Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Кристаллические кремниево-кислородные соединения под общим названием силикаты являются самыми распространенными минералами на Земле; известно более 13 тыс. разных видов (и почти каждый месяц выявляются все новые). Они отличаются большим разнообразием атомной структуры и свойств благодаря многообразию связей между кремнием и кислородом, будь то крепкие, устойчивые к атмосферному воздействию породы (например, кварц или полевой шпат), или зерна полудрагоценного зеленого оливина и красного граната (символические камни для родившихся в августе и январе), или игольчатые цепные силикаты, часть из которых является не чем иным, как знаменитый асбест, или тонкопластинчатые минералы, например слюда, некогда использовавшаяся вместо стекла в окнах.
Вещества, менее распространенные, чем кремний, такие как кальций, магний и алюминий, тем не менее играют ключевую роль в строении самых главных силикатных горных пород, встречающихся повсюду в земной коре и мантии. Будучи положительно заряженными ионами, подобно своим более часто встречающимся двоюродным братьям – силикатам, они тоже могут иногда соединяться с кислородом, образуя такие формы, как оксид кальция, известный как негашеная известь, или «кипелка»; довольно редкий оксид магния (магнезия); а также оксид алюминия, который в соединении со следовыми количествами таких редких элементов, как хром или титан, образует драгоценные камни – рубин и сапфир.
Шестой элемент из числа важнейших – железо – является самым «гибким» из всех. Остальные пять (кислород, кремний, алюминий, магний и кальций) отличаются определенным постоянством химических свойств. Кислород почти всегда выступает акцептором двух электронов, кремний почти всегда является поставщиком четырех электронов, алюминий отдает три электрона, а магний и кальций – по два. В отличие от них, железо, 26-й элемент в периодической таблице, выступает в трех совершенно разных химических ипостасях.
Разносторонность железа демонстрирует многослойная структура Земли. Железо составляет каждый десятый атом в богатых кислородом земной коре и мантии, тогда как металлическое ядро Земли на целых 90 % состоит из железа. Этот резкий контраст связан с тем, что 26 электронов этого элемента слишком заметно превышают оптимальное число восемнадцать, а потому железо главным образом выступает в качестве поставщика электронов. Ни одно вещество не примет восемь электронов сразу, так что железу приходится взаимодействовать с любым первым встречным акцептором.
Иногда железо действует подобно магнию и отдает два электрона, становясь двойным положительно заряженным ионом. В таком двухвалентном состоянии железо придает зеленовато-голубоватый оттенок многим минералам и химическим соединениям. Верным признаком наличия двухвалентного железа является, например, зеленый цвет драгоценного камня перидота (оливин с примесью железа) или голубовато-зеленый оттенок бедной кислородом крови в наших венах. В этом виде железо соединяется с кислородом в пропорции один к одному. Атомы железа и магния сопоставимы по размеру, а потому эти вещества нередко свободно замещают друг друга в самых распространенных минералах земной коры. Некоторые часто встречающиеся минералы, включая оливин, гранат, пироксен и слюду, имеют разновидности, в зависимости от содержания в них магния и железа: от бесцветных вариантов, со 100 %-ным содержанием магния, до густо окрашенных, где 100 % составляет двухзарядное железо.
Однако железо встречается не только в двухвалентном виде. В присутствии достаточного количества акцепторов электронов оно охотно отдает третий электрон и становится трехзарядным положительным ионом. Трехзарядная форма железа придает соединениям характерный кирпично-красный цвет. Красная ржавчина, краснозем, красные кирпичи и насыщенная кислородом кровь обязаны своими оттенками трехвалентному железу. Подобно алюминию, который тоже принимает три положительных заряда, трехвалентное железо соединяется с кислородом в пропорции два к трем и образует Fe2O3 – широко известный минерал гематит, названный так из-за присущего ему кроваво-красного цвета. Если магний вступает вместо железа в двухзарядные соединения, то алюминий часто замещает трехвалентный вариант железа. Соотношения алюминия и железа в таких минералах, как гранат, амфибол и слюда, бывают самые разные, при этом богатые железом разновидности отличаются красным цветом вместо зеленого.
Итак, удивительная способность переходить из двухзарядного в трехзарядное состояние (мы еще вернемся к этой его способности спустя пару миллиардов лет, когда на Земле предположительно зародилась жизнь) позволяет железу в двухвалентном или трехвалентном обличье вести себя подобно другим веществам большой шестерки. Но постойте – железо обладает еще одной важнейшей способностью: оно легко превращается в металл.
Большая часть описанных до сих пор химических соединений обменивается электронами, превращаясь в ионы. Алюминий, магний, кальций и железо отдают электроны, кислород их принимает. Соответственно такие соединения называются ионными. Однако металлы образуются иным путем. Каждый атом металла отдает один или несколько электронов и обретает положительный заряд. Но эти отторгнутые электроны образуют вокруг металла нечто вроде вязкого, отрицательно заряженного «моря», которое удерживает все положительно заряженные атомы вместе, как дробинки в патоке. Железо в форме металла представляет собой огромное скопление атомов, совместно владеющих свободными электронами.
Такое коммунальное хозяйство весьма продуктивно. Начать с того, что электроны, находящиеся в общем владении, свободно передвигаются, что делает металлы прекрасными проводниками электричества (электричество, собственно, и представляет собой направленный поток электронов). Для сравнения: в ионах, состоящих из кислорода и алюминия или магния, каждый электрон закреплен на своем месте так прочно, что поток электричества невозможен. Другим следствием металлических соединений является то, что такие вещества преимущественно гнутся, а не ломаются. «Электронное море», окружающее атомы, можно сворачивать и закручивать, не умаляя его совместной силы, в отличие от хрупких камней и минералов.
Внимательный читатель наверняка уже заметил, что не только железо способно образовывать металлы. Банки из алюминия, фольга, электропроводка всем известны; сплавы из металлического магния широко применяются в высокотехнологичных гоночных автомобилях и игрушках; в основе большинства электронных устройств используются полуметаллы (металлоиды) на основе кремния (отсюда Кремниевая долина). Но все эти металлические виды алюминия, магния и кремния являются продуктами современного химического производства. На то, чтобы отделить их от кислорода, уходит много энергии, и в виде металлов они практически не встречаются в природе.
Железо гораздо меньше привязано к кислороду и свободнее входит в самые разные соединения. В отличие от кремния, алюминия, магния или кальция, оно спокойно вступает во взаимодействие с любыми акцепторами электронов, особенно с серой (блестящий пирит является сульфидом железа), а также с медным колчеданом. В отличие от других элементов, железо легко образует плотный металл, который оседает в глубине планет и формирует их массивное ядро.
Расплавленная Земля
Большая шестерка элементов, каждый из которых является неизбежным результатом взрывающихся звезд и эволюции планет земного типа, лежит в основе разнообразных горных пород на Земле. Их химические свойства обусловили необратимый ход преобразований, приведших к современному состоянию мира. Однако прежде образования горных пород Земля должна была остыть.
Попробуйте еще раз представить бурные времена, последовавшие за гигантским столкновением, в результате которого образовалась Луна. В первые дни, а может, и недели после столкновения то, что стало впоследствии Землей и Луной находилось в неупорядоченном состоянии. В то время ни Земля, ни Луна не имели твердой поверхности. Они представляли собой два шарообразных тела, покрытых океаном магмы, кипящей, раскаленной, поливаемой дождем расплавленного кремния, и все это при температурах, превышающих многие тысячи градусов.
По мере освобождения от остатков Тейи жар, подобный жару доменной печи, поднимался от Земли в холодный вакуум космоса, и внешняя оболочка планеты неуклонно остывала. При этом космические силы старались как можно дольше сохранять земную поверхность в расплавленном состоянии. Огромные астероиды продолжали обстреливать планету. Каждый такой удар добавлял тепловой энергии, дополнительно раскаляя область столкновения, что препятствовало образованию устойчивой коры. Приливные силы Луны, располагавшейся на близком расстоянии, также вносили свою лепту в поддержание поверхности Земли в жидком состоянии, поскольку каждые пять часов вокруг планеты вспухала бурная волна магмы, заново разбивая тоненькую твердую оболочку. Добавляли жару и радиоактивные элементы, в изобилии имевшиеся на Земле: от короткоживущих тепловыделяющих изотопов алюминия и вольфрама до долгожителей – радиоактивных изотопов урана, тория и калия. Да и недавно возникшая развивающаяся атмосфера, разогреваемая парами от вулканических выбросов, богатых углекислым газом и водой, усиливала общий нагрев, производя сверхпарниковый эффект.
