地球/3g. 地球常見無機化學分子
元素週期表上有 118 種元素，因此可以形成幾乎無限多種包含這 118 種元素不同組合的分子。然而，在地球上，有些元素非常稀有，而另一些元素則要常見得多。物質以及各種型別的元素在地球表面、海洋、大氣以及其內部岩石核心中的分佈是一個引人入勝的話題。如果你把整個地球磨碎，金的含量是多少？氧氣的含量是多少？如何計算地球上各種元素的丰度？對地球元素分佈的瞭解是在二戰期間出現的，當時科學家開發了新的工具來確定材料的化學成分。領導這項研究的偉大科學家之一是 Victor Goldschmidt。
1942 年 11 月 26 日，Victor Goldschmidt 站在挪威奧斯陸碼頭上的害怕人群中，等待著德國 Donau 號將他們運送到 奧斯維辛集中營。Goldschmidt 在瑞士的家中度過了快樂的童年，當他的家人移民到挪威時，Goldschmidt 很快就因他在地質學方面的早期科學興趣而得到認可。1914 年，他成功地為自己在挪威克里斯蒂安尼亞地區的接觸變質作用撰寫了論文，並在當地大學任教。1929 年，他被邀請到德國擔任 哥廷根大學礦物學系主任，並且可以接觸到科學儀器，這些儀器使他能夠檢測岩石和隕石中微量的元素。他還與實驗室中的一大群科學家合作，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塊巨大的標語，上面寫著：“猶太人不得入內”。Goldschmidt 提出抗議，因為他是一名猶太人，他認為這塊標語具有歧視性和種族主義色彩。這塊標語被移除了，但後來又在夏天重新出現，儘管他再次抗議這塊標語，但這塊標語仍然按照新納粹黨的命令保留下來。Victor Goldschmidt 辭去了在德國的職位，返回挪威繼續他的研究，他認為，任何以種族或宗教為由傷害和迫害人們的地方，都不是進行科學研究的理想場所。Goldschmidt 隨身攜帶著大量關於地球上自然材料（特別是岩石和礦物）化學成分的資料。這些資料使 Goldschmidt 能夠根據在地球上發現的元素頻率對元素進行分類。
Goldschmidt 將第一組元素稱為親氣元素，因為這些元素是氣體，並且傾向於在地球大氣中發現。這些元素包括氫和氦（太陽系中最豐富的元素），但也包括氮，以及更重的惰性氣體：氖、氬、氪和氙。Goldschmidt 認為氫和氦作為非常輕的氣體，大部分都被剝離了地球早期的大氣層，在地球上自然產生的氦來自地球深處放射性物質的衰變，並且經常與地下天然氣一起被捕獲。氮以 N2 的配對分子形式構成大氣中最常見的元素。令人驚訝的是，Goldschmidt 沒有將氧歸入這一組，這是因為他在研究的岩石和礦物中發現氧的含量更高，他將其歸入一組稱為親巖元素的元素中。
親巖元素或“愛岩石”元素是指在大陸表面發現的地殼岩石中常見的元素。它們包括氧和矽（在矽酸鹽礦物如石英中發現的最常見元素），但也包括一組廣泛的鹼金屬元素，這些元素屬於這一組，包括鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶，以及反應性鹵素：氟、氯、溴和碘，以及一些圖表中間的奇怪元素，如鋁、硼、磷，當然還有氧和矽。親巖元素還包括在鑭系元素中發現的稀土元素，它們在許多正在研究的礦物和岩石中很少出現。
下一組元素是親銅元素或“愛銅”元素。這些元素在許多金屬礦石中發現，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，並與硫分子濃縮在一起。
Goldschmidt 描述的下一組是親鐵元素或“愛鐵”元素，包括鐵，以及鈷、鎳、錳、鉬、釕、銠、鈀、鎢、錸、鋨、銥、鉑和金。Goldschmidt 發現，與地球表面發現的岩石相比，這些元素在隕石（尤其是鐵隕石）中更為常見。此外，這些元素在鐵礦石中很常見，並且在地球表面與富含鐵的岩石相關聯。
最後一組元素就是合成元素，或者是在自然界中很少發現的元素，包括在元素週期表底部發現的放射性元素，這些元素只能在實驗室中產生。
1942 年 11 月那個寒冷的深夜，奧斯陸當地的警察局可能正在討論對 Goldschmidt 元素分類的更深入理解。Goldschmidt 的猶太信仰導致他在七年後被捕，當時納粹德國入侵挪威，儘管他從德國逃亡，但法西斯主義的幽靈還是追上了他。猶太人將被監禁，大多數人將在遍佈納粹佔領歐洲的集中營中面臨死亡。科學同事向當局辯解說，Goldschmidt 對寶貴元素分佈的知識非常必要。懇求起作用了，因為 Victor Goldschmidt 被釋放了，在登上 Donau 號的 532 名乘客中，只有 9 人活下來見證了戰爭的結束。在幫助下，Goldschmidt 逃離了挪威，而不是登上那艘船，他將在生命的最後幾年在英國撰寫一本教科書，這是關於地球地球化學的第一本教科書。
作為理解地球化學成分的先驅，Goldschmidt 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，還將這些數值與從太空墜落到地球的地球外隕石進行比較。
隕石 可以被視為地球的原始材料。將足夠的隕石混合在一起，你就可以得到一顆行星。然而，並非所有的隕石都一樣，有些主要由金屬鐵組成，稱為鐵隕石，其他隕石則含有等量的鐵和矽酸鹽晶體，稱為石鐵隕石，而第三大類隕石，石隕石，則主要由矽酸鹽晶體 (SiO2) 組成。
如果地球是由數千顆隕石的吸積形成的，那麼隕石中發現的化學元素和分子的百分比將為科學家提供地球元素平均丰度的起點。在地球的歷史中，由於元素在不同地方以及地球內部不同深度富集或枯竭，地球的成分可能發生了變化。以下是隕石中分子丰度：（來自 Jarosewich, 1990: Meteoritics）
| 石隕石 | (% 重量) |
|---|---|
| SiO2 | 38.2% |
| MgO | 21.6% |
| FeO | 18.0% |
| CaO | 6.0% |
| FeS | 4.8% |
| Fe(m) | 4.4% |
| Al2O3 | 3.7% |
| H2O+ | 1.8% |
| Na2O | 0.9% |
| Ni | 0.7% |
| Cr2O3 | 0.5% |
| C | 0.5% |
| H2O- | 0.4% |
| MnO | 0.3% |
| NiS | 0.3% |
| NiO | 0.3% |
| SO3 | 0.3% |
| P2O5 | 0.2% |
| TiO | 0.2% |
| K2O | 0.1% |
| CO2 | 0.1% |
| Co | 痕量 |
| CoO | 痕量 |
| CoS | 痕量 |
| CrN | 痕量 |
| 鐵隕石 | (% 重量) |
|---|---|
| Fe(m) | 92.6% |
| Ni | 6.6% |
| Co | 0.5% |
| P | 0.3% |
| CrN | 痕量 |
如果地球是一個均勻的行星（由這些元素的均勻混合物組成），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成分。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%，其中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。接下來的三個分子 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，並且在含有 FeO、FeS 和 Fe 的各種分子中也構成了石隕石的很大一部分，以天然金屬形式存在。然而，在地球表面發現的典型岩石中，鐵含量很少。這些鐵都到哪裡去了呢？
Goldschmidt 認為 鐵 (Fe) 是一種親鐵元素，以及 鎳 (Ni)、錳 (Mn) 和 鈷 (Co) 在地球熔融階段沉入了地核。因此，隨著時間的推移，地球表面的這些元素變得貧乏。進一步證明富含鐵核心的證據是地球磁場，可以透過指南針觀測到。這種磁場支援了地球中心存在富含鐵核心的理論。因此，親鐵元素可以被認為是地球中心比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。
Goldschmidt 還研究了大氣中常見的元素，這些元素存在於我們呼吸的空氣中，並且在與地球溫度和壓力的條件下容易形成氣體。這些親氣元素包括氫和氦，它們只在隕石中以 H2O 和極少量的孤立氦氣形式被觀察到。儘管太陽主要由氫和氦組成。如果你曾經丟失過一個氦氣球，你可能知道為什麼地球上幾乎沒有氫和氦。氫和氦都是非常輕的元素，可以逃逸到高層大氣，甚至逃逸到太空。太陽系中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，如木星，其大氣層由氫和氦組成。與太陽一樣，更大的行星可以憑藉其更高的引力抓住這些輕元素。地球已經失去了大部分的氫和氦，而地球上幾乎所有的氫都與其他元素結合，阻止了它們的逃逸。
氮只以痕量形式存在於隕石中，作為卡爾斯伯格石礦物，它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)，它約佔石隕石的 0.1%。然而，在目前的大氣中，它佔不到 0.04%，而在地球的總百分比中，它比這還要少得多。在比較地球、金星和火星時，二氧化碳是金星和火星大氣中最豐富的分子，佔這些行星大氣層的 95% 到 97%，而在地球上，它是大氣中的一種稀有成分。作為一種比氫和氦更重的分子，二氧化碳可以粘附在金星和地球大小的行星上。地球在其早期可能具有與火星和金星相似的二氧化碳高百分比，然而，隨著時間的推移，它被從大氣中提取出來。這一過程是由於地球非同尋常的高水含量 (H2O)。請注意，水中存在於石隕石中，這種水在地球較熱的熔融歷史中作為氣體被釋放出來，隨著地球冷卻，它導致了降雨，形成了今天地球表面上廣闊的海洋。在科學界，一直存在一個關於為什麼地球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的冰的爭論。一些科學家認為，在地球早期，來自彗星的撞擊使地球富含水 (H2O)，但另一些科學家認為，僅僅來自岩石和隕石中發現的熔融氣體，就足以提供形成早期地球所需的水 (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？看一下二氧化碳和水之間的一組簡單的化學反應，你就會明白為什麼。
請注意，g 代表氣體，l 代表液體，aq 代表水溶液（溶解在水中），還要注意這個反應是雙向的，帶有雙箭頭。每個碳原子都會帶上一個額外的氧原子，從而獲得兩個額外的電子，從而形成 CO3-2 離子。這種離子與兩個氫離子 (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，因此這種分子在溶液中形成了一個稱為碳酸的弱酸。碳酸是蘇打飲料起泡的原因。如果水從天空中降下來，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。記住，鈣形成 Ca+2 離子，使這些離子成為與 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，以使化學反應兩邊的化學元素數量平衡。
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且地核仍處於熔融狀態，這些二氧化碳會被重新釋放回大氣中。因為由碳酸鈣組成的固體岩石在加熱和熔化時會釋放二氧化碳（1 摩爾 CaCO3 需要提供 178 千焦的能量才能轉化為 CaO 和 CO2）。
二氧化碳、水和鈣之間的這種動態化學反應會導致地球某些地區富含或貧乏碳，但最終大氣中的二氧化碳含量會隨著時間的推移而達到平衡。在地球早期，水從地球大氣中清除掉了大量的二氧化碳。
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 沒有將氧包括在大氣親元素中的原因之一是，氧在地殼中更常見，特別是與二氧化矽中的矽以共價鍵結合。純二氧化矽是石英礦物，在地球表面很常見。因此，氧與鎂、鋁和鈣一起，是親石元素。我們將在後面探討地球大氣是如何富集氧的，氧是一種在地球表面固體晶體和岩石中更常見的元素。
隕石中存在相當多的單質碳 (C)（0.5%），但碳與氫結合形成 CH4（甲烷）或碳和氫鏈（例如 C2H6）在隕石中極其罕見。少數隕石中含有略高濃度的碳（1.82%），包括著名的默奇森和班登石隕石，這些隕石含有碳與氫結合形成的碳分子。這些被稱為烴的分子在生命中很重要，並且將在地球生命的起源中發揮重要作用。但是為什麼這些烴在隕石中如此罕見呢？
這很可能與化學中的一個重要概念——焓有關。焓是指在已知溫度和壓力下化學反應中獲得或損失的能量。焓變表示為 (ΔH)，以每摩爾的能量焦耳表示。正的焓變表示吸熱反應（需要熱量），而負的焓變表示放熱反應（產生熱量）。對於烴（如 CH4）和氧的存在，存在一個放熱反應，每摩爾釋放 890.32 千焦的熱量。
這種化學反應釋放的能量使烴成為極好的燃料來源，因為它們很容易與氧反應產生熱量。事實上，甲烷或天然氣 (CH4) 被用於發電、供暖房屋和在燃氣灶上烹飪。這也是為什麼在與氧緊密接觸時很少發現烴的原因。然而，烴非常重要，不僅因為它們能夠在這些放熱反應中與氧燃燒，而且因為它們也是生物體中主要元素。對生物體重要的其他元素包括磷 (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生命形式內的複雜分子中，這些分子統稱為有機分子，它們在生命形式內的複雜分子中與碳和氫結合。研究這些複雜的烴分子鏈的化學分支稱為有機化學。
Goldschmidt 對元素的分類是一種簡化地球上眾多元素的有用方法，也是思考這些元素可能存在位置的一種方法，無論是大氣中、海洋中、岩石表面還是地球內部深處。
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