16.1.3. Нахождение в природе, изотопный состав

Распространенность в природе элементов 16-й группы ПС изменяется в широком интервале. Полоний – один из самых редких элементов (табл. 16.3.), а кислород наиболее распространен в земной коре и находится на втором месте (после железа), если рассматривать распространенность элементов по земному шару в целом.

Таблица 16.3. Распространенность, изотопный состав и важнейшие природные соединения элементов 16-й группы

Кислород составляет 49,13% от общей массы земной коры, а в земном шаре в целом находится 28,56% кислорода, т.е. более четверти от всей его массы – это кислород. Месса кислорода равна 23,1% от общей массы воздуха (20,9% по объему). Однако в атмосфере кислорода содержится всего 0,03% от массы кислорода в земной коре. Несмотря на такую малую долю кислорода в атмосфере его присутствие в ней играет очень важную роль. Без кислорода невозможны фотосинтез, дыхание животных и растении, многие важные процессы в почвах и т. д. Считают, что присутствие кислорода в атмосфере Земли - результат фотосинтеза, а не геологической или ядерной деятельности на земном шаре.

В земной коре кислород находится в виде разнообразных соединений. Это различные соли, главным образом карбонаты и силикаты наиболее распространенных металлов - кальция, железа, алюминия Можно упомянуть также сульфаты, например, натрия (очень распространенный минерал Na₂SO₄10Н₂О - глауберова соль образуется при испарении воды озер). Сюда же относятся алюмосиликаты (каолинит Аl₂О₃2SiO₂2Н₂О и его производные) В общей сложности всех минералов, содержащих кислород, около 1500, что значительно больше, чем у других элементов. Кислород содержится в важнейших органических соединениях – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы (различные сахара), спирты, образующиеся при брожении углеводов, и т.д.

Сера также относится к числу наиболее распространенных элементов но ее распространенность меньше, чем у кислорода, а от S к Se содержание в природе падает очень резко, что соответствует правилу Менделеева (см. разд. 2.1.3) и связано со свойствами атомных ядер тяжелых аналогов кислорода. Сера имеет двойственную геохимию - она встречается в самородном состоянии, в виде сульфидов и сульфатов (сульфаты присутствуют в морской и речной воде).

Селен и теллур находятся в природе только в виде селенидов и теллуридов (степень окисления -2), сопутствуя обычно сульфидам элементов-металлов, имеющих 18-электронную предвнешнюю оболочку. Здесь действует известное правило: легко поляризуемый анион (S^2-, Se^2-. Те^2-) легче и прочнее соединяется сильно поляризующим катионом. Поэтому, например, ионы меди и свинца охотно образуют соединения не только с серой, но и с селеном и теллуром. Очень прочной является химическая связь, в частности, в теллуриде золота (минерал халлолин). Когда в месторождениях золота обнаруживается примесь теллура, возникают большие сложности при переработке такого сырья, поскольку извлечь золото из его теллурида - очень трудная задача.

Для селена и теллура, несмотря на то, что они - рассеянные и редкие элементы, все же известны «собственные» минералы: селениты – Cu₂Se (бернелианит). Ag₂Se (науманит). PbSe (клаусталит), селенит CuSeO₃2H₂O (халькоменит), селенат PbSeO₄2H₂O (керстенит). Bi₂Te₃ (теллуровисмутит). Bi₂Te₂S (тетрадиамит). РbТе (алтаит).

Изотопный состав элементов 16-й группы в полной мере соответствует правилам Менделеева, Оддо и Гаркинса (см. разд. 2.1.3). Будучи четными, элементы 16-й группы имеют много стабильных изотопов, причем наиболее распространенные изотопы легких элементов характеризуются типом ядра по массе 4n, а тяжелых - 4n+2. Определение содержания изотопов в их естественной смеси масс-спектрометрическим методом показало, что главного изотопа кислорода ¹⁶О в плеяде изотопов содержится 99,76%, изотопа ¹⁷О - только 0,04%, а изотопа ¹⁸О - 0,20%.

Изотоп ¹⁹О радиоактивен и получается только искусственно. Это β-излучатель, период полураспада которого составляет всего 30 с. Изотоп ¹⁹О образуется в результате радиолиза воды, охлаждающей первый контур на атомных электростанциях, и на атомных заводах, производящих «делящиеся» материалы, в результате ядерной реакции

¹⁸₈O + ¹₀n = ¹⁹₈O

Вода, пройдя через атомный реактор, становится радиоактивной, ее нужно изолировать, чтобы она не представляла вреда для биосферы. В то же время изотоп ¹⁹₈O можно использовать в практике научных исследований - для обнаружения малых количеств кислорода. Если, например, нужно оценить примесь кислорода к какому-либо металлу, образец металла в течение короткого времени облучают в ядерном реакторе, где имеется мощный поток нейтронов. С помощью специальной пневматической «почты» образец пролетает сквозь канал в центре ядерного реактора и там облучается. Затем образец автоматически подается в измерительный прибор, где оценивается его радиоактивность, возникшая за счет образования ¹⁹₈O, и рассчитывается количество кислорода.

Физико-химические свойства изотопов одного элемента обычно очень сходны, но все же несколько различаются. Например, молекулярный кислород, содержащий только изотоп ¹⁶₈О, имеет Т_КИП = -182,81⁰С, а О₂, состоящий из атомов ¹⁹₈O, - на 0,1⁰ выше: -182,705⁰С. Эта маленькая разница в мире низких температур много значит. Она используется при разделении изотопов кислорода в специальных устройствах для фракционной перегонки жидкого кислорода при низких температурах. Соединения, образуемые различными изотопами кислорода с другими элементами, также различаются по свойствам. Например, оксид углерода (II), образованный изотопами ¹²С и ¹⁶О, имеет Т_ПЛ, равную -205⁰С, а оксид углерода с изотопом ¹⁹О плавится на 0,5⁰ выше (-204,5⁰С). Таким образом, расхождения в свойствах очень невелики, но их можно использовать, чтобы разделить изотопы. С этой целью применяются не только различные варианты перегонки жидкого кислорода, но и другие методы, основанные на изотопном обмене.

Сера образует четыре стабильных изотопа, но изотопа ³²S (тип 4n) в плеяде серы содержится «подавляющее» количество. Четный изотоп ³⁴S (тип 4n+2) еще относительно распространен благодаря четному массовому числу, а стабильные изотопы с нечетным массовым числом имеют намного меньшую распространенность. Из радиоактивных изотопов серы наиболее важен изотоп ³⁵S (β-излучатель). У селена известно шесть стабильных изотопов (главный имеет массу ⁸⁰Se, тип 4n), а у теллура - восемь стабильных и девять радиоактивных изотопов. Главный стабильный изотоп теллура ¹³⁰Те (тип 4n+2), в плеяде его содержится 34%; следующий по распространенности (32%) - ¹²⁸Те (тип 4п).