«ПО-ВИДИМОМУ, ПЕРИОДИЧЕСКОМУ ЗАКОНУ БУДУЩЕЕ НЕ ГРОЗИТ РАЗРУШЕНИЕМ, А ТОЛЬКО НАДСТРОЙКИ И РАЗВИТИЕ ОБЕЩАЕТ…» Д.И. Менделеев, 10 июля 1905 г.
Периодический закон и периодическая система химических элементов обусловили лавинообразное развитие научной мысли и возможности реализации научно-технического прогресса в различных сферах естествознания: аналитической и физической химии, геохимии, минералогии и петрологии, кристаллохимии, металлургии, химической технологии, включая производства стекла, керамики, стройматериалов и неорганических соединений, а также атомной физики, астрофизики и космологии. В настоящее время очевидно, что это фундаментальное открытие и его «ветви» представляют основу учения о строении вещества мироздания, его эволюции во времени и пространстве и формах существования материи. Этот закон явился инструментом многих открытий и способствовал формированию новых самостоятельных, в том числе прикладных направлений в развитии естественных наук. Со своей стороны, авторы представляют новую планетарно-симметричную конфигурацию периодической системы элементов как фундаментальную прогностическую основу развития наук о Земле, в том числе необходимую для инновационного развития и освоения ресурсной базы России. С использованием результатов сравнительного анализа распределения устойчивых ассоциаций элементов в рамках новой конфигурации ПСЭ и конформности спирально-вихревых и концентрически-зональных галактических, планетарных, геосферных и магматогенно-рудных структур, имитируемых изучением экспериментальных моделей, авторами сформулирована принципиально новая рабочая гипотеза о глобальном значении фазовой несмесимости (immistibility) вещества в подвижных средах как основном механизме его направленной и необратимой многоуровневой самоорганизации и дифференциации. Тем самым прогнозируются возможности и перспективы использования закономерностей распределения химических элементов, очевидных из планетарно-симметричной ПСЭ, и указанного механизма их избирательного концентрирования в расплавах, растворах и парогазовых образованиях в нетрадиционных ресурсно- и техноэкологических направлениях, включая создание дистанционных геотехнологических систем использования неисчерпаемых ресурсов из геосферных зон Земли.
Д.И. Менделеев и Периодический закон
Созданная 145 лет назад выдающимся русским ученым-химиком периодическая система элементов (ПСЭ), затем открытый на ее основе Периодический закон со временем были признаны достоянием общемировой науки. Совершенно справедливо международная научная общественность решила присвоить 101-му элементу ПСЭ имя ее создателя — менделеевит. Классификация химических элементов на основе Закона о периодичности их свойств, определяемой атомным весом и зарядом, позволила многим поколениям химиков и физиков открывать новые элементы, создавая новые их соединения, и промышленно-ценные минералы, совершать открытия мирового уровня, давать жизнь принципиально новым технологиям.
В представлении большинства людей Д.И. Менделеев — великий химик. Но, оказывается, из огромного количества произведений, оставленных Менделеевым (более 500), собственно химии посвящено лишь 9%. С гораздо большим основанием Дмитрия Ивановича можно было бы назвать физико-химиком, физиком или технологом — этим областям он посвятил не менее 60% своих работ; немалая доля его исследований приходится на геофизику — 5% и экономику — 8%. Д.И. Менделеев был действительным членом многих иностранных академий, обществ и учреждений, за исключением Российской академии наук. Каких только проблем не коснулся ученый: тончайшие химические исследования и сыроварение, пульсирующий насос и действие удобрений, температура верхних слоев атмосферы и наиболее удобные конструкции керосиновых ламп. Он летал на воздушном шаре и интересовался проблемами мореходства в условиях Северного морского пути, судостроением, стекольным производством и нефтехимией, занимался выработкой таможенного тарифа, возглавлял Главную палату мер и весов. Менделеев писал о мировом эфире и о картине Куинджи, о ледоколе «Ермак» и о разработке донецких углей… Ему принадлежит директивная мысль о необходимости глубокой переработки нефти: «сжигать нефть — всё равно, что топить печь ассигнациями», не потерявшая своего значения и в наши дни, когда российская экономика оказалась зависимой от экспорта нефти. «Сам удивляюсь — чего только я не делывал на своей научной жизни. И сделано, думаю, неплохо», — заметил как-то ученый. Он был блестящим преподавателем, любимцем студентов Петербургского университета и Технологического института, автором учебного курса и монографий «Основы химии» и «Органическая химия», переводчиком «Технологии», разделял общественно-политические взгляды и убеждения прогрессивного студенчества… Д.И. Менделеев выступил инициатором создания Российского химического общества, впоследствии реорганизованного также по его инициативе в Российское физико-химическое общество.
Попытки выделения и классификации элементов мироздания предпринимались еще в древности. Аристотель полагал, что существует единая первичная материя, наделенная четырьмя основными свойствами: теплом, холодом, сыростью и сухостью. Сочетаясь друг с другом, они дают материальные «элементы»: огонь, воду, воздух и землю, из которых составлены все тела. Согласно Аристотелю, «элементом называется первооснова вещи, из которой она слагается и которая по виду неделима на другие виды…» В историко-научной литературе было принято выделять простые вещества, существующие в природе и издавна используемые человеком. Во-первых, так называемые элементы древности: углерод, сера, золото, серебро, медь, железо, свинец, олово, ртуть. Во-вторых, это элементы, открытые в Средние века: мышьяк, сурьма, висмут, цинк, фосфор. С начала XIX века попытки систематизации химических элементов предпринимались в Германии, Франции, Англии, США. Предшественники Д.И. Менделеева — И. Деберейнер, Ж. Дюма, А. Шанкуртуа, У. Одлинг, Дж. Ньюлендс, Л. Мейер и др. — установили существование отдельных, невзаимосвязанных групп элементов, сходных по химическим свойствам, но не провели, как мы теперь знаем, теоретических обобщений, необходимых для понимания и формулирования Периодического закона. Первый набросок периодической системы элементов, названный Д.И. Менделеевым «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», составлен 1 марта 1869 года. Тем не менее ПСЭ вначале во многом представляла эмпирическое обобщение фактов, поскольку был неясен физический смысл Периодического закона. На протяжении последующих лет он совершенствовал свое открытие, ввел представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить емкость малых и больших периодов, вследствие чего структура периодической системы элементов приобрела современные очертания.
Д.И. Менделеев впервые ввел представление о ключевом положении элементов в ПСЭ, определяемом номерами периода и группы. Опираясь на это представление, он пришел к выводу о необходимости изменения принятых тогда атомных весов некоторых элементов и впервые предсказал существование и основные свойства нескольких неизвестных элементов, которым соответствовали незаполненные клетки системы. В этом состояло первое практическое применение ПСЭ, чрезвычайно важное для ее эволюции и всемирного признания. Ярким примером является предсказание им места в таблице и свойств «экаалюминия» (будущего Ga, открытого П. Лекоком де Буабодраном в 1875 году), «экабора» (Sc, открытого шведским ученым Л. Нильсоном в 1879 году) и «экасилиция» (Ge, открытого немецким ученым К. Винклером в 1886 году). Вышеуказанные зарубежные коллеги — предшественники Дмитрия Ивановича систематизировали химические элементы с использованием очевидных закономерностей в численных величинах атомных весов, что давало повод для оспаривания его приоритета. Более того, Лондонское королевское общество в 1882 году присудило золотые медали Дэви совместно Менделееву и Мейеру, а в 1887-м еще и Ньюлендсу. В 1868 году Л. Мейер опубликовал наиболее полную из предыдущих полудлинную форму таблицы элементов, однако она не охватывала всех известных элементов и была еще далека от правильного завершения их классификации. В последующие годы по поводу периодической системы Л. Мейер вынужден был признать: «Это всё было Менделеевым опубликовано до меня и вообще впервые. Я открыто сознаюсь, что у меня не хватило смелости для таких дальновидных предположений, какие с уверенностью высказал Менделеев». В 1870 году Российскому химическому обществу Дмитрием Ивановичем была доложена «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств еще не открытых элементов», т.е. Sc, Ga и Ge как аналогов B, Si Al. В 1871 году в итоговой статье «Периодическая закономерность химических элементов» Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомного веса». Тем самым эмпирика табличной формы ПСЭ получила завершенный физический смысл Закона периодичности. Это дало основание Д.И. Менделееву оценить свою роль в открытии Периодического закона следующим образом: «Ни де Шанкуртуа, которому французы приписывают право на открытие периодического закона, ни Ньюлендс, которого выставляют англичане, ни Л. Мейер, которого цитировали иные как основателя периодического закона, не рисковали предугадывать свойства неоткрытых элементов, изменять принятые веса атомов и вообще считать периодический закон новым, строго поставленным законом природы, могущим охватывать еще доселе необобщенные факты, как это сделано мною с самого начала (1869)».
Вместе с тем в первоначальном варианте ПСЭ оставались нерешенными две проблемы, обусловленные неопределенностью положения групп инертных газов, имеющих нулевую валентность, и 15 редкоземельных элементов (РЗЭ). В 1900–1902 годах Д.И. Менделеев, Уильям Рамзай, первооткрыватель инертных газов, и Богуслав Браунер (РЗЭ) произвели модернизацию ПСЭ. Во-первых, с открытием аргона была выделена нулевая группа элементов, представленных инертными газами. Их открытие стало для Д.И. Менделеева неожиданным, хотя много времени в его творчестве было уделено поискам элементов «легче водорода» в связи с попытками выяснить химическую природу и структуру «мирового эфира». Результатом явилось размещение гелия и элементов нулевой группы в левой части ПСЭ, над которыми в первоначальном ее варианте были помещены гипотетические элементы «x» (ньютоний) и «y» (короний). К 30-м годам прошлого столетия, после создания А. Эйнштейном теории относительности, вера в существование однородного эфира в науке перестала существовать. Однако понятие структурного эфира, введенное Д.И. Менделеевым, возможно, требует дополнительного внимания, но уже с позиций элементарных частиц и квантовой физики. После ухода из жизни Д.И. Менделеева в 1906 году, т.е. без его ведома, нулевая группа была перенесена вправо, в ее конец, т.е. в 8-й период, что исказило ее первоначальный физико-химический смысл и до сих пор вызывает целый ряд недоуменных вопросов относительно размещения ряда элементов в «неестественных» для них ассоциациях — например, Fe среди инертных газов.
Д.И. Менделеев считал, что «…Задачу тяготения и задачи всей энергетики нельзя представить реально решенными без реального понимания эфира как мировой среды, передающей энергию на расстоянии». Обнаружение физиками в текущем столетии «темной материи» и «темной энергии», природа которых остается не расшифрованной, по мнению авторов, свидетельствует в пользу многолетних попыток Менделеева расшифровать природу структурного эфира. Тем более, что эксперименты Н. Теслы с получением и передачей энергии «из ничего» до сих пор не нашли научного обоснования. Существует мнение, что результаты этих экспериментов оказались конкурентными относительно сложившейся в мире углеводородной энергетики, чем, возможно, и объясняется прекращение финансирования Н. Теслы Дж. Морганом (США). Мировое правительство, могущество которого базируется на нефти (Рокфеллер и Ко) и золоте (Ротшильд и Ко), не может открыть доступ человечеству к неисчерпаемому источнику энергии, который открывало изучение свойств «мирового эфира».
Во-вторых, за пределами классической ПСЭ осталась группа редкоземельных элементов. Б. Браунер определил место всей их совокупности из-за подобия свойств в одной клетке IV группы на месте церия. В современной ПСЭ эти элементы занимают место лантана (№57–71) и получили общее наименование как лантаноиды; обособленное положение в этой же группе занимает иттрий, а также близкий к нему по свойствам скандий (рис. 2).
На протяжении последующих лет Менделеев совершенствовал открытие, ввел представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить емкость малых и больших периодов, вследствие чего структура периодической системы элементов приобрела современные очертания. Д.И. Менделеев опубликовал различные формы ПСЭ, в том числе короткую и длинную. Надо отметить, что компактная короткая форма ПСЭ широко использовалась при обучении в течение более 100 лет и до сих пор находится на рабочих столах физиков и химиков. В настоящее время Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в качестве стандартной предлагает вариант таблицы ПСЭ, разбитой на 7 периодов и 18 групп, пронумерованных арабскими цифрами, причем лантаноиды и актиноиды размещаются, как было принято ранее, под основной полудлинной формой таблицы. В указанной общепринятой таблице химических элементов ИЮПАК различные категории и семейства элементов выделены соответствующим цветом (сайт meta-synthesis.com) — рис. 2.
Сегодня ПСЭ и Периодический закон являются фундаментом физической химии, существенно помогая решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых материалов, являются концептуальной основой преподавания химии в средней и высшей школе. ПСЭ Д.И. Менделеева позднее неоднократно дополнялась и постепенно завоевала признание как фундаментальное научное обобщение.
В отличие от ПСЭ, доказавшей неоднократно свою ценность в качестве прогностического инструмента научного познания, особенность Периодического закона заключается также в том, что он не имеет количественного математического выражения в виде уравнения. На это замечание критиков в работе Д.И. Менделеева «Периодическая законность химических элементов», в частности, сказано: «...Отсутствие до сих пор строгого аналитического выражения для Периодического закона, по моему мнению, определяется тем, что он относится к области еще очень новой для математической обработки. Что же касается до отсутствия какого-либо объяснения сущности рассматриваемого закона, то причину тому должно искать прежде всего в отсутствии точного для него выражения. Он рисуется ныне в виде новой, отчасти только раскрытой, глубокой тайны природы, в которой нам дана возможность постигать законы, но очень мало возможности постигать истинную причину их законов. Так, закон тяготения известен уже два столетия, но все попытки его объяснения доныне мало удачны. Словом, широкая приложимость Периодического закона при отсутствии понимания его причины — есть один из указателей того, что он очень нов и глубоко проникает в природу химических явлений, и я, как русский, горжусь тем, что участвовал в его установлении...»
Примечательно, что роль российских ученых в открытии стабильных химических элементов (70 во времена Менделеева) более чем скромна (1 элемент):
Швеция — 22 открытых элемента: кобальт, никель, фтор, хлор, марганец, барий, молибден, вольфрам, иттрий, тантал, церий, литий, селен, кремний, торий, ванадий, лантан, тербий, эрбий, скандий, гольмий и тулий; Англия — 20 элементов: водород, азот, кислород, стронций, ниобий, палладий, родий, осмий, иридий, натрий, калий, магний, кальций, таллий, аргон, гелий, неон, криптон, ксенон, радон; Франция — 15 элементов: хром, бериллий, бор, йод, бром, галлий, самарий, гадолиний, диспрозий, радий, полоний, актиний, европий, лютеций, франций; Германия — 9 элементов: уран, цирконий, титан, цезий, рубидий, германий, индий, протактиний, рений; Австрия — теллур, празеодим, неодим; Дания — алюминий, гафний; Швейцария — иттербий; Россия — рутений.
Однако родиной объединившего их Закона периодичности стала Россия. В настоящее время очевидно, что открытие российского ученого из Тобольска представляет собой прочный фундамент учения о формах существования материи, строении вещества, эволюции мироздания во времени и пространстве.
Новая планетарно-симметричная конфигурация периодической системы элементов
Авторы представляют новую планетарно-симметричную конфигурацию периодической системы элементов как фундаментальную прогностическую основу наук о Земле, в том числе необходимую для инновационного развития и освоения ресурсной базы России, для многоцелевого использования проявлений фазовой несмесимости расплавов, растворов и парогазовых образований в нетрадиционных энерготехноэкологических направлениях и, наконец, для создания научно-методических основ рационального управления процессами обезвреживания, переработки, утилизации и захоронения отходов производства и потребления.
Этот закон явился инструментом многих открытий и способствовал формированию новых самостоятельных, в том числе прикладных направлений в развитии естественных наук. Выделяются три этапа эволюции самой периодической системы элементов: химический, электронный и ядерный. На первом из них изучались свойства химических элементов в связи с их атомным весом и создавались модификации периодической таблицы применительно к решению различных фундаментальных и прикладных задач, в том числе химических, минералого- геохимических и технологических. На втором этапе исследовались электронные оболочки атомов, был сделан вывод о зависимости свойств элементов от их заряда и предложены квантомеханические обоснования Периодического закона. Наконец, третий этап был посвящен изучению строения атомного ядра, что позволило обнаружить функциональную зависимость периодических свойств элементов от строения их атомных ядер.
В отличие от классической таблицы Д.И. Менделеева, новая планетарно-симметричная конфигурация периодической системы элементов в полярных и декартовых координатах демонстрирует секторную симметрию в строении электронных оболочек атомов и, следовательно, обусловливает нетрадиционные возможности использования периодичности свойств химических элементов в фундаментальных и прикладных целях (рис. 3, 4). Главными особенностями рассматриваемой конфигурации элементов периодической системы являются: центральная симметрия известных элементов относительно водорода и гелия, зеркальная симметрия между смежными главными и побочными подгруппами относительно осей координат, компактное размещение в таблице триад переходных элементов, а также лантаноидов, актиноидов и трансактиноидов в соответствии с их конфигурационными индексами.
Система включает центральное поле, представляющее собой замкнутую энергетическую зону для элементов с первой электронной оболочкой и шесть обрамляющих его кольцевых энергетических зон (периодов) размещения элементов с последовательно возрастающим числом электронных оболочек. Горизонтально и вертикально размещенные группы элементов тех же энергетических зон в декартовой системе координат образуют обычные семейства элементов с подобными свойствами, которые эквивалентны группам и подгруппам классической периодической системы химических элементов. Группы элементов с подобными свойствами в этой системе координат образуют горизонтальные и вертикальные семейства элементов, которые размещены вдоль осей координат таким образом, что главные подгруппы восьми групп элементов являются осевыми для всех семи больших и малых кольцевых периодов, а десять побочных проходят только через четыре внешних больших периода (с 4-го по 7-й). При этом ближайшие к центру системы главные и побочные подгруппы элементов, а именно: первая — вторая, пятая — шестая размещены зеркально-симметрично относительно оси абсцисс и, соответственно, третья — четвертая, седьмая — восьмая подгруппы размещены зеркально-симметрично относительно оси ординат. Расходящиеся от центра системы координат линейные группы элементов размещены так, что восемь больших, десять средних и четырнадцать малых линейных групп образуют группы элементов с подобными химическими свойствами. Важнейшей особенностью новой конфигурации периодической системы, в отличие от прежних классических форм, является то, что лантаноиды (элементы 57–71), актиноиды (элементы 90–103) и трансактиноиды (элементы 105–118) нашли свое место внутри нее в шестом и седьмом периодах. Полное завершение седьмого периода происходит на элементе с порядковым номером 118, который является аналогом радона. Таким образом, в рассматриваемой модели периодической системы шесть кольцевых семейств элементов вместе с центральным из двух элементов, ответственных за внутреннюю энергетику Солнечной системы и, возможно, нашей планеты, образуют семь полностью завершенных периодов, моделируя в известном смысле структуры электронных оболочек соответствующих атомов.
Векторные формы периодической системы представляют собой, по существу, планетарно-симметричную модель строения электронных оболочек атомов в табличной форме. Эта модель обладает очевидными прогностическими свойствами, так как содержит наиболее полную информацию об электронном строении оболочек известных элементов, что позволяет прогнозировать электронные конфигурации и свойства атомов и их соединений для химических элементов, которые еще не открыты. Прогнозирование электронных конфигураций еще не открытых элементов (110–118) или уже открытых, но полностью не изученных (102–109), облегчается сравнением индексов электронной конфигурации соседних по подгруппам элементов с известными свойствами и ближайших элементов по периоду.
Развитие современных квантовых и ядерных технологий обусловило возникновение множества новых вопросов о границах периодической системы, островах стабильности трансурановых элементов, способах получения и исследования сверхтяжелых атомов. Перспективы решения этих вопросов определяются уровнями развития ядерной физики изотопов как новейшего направления в изучении и практическом использовании зависимости периодических свойств элементов от строения и устойчивости их атомных ядер. С открытием в 1940 году нептуния как нового элемента путем бомбардировки ядер урана нейтронами сбылось предсказание Д.И. Менделеева о существовании более тяжелых сравнительно с ураном элементов. В последующий 30-летний период этим методом с использованием различных «элементарных» (или фундаментальных) частиц был открыт целый ряд трансурановых элементов (93–105), а обнаружение возможностей взаимного превращения (трансмутации) элементов позволяет прогнозировать открытие элементов гипотетических 8-го и 9-го периодов (Г. Сиборг, В. Гольданский и др.). В связи с этим особую актуальность приобретает разработка новых, удобных для восприятия анализа прогнозов способов построения периодической системы, так как количество ядерных изотопов почти в 20 раз превышает уже известное число элементов, включающее выносимые за пределы традиционной клеточной формы лантаноиды и актиноиды.
С современных позиций дальнейшее совершенствование и практическое использование Периодического закона с целью решения главной проблемы — создания системы знаний об эволюции звездного, планетарного (включая земное) и рудного вещества должно осуществляться, соответственно, на уровнях внутриядерного, ионно-электронного и молекулярно-кристаллохимического состояния и взаимодействия, т.е. в соответствии с тремя вышеуказанными этапами развития периодической системы. В свою очередь оптимальное соотношение необходимых для этого исследований определяется всё возрастающими потребностями человечества при весьма ограниченных в настоящее время и в обозримом будущем его возможностях. В связи с этим очевидна необходимость объективного выбора приоритетов развития наших знаний в соответствии с прогнозируемой актуальностью и вероятностью реализации их приложений. Среди последних важнейшими представляются обеспечение человеческого общества новыми, практически неограниченными источниками энергии, полезными ископаемыми, новыми синтезируемыми материалами и, наконец, условиями экологически безопасного и комфортного существования.
С этих позиций авторы рассматривают в ретроспективе различные варианты использования классической таблицы Д.И. Менделеева в геологии, геохимии, минералогии, петрологии и экологии, а затем — прогностический потенциал и перспективы использования ее планетарно-симметричных моделей в современных приоритетных направлениях развития наук о Земле. В настоящее время «метастабильное» состояние последних ориентирует на использование возможностей векторной конфигурации периодической системы элементов прежде всего в полярных координатах и малоизвестных проявлений контрастной дифференциации вещества в условиях фазовой несмесимости в качестве стимуляторов развития новых фундаментальных направлений наук о Земле, определяющих будущее мирового сообщества за счет использования неисчерпаемого потенциала земных энергетических и материальных ресурсов.
Необходимо заметить, что принцип «звездной симметрии» периодической системы неоднократно использовался в прикладных целях, начиная с открытия предсказанных Д.И. Менделеевым новых элементов — галлия, скандия и германия. Эти элементы относятся к категории редких металлов, рассеянных в горных породах и рудах и в то же время обладающих свойствами, обеспечившими их широкое использование в современных высоких технологиях — аэрокосмических, военных и др. В максимальной степени «звездность» периодической системы, проявленная в окружении каждого ее элемента четырьмя главными соседями по координатным осям и четырьмя второстепенными — по диагоналям, была использована А.Е. Ферсманом в геохимических целях, т.е. при разработке и описании закономерностей распределения химических элементов в земной коре, выделении их естественных ассоциаций (парагенезисов) в горных породах, рудах и минералах и, наконец, при характеристике процессов геохимической миграции, обеспечивающих формирование рудных концентраций и промышленных месторождений. Вслед за В.И. Вернадским как основоположником планетарной геохимии и зарубежными коллегами Ф. Кларком, В. Гольдшмидтом, П. Ниггли и др. А.Е. Ферсман оценивал рудо- и минералообразующие процессы с учетом изоморфизма между химическими элементами, определяемого их положением в периодической системе и близкими параметрами (радиусами ионов, их зарядами, типами химических связей и т.д.). Однако в отличие от своих предшественников, рассматривавших Периодический закон без учета фактора времени, А.Е. Ферсман анализировал геохимические приложения периодической системы «в конкретных условиях пространства и времени», т.е. в динамике изменения основных физико-химических параметров магматогенно-рудных систем — температуры и давления, регулирующих процессы концентрации рудного вещества в расплавах, их газовой фазе и конденсатах и формирующихся во вмещающих породах гидротермальных растворах. Очевидно, что широкий диапазон этих параметров в природных средах и процессах (звезды, планеты, глубины и поверхность Земли и т.д.) обусловливает значительные изменения в структурах электронных оболочек каждого атома, их зарядов и других свойств, со снижением температур и давлений от звездных до земных, всё более соответствующих закону периодичности элементов.
Изоморфизму химических элементов в химии и особенно в геохимии как фактору, определяющему их парагенетические ассоциации в процессах рудообразования и, следовательно, поисково-оценочные критерии различных видов минерального сырья, уделено основное внимание исследователей (изоморфные ряды В.М. Гольдшмидта и В.И. Вернадского, диагональные — А.Е. Ферсмана, бинарные соединения — сплавы и т.д.). Сравнительный статистический анализ основных параметров всех известных пар изоморфных элементов, выполненный К.А. Власовым (1963 год), позволил существенно скорректировать сложившиеся представления о преимущественной зависимости степени изоморфизма элементов от близости их ионных радиусов. Результаты этого исследования позволили выявить определяющую роль в проявлениях изоморфизма порядковых номеров и атомных весов (заряда) элементов и сформулировать следующее правило: элементы (в форме катионов и анионов) изоморфны, если отношения их порядковых номеров и атомных весов близки к единице и четным числам — 2 или 4. Соответственно, в периодической зависимости от последних находятся многие физико-химические свойства химических элементов, определяющие их изоморфизм. Следовательно, возможности концентрирования или пространственной разобщенности химических элементов в процессах дифференциации магм и рудо- образующих субстратов в земных недрах с формированием минеральных ассоциаций и месторождений определяются близостью указанных отношений к числам 1, 2, 4 и соответствующей периодичностью физико-химических свойств элементов. Этот вывод имеет особое значение для анализа условий и закономерностей распределения в геохимических процессах редких и редкоземельных элементов, которые рассматривались К.А. Власовым в качестве «меченых атомов» магматогенно-рудных систем, наиболее активно и отчетливо реагирующих на изменения физико-химических параметров дифференциации этих систем. При этом принципиально важным представляется вывод о преимущественных проявлениях физико-химических свойств элементов, обусловленных изоморфизмом, до стадии кристаллизации минералообразующих систем, т.е. в их жидком состоянии. В связи с этим уместно вспомнить, какое определяющее значение в процессах дифференциации магм и рудных расплавов придавал патриарх Российской школы кристаллографии и кристаллохимии Н.В. Белов «динамической кристаллохимии», неоднократно подчеркивая тот факт, что все реакции минералообразования завершаются в жидком состоянии, в то время как процесс кристаллизации фиксирует их результат. Новым импульсом в развитии этих идей и использовании таблицы Д.И. Менделеева явилось создание минералого-кристаллохимической систематики элементов А.А. Годовиковым.
В отличие от изоморфизма элементов, физико-химический механизм их разделения и избирательного концентрирования в минеральных формах и их парагенетических ассоциациях остается наименее изученным.
Конформность спирально-вихревых и концентрически-зональных галактических, планетарных и геосферных структур
Создание планетарно-симметричной модели периодической системы элементов, по мнению авторов, открывает новые возможности изучения и анализа всей совокупности процессов, обеспечивающих распределение и концентрацию вещества в галактических, планетарных и различных геосферных системах, для которых характерна конформность спирально-вихревых, концентрически-зональных и подобных им структур. Проведение такого анализа с современных методологических позиций синергизма и периодичности рассматриваемых процессов в неравновесных системах может придать новый импульс фундаментальным исследованиям и прикладным разработкам в области нетрадиционной энергетики, поисковой геологии, гео- и техноэкологии.
Галактические системы, согласно данным астрофизики, в объеме представляют собой дисковидные скопления звездного вещества, закрученного в плоскости диска в спирально-вихревые структуры, центры которых представлены наиболее молодыми «горячими» звездами, ветви (рукава) спиралей — различно чередующимися вкрест их простирания скоплениями межзвездного газа (в основном водорода) и пыли, звезд «среднего возраста» и несоизмеримо малыми относительно звезд телами планет, в то время как в сфероидальной короне, обрамляющей диски галактик, сосредоточены более холодные «старые» звезды (рис. 5). Ядра дисков представлены звездами и вращающейся диффузной средой из ионизированного, в меньшей степени — атомарного и даже молекулярного водорода, разгоняемого не только по кругу, но и в радиальном направлении. Вращение диска обусловливает сжатие (коллапсирование) звездного вещества и развитие в недрах звезд ядерных реакций. В пределе возможны два варианта завершения процесса эволюции звездного вещества: его коллапсирование с образованием нейтронных «черных дыр» или взрыв с образованием «сверхновых» звезд.
Внутренняя энергетика этих процессов обеспечивается ядерными реакциями, закономерная последовательность которых включает начальный водородный цикл и далее определяется вовлечением в реакции горения ядерной части звезд и их скоплений Не, С, Ne, О, Si и других элементов первых четырех периодов и соответствующих групп центра рассматриваемой периодической системы. При этом продукты горения последовательных циклов представлены: водородного — Не, гелиевого — С и О, углеродного — Ne, Mg, Na, неонового — О и Mg, кислородного — элементами от Si до Са, кремниевого — элементами от Sc до Ni (в соответствии с их порядковыми номерами). Процесс «выгорания» звездного вещества, варианты и стадии его завершения определяются звездной массой, исходным составом, вариациями плотности и многими другими факторами, включая скорость вращения, воздействие электромагнитных полей и т.д.
Согласно расчетам, первичное вещество нашей Галактики состояло преимущественно из водорода (75%) и гелия (25%). Соответственно, химический состав звезд, судя по спектрам их внешних оболочек, в основном соответствует распространенности элементов 1–2-го периодов в космосе, а всё разнообразие состава и свойств звездного вещества в значительной мере определяется характером и степенью «выгорания» ядерного топлива. Так, например, согласно справочным данным по физике космоса, астрофизиками обнаружены «аномальные» по составу звезды — углеродные (с углеродным циклом ядерных реакций), звезды с повышенной «металличностью» относительно водорода, звезды ранних стадий развития с повышенной концентрацией лития и поздних стадий — с повышенными содержаниями титана (4-й период) и циркония (5-й период). Литий, бор и бериллий концентрируются в звездных ядрах и, как правило, разрушаются в термоядерных реакциях. С другой стороны, обнаружение в звездах повышенных концентраций бария (5-й период) и технеция (6-й период) в соответствии с законом периодичности позволяет рассматривать их в качестве остаточных продуктов ядерных реакций, характерных для «старых» звезд. Последние должны обладать наибольшей гетерогенностью своего состава и строения, включая определенную степень расслоенности. С этих позиций представляет интерес обнаружение в одной из звезд ядра планетарной туманности («белом карлике») цинка (3-й период) в ассоциации с барием и празеодимом (З-й период), а в аномальной звезде Кентавра — повышенных концентраций фосфора (3-й период), превышающих норму в 100 раз, галлия (4-й период) — в 8000 раз и криптона (4-й период) — в 1300 раз при крайне незначительном содержании гелия относительно водоро- да — всего 2,3% и незначительном содержании кислорода — в 6 раз ниже нормы. Примечательно, что гелий этой звезды представлен изотопом 3Не, не характерным для поверхности Земли, но обнаруженным в повышенных количествах на Луне.
В целом всё это свидетельствует о значительной степени гетерогенности звездного вещества и позволяет предполагать дискретно-эволюционный характер его дифференциации в процессах самоорганизации рассматриваемых систем.
Таким образом, установленный к настоящему времени диапазон образования и распределения химических элементов в звездных системах, не ограниченный временем и пространством, в целом соответствует периодичности распределения основных элементов в центре (1–4-й периоды) и далее во всех периодах рассматриваемой симметрично-планетарной системы (рис. 3). В то же время очевидно, что формирование химической и структурной неоднородности звездного вещества обусловлено не только ядерными превращениями элементов, но и другими процессами, прежде всего волновыми, колебательными и пульсационными, ответственными за периодичность уплотнения и разуплотнения межзвездного газа, плазмы и пыли. По мнению авторов, максимальная реализация этих процессов, в том числе на ионно-молекулярном уровне, возможна в режиме турбулентности и проявлений эффектов синергизма в динамике эволюционирования неравновесных звездно-планетарных систем, вплоть до формирования за счет расслоения вещества в пространстве двойных звезд и многоуровневых звездно-планетарных систем.
Звездно-планетарные системы, в отличие от галактических, представляют собой более высокий уровень самоорганизации материального мира. В качестве их упрощенной модели обычно рассматривается Солнечная система как наиболее доступная для изучения и измерений (рис. 6). Ее гелиоцентрическая структура включает Солнце как вращающуюся звезду, расположенную в центре системы, и известную последовательность планет, вращающихся вокруг Солнца и своей оси приблизительно в одной орбитальной плоскости и в одном направлении (за исключением Венеры с медленным обращением в противоположном направлении). Плотность солнечной плазмы оценивается в 1,4 г/см3, но в центре Солнца она достигает 160 г/см3, что свидетельствует о колоссальном давлении и сжатии вещества в его ядерной части. С удалением от Солнца плотность планет в целом уменьшается и составляет (г/см3): для Меркурия — 5,4, Венеры — 5,2, Земли — 5,5, Марса — 3,9 (планеты Земной группы), Юпитера — 1,3, Сатурна — 0,7, Урана — 1,6, Нептуна — 1,7 и Плутона — 0,7. В то же время эти данные свидетельствуют о контрастности плотностных характеристик планет Земной группы и остальных. То же самое характерно и для наиболее известных спутников Земли (Луны — 3,34 г/см3) и Юпитера (Ио — 3,5, Европы — 3,0, Ганимеда — 1,9, Каллисто — 1,8). При этом обращает на себя внимание контрастность состояния вещества, представляющего спутники планет, как в системах «планета — спутники» (Земля — Луна, Юпитер — Титан и др.), так и между спутниками (вулканогенная Ио и ледяная Европа у Юпитера и др.).
Эти данные со спутников «Вояджер» и «Кассини» позволяют предполагать соответствующую зависимость плотности планет Солнечной системы от различий, причем также достаточно контрастных в их химическом составе: максимальная плотность Меркурия указывает на обогащенность его металлическим железом (или сплавами) до 60–70%, Вене- ры — около 25%, Земли — до 32%, в то время как в недрах Луны их меньше 10–15%. Определенная степень контрастности химического состава установлена и в атмосфере планет земной группы и планет-гигантов: на Меркурии, как известно, она отсутствует, в атмосфере Венеры преобладает углекислый газ (с азотом и кислородом), Земли — кислород (с азотом и углеродом) и Марса — азот (с углекислым газом и аргоном). Меньшая плотность группы планет-гигантов, по-видимому, свидетельствует не только о незначительном содержании в их составе металлического железа и его сплавов, но и обогащенности их газовыми составляющими — водородом и гелием (с углеродом и азотом в форме метана и аммиака), в то время, как в атмосфере Урана и Нептуна преобладают метан, а количество водорода и гелия не превышает 10–20%.
В составе Солнца преобладают водород (80%) и гелий (18%), обеспечивающие его энергетику, а содержания остальных элементов, из которых 70% соответствует земным, не превышает 2%. В Солнце сосредоточено 99,866% массы солнечной системы, т.е. доля планет в общей массе не превышает 0,13%. Масса Солнца превосходит массу Земли в 333000 раз. Подобным же образом масса планет-гигантов составляет 98% (или 1/743 часть) от общей планетарной массы.
Приведенные данные позволяют рассматривать Солнечную звездно-планетарную систему в качестве сингенетичного и в то же время гетерогенного по распределению масс, их плотности и составу образования из протоплазменного вещества. Указанные и другие закономерности его распределения в пространстве могут быть обусловлены только внутренними факторами самой протопланетной системы, находящейся последовательно в плазменно-химическом и огненно-жидком состояниях как наиболее динамичных и потенциально склонных к самопроизвольной дифференциации. С этих позиций группировки планет Земной группы и планет-гигантов могут рассматриваться в качестве дифференциатов протоплазменного вещества, подобных «двойным звездам», а планеты и их спутники, в первую очередь Земля и Луна, как дифференциаты более высоких порядков самоорганизации гетерогенного вещества, на стадии его сжатия и расплавленного состояния (см. ниже). Таким образом, проявления многопорядковой дифференциации вещества фиксируются контрастностью его составляющих в «ветвях» спирально-вихревых галактических структур, частиц межзвездной пыли с тугоплавким ядром (металлы-силикаты) и оболочками из летучих компонентов, содержащими водород и кислород, а также включения углеродистого вещества и льда. На звездно-планетарном уровне, помимо вышеприведенных данных о специфике строения и состава Солнечной системы, дифференциация вещества проявлена в контрастности состава силикатных и металлических метеоритов, а также в расслоенности внутреннего строения Земли, Луны и, по-видимому, других планет и их спутников.
С этих позиций представляется продуктивным оценивать закономерности распределения химических элементов и их ассоциаций в рассматриваемых галактических, звездно-планетарных и планетарных системах в рамках спиральной модификации авторской ПСЭ, представляющей ее естественную пространственно-временную развертку (рис. 7). Планетарные системы представляют собой обособленные шаровидные тела, обладающие твердой внешней оболочкой (корой) и, судя по данным о внутреннем строении Земли и других планет Солнечной системы, огненно-жидкими внутренними сферическими зонами, которые достаточно контрастно отличаются друг от друга своей плотностью и, следовательно, фазовым состоянием и химическим составом соответствующих горных пород и их расплавов. При средней плотности Земли 5,5 г/см3, для ее внешней оболочки — земной коры характерна плотность в 2,8 г/см3; в более глубинных зонах верхней и нижней мантии общей мощностью около 2900 км плотность варьирует, соответственно, от 3,3 до 6,0 г/см3; наконец, во внутреннем ядре планеты общей мощностью 3470 км плотность возрастает до 8–12,5 г/см3. В соответствии с современными данными сейсмического зондирования, земное ядро в свою очередь расслоено на более плотное центральное ядро (1250 км) и менее плотную сферическую оболочку (2080 км), между которыми расположена промежуточная зона (140 км) рис. 8. Температура в ядре Земли оценивается в 4000–5000° К, что, по мнению авторов, исключает предполагаемое некоторыми исследователями твердое состояние центральной части ядра при жидком — его внешней оболочки. В свое время еще В.И. Вернадский обратил внимание на возможное фазовое состояние внутренних земных геосфер, которое в условиях высоких давлений и температур «должно быть особым текучим». Эти данные как результат сейсмического зондирования глубин Земного шара позволяют не только судить о его глобальной расслоенности во всем объеме на зоны, конт- растные по своим плотностным характеристикам, но и производить прогнозную оценку их химической неоднородности, а также предполагать существенные различия в фазовом состоянии вещества в поверхностных и глубинных условиях. Последние маркируются на поверхности Земли разноглубинными и весьма контрастными по составу эндогенными месторождениями полезных ископаемых, включая излияния железорудных, редкоземельных и других рудных лав, а также металлопродуктивностью вулканогенных газов.
Современные данные о геологическом строении земной коры (литосферы) свидетельствуют о ее расслоенности по вертикали на две оболочки: верхнюю континентальную и нижнюю океаническую. Согласно теории дрейфа литосферных плит, современные материки, представленные континентальным «гранитным» слоем коры, являются разделившимися и обособленными частями некогда единого палеоматерика Пангеи, который со временем разделился на два субконтинента — Лавразию и Гондвану, в свою очередь разобщенными на современные материки. При этом палеоконструкция материков предусматривает их дрейф исключительно в качестве «включений» в океаническом «базальтовом» слое литосферных плит, подвижность которых на мантийном основании может быть обусловлена только расплавленным состоянием мантийного вещества. Подтверждением этому служат пояса вулканизма, приуроченные к границам 9 современных, наиболее крупных и ряда более мелких литосферных плит, т.е. сейсмически активным зонам их контактов и соответствующих разломов в океанической коре. Их глубины варьируют от первых — нескольких десятков км в океанической коре до 600–700 км в зонах островных дуг. Эти разломы дренируют мантийные расплавы, которые систематически изливаются и наращивают океаническую кору, обеспечивая в то же время ее поддвигание под материковый слой литосферы, мощность которой в связи с этими процессами возрастает.
Таким образом, с учетом данных сейсмического зондирования о возрастающей к центру Земли и весьма контрастной плотности вещества мантии и центрального ядра, включая вывод о его расплавленном состоянии, можно оценивать состояние всех внутренних зон нашей планеты как огненно-жидкое, представленное в условиях сверхвысоких давлений, температур и восстановительной среды специфическими расплавами (магмами) контрастного химического состава, обладающими квазикристаллическими структурами различных порядков. В целом системой концентрически зонального строения Земли от центра к поверхности приближенно представляется подобной металлургическим системам «металл-штейн-шлак» при ведущей роли водорода как восстановителя в глубинных условиях и углерода — в приповерхностных. В металлургических системах указанные компоненты в расплавленном состоянии обладают свойством несмесимости (immiscibility), в то время как процесс расслаивания соответствующих расплавов на несмешивающиеся жидкие фазы в петрологии, рудообразовании и силикатных технологиях известен как ликвационный.
Проявления фазовой несмесимости (immiscibility) в магматогенно-рудных и других динамических неравновесных системах как глобальный физико-химический фактор самоорганизации и дифференциации вещества
Необходимо заметить, что помимо использования Периодического закона в прогнозировании и открытиях новых химических элементов, в классической геохимии при разработке правил изоморфизма и концепций рудогенеза, создании минерально-парагенетических классификаций для поисковой и разведочной геологии неоднократно возникала потребность в модификациях периодической системы и для других целей. Так, например, А.А. Годовиков создал на основе периодической системы кристаллохимическую классификацию минералов, Р.В. Галиулин со ссылками на идеи Е.С. Федорова — кристаллографическую модификацию периодической системы, А.А. Маракушев разработал периодическую систему экстремальных состояний элементов, В.В. Иванов — экологическую систематику элементов и т.д.
Как правило, все варианты использования классической периодической системы в геохимических, минералогических и петрологических целях сводились к выявлению естественных парагенетических ассоциаций элементов, определяемых их изоморфизмом, в горных породах, рудax и минералах и закономерностей их распределения в пространстве и во времени. Механизм их дифференциации в магматогенно-рудных системах, обеспечивающий избирательную концентрацию рудных компонентов до промышленно значимых уровней, продолжал оставаться предметом умозрительных гипотез и дискуссий, вплоть до постановки Ф.Ю. Левинсоном-Лессингом перед отечественной геологией проблемы ликвации в магмах и первых экспериментов Д.П. Григорьева, подтвердивших эту возможность.
С кристаллохимических позиций склонность катионов к жидкостной несмесимости в искусственных силикатных и других окисных стеклообразующих системах определяется их положением в периодической системе элементов: в пределах каждой из 8 групп она уменьшается с возрастанием порядкового номера элемента. Кристаллохимические свойства элементов (координационные числа, радиусы ионов, энергия связи и др.), учтенные и систематизированные для 65 элементов, используемых в стекловарении, включая 26 редких и 13 индивидуальных редкоземельной группы, определяют ширину полей несмесимости в изученных бинарных и тройных системах. Проявления несмесимости в стеклообразующих системах используются для получения специальных — опаловых, молочных, фотохромных, цветных, люминесцирующих, термочувствительных, волоконно-оптических, халькогенидных и других стекол, глазурей, эмалей, различных ситаллов, включая петро- и шлакоситаллы.
Согласно экспериментальным и технологическим данным, включая авторские, ликвационный распад (расслаивание) расплава при соответствующих С-Т-параметрах осуществляется мгновенно во всем объеме и является необратимым. В момент распада расплав представлен сверхтекучими несмешивающимися жидкостями, которые согласно экспериментальным данным Л.М. Делицына и Б.Н. Мелентьева (1979–1980 гг.) находятся в режиме самопроизвольного турбулентного движения за счет стремления системы к минимуму свободной поверхностной энергии. Капельные фазы в матрице образуют рои, шлировидные, эмульсиодные, сидеронитоподобные, линзовидно- и ритмично-полосчатые, спирально-вихревые и зонально-концентрические структуры (рис. 9). Со снижением температуры возможно многократное расслаивание ликвантов, причем с уменьшением объемов — наиболее контрастное. На стадии стабилизации продуктов ликвации движение сосуществующих жидкостей (макрокапель и слоев) замедляется, поскольку определяется вязкостью среды, стремлением системы к выравниванию химических потенциалов и объемов. Для этой стадии характерно формирование такситоподобных и брекчиевидных структур. Необходимо подчеркнуть, что процесс последующей кристаллизации фрагментов расслоенности расплава как бы «стирает» границы между его несмешивающимися фазами, фиксируемыми закалкой, что затрудняет структурно-петрографическую расшифровку проявлений первичной дифференциации в природных магматогенно-рудных системах.
В динамических условиях самоорганизации открытых и неравновесных природных рудно-магматических систем при переменных Р-С-Т-параметрах ликвация различных геохимически специализированных расплавов развивается за счет любых стехиометрически избыточных компонентов-модификаторов и минерализаторов (Аl, Fe, Ca, Na, К, Li, P, F, В, S, СO2), а также многозарядных элементов-примесей (Ti, Сr, Nb, Та, Zr, TR, W, Sn и др.), накапливающихся в остаточных продуктивных расплавах фронтальной части интрузий и жильных инъекций, в условиях необратимого уменьшения объема несмешивающихся жидких фаз и температурного градиента. Этот эффективный физико-химический процесс имеет дискретно-эволюционный характер: он может проявляться неоднократно, обусловливая скачкообразное изменение состава и строения природных расплавов на фоне их эволюции в интрузиях, особенно под давлением, облегчающим формирование минералообразующих структурных группировок. Синхронно изменяются и составы сосуществующих жидких фаз, отвечающие определенным химическим соединениям, что обусловливает закономерную смену минеральных фаз в направлении внедрения расплавов и проявления «скрытой расслоенности», т.е. закономерного изменения в том же направлении, с учетом температурного градиента по восстанию и мощности рудных тел, особенностей состава самих минералов. Тем самым обеспечивается накопление рудных компонентов до промышленных уровней в шлировидных, линзовидно- и ритмично-полосчатых обособлениях, зонах, их апофизах, жилах и других элементах расслоенности фронтальных фаций интрузий. При этом интенсивность оруденения обнаруживает отчетливую зависимость от степени поликомпонентности рудообразующих расплавов и степени их расслоенности, что позволяет рекомендовать использование их в качестве прямых поисковых признаков промышленного эндогенного оруденения. Окончание статьи в следующем номере.
Текст: Гелий Мелентьев, Василий Короткий