地球行星/3g. 地球上的常見無機化學分子
元素週期表上有118種元素，因此可以形成幾乎無限多的分子，這些分子包含這些118種元素的各種組合。然而，在地球上，一些元素非常稀有，而另一些元素則更為常見。物質以及地球表面、海洋、大氣和內部岩心中的各種型別元素的分佈是一個引人入勝的話題。如果你要磨碎整個地球，其中多少百分比是金？多少百分比是氧？如何計算地球上各種元素的丰度？對地球上元素分佈的洞察是在第二次世界大戰期間出現的，當時科學家們開發了新的工具來確定物質的化學成分。維克多·戈德施密特是領導這項研究的偉大科學家之一。
1942年11月26日，維克多·戈德施密特站在挪威奧斯陸碼頭聚集的人群中，他們焦急地等待著德國的多瑙河號將他們運往奧斯維辛集中營。戈德施密特在瑞士的家中度過了幸福的童年，當他的家人移民到挪威後，戈德施密特很快就被發現他對地質學的早期科學興趣。1914年，他成功地為他的關於挪威克里斯蒂安尼亞地區接觸變質作用的論文答辯後，開始在當地大學任教。1929年，他被邀請到德國，成為哥廷根礦物學系主任，並可以使用科學儀器來檢測岩石和隕石中微量的元素。他還與實驗室的眾多科學家團隊合作，他們的目標是確定各種岩石和礦物的元素組成。然而，在1935年夏天，德國政府在校園裡豎立了一個巨大的標誌，上面寫著：“猶太人不得入內”。戈德施密特抗議，因為他自己是猶太人，他認為這個標誌是歧視性的和種族主義的。這個標誌被拆除了，但後來又在夏天重新出現，儘管他再次抗議這個標誌，但這個標誌仍然按照新的納粹黨的命令保留下來。維克多·戈德施密特辭去了在德國的工作，回到挪威繼續他的研究，他認為，任何一個僅僅因為種族或宗教而傷害和迫害人們的地方，都不是進行科學研究的歡迎之地。戈德施密特隨身攜帶了大量關於地球上發現的天然材料，特別是岩石和礦物的化學成分的資料。這些資料使戈德施密特能夠根據在地球上發現的頻率對元素進行分類。
戈德施密特將第一組稱為親氣元素，因為這些元素是氣體，並且傾向於出現在地球的大氣中。這些元素包括氫和氦（太陽系中最豐富的元素），以及氮，還有更重的惰性氣體：氖、氬、氪和氙。戈德施密特認為，氫和氦作為非常輕的氣體，大部分從地球早期的大氣中剝離，地球上自然產生的氦來自地球深處放射性物質的衰變，並被困在地下，通常與天然氣一起。氮以N2的成對分子形式成為大氣中最常見的元素。令人驚訝的是，戈德施密特沒有將氧氣歸類到這一組，這是因為在他研究的岩石和礦物中，氧氣的含量更高，他將這一組稱為親石元素。
親石元素或親岩石元素是大陸表面地殼岩石中常見的元素。它們包括氧和矽（矽酸鹽礦物中最常見的元素，如石英），但也包括一大類鹼金屬元素，包括鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶，以及反應性鹵素：氟、氯、溴和碘，以及一些位於元素週期表中間的元素，如鋁、硼、磷，當然還有氧和矽。親石元素還包括鑭系元素中的稀土元素，它們在許多研究中的礦物和岩石中很少出現。
下一組是親銅元素或親銅元素。這些元素存在於許多金屬礦石中，包括硫、硒、銅、鋅、錫、鉍、銀、汞、鉛、鎘和砷。這些元素通常與礦脈相關聯，並與硫分子一起富集。
戈德施密特描述的下一組是親鐵元素或親鐵元素，它們包括鐵，以及鈷、鎳、錳、鉬、釕、銠、鈀、鎢、錸、鋨、銥、鉑和金。戈德施密特發現，與地球表面發現的岩石相比，這些元素在隕石中更常見（尤其是在鐵隕石中）。此外，這些元素在地球表面經常存在於鐵礦石中，並與富含鐵的岩石相關聯。
最後一組元素是合成元素，或者是在自然界中很少發現的元素，包括週期表最下面一行的放射性元素，這些元素只能在實驗室中產生。
1942年11月那個寒冷的下午，奧斯陸當地警察局可能正在討論對戈德施密特元素分類的更深入理解。由於戈德施密特的猶太信仰，他在七年後被納粹德國入侵挪威時被捕，儘管他逃離了德國，但法西斯主義的幽靈還是追上了他。猶太人要被關進監獄，大多數人會在納粹佔領的歐洲各地的集中營裡面臨死亡。科學同事向當局辯稱，戈德施密特對寶貴元素分佈的瞭解是急需的。請求奏效了，因為維克多·戈德施密特被釋放了，在登上多瑙河號的532名乘客中，只有9人生還看到了戰爭結束。在幫助下，戈德施密特逃離了挪威，而不是登上那艘船，他生命的最後幾年在英國度過，寫了一本教科書，這是第一本關於地球地球化學的教科書。
作為地球化學成分研究的先驅，戈德施密特激勵了下一代科學家不僅研究地球大氣、海洋和岩石的化學成分，還將其與來自太空墜落到地球的地球外隕石進行比較。
隕石 可以被認為是地球的原材料。將足夠的隕石混合在一起，你就會得到一個行星。然而，並非所有隕石都相同，一些主要由金屬鐵組成，稱為鐵隕石，其他隕石含有等量的鐵和矽酸鹽晶體，稱為石鐵隕石，而第三大類，石隕石，主要由矽酸鹽晶體（SiO2）組成。
如果地球是由數千顆隕石的吸積形成的，那麼隕石中化學元素和分子的百分比將為科學家提供一個起點，瞭解地球上元素的平均丰度。在地球的歷史中，地球的組成可能已經發生了變化，因為元素在不同地方和地球內部的不同深度變得富集或貧乏。以下是隕石中分子的丰度：（來自 Jarosewich, 1990: Meteoritics）
| 石隕石 | （重量百分比） |
|---|---|
| SiO2 | 38.2% |
| MgO | 21.6% |
| FeO | 18.0% |
| CaO | 6.0% |
| FeS | 4.8% |
| Fe(m) | 4.4% |
| Al2O3 | 3.7% |
| H2O+ | 1.8% |
| Na2O | 0.9% |
| Ni | 0.7% |
| Cr2O3 | 0.5% |
| C | 0.5% |
| H2O- | 0.4% |
| MnO | 0.3% |
| NiS | 0.3% |
| NiO | 0.3% |
| SO3 | 0.3% |
| P2O5 | 0.2% |
| TiO | 0.2% |
| K2O | 0.1% |
| CO2 | 0.1% |
| Co | 痕量 |
| CoO | 痕量 |
| CoS | 痕量 |
| CrN | 痕量 |
| 鐵隕石 | （重量百分比） |
|---|---|
| Fe(m) | 92.6% |
| Ni | 6.6% |
| Co | 0.5% |
| P | 0.3% |
| CrN | 痕量 |
如果地球是一個均勻的行星（由這些元素的均勻混合物組成），那麼地球物質的平均組成將與石隕石和鐵隕石的混合物具有相似的組成。我們看到了一些這方面的跡象，例如 SiO2 (二氧化矽) 是石隕石中最常見的分子，佔 38.2%，矽與兩個氧分子結合。矽和氧是岩石中最常見的分子，形成了一組稱為矽酸鹽的礦物，其中包括石英，一種在地球表面常見的礦物。接下來的三種分子 MgO、FeO 和 CaO 也常見於地球上的岩石中，然而，鐵 (Fe) 在鐵隕石中非常常見，並且也佔了石隕石的很大一部分，其中含有各種包含 FeO、FeS 和 Fe 的分子，以天然金屬的形式存在。然而，在地球表面發現的典型岩石中，鐵含量很少。所有這些鐵都去哪裡了？
戈德施密特認為 鐵 (Fe) 是一種親鐵元素，就像 鎳 (Ni)、錳 (Mn) 和 鈷 (Co) 一樣，在熔融階段沉入了地球的核心。因此，隨著時間的推移，地球表面這些元素變得越來越少。進一步支援鐵質核心的證據是地球磁場，透過指南針觀測到。這個磁場支援地球中心存在鐵質核心的理論。因此，親鐵元素可以被認為是在地球中心比在地球近地表更常見的元素。這就是為什麼其他稀有的親鐵元素，如 金、鉑 和 鈀 被認為是地球表面的貴金屬。
戈德施密特還研究了大氣中常見的元素，即我們呼吸的空氣中，在與地球溫度和壓力的條件下易於形成氣體。這些親氣元素包括氫和氦，它們在隕石中僅以 H2O 的形式被觀測到，以及極少的孤立氦氣。儘管太陽主要由氫和氦組成。如果你曾經丟失過氦氣球，你可能知道為什麼地球上氫和氦含量如此之少。氫和氦都是非常輕的元素，可以逃逸到高層大氣中，甚至逃逸到太空。太陽系的大部分氫和氦都存在於太陽中，太陽具有更大的引力，以及外太陽系中更大的氣態巨行星，比如木星，其大氣層由氫和氦組成。與太陽類似，較大的行星可以透過其更高的引力將這些輕元素束縛住。地球已經失去了大部分氫和氦，幾乎所有的地球氫都與其他元素結合在一起，防止其逃逸。
氮只在隕石中以微量存在，以卡爾斯伯格石礦物形式存在，這可能是地球大氣中氮的來源。另一種較重的氣體是二氧化碳 (CO2)，它佔石隕石的約 0.1%。然而，在當前的大氣中，它佔不到 0.04%，並且作為整個地球的總百分比，比這還要低得多。將地球與金星和火星進行比較，二氧化碳是金星和火星大氣中最豐富的分子，佔這兩個星球大氣的 95% 到 97%，而在地球上，它是大氣中的罕見成分。作為一個比氫和氦重的分子，二氧化碳可以粘附在金星和地球大小範圍內的行星上。地球在其早期很可能具有與火星和金星相似的二氧化碳含量，然而，隨著時間的推移，它被從大氣中抽走了。這是由於地球異常高的水 (H2O) 含量。請注意，水存在於石隕石中，並且這種水在地球較熱的熔融歷史中以氣體的形式釋放出來，並且隨著地球冷卻，它導致了降雨，形成了今天地球表面廣闊的海洋。科學界一直存在著關於為什麼地球擁有這些廣闊的海洋和巨大的冰蓋，而火星和金星缺乏海洋或大量冰的巨大爭論。一些科學家認為，地球在其早期歷史中，受到彗星撞擊富含了水 (H2O)，但另一些科學家認為，僅僅來自形成早期地球的岩石和隕石中發現的熔融氣體中就能找到足夠的水 (H2O)。
那麼，這種異常大量的水是如何導致地球大氣中二氧化碳減少的呢？觀察二氧化碳和水之間的簡單化學反應，你就可以理解原因。
請注意，g 代表氣體，l 代表液體，aq 代表水溶液（溶解在水中），並且還要注意該反應是雙向的，用雙箭頭表示。每個碳原子會額外獲得一個氧原子，從而得到兩個額外的電子，形成離子 CO3-2。該離子與兩個氫離子 (H+) 形成離子鍵，形成 H2CO3。由於這些氫離子可以從碳和氧中分離出來，因此溶液中的該分子會形成一種弱酸，稱為碳酸。碳酸是碳酸飲料中氣泡的來源。如果水從天空降落，形成雨水，碳酸的含量會導致與由鈣組成的固體岩石發生進一步反應。請記住，鈣會形成 Ca+2 的離子，這使得這些離子成為與 CO2−3 離子反應形成碳酸鈣 (CaCO3) 固體。
請注意，離子 前面有一個 2， 這樣化學反應兩邊的元素數量就平衡了。
隨著時間的推移，大氣中的二氧化碳含量會減少。但是，如果地球火山活動活躍，地核仍然處於熔融狀態，那麼當由碳酸鈣組成的固體岩石被加熱熔化時，二氧化碳會重新釋放到大氣中 (向 1 摩爾 CaCO3 供應 178 千焦的能量將會將其轉化為 CaO 和 CO2)。
二氧化碳、水和鈣之間的這種動態化學反應導致地球的某些部分富含或缺乏碳，但最終，大氣中的二氧化碳含量會隨著時間的推移達到平衡。在地球早期歷史中，水從地球大氣中吸收了大量的二氧化碳。
回到隕石的整體成分，氧存在於許多分子中，包括一些最豐富的分子 (SiO2, MgO, FeO, CaO)。Goldschmidt 將氧不納入親氣元素群的原因之一是它在岩石中更常見，特別是在二氧化矽 (SiO2) 中與矽共價鍵合。純二氧化矽是石英礦物，在地球表面是一種非常常見的礦物。因此，氧與鎂、鋁和鈣一起是親石元素。稍後我們將探討地球大氣如何變得富含氧氣，而氧氣在固體晶體和地球表面的岩石中更為常見。
隕石中分離的碳 (C) 相當常見 (0.5%)，但與氫鍵合的碳 CH4 (甲烷) 或碳和氫鏈 (例如 C2H6) 在隕石中極其罕見。一些孤立的隕石含有略高的碳含量 (1.82%)，包括著名的默奇森和班登石隕石，這些隕石中碳分子與氫鍵合。這些被稱為碳氫化合物的分子對生命至關重要，並將在地球上生命起源中發揮重要作用。但是，為什麼這些碳氫化合物在隕石中如此罕見呢？
這很可能與化學中一個重要的概念有關，即焓。焓是在已知溫度和壓力下化學反應中獲得或損失的能量。這種焓變表示為 (ΔH)，並以每摩爾的能量焦耳表示。摩爾是一個測量單位，它將每克分子的原子質量與原子數量相關聯。焓的正變化表示吸熱反應 (需要熱量)，而焓的負變化釋放熱量，導致放熱反應 (產生熱量)。在碳氫化合物 (如 CH4) 和氧氣存在的情況下，會發生放熱反應，每摩爾釋放 890.32 千焦的熱量。
這種化學反應釋放的能量使碳氫化合物成為極好的燃料來源，因為它們很容易與氧氣反應產生熱量。事實上，甲烷或天然氣 (CH4) 用於發電、供暖住宅和用燃氣灶烹飪食物。這也是為什麼碳氫化合物很少與氧氣密切相關的原因。然而，碳氫化合物非常重要，不僅因為它們能夠在這些放熱反應中與氧氣燃燒，而且因為它們也是生物體中發現的主要元素。對生物體重要的其他元素是磷 (P)、氮 (N)、氧 (O)、硫 (S)、鈉 (Na)、鎂 (Mg)、鈣 (Ca) 和鐵 (Fe)。所有這些親石元素都存在於地球表面附近生命形式內的複雜分子中，這些分子統稱為有機分子，它們與生物體內的複雜分子中的碳和氫鍵合。研究這些複雜碳氫化合物鏈的化學領域稱為有機化學。
Goldschmidt 對元素的分類是一種簡化地球上眾多元素的有用方法，也是思考它們可能存在於何處的一種方法，無論是在大氣中、海洋中、岩石表面上還是地球內部深處。
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