История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Хейзен Роберт

За каждым из элементов «большой шестерки» стоит особая химическая история. Каждый по-своему внес вклад в развитие Земли после гигантского столкновения. Ключом ко всему являются химические соединения. Напомню, что атомы соединяются друг с другом, когда окружающие их облака электронов вступают во взаимодействие и образуют более устойчивые соединения, а именно: атомы с магическим числом из двух, десяти или 18 электронов. Для осуществления такого обмена одни атомы должны отдать свои электроны, а другие – принять их.

На Земле главным акцептором электронов является кислород. В ядре каждого атома кислорода содержится восемь положительно заряженных протонов, которые уравновешиваются восемью отрицательно заряженными электронами. Но кислород находится в постоянном поиске

двух дополнительных электронов, которые составили бы магическое число десять. Эта ненасытная нужда превращает кислород в один из самых химически активных и агрессивных газов в природе. Противное вещество, что ни говори.

Для большинства из нас кислород представляется главным образом как важная часть атмосферы: около 21 %, которые поддерживают нашу жизнь. Но его нынешняя счастливая роль в атмосфере – это результат сравнительно недавних событий в истории Земли. По крайней мере в первые два миллиарда лет земная атмосфера была напрочь лишена кислорода. И по сей день большая часть земного кислорода содержится в горных породах и минералах – 99,9999 % от их общего состава. Поднимитесь на какой-нибудь величественный скалистый горный пик или пройдите по продуваемой всеми ветрами высокогорной тропе – большая часть атомов у вас под ногами – это кислород. Когда вы лежите на песчаном пляже, два из трех атомов под вами – тоже кислород.

Предоставляя кислороду роль главного химического акцептора, существует множество атомов, готовых поделиться с ним своими электронами. Самым обильным поставщиком электронов является кремний, составляющий примерно четверть всех атомов в земной коре и мантии. В ядре кремния содержится 14 положительно заряженных протонов, уравновешенных 14 отрицательно заряженными электронами. Обычно кремний отдает четыре электрона, достигая магического числа десять электронов, и становится ионом кремния с положительным электрическим зарядом. В земной коре и мантии эти четыре отпущенных на волю электрона почти всегда поглощаются двумя атомами кислорода, превращая их в отрицательно заряженные ионы. Вследствие этого во многих горных породах встречаются соединения с сильными кислородно-кремниевыми связями, например, кварц, или SiO₂, – союз одного атома кремния с двумя атомами кислорода. Твердые, прозрачные зерна кварца существуют с давних времен. Прибрежные залежи кварцевых песчинок исчисляются триллионами, в настоящее время кварц является самым распространенным минералом песчаных пляжей. Возможно, вы встречали в магазинах красивые, хорошо ограненные, прозрачные кристаллы кварца, продаваемые как «магические кристаллы». Держа в руках такое сокровище, вспомните, что оно на две трети состоит из кислорода.

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.