Zastoupení prvků v přírodě

Veškerá hmota okolo nás i v nás je tvořena atomy. Ty se skládají z velice malého jádra, ve kterém je soustředěna téměř veškerá jeho hmota a lehkých elektronů, které se nacházejí v prostoru, který je téměř sto tisíckrát větší, než je rozměr jádra. Jádro se pak skládá z protonů a neutronů, které mají zhruba stejnou hmotnost. Tyto dvě částice se označují společným názvem nukleon. Protony mají elektrický náboj a neutrony jsou elektricky neutrální. Proton nese úplně stejný náboj, jako elektron. Jak elektrony, tak protony a neutrony jsou fermiony.

Kvantová fyzika nedovoluje v některých případech spojité hodnoty některých veličin. Elektrony tak mohou být v atomu jen ve stavech s danými diskrétními hodnotami energie. Zároveň se hladiny grupují do skupin, které mají blízké hodnoty energií, tzv. energetických slupek. Mezi slupkami je naopak velký rozdíl v energii. Zároveň se opakují slupky s podobnými vlastnostmi. Zmíněné energetické hladiny se obsazují postupně. A právě popsané vlastnosti vedou k tomu, že můžeme pozorovat periodicky se opakující změny chemických vlastnosti v závislosti na růstu počtu protonů a tedy i hmotnosti atomů, které popsal pomocí své tabulky Dmitrij Ivanovič Mendělejev.

V jeho době, rok 1869, bylo známo pouze 62 prvků a v Mendělejevově tabulce byla řada bílých míst. Nalezení nových prvků, jejichž vlastnosti odpovídaly předpovědím pro prázdná místa, pak potvrdilo správnost Mendělejevovy tabulky. Chemické vlastnosti prvků jsou tak určeny a lze je předpovídat právě na základě jejich polohy v této tabulce. V ní je nyní sedm period a prvky v každé periodě mají podobné vlastnosti těm, které leží v předchozí periodě na stejném místě.

Jádro daného prvku má přesně daný počet protonů, ale může mít různý počet neutronů. Mluvíme pak o různých izotopech tohoto prvku. Jádra různých izotopů mohou být stabilní, ale většinou jsou nestabilní a rozpadají se. Čím je dána míra stability jader? Závisí na poměru mezi počtem protonů a neutronů. Nabité částice se stejným nábojem se vzájemně odpuzují. V jádře tak musí působit kromě odpudivé elektrické síly ještě jiná, přitažlivá síla. Tou je silná jaderná síla, která působí jak u protonů, tak i neutronů.

Zatímco elektrická síla sice klesá se vzdáleností, ale působí v principu na nekonečnou vzdálenost, silná jaderná interakce působí jen do vzdálenosti srovnatelné s rozměrem nukleonu. Zatímco protony se elektrickou interakcí odpuzují se všemi ostatními protony v jádře, protony a neutrony se mohou jadernou silou přitahovat pouze s velmi omezeným počtem nukleonů. To vede k tomu, že pro udržení stability jádra se musí počet neutronů zvyšovat rychleji než počet protonů. Lehká jádra jsou tak stabilní, pokud mají počet protonů zhruba stejný jako počet neutronů. Těžká jádra pak musí mít počet neutronů větší, u těch supertěžkých až o 70 %.

Čtěte také: Katastrofy spojené s prvky Sluneční Soustavy

Tyto vlastnosti vedou k tomu, že nejtěžší prvek, který má alespoň jeden stabilní izotop, je olovo. Bismut už stabilní izotop nemá, i když izotop 209Bi má poločas rozpadu 2∙1019 let, což extrémní hodnota. Jak bylo zmíněno, jsou protony a neutrony fermiony, tedy nesnášenlivé částice, které v jádře obsazuji postupně stále vyšší energetické hladiny. Stejně jako elektronů v atomu nejsou energie jednotlivých hladin rozděleny rovnoměrně, ale dostáváme slupky s hladinami s blízkými hodnotami energie a velkým rozdílem energie mezi slupkami. Protony tvoří jeden systém slupek a neutrony druhý. Dostáváme tak také vysokou stabilitu jader pro určité počty protonů a neutronů, kdy dochází k uzavření konkrétních slupek. Tyto počty neutronů nebo protonů se označují jako magická čísla. Ta jsou 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 …

Zároveň mají neutrony i protony tendenci se párovat. Tedy sudý počet neutronů nebo sudý počet protonů zvyšuje stabilitu jádra. Nejstabilnější jsou tak magická sudo-sudá jádra. Bez této vlastnosti by nebyla možná existence supertěžkých prvků. Právě následující magická čísla v počtu neutronů a protonů by měla umožnit existenci ostrova stability na mapě různých jader. Předpověď, kde tento ostrov přesně leží, je však velmi náročné. Supertěžká jádra by nemusela mít kulový tvar, jeho přesný popis není znám a deformace jádra může silně ovlivnit hodnoty magických čísel, polohu ostrova stability a poločasy rozpadu jader, které na něm leží.

Nejsou vyloučeny i velmi dlouhé poločasy rozpadu supertěžkých prvků, které by umožnily jejich výskyt v přírodě. Ale je to spíše nepravděpodobné.

Výskyt prvků v zemské kůře

Zemská kůra je silikátový obal Země do hloubky 16 km, s veškerým vodstvem a ovzduším do výšky 15 km. Chemické složení zemské kůry není nahodilé, ale podléhá zákonitostem geochemie. Poloha prvku v periodické soustavě totiž určuje možnost izomorfního zastupování jednotlivých prvků ve sloučeninách, případně vznik určitých sloučenin vůbec. Dalším důležitým faktorem, který ovlivňuje výskyt prvků na Zemi a chemické složení zemské kůry, je případná biogennost jednotlivých chemických prvků. Průměrné zastoupení prvků v zemské kůře se nazývá geochemický průměr.

Průměrná hustota zemské kůry ≈ 2,8 g·cm-3. Hlavními minerály zemské kůry jsou nerosty 9. třídy Strunzova mineralogického systému silikáty a nerosty 4. třídy oxidy.

Čtěte také: Podíl obnovitelných zdrojů

Magmatické (vyvřelé) horniny vznikly krystalizací magmatu a dále se rozdělují na horniny extruzivní (výlevné), které vznikly rychlou krystalizaci magmatu na zemském povrchu, typickým přestavitelem extruzivních hornin je např. čedič (bazalt). Dalším druhem magmatických hornin jsou horniny intruzivní (hlubinné), které naopak vznikly pomalou krystalizací magmatu hluboko pod zemským povrchem, typickým představitelem je žula.

Sedimentární (usazené) horniny vznikly erozí starších hornin a jejich následným transportem a usazováním. Sedimentární horniny se dále rozdělují na klastické, vzniklé usazováním pevných částic ve vodním prostředí nebo na souši, např. jílovec, slepenec, pískovec. Dalším typem sedimentárních hornin jsou chemogenní horniny, které vznikají vysrážením látek z roztoků, např. travertin, sintr. Posledním typem sedimentárních hornin jsou biogenní horniny, které vznikají biologickou činností živých organismů, např. kalcit.

Metamorfované (přeměněné) horniny vznikly z magmatických a sedimentárních hornin působením vysokých tlaků a teplot v zemské kůře, mezi hlavní zástupce metamorfovaných hornin patří např.

Jednu ze základních pouček geochemie, Harkinsovo pravidlo (pravidlo četnějšího výskytu prvků), formuloval v roce 1917 americký chemik William Draper Harkins (28. 12. 1873 - 7. 3.

Nejrozšířenější prvek zemské kůry je s podílem 49,13 % kyslík, druhý nejčastější prvek v zemské kůře je s podílem 26 % křemík, třetí nejrozšířenější chemický prvek na Zemi je s podílem 7,45 % hliník. S podílem těsně pod 0,01 % se v zemské kůře nachází dusík, baryum, bor, vanad, lithium, nikl, stroncium, chrom, zirkonium, měď a fluor. Pod hranicí 0,001 % se v zemské kůře vyskytuje arsen, antimon, selen, stříbro, praseodym, samarium, europium, gadolinium, holmium. Mezi nejvzácnější prvky na Zemi patří s podílem pod 0,0001 % např. zlato, thulium, lutecium, platina, ruthenium a další platinové kovy.

Čtěte také: Hořčík a jeho role

Výroba supertěžkých prvků

Existují tři možnosti, jak produkovat supertěžká jádra. První je ozařování intenzivním tokem neutronů, při nich vznikají izotopy s vyšším počtem neutronů. V nich se přeměnou beta může neutron změnit na proton a vzniká chemický prvek s protonovým číslem o jednotku větším. Klasickým příkladem je vznik plutonia 239 v reaktoru. Tam se izotop uranu 238 záchytem přemění na uran 239 a ten se rozpadem beta přemění na neptunium 239 a dalším rozpadem beta na plutonia 239.

Další možností je slučování postupně stále těžšího projektilu s těžkým terčovým jádrem. Zde jsou tři možnosti. První je slučování lehkých urychlených jader s těžkým terčíkovým jádrem. Druhou možností je pak tzv. studená fúze. V tomto případě se velmi stabilní jádro, které má počet neutronů i protonů rovné nebo blízké magickým. Toto jádro má velmi vysokou vazebnou energii. Proto se značná část energie, kterou do složené jádra vnese projektil, spotřebuje na kompenzování této vazebné energie. Vzniklé složené jádro má tak nízký přebytek energie, kterého se musí zbavit. Stačí tak vyzáření několika fotonů případně pár neutronů. Je tak menší pravděpodobnost, že se složené jádro rozpadne nebo z něj vyletí protony.

Třetí možností je tzv. horká fúze. V tomto případě se používají ta nejtěžší jádra, která tak mají počty neutronů a protonů vzdálená od magických. V tom případě je přebytek energie větší a vyzářených gama fotonů i neutronů je více. Je také vyšší pravděpodobnost, že se vzniklé složené jádro rozpadne nebo ztratí i nějaké protony.

Výskyt supertěžkých prvků v přírodě

Zdrojem supertěžkých prvků v přírodě jsou supernovy. Při něm se produkují velmi intenzivní toky neutronů a předpokládá se, že vznikají i velmi těžké supertěžké prvky, i takové, které se nám zatím v laboratoři vyrobit nepodařilo. Tyto supertěžké prvky se dostaly do prachoplynných mlhovin, ze kterých se později vytvořila i naše Sluneční soustava.

Supertěžké prvky tak můžeme hledat v přírodě. Problém je, že můžeme pozorovat pouze ta jádra, která se od doby vzniku Sluneční soustavy nerozpadla. Stáří Sluneční soustavy je zhruba 4,5 miliardy let. To znamená, že na Zemi lze najít pouze izotopy velmi těžkých prvků, které mají poločas rozpadu v řádu stovek milionů let a více. Na zemi tak můžeme najít thorium 232, které má poločas rozpadu 14 miliard let, uran 238 s poločasem rozpadu 4,5 miliard let a uran 235 s poločasem rozpadu 0,7 miliardy let.

Poměr mezi zastoupením uranu 238 a uranu 235 je dán právě poločasy rozpadu těchto izotopů a dobou existence Sluneční soustavy. Při výbuchu supernovy vzniklo zhruba stejné množství obou izotopů uranu. Zatímco uranu 238 se do současnosti rozpadla pouze polovina, uranu 235, který má mnohem kratší poločas rozpadu, se už rozpadla většina a jeho zastoupení v uranových rudách je pouze 0,7 %.

Nejstabilnější izotop plutonia má 244 nukleonů a jeho poločas rozpadu je pouhých 80 milionů let. Část zařízení SHIP v GSI Darmstadt umožňujícího identifikovat i jednotlivá jádra supertěžkých prvků. Objevila se studie, že se stopy tohoto izotopu objevily v přírodních rudách. Protože by však mohlo tvořit pouze okolo 10-17 ve srovnání s izotopy uranu, zdá se jeho výskyt na zemi jen těžko zjistitelný a výsledky dané studie jsou nejspíše chybné.

V přírodě se zatím žádné supertěžké prvky nenašly, takže lze usuzovat na to, že jejich poločasy rozpadu jsou menší než stovky milionů let.

tags: #zastoupeni #prvku #v #prirode #graf

Oblíbené příspěvky:

• Integrovaná prevence znečištění
• Recenze stavebních firem Rychnov
• Hodnocení vyluhovatelnosti odpadů
• Postup připojení ke kanalizaci v Kladně
• Rozsáhlý požár v Košťálově