcác kim loại quý sẽ nhanh chóng bị khai thác hết Một nhiệm vụ lớn lao đặt ra cho địahóa học và Tuyển khoáng trong tương lai là tìm ra những khu vực có hàm lượng caocác kim loại có ích mà hiện tại vẫn chưa được coi là khoáng sàng

Lịch sử địa hóa các nguyên tử chỉ là một phần của lịch sử vũ trụ vì thực chất địahóa học là một lĩnh vực phát triển nhất của hóa học vũ trụ Vật chất của trái đất phảnánh các quá trình vũ trụ xa xưa dẫn tới sự tập hợp định lượng các loại nguyên tử Địahóa học cùng với các ngành hóa học khác có khả năng chỉ ra sự tập trung của cácnguyên tử và chỉ ra phương hướng khai thác, chế biến các khoáng sản phụ thuộc chocon người

PHẦN I - SỰ PHÂN BỐ CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG TỰ

NHIÊN

CHƯƠNG I : NGUYÊN TỐ HÓA HỌC VÀ ĐỒNG VỊ TRONG TỰ NHIÊN

I – Sơ lược về cấu tạo nguyên tử

1 – Cấu tạo nguyên tử

Cấu tạo nguyên tử bao gồm ba loại hạt cơ bản : electron, proton và nơtron.Những đại lượng đặc trưng của các hạt như sau (bảng I-1) :

Bảng I-1

Hạt nguyên tử Kích thước

(cm)

Điện tích(đơn vị điện tích)

Khối lượng(gam)Electron ( E ) 2,81.10-13 - 4,8024.10-10 9,106.10-28

Proton ( P+ ) 1,03.10- 16 + 4,8024.10-10 1,67.10- 24

Các electron tạo nên lớp vỏ nguyên tử, mọi tính chất hóa học của nguyên tố đềuphụ thuộc vào lớp vỏ này Nhân của nguyên tử gồm các nơtron và proton chúng đượcgọi chung là các nucleon

Điện tích của hạt nhân nguyên tử được thể hiện bằng các số nguyên tương ứngvới điện tích của proton Điện tích của proton theo quy ước bằng 1 Nguyên tử là một

hệ trung hòa về điện, do đó điện tích dương của hạt nhân bằng số electron và bằng sốthứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleep

Tính chất hóa học và địa hóa của các nguyên tố mang đặc tính tuần hoàn và biếnđổi theo chiều tăng của số thứ tự của chúng Bản chất lý học của hệ thống tuần hoànhóa học chính là sự biến đổi dần dần vỏ electron theo chiều tăng của số thứ tự mộtcách tuần hoàn (dạng vỏ electron ban đầu ở một mức năng lượng cao hơn) Cácnguyên tố của mỗi nhóm có sự giống nhau về tính chất hóa lý thì cũng giống nhau vềcấu trúc vỏ electron

Mỗi chu kỳ ứng với một lớp xác định được kí hiệu là K, L, M, N, O, P Sốelectron cực đại trong mỗi lớp có thể biểu diễn bằng công thức N=2n2 , trong đó N là

số electron, n=1,2,3,4 là số thứ tự của lớp từ trong ra ngoài

Nếu số electron trong mỗi lớp chưa đạt được cực đại thì lớp đó chưa được lấpđầy Những lớp chưa được lấp đầy thường gặp ở những nguyên tử bắt đầu ở chu kỳlớn thứ 4 Vd: kali(K) lớp điện tử ngoài cùng là 1, ở lớp gần ngoài cùng là 8 tức làchưa được lấp đầy

Đối với canxi cũng tương tự, riêng đối với Se lớp M bắt đầu hoàn chỉnh ở nguyên

tử đồng (Cu) tạo thành lớp có 18 electron

Bảng I/ 2SSố

Số electron trong các lớp khác nhau

K1

L2

M3

N4

O5

P6

Q71

Số electron cực đại trong các lớp khác nhau của nguyên tố

Các nhóm nguyên tố có các lớp vỏ electron hoàn chỉnh thường có lớp vỏ bênngoài với số electron hóa trị giống nhau, do đó những nguyên tố này có kích thướcnguyên tử gần gũi nhau và trong tự nhiên thường tổ hợp với nhau Ví dụ như cácnguyên tố đất hiếm (thuộc họ Lantan)

Các electron có kích thước vi mô, mang bản chất sóng và hạt chuyển động trongkhông gian quanh hạt nhau Sự chuyển động của các electron thực hiện theo bậc tự do( 3 trục tọa độ) và tự quay quanh mình Ứng với mỗi trạng thái của electron trong cấutrúc của nguyên tử có thể được biểu diễn bằng 4 số lượng tử ( electron được lượng tửhóa 4 lần) : lượng tử chính (n); lượng tử Orbital (l); lượng tử từ (m1), lượng tử spin(ms) Các lượng tử đặc trưng cho các đại lượng : độ lớn, hình dạng, hướng của các quỹđạo eletron và chiều tự quay của các electron

Số lượng tử chính (n) quyết định hình dạng quỹ đạo của electron Trị số của ncho biết electron ở lớp quỹ đạo nào Số này chính bằng số chu kì trong bảng tuần hoàncủa Mendeleep N = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

Số lượng tử orbital (1) quyết định hình dạng của electron Với số lượng tử chính

n thì số lượng tử orbital có thể có những giá trị l = 0, 1, 2, 3,…n-1 Ví dụ n = 1 thì l = 0hoặc với n = 2 thì l = 0 hoặc l = 1, nếu n = 3 thì l = 0, 1, 2 ,3…

Trong hóa học lượng tử người ta thường sử dụng chữ số thay cho các số lượng tử

0 1 2 3 4

S p d f gKhi đó cấu trúc electron của bất cứ nguyên tử nào cũng có thể biểu diễn bằngcông thức trong đó có số lượng tử chính (1, 2,….7) số lượng tử orbital (s, p, d, f, g) và

số electron trong mỗi số lượng tử orbital ở dạng mũ Ví dụ công thức của hidro, liti vàneon:

He=1s22s22p6

Số lượng tử từ (m1) xác định mô men từ của electron do nó chuyển động trong quỹ đạo nó biểu hiện chiều mà đám mây quỹ đạo kéo dài ra Số lượng tử từ có thể là tất cả các giá trị của số lượng tử orbital lấy thêm giá trị âm Sự phụ thuộc giữa l mà me

Số lượng tử spin (ms) tạo ra do electron tự quay Đại lượng mô men spin của tất

cả các electron đều như nhau và chỉ có 2 giá trị ms=+1/2 và ms=-1/2 Sự phân bốelectron trong phân tử không phải tự do mà tuân theo quy luật nhất định thể hiện ởnguyên lý cấm của Pauli: trong một nguyên tử không thể có 2 hoặc hơn 2 electrongiống nhau cả 4 số lượng tử (n, l, me, ms)

Về thực chất nguyên lý Pauli cho phép xét đoán bằng cơ học lượng tử toàn bộ hệthống tuần hoàn Ví dụ ở chu kì 1 số lượng tử chính n=1 do đó số lượng tử orbital (l)

và số lượng tử từ (me) bằng 0 chỉ có thể có 2 electron với giá trị ms=1/2 và ms=-1/2.Điều này đồng nghĩa với sự có mặt 2 nguyên tố trong chu kì 1 là hidro-1s1 và heli-1s2

Ở chu kì 2 số lượng tử chính n=2 Do đó lớp thứ 2 có 2 nhóm electron là 2 S và 2

P ở lớp thứ nhất chỉ có 2 electron( n=1, l=0, me=0, ms=+

- 1/2 Ở lớp thứ 2 nhóm 2 Sđược lấp đầy ở nguyên tố Li, Be Nhóm 2 P được lấp đầy bởi các nguyên tố B,C, N, O,

F, Ne Vậy các công thức electron của các nguyên tố ở chu kì 2 là:

là dạng có 2 electron và 8 electron

Dạng đầu gọi là dublet và dạng sau là oetet Trạng thái hai electron bền vững vì 2electron với spin me= +1/2 và ms= -1/2 tạo hệ điển tử kín với các tuyến lực từ trungnhau và các vecto hướng ngược với các tuyến này

Tùy thuộc vào cấu tạo và độ lấp đầy các lớp electron có thể chia ra 6 nhómnguyên tố theo J E Spice

1 - Các khí trơ : vở ngoài cùng được lấp đầy bởi 8 electron Các electron ngoàicùng thuộc nhóm S và P Những nguyên tố này trơ về mặt hóa học, rất ít khi tạo thànhhợp chất hóa học.

2 - Các kim loại mạnh : là những nguyên tử có từ 1 đến 3 electron thừa so vớidạng khí trơ Nhóm này gồm các kim loại kiềm, kiềm thổ nhóm một, nhóm hai vàphần lớn nhóm ba của bảng tuần hoàn Đa số chúng tạo ra các Cation

3 - Các á kim : là những nguyên tử thiếu từ 1 đến 4 electron mới đat được dạngkhí trơ Đa số chúng tạo ra các anion đơn giản có cấu trúc khí trơ, chủ yếu tồn tại dướitrạng thái rắn Nhóm này gồm F, Cl, Br, I, O, S, Se, Te, N, P, As, C, Si

4 - Các kim loại chuyển tiếp Tạo nên các electron và các hợp chất với lớp d chưalấp đầy Nhóm này gồm 3 nhóm nguyên tố

1: Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni

2: Zr, Nb, Mo, Te, Rb, Pd

3 : Hf, Ta, W, Re, Cs, Ir, Pt

Chúng khác các kim loại mạnh ở chỗ chúng có hóa trị thay đổi, chế tạo nêncác liên kết cộng hóa trị trong các phức ion hay trong các phân tử trung hòa Trongmối liên kết hóa học chúng sử dụng cả các electron ở lớp gần ngoài cùng

5 - Các nguyên tố họ lantan và họ actini Tạo ra các Cation và các hợp chât trong

đó các nguyên tử có lớp d và f chưa được lấp đầy Trong nhóm này có 14 nguyên tốsau lantan và có tên gọi là đất hiếm và các nguyên tố đứng sau actini và các nguyên tốsau Uran :

Dãy 1 gồm Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Ra, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu

Dãy 2 gồm Th ( ?), Pa, U, Np, Pu, Au, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, Mo, Lr, Ku.Các nguyên tố họ lantan tạo nên các cation hóa trị 3 với dạng lớp electron kiềm4f Chúng tạo nên các muối bền vững, bị thủy phân yếu trong dung dịch và về mọi mặtgiống như muối của Se và Y

6 - Các kim loại phân hó phụ (B) gồm các nguyên tử có vỏ ngoài cùng thừa từ 1đến 3 electron, kể từ 18 electron ở vỏ sát ngoài Kiểu vỏ này gọi là kiểu á khí trơ Cáckim loại phân nhóm phụ gồm Cu, Au, Ag, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl

Có thể nói xu thế chung của tất cả các nguyên tử khi thành tạo các hợp chất là đạttới dạng vỏ của khí trơ Do đó các nguyên tố trong vỏ trái đất có xu hướng tạo ra cácion mang điện chứ không tạo ra các nguyên tử trung hòa Có thể có ba loại ion sau :

a, Các ion với 8 electron ở lớp ngoài cùng

b, Các ion với 18 electron ở lớp ngoài cùng

c, Các ion dạng trung gian có vỏ từ 9 đến 17 electron ở lớp ngoài cùng

2- Thể tích nguyên tử của các nguyên tố

Thể tích nguyên tử là một đại lượng đo bằng tỷ số giữa khối lượng của nguyên tửvới tỷ trọng của nó hoặc là bằng tích của khối lượng nguyên tử với thể tích riêng Theođịnh nghĩa thì thể tích riêng của vật chất là thể tích một gam chất đó, vậy khối lượngnguyên tử về thực chất là thể tích một phân tử gam vật chất ở trạng thái rắn Thể tíchnguyên tử là hàm số của số thứ tự Bắt đầu từ một nguyên tố kiềm (Na, K, Rd, Cs) thểtích nguyên tử giảm xuống sau đó lại bắt đầu tăng lên đến cực đại

Độ co nén của các nguyên tố có liên quan đến thể tích nguyên tử của chúng và cóthể xem thể tích nguyên tử như một hàm tuần hoàn của số thứ tự nguyên tố

3- Bán kính nguyên tử và ion

Nhờ phân tích cấu trúc rơn ghen mà thể tích của nguyển tử ở trạng thái kết tinhđược xác định bởi kích thước của chúng và được biểu hiện bằng độ lớn bán kính Songkhái niệm về bán kính nguyên tử và ion hoàn toàn tương đối : ở những trạng thái vànhững hợp chất khác nhau bán kính nguyên tử và ion có độ lớn khác nhau

Sự phân bố electron trong lớp vỏ của các nguyên tử là một bản ngẫu nhiên, vì vậyngay cả vùng xung quanh hạt nhân cũng thấy mật độ electron tăng lên Bằng thựcnghiệm người ta xác định được khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử Đạilượng bán kính nguyên tử và ion được biểu diễn bằng antron 1 A0 = 10-9cm

II – Phân loại địa hóa các nguyên tố.

Cơ sở phân loại địa hóa các nguyên tố là cấu trúc và các thông số đặc trưng củanguyên tử và sự phân tích sâu sắc bảng tuần hoàn Mendeleep Chính vị trí của cácnguyên tố trong bảng tuần hoàn cũng đã nói lên tính chất địa hóa của chúng – khảnăng tập trung của chúng trong những điều kiện hóa lý khác nhau của vỏ trái đất, thủyquyển, khí quyển và sinh quyển Có nhiều kiểu phân loại các nguyên tố như củaGolsmit, Fecsman, Vecnatski, Zavarski, Waskiton Dưới đây đề cập đến một số cáchphân loại phổ biến, phản ánh hành vi của các nguyên tố trong các địa quyển khácnhau

1 - Phân loại địa hóa các nguyên tố theo Vecnatskin.

Cách phân loại này dựa trên những cơ sở như : tia phóng xạ của các nguyên tố,đặc tính của các quá trình địa hóa trong đó có sự tham gia của các nguyên tố Vai tròcủa các hợp chất hay các phân tử trong lịch sử của các nguyên tố

Vechatski đã đưa ra bảng phân loại sau :

1 - Các nguyên tố khí trơ : gồm 5 nguyên tố từ heli (He) đến radon (Rn) Cácnguyên tố khí trơ trên thực tế không tham gia phản ứng

2 - Các kim loại tự sinh : gồm 7 nguyên tố (Ag, Au và nhóm Pt) Chúng đặctrưng bởi sự tồn tại trong tự nhiên dưới dạng tự sinh

3 - Các nguyên tố chu trình : Gồm 44 nguyên tố Đó là các nguyên tố phổ biếnnhất (H, O, Si, Na, Al, Fe…) chiếm 99,7% khối lượng vỏ trái đất

4 - Các nguyên tố phân tán : gồm 11 nguyên tố Li, Se, Ga, Br, Rd, Y, In, I, Cs,Ta

5 - Các nguyên tố phóng xạ mạnh : gồm 7 nguyên tố trong họ actini có số thứ tự

từ 89 đến 96

6 - Nguyên tố đất hiếm : gồm 15 nguyên tố họ lantan từ số thứ tự 57 đến 71.Chúng thường tạo nên các tổ hợp trong tự nhiên

2 - Phân loại địa hóa các nguyên tố của Golsmit.

Ông đã dựa vào cấu trúc vỏ electron và đại lượng thể tích nguyên tử của cácnguyên tố để phân ra làm 4 nhóm nguyên tố : Những nhóm này đặc trưng cho các địaquyển khác nhau như sau :

1 - Các nguyên tố atmosfil : gồm các khí trơ và nito – các nguyên tố này đặctrưng cho quyển khí Nguyên tử của các nguyên tố này có 8 electron ở lớp vỏ ngoàicùng

2 - Các nguyên tố litofil : bao gồm các nguyên tố đặc trưng cho thạch quyển, có

ái lực mạnh với oxy trong điều kiện vỏ trái đất và tạo nên các khoáng vật dưới dạngcác hợp chất chứa oxy (oxyt, hydroxyt, muối của các axit chứa oxy) Ion của những

nguyên tố này có 8 electron ở lớp ngoài cùng Trên đường biểu diễn thể tích nguyên tửchúng ở phía các nhánh đi xuống ( hình I-1) (xem trang 14).

3 - Các nguyên tố chanofil : Các nguyên tố nhóm này có xu hướng tạo nên cáchợp chất với lưu huỳnh và các á kim tương tự như Se, Te Ion của chúng có 18electron ở lớp ngoài cùng tức là electron ở mức năng lượng ‘’d’’ đã được lấp đầy Trênđường biểu diễn thể tích nguyên tử chúng ở các nhánh đi lên, thí dụ Cu, Zn, Pd, Cd

4 - Các nguyên tố siderofil : gồm các nguyên tử Fe, Co, Ni và nhóm Pt Cácnguyên tố nhóm này hòa tan trong dung thể chứa sắt và cho hợp kim với sắt Đa số cácnguyên tố siderofyl ở trạng thái tự sinh Ion của những nguyên tố này có lớp vỏ ngoàicùng từ 9-17 electron, tức là đang được lấp đầy Trên hình I-1 chúng chiếm ở phân cựctiểu tức là có thể tích nguyên tử bé nhất

Fe Co Ni Ca

Fr Pm Rb

III- Mối liên kết hóa học và cấu tạo tinh thể.

1 - Các mối liên kết hóa học.

Liên kết hóa học là sự tác dụng tương hỗ giữa các nguyên tử, dẫn đến thành tạocác phân tử hoặc các tinh thể bền vững Sự thành tạo hay phá vỡ mối liên kết là cơ sởcủa nhiều quá trình địa hóa Có bốn kiểu liên kết :

a - Mối liên kết ion Mối liên kết này xảy ra ở các ion mang điện trái dấu, nóđược tạo nên do lực hút culong giữa các cation và anion Mối liên kết này đặc trưngnhất ở các ion có 8 electron ở vỏ ngoài cùng kiều khí trơ Ví dụ rõ nhất là tinh thểmuối ăn (NaCl), trong đó các Cation (Na+) và anion (Cl-) với 8 electron ở lớp ngoàicùng luân chuyển theo cả ba trục tọa độ, tạo nên mang tính thể lập phương

b - Mối liên kết cộng hóa trị Mối liên kết này được hình thành do sự trao đổielectron giữa các nguyên tử Vai trò thành tạo các phân tử trìn mối liên kết này là toàndiện Liên kết này do các nguyên tử giống nhau như H-H ; O-O ; N-N hoặc do cácnguyên tử không khác nhau nhiều về bản chất như giữa hai á kim O-S (cùng nhóm)hoặc C-F ; C-O ; H-Cl ; H-O ; H-N ; H-P ; H-S tức là giữa hydro với á kim

Mối liên kết này khác với mối liên kết ion ở độ bão hòa và tính định lượng Bảnchất của mối liên hệ này là sự tác động cơ học lượng tử của các electron Khi cácelectron của hai nguyên tử có các spin định hướng ngược nhau thì các từ trường đóngkín và mật độ electron giữa các nhân tăng lên Chẳng hạn nếu các nguyên tử A và B cócác spin của các electron ngoài cùng cùng hướng thì chúng đầy nhau và không tạo ramối liên kết, nếu các spin ngược chiều nhau thì khi gần nhau sẽ sinh ra mối liên kếtcộng hóa trị :

Nitơ Oxy Fotfo

Hình I – 2 : Sơ đồ vỏ electron của N, O, P (NL Glinka)

Từ hình trên ta thấy rằng nguyên tử nitơ có ba electron riêng lẻ oxy có hai và flo

có một Khi kết hợp với hydro hay kim loại thì các electron này sẽ kết hợp thành đôivới các electron của chúng và thể hiện hóa trị rõ ràng (NH3 : H2O : HF) Khi tạo ra cácphân tử N2, O2, F2 thì các electron lớp P được ghép đôi nối liền các phân tử với nhau

và là chung cho cả hai phân tử Do sự thay đổi hướng vectơ spin của các electron, hóatrị của các nguyên tố cũng thay đổi Điều này xảy ra khi nguyên tử ở trạng thái kíchthích Bởi vậy hóa trị của nguyên tố trong hợp chất được xác định bởi số electron đượcgóp chung

Nếu sự phân bố các điện tích trong phân tử không cân xứng thì xuất hiện sự phâncực trong phân tử hay gọi là hiện tượng lưỡng cực

Khoảng cách l giữa hai cực thể hiển độ phân cực cỉa phân tử Nếu l càng lớn độphân cực càng mạnh Mức độ phân cực được xác định bằng momen lưỡng cực và đượctính bằng công thức sau :

μ = l e

l - khoảng cách giữa 2 cực

Mối liên kết cộng hóa trị thường đặc trưng cho vật chất ở trạng thái lỏng hoặckhí ít được đặc trưng cho trạng thái kết tinh ở trạng thái kết tinh do sự tác động giữacác electron tạo nên mạng nguyên tử

a - Mối liên kết kim loại :

Được tồn tại giữa các nguyên tử của kim loại Mối liên kết này được xác định bởi

sự có mặt đồng thời các mối liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử trung hòa và lựchút cu lông giữa các ion và các electron tự do Do có các electron tự do mà giữa cácnguyên tử kim loại có mối liên kết kim loại Nó được tạo ra do sự tác động giữa cáccation kim và các electron chung Như vậy các electron trong kim loại là chung cho tất

cả các cation

b - Mối liên kết Van-dec-Van: Xuất hiện do sự tiếp cận nhất định của các phân tử

và giữa chúng xuất hiện gắn kết Lực này có thể là đồng tính tức là giữa các phân tửcủa cùng vật chất, cũng có thể là dị tính tức là giữa các phân tử khác vật chất Về bảnchất nó có thể là lực phân cực, cảm ứng hoặc phân tán Khi tiếp cận với nhau các đầumút của các phân tử phân cực, nếu cùng dấu thì đầy nhau, nếu khác dấu thì hút nhau.Lực tàn dư này yếu hơn các liên kết khác, nó dẫn tới nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độsôi thấp của các hợp chất Các phân tử đặc trưng cho mối liên kết vandecvan như CO2,SiF4, SnF4 và các khí trơ

Khi các electron chuyển động quanh nguyên tử và độ dao động của nhân đã xuấthiện sự phân cực tức thời ( đột biến) và lưỡng cực tức thời chúng hút nhau Mối liênkết này mang tính phân tán Chúng gây tác dụng giữa các phân tử bị phân cực vàkhông phân cực cũng như giữa các phân tử khí trơ và các phân tử không phân cực.Ngoài những điều kiện liên kết trên có thể có liên kết đặc biệt như liên kết hydro.Kiểu liên kết này được tạo thành do nguyên tử hydro kết hợp hai nguyên tử khác nhau

Sở dĩ có kiểu liên kết này là vì kích thước của proti ( đồng vị của hydro) quá bé nó cóthể xâm nhập vào bất kỳ một cấu trúc nguyên tử nào

Tất cả các kiểu liên kết trên tồn tại ở các địa quyển của Trái đất Trong khí quyểnchủ yếu là liên kết cộng hóa trị và vandecvan Trong thạch quyển chủ yếu là liên kếtion và phần sâu trong long đất là mối liên kết kim loại

2 - Các loại mạng tinh thể.

Trạng thái kết tinh được xác định bởi sự sắp xếp có qui luật các phân tử trongkhông gian thành mạng tinh thể hay mạng không gian Các tâm phân bố các hạt trongtinh thể gọi là nút mạng không gian Mỗi hạt trong tinh thể được bao quanh bởi một sốlượng nhất định các hạt Số đó gọi là số phôi trí Tùy thuộc vào đặc tính của các hạttrong các nút của mạng tinh thể và bản chất của mối liên kết có thể chia ra bốn loạimạng: mạng ion, mạng nguyên tử, mạng phân tử, mạng kim loại

a - Mạng ion (mạng không cực) Kiều mạng này có đặc điểm là ở tất cả các nútmạng có các ion (cation, anion) Các anion thường có kích thước lớn hơn cation và có

xu hướng chiếm khoảng không gian theo kiểu xếp khít Khoảng cách giữa các nguyên

tử (d) là tổng các bán kính hiện dụng của cation và anion

Đây là kiểu mạng mà ở mỗi nút có các nguyên tử của nguyên tố liên kết với nhaubằng mối liên kết cộng hóa trị Kiểu mạng này bền vững nên có độ cứng cao, nhiệt độnóng chảy và độ sôi cao Kim cương, grafit, rauanaxit (SiC) có kiểu mạng nguyên tửnày ( hình I/3)

- -

- -

- -

- -

-+ + + +

- -

- -

- -

-+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + +

-

- - -

-a-m¹ng ion b-m¹ng Nguyªn tö c-KiÓu kim lo¹i d-m¹ng tinh thÓ

Giữa kim cương và grafit khác nhau ở chỗ kim cương là một phân tử lớn còngrafit có dạng lớp, giữa các lớp có lực liên kết van-dec-van yếu ớt Số phôi trí của kimcương là 4 còn của grafit là 3 Trong điều kiện vỏ trái đất ít gặp kiểu mạng này

c - Mạng kim loại

Kiểu mạng này đặc trưng cho các kim loại : ở các nút là các electron xếp xítnhau ở khoảng trống được lắp đầy bởi các electron, tạo ra khí electron Các electronđóng vai trò xi măng gắn kết các cation kim loại, tạo nên kiểu xếp khít kim loại Cácelectron cũng được các cation kim loại giữ lại và không thể tách ra khỏi mạng

Mạng kim loại đặc trưng cho các kim loại tự sinh trong vỏ trái đất và pha sắt củathiên thạch

d - Mạng phân tử

Kiểu mạng này được đặc trưng bởi các nút là các phân tử phân cực hoặc khôngphân cực gắn kết với nhau bằng lực liên kết vandecvan

3 - Năng lượng mạng tinh thể

Năng lượng mạng tinh thể là hàm của điện tích và bán kính ion, được đo bằngcông cần thiết để tách một phân tử gam vật chất thành các ion thành phần Đơn vị đobằng Jun/mol

a, Năng lượng mạng tinh thể không đo trực tiếp được song nó có thể tính bằngcách xác định nhiệt lượng phản ứng của các hợp chất hóa học

Cơ sở của phương pháp này là định luật về sự cộng nhiệt lượng của Hexơ tức làkhi trạng thái đầu và trạng thái cuối như nhau thì tổng nhiệt lượng phải bằng không.Định luật được biểu diễn bằng sơ đồ sau :

A →∆H1 B  →∆H2 C ∆→H3 D  →∆H4 A

∆H1 + ∆H2 + ∆H3 + ∆H4 = 0

Ta xét qua muối ăn

+

-H 5

Ta có U + ∆H1 + ∆H5 = 0

U : Năng lượng mạng tinh thể

∆H1 : Thể ion hóa của Na

∆H1 : Áp lực của Cl với electron

∆H1 : Nhiệt lượng gắn kết Na

∆H1 : Năng lượng tạo thành phân tử Cl

∆H1 : Nhiệt lượng của phản ứng kết hợp của Cl với Na

b) Công thức của Bocnơ đối với mạng của các hợp chất có 2 nguyên tố :

U =

D

N e

U : Năng lượng mạng tinh thể

a : Hệ số madelung ( phụ thuộc vào kiểu kiến trúc)

ω1, ω2 : hóa trị của các ion

D : Khoảng cách giữa các tâm của các ion

∑n :Số ion trong phân tử

rk, ra : bán kính cải cation và anion

d) Công thức của Fecsman để tính năng lượng mạng tinh thể như sau :

U = 256,1 (aKk1 + bEk2)

- a,b là số cation và số anion trong công thức hoáng vật

- Ek là phần năng lượng được giải phống khi mỗi ion được mang từ vô tận vàomạng tinh thể để thành tạo hợp chất

để hiểu biết các quá trình địa hóa và tính chất của các khoáng vật Theo Fecsman, ýnghĩa của năng lượng mạng tinh thể như sau :

1 - Quyết định độ bền cơ học, độ bền về nhiệt của hợp chất.

2 - Quyết định độ hòa tan và thứ tự kết tinh

3 - Quyết định tổ hợp cộng sinh của các khoáng vật và sự biến đổi của chúng dođiều kiện hóa lý thay đổi

4 - Quyết định sự tồn tại các loại mạng tinh thể trong những điều kiện khác nhaucủa vỏ trái đất

5 - Định hướng cho quá trình biến đổi đồng hình

IV- Đồng vị trong tự nhiên

Nguyên tử của các nguyên tố hóa học được đặc trưng bởi sự kết hợp nhất địnhcác hạt nucleon và được biểu hiện bằng các kí hiệu Z, N, A

Số Z- là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Số này bằng số protontrong nhân hay bằng số electron trong lớp vỏ ngoài của nguyên tử Z biến đổi từ 0 đến105

Số N- là số Nơtron trong nhân và biến đổi từ 1 đến lớn hơn 150( đồng vị của cácnguyên tố họ lantan)

Số A- là tổng số các nucleon có trong nhân hay gọi là số khối lượng

Giữa A, Z, N có sự phụ thuộc sau:

A= Z+N

N-Z: Độ dư của nơtron trong nhân

Những nguyên tử của một nguyên tố có số proton (Z) trong nhân giống nhauchiếm một ô trong bảng tuần hoàn thì gọi là những đồng vị Những đồng vị của mộtnguyên tố có số nơtron (N) khác nhau

Những nguyên tử có số khối A giống nhau, còn N và Z khác nhau thì gọi lànhững đồng khối ( isobars)

Những nguyên tử có số nơtron giống nhau nhưng A và Z khác nhau thì gọi lànhững đồng tử ( isotones)

Đa số các đồng vị không bền vững Nhưng trong số 340 đồng vị của Trái đất thì

273 đồng vị thuộc loại ổn định, trong đó có một phần có tính phóng xạ yếu

Các đồng vị tồn tại trong tự nhiên là các đồng vị ứng với mỗi proton của nhân có

từ một nơtron trở lên ( trường hợp ngoại lệ là proti) Số khối lượng của các đồng vị ởcác nguyên tố nhẹ thường gấp đôi số thứ tự A =2Z, tỉ số này dẫn đến tận canxi (40

20Ca).Những nguyên tố nặng hơn canxi thì số nơtron dãn dần vượt quá số proton

Nếu chia số khối của các đồng vị cho 4 ta có 4 loại đồng vị sau:

Nếu chia hết cho 4 ta có loại đồng vị 4q

Nếu chia cho 4 dư 1 có loại 4q+1

Nếu chia cho 4 dư 2 có loại 4q+2

Nếu chia cho 4 dư 3 có loại 4q+3

Việc phân loại trên cũng phù hợp với nguyên lý chẵn lẻ của các số proton,nơtron Tất cả các đồng vị có thể chia ra 4 loại như sau:

Nếu số A chẵn và nhân thuộc loại chẵn-chẵn thì có thể có cặp đôi hoặc cặp 3,nhưng hiệu số giữa các số Z phải là 2 và có thể là:

Nếu theo qui luật này thì các đồng vị đứng giữa là những đồng vị không bền và

dễ chuyển thành các đồng vị bên cạnh Song qui luật này chưa lý giải được sự vắngmặt các đồng vị bền vững và sự có mặt của các đồng vị không bền vững của cácnguyên tố trong tự nhiên

V-Tính chất cơ bản của hạt nhân và tính phóng xạ.

1 - Những tính chất cơ bản của hạt nhân.

Biểu hiện cơ bản của hạt nhân là điện tích và khối lượng Điện tích của hạt nhânđược xác định bởi số lượng proton Song phương pháp xác định khối lượng của hạtnhân nguyên tử bằng phổ khối lượng (của P.Aston) đã cho thấy có sự sai lệch giữakhối lượng thật với tổng số khối lượng của các hạt trong nhân Trong nhân nguyên tử

có sự thiếu hụt khối lượng (m) và nó liên quan với năng lượng Mối liên quan nàyđược biểu diễn theo công thức của A.Anstanh :

E=∆m c2

E- năng lượng liên kết của nhân ;

ra một năng lượng tương đương với m

Rõ ràng m là thước đo năng lượng hay là tiêu chuẩn và độ bền của hạt nhân.Năng lượng liên kết của nhân có thể biểu diễn bằng công thức :

1

)(A Z m m c

Zm p + − n −

mp – khối lượng của proton

mn – khối lượng của nơtron

m1 – khối lượng thật của nhân

Đơn vị khối lượng là 1/16 khối lượng đồng vị 16O tương ứng với năng lượng931.106CV ; 1CV = 1,602.10-19 Jun

Biết được m của nhân có thể xác định được năng lương liên kết E/A hay nănglượng liên kết riêng của từng hạt Hình I-4 biểu diễn sự thay đổi năng lượng liên kếtcủa các nguyên tố

Fe Ni

Hình I-4- Mối liên quan của năng lượng liên kết hạt nhân với khối lượng nguyên

tử ( Celinobvy 1950)Đường cong ban đầu đi lên theo chu kỳ sau đó đạt được cực đại tại 8,6-8,8

Mev/hạt đối với các nguyên tố nặng thì giá trị E/A giảm xuống tới 7,5 Mev ở 238U Nănglượng liên kết đạt cực đại tại trì cuối V,Cr, Mn, Fe, Co, Ni

Nhân nguyên tử có thể coi như hình cầu nhỏ Kích thước của nhân có thể biểuhiện bằng bán kính – tức là khoảng cách từ tâm đến nơi bắt đầu tác dụng lực hạt nhân

để liên kết các hạt vào hệ thống Kích thước bán kính hạt nhân tỷ lệ thuận với căn bậc

ba của số khối lượng:

r = r0

ro- bán kính của nucleon và bằng 1,4.10-13cm ;

A - khối lượng

Các đại lượng khác của nhân có thể là các momen hạt nhân, momen cơ, momen

từ và momen cực Momen cơ được tạo thành do sự quay của nhân quanh trục và cóđặc tính lượng tử Momen từ liên quan đến từ tính của nhân và momen cực đặc trưngcho đại lượng nén cực của nó

Đề cập đến vấn đề cấu trúc nhân nguyên tử để giải thích các tính chất và sự biếnđổi hạt nhân thì hiện nay cá hai giả thuyết hay hai mô hình Mô hình giọt lỏng và môhình vỏ

Mô hình giọt lỏng do Frenken và Bor đề xướng (1934-1940) Theo mô hình này,nhân được coi như những giọt lỏng có tỷ trọng siêu cao Tương tự như giọt lỏng thôngthường, hạt nhân có sức căng bề mặt, làm cho nó có hình cầu ứng với điện tích bề mặtnhỏ nhất Các proton gây ra lực đẩy culong và tiến tới làm rãn nở nhân cầu khi Z tăng,lực đẩy tăng nhanh, nhưng nó bị cản bởi các nơtron Ở đây các nơtron đóng vai trò gắnkết như xi măng trong hệ thống hạt nhân Mô hình giọt lỏng giải thích độ bền của cácnhân nhẹ với Z=N và nhân nặng với N/Z = 1,6 Mô hình này cũng giải thích quá trìnhphan chia các hạt nhân nặng

Mô hình vỏ coi nhân là một hệ thống gồm các vỏ nucleon tương tự như các vỏelectron của nguyên tử Chúng có thể được lấp đầy hoặc chưa lấp đầy Những nhânvới những vỏ được lấp đầy có cấu trúc bền vững Số nơtron hoặc proton ứng với các

vỏ nhân lấp đầy thường là các số sau đây : 2; 8; 20; 28; 40; 50; 80; 126 Những nhân

có số hạt như trên có độ bền vững cao so với các nhân của các nguyên tố bên cạnh.Như vậy nhân nguyên tử là một hệ thống phức tạp được cấu thành từ các hạtnucleon Hệ thống này có những tính chất của chất lỏng siêu tỉ trọng và có cấu trúc vỏđặc biệt

2 - Tính phóng xạ và các biến đổi hạt nhân.

Ngày nay người ta đã xác định được bốn loại phân hủy có liên quan nguồn gốcvới nhau và xảy ra trong điều kiện nhiệt động của Trái đất Đó là phân hủy beta (β),biến đổi k (lấy thêm e từ lớp k) ; phân hủy và phân hủy tự nhiên của các nhân nặng

a - Phân hủy β : quá trình biến đổi này theo quy tắc trượt của Fayans và Xodi :nguyên tố mới được thành tạo chiếm ô tiếp sau về phía phải của nguyên tố ban đầu bịphân hủy Số khối lượng không đổi Qúa trình phân hủy có dạng sau :

M

A

Z + e- → Z 1=A M

Electron bị hấp thụ thường ở lớp k- lớp gần nhất, do đó quá trình này gọi là biếnđổi k cũng có thể electron được lấy từ lớp khác như lớp L khi đó tạo thành nguyên tốmới dịch sang trái một ô trong bảng tuần hoàn.

c - Phân hủy α : thường xảy ra ở những nguyên tố nặng ở hai dãy cuối của bảngtuần hoàn ( Z>83) Sau khi phóng ra hạt α (nhân của heli) thì điện tích hạt nhân giảmhai đơn vị và khối lượng giảm bốn đơn vị tạo ra nguyên tố mới nằm về phía trái cáchhai ô Quá trình này được biểu diễn bằng sơ đồ sau :

M

A

4 2

−

− + 4α

2

Năng lượng của phân hủy α cao hơn năng lượng của phân hủy β

d - Sự phân rã tự nhiên của hạt nhân

Đây là quá trình tách nhân thành hai mảnh bay về hai hướng ngược nhau với tốc

độ lớn Khối lượng của những mảnh này tương ướng với các đồng vị ở phân giữa bảngtuần hoàn ( Z = 31+64) Sự phân rã này đã tạo nên các sản phẩm và giải phóng một vàinơtron tự do Một trong những sản phẩm bền vững là xenon (Xe) Một trong các dạngphân rã như sau :

Br

Pm n

n U

Kr

o o

Khi phân hủy phóng xạ ở các dạng khác nhau thường tạo nên các nhân bị kíchthích, sau đó mới chuyển sang trạng thái ổn định, phát ra các hạt – proton Tia γ gồm

những photon, chúng là những dao động điện tử rất mạnh

Tất cả các dạng phân hủy phóng xạ đều tuân theo một luật thống kê như sau : sốlượng của nguyên tử bị phân hủy trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với số lượng nguyên

tử ban đầu Định luật này có công thức sau :

Nt = No e-λt hoặc N0 = Nt eλt

N0 : Số nguyên tử ban đầu ; Nt số nguyên tử trong khoảng thời gian t

λ : là hằng số phân hủy ; e : cơ số logarit tự nhiên ( e = 2,718281 )

Hằng số λ chỉ ra lượng nguyên tử phóng xạ bị phân hủy trên một đơn vị thời gian(năm, tháng, ngày, giờ………)

Thường người ta đưa ra khái niệm chu kỳ bán phân hủy (T) Tức là khoảng thờigian mà khối lượng vật chất phóng xạ bị phân hủy một nửa Mối liên quan giữa λ và Tnhư sau :

T =

λ

2ln =

λ

693,0

Chu kì phân hủy của các nguyên tố phóng xạ là rất khác nhau, ví dụ 238U có T =4,51.10-9 năm

Các đồng vị nặng của các dãy cuối của bảng tạo nên các dãy đồng vị phóng xạ,

đó là loạt biến đổi và liên tiếp và kết thúc là nguyên tố chì (Pb) hoặc bismut (Bi).Trong loạt biến đổi thì kiểu đồng vị trong dãy vẫn không đổi

Dãy thêri 232Tn → 208Pb + 6H2 (kiểu 4q) chẵn - chẵn

Dãy neptun 237Np→ 209Bi + 7He (4q + 1) Lẻ - chẵn

Dãy Uran-radi 238U→ 206Pb + 8He (4q + 2) chẵn - chẵn

Dãy actini-Uran 235U→ 207Pb + 7He (4q + 3) chẵn – lẻ

3 - Sự biến đổi và tỉ lệ đồng vị trong tự nhiên.

Có hai quá trình biến đổi thành phần đồng vị của các nguyên tố trong tự nhiên

t : tuổi của khoáng vật và các đá

λ : Hằng số phân hủy (λβ là phân hủy của 40K; λe – chiều e

CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ THÀNH PHẦN CỦA TRÁI ĐẤT –

THÀNH PHẦN CÁC VẬT THỂ VŨ TRỤ

Vấn đề cấu tạo Trái đất rất khó khan đối với khoa học, bởi vì không có những sốliệu trực tiếp về long sâu của Trái đất Ngày nay việc nghiên cứu trực tiếp Trái đất mớichỉ được tiến hành trên lớp vỏ ngoài cùng tức là phần trên thạch quyển và phần dướikhí quyển

Hiện nay lò xuyên của mỏ sâu nhất thế giới ở Nam Phi đạt tới 3.500m Lỗ khoansâu nhất thế giới ở Liên xô đạt tới trên 12.000m Nếu tính rằng do các hoạt động kiếntạo, các đá dưới sâu được nâng lên, bị bào mòn và có thể quan sát được thì loài người

có thể nghiên cứu trực tiếp được tới độ sâu 15-20 km ( trong khi đó bán kính của Tráiđất là 6.378 km)

Như vậy lòng sâu Trái đất vẫn còn bí ẩn Song con người có những phương phápsuy đoán gián tiếp từ những số liệu nghiên cứu vũ trụ, từ số liệu địa vật lý, từ đó giảđịnh cấu trúc của Trái đất

Muốn hiểu biết về cấu tạo bên trong của Trái đất và thành phần của nó, trước tiên

ta phải hiểu được nguồn gốc vũ trụ của Trái đất dựa trên những giả thuyết hiện đại

I - Những giả thuyết về nguồn gốc Trái đất.

Những thuyết và nguồn gốc Trái đất tồn tại khá nhiều ta có thể phân ra làm hainhóm hoặc hai trường phái

1 - Thuyết “nóng’’ của Kant-Laplas

Theo thuyết này, nhờ hậu quả của lực ly tâm, khoảng vài tỉ năm về trước, xảy ra

sự tách hành tinh, trong đó có Trái đất ra khỏi Mặt trời Vật chất ban đầu tạo nên Tráiđất và các hành tinh ở trạng thái nóng chảy ( đầu tiên ở trạng thái khí sau đó ở trạngthái lỏng chảy) Dưới tác dụng của lực hấp dẫn vũ trụ, các vật chất đó dần dần tậptrung lại, đông đặc và nguội dần tạo nên Trái đất và các hành tinh khác Đồng thời nhờtác dụng của Trọng lực, trong quá trình đông đặc đã xảy ra sự phân dị vật chất nguyênsinh để tạo nên các địa quyển

Thuyết nóng tồn tại một thời gian khá dài Sau đó nó không giải thích đượcnhững hiện tượng mới mà thiên văn học đã phát hiện Chẳng hạn các vệ tinh của cáchành tinh chuyển động ngược chiều với chúng, hoặc một trong số những vệ tinh củasao hỏa chuyển động nhanh hơn chính sao Hỏa Những hiện tượng trên đòi hỏi có mộtthuyết mới đúng đắn hơn về nguồn gốc của hành tinh

2 - Thuyết ‘’nguội’’ của Smit.

Năm 1944 Smit đưa ra thuyết mới về nguồn gốc của hành tinh Ta có thể gọi làthuyết ‘’nguội’’, vì theo thuyết này, Trái đất và các hành tinh khác được thành tạo từthiên thạch và bụi vũ trụ Số liệu của thiên văn học cho thấy những thiên thạch và bụi

vũ trụ rất phổ biến trong không gian vũ trụ Khi chuyển động qua các đám bụi vũ trụthì các hành tinh cuốn chúng vào vòng sức hút của mình theo một quĩ đạo Như vậynhững hành tinh được bao quanh bởi những vật chất vũ trụ tạo thành dạng thấu kính.Trong quá trình chuyển động, các vật chất đó dần dần tập trung lại làm cho các hànhtinh lớn lên Do năng lượng phân hủy các nguyên tố phóng xạ và một phần năng lượng

do va chạm giữa các thiên thạch, vật chất được nung nóng lên đến nóng chảy Đồngthời do tác dụng của trọng lực đã xảy ra sự phân dị vật chất tạo nên các địa quyển

Những vật chất nặng được tập trung trong nhân, còn những vật chất nhẹ hơn tạo nênphần vỏ bên ngoài.

Theo thuyết này thì hành tinh ban đầu lớn lên rất nhanh, vì khi đó chúng có nhiềuvật chất vũ trụ bao quanh, sau đó tốc độ lớn giảm dần, đồng thời hàm lượng cácnguyên tố phóng xạ cũng giảm theo thời gian phân hủy

Hiện nay thuyết này được chứng minh bằng những số liệu của thiên văn học.Những số liệu địa vật lý, địa hóa cũng phù hợp với nó

II - Thiên thạch và ý nghĩa của chúng

Thiên thạch là những mảnh vỡ từ các hành tinh khác thuộc hệ thống mặt trời, rơivào Trái đất Hiện tượng sao băng là một bằng chứng cho thiên thạch Số lượng thiênthạch hàng năm rơi vào Trái đất chưa xác định được chính xác, chỉ ước đoán khoảnghàng trăm nghìn tấn

Khi rơi vào lớp khí quyển dày đặc của Trái đất, thiên thạch bị nung nóng chảy vàphần bên ngoài thường có dạng hình nón, lưỡi rìu

1- Phân loại thiên thạch.

Dựa vào thành phần hóa học, thiên thạch được chia ra các loại sau:

Trong thiên thạch có cả thảy 66 khoáng vật và chia ra các nhóm sau:

- Các nguyên tố tự sinh: sắt chứa niken (camaxit, tenit), đồng, vàng, kim cương,grafit, lưu huỳnh

- Các sunfua : Troifit, alamandin, penlandit, chancopirit, chancopyrotin, vanlerit,pirit, sfalerit

- Các oxyt : inmerit, manherit, cromit, spinen, các oxyt silic

- Nhóm phôt phat : apatit

- Các sunfat: gip, epxonit, axtrakhanit

- Các silicat: olivin, pyroxen, glagiocla, xecpentin, clozit, ziricon

Những khoáng vật chính của thiên thạch có: sắt chứa niken olivine (Mg,Fe)2SiO4, eustatit MgSiO3, bromxit (Mg,Fe)SiO3, hypecten FeSiO3, diopxitCaMg(SiO3)2, ogit Ca(Mg,Fe)SiO3, Proilit FeS

Ngoài ra trong thiên thạch còn gặp hàng loại các khoáng vật không có ở điều kiệnTrái đất Đa số các khoáng vật này thành tạo trong môi trường khử cao Trong thiênthạch còn chứa một lượng vật chất hữu cơ.

3 - Thành phần hóa học của thiên thạch.

Căn cứ vào thành phần của từng loại thiên thạch và tỷ lệ số lượng giữa chúng,người ta tính được thành phần trung bình của thiên thạch ( bảng II/2)

Trong thiên thạch phổ biến nhất là oxy rồi đến sắt, niken, manhe, sunfua, canxi,niken Trong thiên thạch sắt thì chủ yếu có sắt, niken, coban Trong thiên thạch đá thìthành phần phức tạp hơn và phổ biến là O, Fe, Si, Mg, S, Ca, Ni, Al Sự phân bố cácnguyên tố trong các loại thiên thạch tùy thuộc vào cấu trúc nguyên tử và các tính chấthóa học của chúng

Thiên thạch được chia ra các pha khác nhau: pha silirat, pha kim loại, pha sunfuatroilit Ứng với các pha khác nhau được đặc trưng bởi các nguyên tố:

- Các nguyên tố litofil thì tập trung chủ yếu ở pha silicat

- Các nguyên tố chancofil tập trung chủ yếu ở pha sunfua-troilit

- Các nguyên tố siderofil tập trung chủ yếu trong pha kim loại

Riêng sắt là nguyên tố có mặt ở tất cả các pha

4 - Ý nghĩa của thiên thạch.

Thí nghiệm ‘’đốt nóng chảy’’ cho thấy rằng khi nung nóng chảy nhiều lần mộtthiên thạch đá ở nhiệt độ 1.6000C trong vòng 40 giờ thì vật chất của chúng chia làmhai đới (sơ đồ dưới):

Dựa vào các kết quả thí nghiệm, Vinogradop khẳng định rằng Trái đất và thiênthạch có chung nguồn gốc Trái đất được thành tạo từ vật chất của thiên thạch và thành

Thiên thạch đá

Honđrit

K,Na, Ca, Th, U,…

Phần dễ nóng chảy Mg,N, Co, Cn,…

Phần khó nóng chảy

Đới 1 tương ứng với macma bazan (vỏ trái đất)

Đới 2 thành phần tương ứng đunit

phần của lớp manti ứng với thành phần của thiên thạch và quá trình hình thành vỏ tráiđất có thể như sau:

Dưới tác dụng của nhiệt, lớp manti bị nóng chảy và chia thành hai phần: phầnkhó nóng chảy và phần dễ nóng chảy Phần khó nóng chảy có thành phần giống dunit

là cơ sở để tạo nên lớp trên cùng của manti Phần dễ nóng chảy là cơ sở tạo thành vỏTrái đất do sự phân dị, phần dễ nóng chảy (có thành phần macma bazan, đã thành tạocác loại đá khác nhau Đồng thời với quá trình nung nóng chảy, các hợp chất khí, hơinước được thoát ra ngoài Đây là sự khử khí của manti, nó cung cấp vật chất cho thủyquyển và khí quyển

III - Thành phần của mặt trăng.

Ngày nay ngành khoa học vũ trụ phát triển, tạo điều kiện cho việc xác định bảnchất hóa học, khoáng vật học, thạch học của mặt trăng

Mặt trăng là vật thể hình cầu bao gồm các silicat có tỷ trọng trung bình 3,29g/m3 Tỷ trọng ở gần bề mặt là 3,1 đến 3,2 g/m3 Sự khác biệt chút ít về tỷ trọng giữacác đá gần bề mặt với tỷ trọng trung bình chứng tỏ sự phân dị yếu của mặt trăng Mặttrăng không có khí quyển

1 - Thành phần khoáng vật.

Lớp vỏ của mặt trăng có bề dày không lớn, khoảng 2 đến 10 km Phần dưới lớp

vỏ có khối lượng riêng lớn hơn và có thành phần giống như thành phần của thiên thạch

đá và các siêu mafic Lớp này có thể lộ ra bề mặt

Các đá của mặt trăng chỉ gồm số ít các khoáng vật, chủ yếu là pyroxen plagiocla(chiếm 76% đến 95% là anoctit), imenit và clivin Trong puroxen hàm lượng của Mg,

Fe và Ca thay đổi trong phạm vị lớn, ngược lại hàm lượng của Na, Ca trong plagioclathay đổi trong pham vi hẹp Trong đó đá có các biến thể của oxyt silicat (nhưCristobalit; tridimit), ngoài ra còn có feufat kali, amfibol, canxit Ngoài các khoáng vật

kể trên, ở Mặt trăng còn tồn tại các khoáng vật không gặp ở điều kiện vỏ trái đất như:Pyroxen manganit (khoáng vật giống pyroxene giàu mangan), feropxeudo-buskit(Fe,Mg)Ti2O5 Spinen chứa crom và titan và tranquilitit TiZ2O4- Sự có mặt của nhữngkhoáng vật này nói lên hàm lượng của Ti, Cr, Mn, Zr khá cao trong các đá ở Mặttrăng

2 - Thành phần hóa học.

Thành phần hóa học của Mặt trăng được thể hiện theo các nhóm nguyên tố ở 6mức khác nhau (bảng II/3)

Các nguyên tố có hàm lượng cao hơn Trái đất đó là Fe, Ti, Zr, đất hiếm Chúng

có chung những tính chất địa hóa, thể hiện rõ nét nhất là những nguyên tố họ sắt: Ti,

V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Y, Zr, Nb, TR

6 mức phổ biến các nguyên tố nguyên tố ở Mặt trăng

1 -10 Ca, Mg, Al, Ti

10-1 - 1 S, Na, K, Cr, Mn

10-2 - 10-1 C, N, P, Cl, Sr, Y, Zr, Ba

10-3 - 10-2 Li, Be, B, Cu, Ga, Rb, Ge, Tb, Ho, Tm,

Lu, Ta F, Sc, V, Co, Ni, Zn, Nb, La, Ce,

Thành phần đồng vị của các nguyên tố giống ở Trái đất Các đá mặt trăng rất cổ,

cổ hơn cả trái đất Tuổi tuyệt đối là 4,6 tỷ năm Điều này chứng tỏ rằng Mặt trăng làmột thiên thể vũ trụ tồn tại độc lập

IV - Cấu tạo của Trái đất.

1 - Những tài liệu nghiên cứu về cấu tạo Trái đất.

Khi nghiên cứu cấu tạo Trái đất người ta sử dụng những tài liệu thu được ởnhững lỗ khoan sâu Rõ ràng độ sâu những lỗ khoan này không đáng kể so với bánkính của Trái đất tuy nhiên việc nghiên cứu các quá trình kiểu tạo đã thu được nhữngkết quả ở phần sâu hơn của long đất Trải qua nhiều thời đại địa chất, các đá trầm tích,macma ở dưới sâu được nâng lên Điều đó cho phép chúng ta xác định thành phần hóahọc của vỏ trái đất ở độ sâu 15-20km Mặt khác nghiên cứu hoạt động của núi lửacũng cung cấp cho ta những tài liệu về thành phần của phần dưới vỏ trái đất

Ngày nay trên cơ sở những tài liệu địa vật lí hiện đại, người ta có thể xây dựngđược những mô hình tương đối tin cậy về cấu tạo của Trái đất Sau đây ta sẽ xét một

số tài liệu địa vật lý dựa vào các phương pháp khác nhau

Phương pháp trọng lực xác định được khối lượng riêng của các đá theo định luậttrọng trường Khối lượng riêng trung bình của Trái đất là 5,517 ± 0,04 g/cm3 Khốilượng riêng trung bình của các đá ở bề mặt là 2,65 g/cm3 Khối lượng của Trái đất làM= 5,927.1027g

Sự khác biệt giữa khối lượng riêng trung bình và khối lượng riêng của phần vỏ,chứng tỏ tồn tại các khối lượng đặc xít bên trong Trái đất

Sự biến đổi gia tốc rơi tự do dọc theo bán kính Trái đất từ ngoài vào tâm đượcxác định bởi sự biến đổi khối lượng riêng Sự biến đổi này xảy ra bởi hình dạng và sựquay của Trái đất Ta có công thức tính gia tốc:

aϕ = 972,045 (1 + 0,0053026 sin2ϕ - 0,0000059 sin2ϕ)

ϕ - Vĩ độ của điểm đo gia tốc

Giá trị gia tốc rơi tự do tại một điểm đo bằng máy trọng lực thường sai lệch sovới giá trị theo công thức Sự sai lệch này do những dị thường trọng lực tạo nên

Những dị thường này phản ánh sự phân bố khối lượng các đá không đều trong phạm vithạch quyển.

Gia tốc trọng trường tăng theo chiều sâu, đến một độ sâu nhất định nào đó đạt giátrị cực đại và giẩm xuống đến tâm trái đất đạt giá trị bằng 0

Phương pháp địa chấn nghiên cứu tốc độ truyền song địa chấn trong lòng sâuTrái đất Tốc độ truyền song địa chấn tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của tỉ trọng môitrường Theo tài liệu địa chấn người ta xác lập được cấu trúc lớp của Trái đất: chủ yếugồm 3 đới: vỏ trái đất, manti và trong cùng là nhân trái đất Rang giới giữa các lớpđược vạch ra do sự nhảy vọt về tốc độ truyền song địa chấn Những ranh giới này cóthể là ranh giới bậc I hoặc bâc II Sự nhảy vọt cực đại về tốc độ truyền song được xếpvào ranh giới bậc I Chúng vạch ra các ranh giới chính giữa các đới giữa vỏ và manti

có ranh giới Moho, tiếp đó là ranh giới giữa manti và nhân Ranh giới bậc II được xácđịnh do sự không đồng nhất trong từng đới kể trên Toàn bộ Trái đất theo số liệu địachấn chủ yếu là chất rắn Hiện nay trạng thái lý học của manti dưới và nhân chưa đượckhẳng định rõ ràng (ở dạng giả thuyết) Mãi đầu thế kỉ XX người ta mới khẳng địnhnhân từ độ sâu 2900 km trở vào

2 - Cấu tạo Trái đất theo những số liệu hiện đại.

Những số liệu mới nhất được nhiều người công nhận cho thấy rằng Trái đất gồmnhững lớp đồng tâm có thành phần và tính chất vật lý khác biệt nhau Khối lượng củacác lớp hoàn toàn không đồng nhất Phần lớn khối lượng của Trái đất tập trung trongmanti và nhân

Vỏ ngoài cùng của Trái đất và khí quyển, thủy quyển chỉ chiếm 1% khối lượng

Bảng II/4: Các lớp của trái đất

Tên gọi Bề dày

(km)

Thể tích(1027cm3)

Tỉ trọngtrung bình(g/cm3)

Khối lượng(1027g)

Khối lượng(%)

Nếu loại trừ khí và thủy quyển, Trái đất được chia ra các giới sau:

A – Vỏ trái đất D – Manti dưới G – Nhân trong

B – Manti trên E – Nhân ngoài

F E

C B A

D

2000 5000

Fe-Fes-Ni

O-Si-Mg-Fe

Si, Al, Fe,

Vấn đề bí ẩn này vẫn là cấu trúc nhân của Trái đất Đa số các tác giả trước đâycho rằng nhân bao gồm Fe-Ni giống thành phần thiên thạch sắt Riêng Bulen (1953) đãphân ra nhân trong và nhân ngoài có thành phần giống nhau nhưng trạng thái khácnhau Nhân ngoài ở trạng thái nóng chảy, nhân trong ở trạng thái rắn Nhờ việc nghiêncứu trạng thái vật chất ở nhiệt độ và áp suất cao, cộng với sự liên hệ về thành phần vậtchất của thiên thạch, người ta khằng định rằng: thành phần của nhân ngoài có lưuhuỳnh Chính sự có mặt của lưu huỳnh làm giảm nhiệt độ nóng chảy của vật chất(E.Rama Munti và G.Hol, 1970)

Đới F chính là đới chuyển tiếp giữa nhân ngoài và nhân trong, ở đây trạng tháivật chất cũng rất đặc biệt, song địa chấn giảm một cách đột ngột

Như vậy khái niệm hiện đại coi nhân Trái đất như một hình cầu và do phân dịhóa học nó được chia thành hai đới: Nhân ngoài gồm Fe-FeS-Ni ở trạng thái lỏng,nhân trong là Fe-Ni ở trạng thái rắn

V - Thành phần hóa học của Trái đất.

Nhiều nhà bác học đã thử tính toán thành phần hóa học của Trái đất, song các sốliệu đó có nhiều điểm khác biệt nhau Theo tính toán của Rama murti và G-Hol (1970)

So sánh thành phần hóa học của thiên thạch và Trái đất ta thấy về thành phầnnguyên tố nhìn chung giống nhau Riêng FeS ở trái đất giàu hơn song tổng lượng sắtbằng nhau Điều đó chứng tỏ lượng Sunfua (S) trong trái đất cao hơn và có thể suyđoán rằng: Trong lòng sâu trái đất cùng với lưu huỳnh có những nguyên tố tương tựnhóm lưu huỳnh như Fe, Te cũng được tập chung.

Bảng II/5Các oxyt và

các nguyên tố

Trái đất Thiên thạch

(honđrit)

Các oxyt vàcác nguyên tố

CHƯƠNG III : THẠCH QUYỂN

I - Cấu tạo của thạch quyển.

Vỏ Trái đất là lớp cứng ngoài cùng của trái đất bao gồm chủ yếu là các đá silicat

có nguồn gốc macma và trầm tích, người ta thường gọi là thạch quyển

Vỏ trái đất có bề dày thay đổi, ở lớp lục địa dày tập trung bình từ 30-50 km, ở đạidương từ 11-12km Cấu trúc của vỏ trái đất thể hiện ở địa hình bề mặt chúng Sự mấtcân đối về cấu trúc bề mặt trái đất chính là sự phân chia địa hình thành hai phần có cấutrúc khác nhau, đó là: phần vỏ lục địa và phần đại dương Diện tích của hai phần xấp

xỉ bằng nhau Sdd= 165,2 triệu km2 Slđ= 148,9 km2 Cấu trúc của chúng khác nhau và đikèm với sự khác nhau về thành phần cũng như xu hướng địa chất Sự mất cân đối nàykhông phải là ngẫu nhiên mà là nột đặc trưng của hành tinh

Vỏ trái đất có cấu trúc lớp và được chia làm hai lớp chính:

- Lớp granit ở trên có độ dày khoảng 15-20km, lớp này phổ biến ở các lục địa

ở biển sâu lớp này vắng mặt Lớp gram bao gồm các đá granit, các đá trầm tích và biếnchất Tốc độ truyền sóng địa chấn ở đây:

Sóng dọc V1= 6 km/s và song ngang V2= 3,5 km/s

- Lớp badan ở dưới, dày khoảng 10-40 km ở độ sâu nhất định Lớp bazan nàybao phủ toàn bộ trái đất Tốc độ truyền sóng địa chấn trong lớp bazan: sóng dọc V1=6,5-7 km/s, sóng ngang V2= 3,8 km/s

Tỷ trọng của các đá trong vỏ bazan rõ ràng lớn hơn so với vỏ granit Song theokết quả đo trọng lượng từ xa nhờ các vệ tinh vũ trụ cho thấy: lực hút trên đại dương vàtrên lục địa như nhau Điều đó chứng tỏ rằng sự khác nhau về tỉ trọng của các đá trên

vỏ trái đất ở dưới sâu đã dung hòa sự khác biệt về tỷ trọng các lớp trên vỏ

Theo đặc tính của sóng địa chấn trong vỏ trái đất, người ta thấy rằng phần lớn vỏtrái đất bao gồm các đá silicat cứng, mặt khác tồn tại các lò macma ở trạng thái nóngchảy từ đó cung cấp vật chất cho các hoạt động núi lửa phun ra ngoài mặt đất

Kết quả đo dòng nhiệt dưới sâu ở lục địa và đại dương như nhau, mặc dù hàmlượng các nguyên tố phóng xạ ở lục địa lớn hơn

Sự cân bằng về dòng nhiệt này chứng tỏ rằng có sự khác biệt về độ phóng xạ củavật chất ở manti của đại dương và lục địa

Sự mất cân đối về bề mặt của vỏ trái đất là kết quả của quá trình phân dị đứng

Sự phân dị ngang có ý nghĩa rất bé Hay nói cách khác là do các quá trình dưới sâu đãtạo nên sự mất cân đối của bề mặt vỏ trái đất

Sơ đồ cấu trúc vỏ trái đất theo quan điểm hiện đại như hình III-1

++++

+ ++++

II - Thành phần hóa học của vỏ trái đất.

1 - Ý nghĩa của việc nghiên cứu thành phần hóa học

Nghiên cứu thành phần hóa học của vỏ trái đất (cả định tính và định lượng) làmột nhiệm vụ to lớn của Địa hóa học, nó không những có ý nghĩa lịch sử về mặt lýthuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn Sau đây ta đề cập đến một số ý nghĩa về mặt lýthuyết

- Hàm lượng trung bình của một nguyên tố trong những vùng kĩ thuật cho phépkhai thác có liên quan đến giả cả của chúng Những nguyên tố có hàm lượng cao, phổbiến,dễ khai thác sẽ rẻ những nguyên tố hiếm

- Từ hàm lượng trung bình của các nguyên tố ta có thể tính ra hàm lượng tuyệtđối của các nguyên tố trong vỏ trái đất, đó là nguồn tài nguyên vô tận của tương lai (ở

vỏ trái đất cứ 1 km2 có : 130.106T Fe; 230.106T Al; 100.000T Sn; 80.000 tấn Co; 260tấn Ag; 180T Hg; 13T Au…)

- Hàm lượng của nguyên tố trong vỏ trái đất quyết định nồng độ của chúngtrong các quá trình địa hóa, tức là quyết định hướng tiến triển của các phản ứng trong

tự nhiên, kể cả thứ tự kết tinh khoáng vật

- Những nguyên tố hiếm thường tồn tại dưới dạng hỗn hợp đồng hình với cácnguyên tố phổ biến và đi vào mạng tinh thể của chúng Đây cũng là dạng nguyên liệumới cần thiết cho công nghiệp hiện đại

2 - Thành phần hóa học của vỏ trái đất.

Nghiên cứu thành phần hóa học của vỏ trái đất là vấn đề khó khan phức tạp, đòihỏi nhiều công sức để thu thập số liệu, đòi hỏi độ chính xác của phương pháp phântích và phương pháp tính toán tối ưu

Người đầu tiên nghiên cứu thành phần hóa học của vỏ trái đất là nhà bác học Clark Ông đã cống hiến 40 năm để tích lũy và tính toàn số liệu Ông sử dụng 6.000mẫu phân tích hóa các đá khác nhau từ khắp các lục địa Clark cho rằng: vỏ trái đất tới

Mỹ-độ sâu 16 km gồm 95% đá macma và 5% đá trầm tích Mặt khác các đá trầm tích được

học của vỏ trái đất Năm 1908 Clark đã công bố bảng số liệu đẩu tiên về thành phầncác nguyên tố hóa học của vỏ trái đất Bảng số liệu này vẫn còn có giá trị đến nay.Fecsman đã gọi hàm lượng trung bình của các nguyên tố trong vỏ trái đất là số Clark(bảng địa hóa các nguyên tố).

Sau Clark nhiều nhà bác học đã đính chính bảng số Clark và lần lượt công bố cácbảng số của mình như Fecsman A.E (1933-1939), Vinogradop A.P (1962) và Taylor.R(1964)

Vinogradop cho rằng vỏ trái đất chủ yếu bao gồm các đá granit và bazan, do đóthành phần hóa học trung bình của hai phần đá axit và một phần đá bazan là đại diệncho thành phần trung bình của vỏ trái đất

3 - Những qui luật về độ phổ biến của các nguyên tố trong vỏ trái đất.

Trên cơ sở phân tích những bảng số Clark ta có thể rút ra những kết luận hoàntoàn có tính qui luật về sự phân bố các nguyên tố hóa học trong vỏ trái đất

- Độ phổ biến của các nguyên tố trong vỏ trái đất rất không đồng đều, nó mangsắc thái tương phản rõ rệt, nếu so sánh các nguyên tố phổ biến và các nguyên tố hiếmnhất thì độ chênh lệch tới 1010 lần ( từ 47% đối với oxy đến n.10-11 đối với protactin).Nếu xếp các nguyên tố theo chiều giảm dần các trị số Clark ta có dãy O,Si, Al, Fe, Ca,

K, Mg, Ti, C, Cl… Dễ dàng thấy rằng tổng ba nguyên tố đầu tiên chiếm 84,85%, 9nguyên tố đầu là 92,18%, 12 nguyên tố đầu chiếm 99,95% Hơn 80 nguyên tố còn lạichiếm 0,05% Nhìn chung số Clark của các nguyên tố trong vỏ trái đất tỉ lệ nghịch với

số thứ tự của chúng trong bảng tuần hoàn Mendeleep Sự phụ thuộc đó thể hiện bằngcông thức sau:

K: trị số Clark K= n

Z

1 Z: số thứ tự của các nguyên tố

n: hệ số phụ thuộc

Từ công thức trên ta tháy các nguyen tố nằm ở đầu bảng tuần hoàn là phổ biếnnhất, tuy nhiên có những trường hợp ngoại lệ: ví dụ Li, Be có Clark rất bế mặc dùchúng ở đầu bảng Điều này được giải thích bởi sự kém bền vững hạt nhân của chúng.Thực nghiệm cho thấy nếu bắn phá những hạt nơtron với tốc độ cao vào hạt nhânLi,Be thì chúng bị phá hủy

- Tính trội thuộc về các nguyên tố có thứ tự chẵn Sự phụ thuộc này thể hiện rõ ởqui luật ôđô-Harkin: “ số Clark của nguyên tố có số thứ tự chẵn lớn hơn Clark cácnguyên tố có số thứ tự lẻ nằm cạnh nó” Sự phụ thuộc này ở vỏ trái đất kém rõ nét hơn

ở thiên thạch Ví dụ N (Z=7) + 1.10-2 % ; O (Z=8) 47 %; F(Z=9) 6,8.10-2 %

Trong số 28 nguyên tố đầu bảng tuần hoàn thì tổng số nguyên tố chẵn là 86,36%còn các nguyên tố lẻ chỉ chiếm 13,64% Trường hợp ngoại lệ là các khí trơ Li, Be, Ge.Đối với các khí trơ, vì tính trơ không tạo thành các hợp chất hóa học và chúng rất nhẹnên có therebay ra khỏi phạm vi lực hút trái đất, còn các nguyên tố Be, Li, Ge là do hạtnhân của chúng kém bền vững nên bị phân hủy chuyển sang nguyên tố khác

- Xét đến các đồng vị thì đồng vị loại 4q là phổ biến nhất, ví dụ 57Fe chiếm91,68%, các đồng vị còn lại 57Fe + 58Fe+ 59Fe chỉ chiếm 8,32% Điều này có liênquan đến độ bền của hạt nhân nguyên tử kiểu 49 Theo Fecsman, các đồng vị kiểu 49

chiếm 86,305 khối lượng vỏ trái đất, các đồng vị 49+3 chiếm 12,7%, hai loại còn lại49+2, 49+1 chỉ chiếm 1%.

Cần lưu ý là những qui luật về độ phổ biến của các nguyên tố trong vỏ trái đấttrong nhiều trường hợp, lặp lại những qui luật về độ phổ biến của các nguyên tố trongthiên thạch và trong vũ trụ, đặc biệt là đối với các thiên thạch đá Điều đó càng chứngminh một cách rõ nét về nguồn gốc chung giữa trái đất và vũ trụ Mặt khác sự khácbiệt về độ phổ biến của các nguyên tố có thể giải thích bằng lịch sử phát triển của từnghành tinh trong đó có trái đất Trong quá trình hình thành và phát triển của mình, Tráiđất luôn có sự trao đổi vật chất: thu nhận vật chất vũ trụ dưới dạng thiên thạch và mất

đi các nguyên tố nhẹ như He,H,N Bản than các nguyên tố cũng có sự thay đổi, đặcbiệt là các nguyên tố phóng xạ Kết quả của quá trình phóng xạ tạo ra các nguyên tốmới Do đó có thể nói các trị số Clark cũng thay đổi theo thời gian

Mặt khác trị số Clark của các nguyên tố không phải là cố định cho mọi khu vựctrên bề mặt đất: có những vùng trị số Clark cao hơn và có những vùng trị số Clark thấphơn vỏ trái đất Trị số Clark của một nguyên tố trong một vùng cao hơn trong vỏ tráiđất, chứng tỏ có sự tập trung nguyên tố đó trong vùng này và đó là dấu hiệu về sự cómặt của các khoáng sàng

Song trị số Clark cao chưa hẳn lúc nào cũng chỉ ra sự có mặt của kháng sàng mà

nó còn phụ thuộc vào khả năng tập trung và phân tán các nguyên tố nữa, chẳng hạn

Zn, Pb, Cu có số Clark tương đối nhỏ (1,6.10-3%, 0,04%; 0,01%) nhưng đây khôngphải là nguyên tố hiếm vì khả năng tập trung của chúng là lớn hơn khả năng phân tán,ngược lại titan, vadini có hàm lượng cao hơn nhơng khả năng tập trung kém nên người

ta vẫn gọi chúng là các nguyên tố hiếm

Có thể nói rằng vỏ trái đất là phần vỏ cứng nhẹ nhất của trái đất, trong đó oxyđóng vai trò chủ đạo với tư cách là một anion có khả năng tập trung những nguyên tốlitofil đặc trưng nhất, vai trò này quyết định cả sự tập trung các nguyên tố lẻ trong vỏtrái đất như Al, K, Na với hàm lượng cao hơn hẳn vật chất của manti và thiên thạch

Bảng trị số Clark của tác giả khác nhau

Bảng III/1

Số Z Nguyên

tố

Clark vàWashin-tơn(1924)

%TL

Fecman AE(1933-1939)

% TL

VinograđopAP(1962)

%TL

R.Taylor(1964)

CHƯƠNG IV: THỦY QUYỀN.

I – Khái niệm về thủy quyền và tính chất của nước.

1 – Khái niệm về thủy quyền.

Thủy quyền là phần vỏ nước của trái đất bao gồm tập hợp nước tự nhiên ở bề mặttrái đất: đại dương, biển, sông, suối, ao, hồ đầm lầy và nước dưới đất Độ ẩm của đất

Tổng khốilượng(105)

Phần trămkhối lượng

Ranh giới trên của thủy quyền khá rõ ráng, đó là bề mặt của đại dương biển,sông, suối, ao, hồ Ranh giới dưới phức tạp hơn nó có thể trùng với đáy đại dương,biển, trên thực tế nó có thể sâu hơn nếu tính đến cả nước ngầm trong trầm tích đáybiển

2 – Tính chất của nước.

Theo quan điểm địa hóa thì nước là chất có hoạt tính hóa học rất tích cực, nướcliên kết với nhiều oxit kim loại và á kim Để nghiên cứu tính chất của nước trước hết tanghiên cứu cấu tạo của nước

a – cấu tạo của nước: Nước là hợp chất đơn giản nhất của oxy với hydro, có côngthức H2O Khối lượng phân tử 18.016 Hydro có hai đồng vị là proti (1H) và đơti (1D).Oxy có 3 đồng vị: 16O, 17O, 18O

Trong tự nhiên gặp 9 biến thể đồng vị của nước Các biến thể này tồn tại theo tỷ

Biến thể D2O được gọi là nước nặng Các phản ứng xảy ra chậm hơn so với nướcthường, Người ta dùng nước nặng để làm chất làm chậm notron trong lò phản ứng hạtnhân.

Bảng IV-2 :Một số hăng số của nước thường và nước nặng

Khối lượng riêng ở 25oC (g/ cm3) 0,9971 1,1042

Cấu tạo phân tử của nước như hình IV – 1

Hình IV – 1: Sơ đồ cấu tạo phân tử nước (N.L Glinka)Phân tử nước có cấu tạo góc, những hạt nhân trong thành phần của nó tạo thànhhình tam giác cân mà đáy là hai proton còn đỉnh là hạt nhân nguyên tử oxy Khoáchcách giữa các hạt nhân O - H gần bằng 0,1 mm, khoảng cách giữa các hạt nhân nguyên

tử hydro bằng khoảng 0,15 mm Trong tám electron tạo thành lớp electron bên ngoàicủa nguyên tử oxy trong phân tử nước thì hai cặp electron tạo thành các liên kết cộnghóa trị O - H, gồm bốn electron còn lại tạo thành hai cặp electron không chia

Nghiên cứu trạng thái của phân tử nước người ta thấy rằng: phân tử nước ở trạngthái lỏng là chặt chẽ nhất, khi đó góc hóa trị (HOH) là 104,5o gần bằng góc của hìnhbốn mặt (109,5o) Ở trạng thái lỏng khoảng cách của oxy và hydro và hydro với nhau

là ngắn nhất

Phân tử nước ở trạng thái rắng, góc hóa trị (HOH) lớn và khoảng cách giữa cácnguyên tử là lớn do đó trọng lượng riêng nhỏ

b – Tính chất phân ly của nước

Nước tinh khiết dẫn điện rất kém, nhưng độ dẫn ddienj đó có thể đo được, điều

đó được giải thích bởi sự phân ly yếu của nước thành ion hydro và ion hydroxyn

=

α

-

-H

H

-