Ochotu, s jakou atomy prvků poskytují své valenční elektrony do vazby vyjadřuje elektronegativita, jejíž hodnoty jsou tabelovány.
Kovalentní vazba vzniká mezi prvky s blízkými hodnotami elektronegativity.
Prvky s elektronegativitami výrazně rozdílnými vytvářejí vazby iontové. Jde o vazby tvořené ionty, tedy částicemi s kladným nebo záporným nábojem.
Typ chemické vazby výrazně ovlivňuje fyzikální vlastnosti přírodních látek. Například látky tvořené molekulami se silnou kovalentní vazbou (N2, CO2) jsou za normálních podmínek plynné. Jejich molekuly jsou poutány pouze slabými van der Waallsovými silami. Látky, jejichž molekuly vykazují jistý podíl iontovosti, mají vysoké body tání z důvodu polymerace a vytváření složitějších celků.

Za hlavní typ

chemické vazby je považována kovalentní vazba. Je tvořena dvojicí elektronů s opačným spinem. Do takové vazby každý vazebný partner poskytuje jeden elektron umístěný v orbitalu.
Jiným typem kovalentní vazby je vazba, do které jeden z partnerů (tzv. donor) dodává celý elektronový pár a druhý parner (akceptor) poskytuje volný orbital. Tento typ vazby je typický pro komplexní sloučeniny (fluorokřemičitany) nebo v krastalových strukturách některých minerálů (sfelerit). Mezi vlastnostmi těchto dvou typů kovalentní vazby není rozdíl, liší se pouze svým vznikem.

Chemická vazba v geochemických látkách

Již dříve bylo uvedeno,že téměř všechny geochemické látky sestávají z atomů poutaných chemickou vazbou. Hlavním důvodem pro tvorbu vazby je energetická výhodnost existence elektronů v silovém poli více jader.
Vazebné možnosti atomů prvků jsou dány strukturou elektronového obalu ve sféře nejvíce vzdálené od jádra. Tato se nazývá valenční sféra. Elektrony z valenční sféry (tzv. valenční elektrony se totiž podílejí na tvorbě chemické vazby.

Hlavní kvantové číslo n

- určuje podstatnou část energie orbitalu, může nabývat hodnot od 1 do 7.

Vedlejší kvantové číslo l - udává prostorové rozložení elektronové hustoty, nabývá hodnot od 0 do n-1.

Magnetické kvantové číslo m - určuje prostorovou orientaci orbitalu, může nabývat hodnot od -l do l.

Každý orbital může být obsazen maximálně dvěma elektrony, ty se však musí lišit dalším kvantovým číslem. Jde o spinové kvantové číslo charakterizujcí tzv. spin elektronu. Toto číslo může nabývat pouze dvou hodnot +1/2 a -1/2. V případě, že by elektrony měly stejný spin (tedy stejné spinové kvantové číslo), nemohou obsazovat stejný orbital. Platí totiž Pauliho princip, podle kterého v atomu nemohou existovat dva elektrony shodné ve všech čtyřech kvantových číslech. Tedy : mají-li dva elektrony v atomu (platí i pro molekuly) stejná kvantová čísla n, l, m (tzn. obsazují stejný orbital), musí se lišit spinovým číslem (musí mít různé spiny a naopak, mají-li stejné spinové číslo, musí se lišit alespoň v jednom z kvantových čísel n, l, m (musí být v různých orbitalech).

Chemické vlastnosti prvků

jsou dány především elektronovým obalem atomů, zejména jeho výstavbou.
Celkový počet elektronů v elektronovém obalu atomu je dán protonovým číslem Z. Podle kvantové teorie obsazují elektrony v obalu tzv. elektronové sféry a v nich určité energetické hladiny. Vlastnosti každého elektronu jsou dány řešením příslušné Schrödingerovy vlnové rovnice, které označujeme jako orbital. Orbital je charakterizován třemi kvantovými čísly - n, l, m.

Pro atom s danými hodnotami Z, N, A se užívá označení nuklid. Nuklidy, které mají stejné protonové číslo Z a liší se svým neutronovm číslem se nazývají izotopy. Izobary jsou nuklidy se stejnými nukleonovými čísly A, různými Z a N. Nuklidy se stejnými neutronovými čísly N se nazývají izotony.

Stavba atomů

Stavba atomů určuje vlastnosti prvků a jejich chování v různých procesch.
Atom se skládá z jádra a elektronového obalu.
Jádro je nositelem podtatné části hmmotnosti atomu, má kladný náboj. Obsahuje protony - p (kladně nabité částice) a neutrony - n (částice bez náboje). Souhrnně jsou protony a neutrony označovány jako nukleony. Počet protonů v jádře udává protonové číslo - Z, počet neutronů neutronové číslo - N, počet nukleonů nukleonové číslo - A. Mezi těmito čísly platí vztah

Z + N = A.

Fyzikálně - chemické základy geochemi

Geochemické látky, jejich struktura a vlastnosti

Materiály, z nichž Země sestává, nazýváme geochemické látky. Tyto materiály jsou anorganického i organického původu a ptří mezi ně minerály, mineraloidy, přírodní roztoky a přírodní plyny. Vznikly z prvků rozličnými geologikými procesy.
Kromě takzvaných vzácných (inertních) plynů jsou všechny geochemické látky tvořeny atomy navzájem poutanými chemickými vazbami.

Geologové

získávají údaje o původním složení magmatických tavenin studiem ztuhlých magmat, tzn. eruptivních hornin, modelováním tavenin různého složení v laboratorních podmínkách a též přímým pozorováním v oblastech současné vulkanické aktivity. Ani jeden z těchto postupů však nedává přesné informace o složení a fyzikálních vlastnostech magmatu v průběhu jeho vývoje v zemské kůře a na povrchu Země. Rozdíly jsou způsobeny:
- únikem vodních par a dalších prchavých složek při výronu magmatu na zemský povrch i v procesu jeho chladnutí,
- gravitační i jinými druhy diferenciace, při kterých dochází ke vzniku heterogenních částí magmatické hmoty ve vertikálním i horizontálním směru,
- procesy zvětrávání, které se uplatňují od okamžiku proniku magmatu do dosahu zemské atmosféry nebo do vody.

Experimentálně bylo prokázáno, že i směs krystalů s 10 % podílem taveniny, je schopná se v zemské kůře, resp. na povrchu pohybovat. Je otázka, zda takovou hmotu je možno ještě považovat za magma. Stále však chybí jednoznačná kvantitativní kriteria pro vymezení minimálního obsahu taveniny v takových směsích, aby směs mohla být označena jako magma.

Magma a jeho produkty

Dříve se předpokládalo, že magma je homogenní silikátová tavenina. V posledních letech se většinou pod označením magma rozumí směs, kterou tvoří silikátová tavenina s krystaly silikátů, rudních minerálů (převážně tmavé minerály, sulfidy, magnetit, ilmenit), obsahující též fluidní fáze (vodní páru a jiné těkavé látky).
Poměr těchto tří základních složek magmatu je proměnlivý.

V předchozích kapitolách

již uváděné stáří Země je poměrně spolehlivě určováno z radioaktivity hornin. Předpokládá se, že od okamžiku ztuhnutí horniny se v ní hromadí produkty radioaktivního rozpadu prvků. Nejznámější uran 238U --- 206Pb + 8 4He s poločasem rozpadu 4.49.109 let. Z relativního množství radioaktivního izotopu a stálého izotopu, vzniklého rozpadem v hornině, lze odhadnou její stáří. Pro nejstarší horniny v zemské kůře byla tak nalezena hodnota (4.5 +0.3).109 let, což je interpretováno jako stáří Země. Stáří sluneční soustavy a Slunce samotného jsou zhruba stejné.

Teplota

zemského jádra nepřesahuje 104K.
Zemské magnetické pole vzniká patrně konvektivními pohyby viskózního materiálu uvnitř Země, elektricky vodivého. Stačí jen slabé magnetické pole, aby těmito pohyby boly výrazně zesíleno, obdobně jako v dynamu. Vnější magnetické pole je velmi proměnné v důsledku interakce zemské magnetosféry se slunečním větrem.

Střední hustota Země

je 5.52 g.cm-3, hustota zemské kůry 2.6
až 3 g.cm-3. Směrem do středu hustota stoupá, v hloubce 3000 km je asi 9.4 g.cm-3, v hloubce 6370 km až 17 g.cm-3.
Tlak ve středu Země je řádově 3.5.105 MPa. Teplota s hloubkou vzrůstá, geotermický teplotní gradient se odhaduje na 30 K.km-1. Teplotní režim zemského tělesa závisí na sdílení energie z nitra (kondukcí a konvekcí) a distribucí prvků 288U, 232Th, 40K, které jsou radioaktivními zdroji tepla.

Tabulka 3c: Bližší údaje o stavbě Země

Název Označení Interval hloubek
podle Bullena kontinenty oceány


Z e m s k á k ů r a A
svrchní kůra 5 - 20 km
Conradova hranice 0-10 km
spodní kůra 10 - 30 km
Mohorovičova hranice 40 km


Z e m s k ý p l á š ť
svrchní pláť B 60 - 400 km
přechodná zóna C 400 -1000 km
spodní plášť D 1000-2900 km


Z e m s k é j á d r o
vnější jádro E 2900-4980 km
přechodná zóna F 4980-5120 km
vnitřní jádro G 5120-6370 km

Významné

je studium hornin hlubinného původu. Podle jejich složení se často usuzuje např. na hloubku magmatického krbu. Magmata všeobecně jsou hlavním zdrojem přímých údajů o složení a diferenciaci svrchního pláště. V této souvislosti jsou často uváděny bázické vyvřeliny za typický produkt pláště, k nim patří např. kimberlit, který může obsahovat granáty, spinely, diamanty, flogopit a jiné nerosty. Ve srovnání s pláštěm jsou komberlity obohaceny o Ti, Fe, alkálie a fosfor. Velký informativní význam je připosován granulitám, karbonatitům a eklogitům. Blíže se však touto problematikou zabývá geologie.
Většina obecných charakterisk planety Země a zejména její litosféry je uvedena v tabulce 3c.

Hluboké vrty:

Vrtné práce se v současné době realizují do hloubek až 15 km, známé jsou vrty na poloostrově Kola a v Kaspické oblasti. Ukázaly, že seismické hranice a reflexy v mělčí části odpovídají pouze změnám fyzikálnícho stavu hornin za dlouhodobě působících podmínek v kůře. V rámcí výzkumů litosféry se připravují superhluboké vrty též v SRN a USA.

Hlavním zdrojem informací o stavbě litosféry jsou geofyzikální data, nejčastěji seismická data. Patří k ním především studium hloubkové distribuce epicenter zemětřesení (tzv. Benioffovy zóny), na jejichž základě byly stanoveny zóny subdukce, rychklostní modely kůry a stanovení reliéfů jednotlivých vrstev reflexní a refrakční seismikou. Interpretace seismických dat má kromě technických i řadu interpretačních potíží, např. co vlastně určuje reflexivitu hornin, poruchových systémů a pod. v hlubokých částech lůry? Do jaké míry lze podle pvrchových údajů soudit na vlastností hornin v hloubce? Odráží neměřené hodnoty současný stav nebo indikují vývojová stadia?
Geologické údaje přináší superhluboké vrty, xenolity ve vyvřelých horninách, výzkum hornin hlubinného původu, rekonstrukce tvarů geologických těles a geologické modely.

Zemská kůra a svrchní část pláště jsou označovány jako litosféra, zasahují do hloubky 100 až 400 km pod kontinenty a přibližně do hloubky 100 km pod oceány. Spodní hranice litosféry je vyznačena zónou zvýšení reflexity svrchního pláště a nízkorychlostní zónou, která je označováno jako astenosféra a předpokládá se o ní, že je zónou mechanického odloučení litosférických desek.
Nejvyšší část pevné zemské kůry, která je v interakci s biosférou, hydrosférou a atmosférou je složena v podstatě jen z osmi chemických prvků, které představují 98.5 % hmot. Těmito prvky jsou: kyslík 46.6, křemík 27.7, hliník 8.1, železo 5.0, vápník 3.6, sodík 2.8, draslík 2.6 a hořčík 2.1 % hmot.

Údaje o složení Země

Země se skládá z jádra o poloměru asi 3400 km, pláště silného přibližně 2900 km a tenké kůry o průměrné mocnosti asi 40 km. Hranice mezi jádrem, pláštěm a kůrou tvoří zóny stanovené geofyzikálními metodami (měřením změny rychlosti seismických vln):
- Gutenbergova v hloubce 2900 km,
- Mohorovičova v hloubce průměrně 40 km.

Údaje o složení Země

Země se skládá z jádra o poloměru asi 3400 km, pláště silného přibližně 2900 km a tenké kůry o průměrné mocnosti asi 40 km. Hranice mezi jádrem, pláštěm a kůrou tvoří zóny stanovené geofyzikálními metodami (měřením změny rychlosti seismických vln):
- Gutenbergova v hloubce 2900 km,
- Mohorovičova v hloubce průměrně 40 km.

Oceánská litosféra: 10 km (6-12 km), členěná na patra

Kontinentální litosféra: (15-60 km), členěná na patra
- sedimentární patro 5-20 km
- střední (granitové/patro
10-15 km
- spodní (bazaltové) patro
10-30 km

Tabulka 3d:

Průměrné složení zemské kůry /% hmotn./



Složka Svrchní zemská Zemská kůra

kůra do 16 km kontinen- oceánská celkem
Clarke Wedepoll tální /suboceán-
/1924/ /1969/ /1978/ ská/



SiO2 59.08 66.4 60.22 48.44 57.60
TiO2 1.03 0.7 0.73 1.26 0.84
Al2O3 15.23 14.9 15.18 15.85 15.30
Fe2O3 3.10 1.5 2.48 2.67 2.53
FeO 3.72 3.0 3.77 6.11 4.27
MnO 0.12 0.1 0.14 0.21 0.16
MgO 3.45 2.2 3.05 6.89 3.88
CaO 5.10 3.8 5.51 12.15 6.99
Na2O 3.71 3.6 2.99 2.57 2.88
K2O 3.11 3.3 2.86 0.46 2.34
P2O5 0.28 0.2 0.24 0.13 0.22
Cr2O3 0.252
NiO 0.024
Li2O 0.007

Tabulka 3a:

Prvokové složení Země



Prvek Obsah Prvek Obsah
% hmot. % hmot.



O 49.20 Cl 0.19
Si 25.67 P 0.11
Al 7.50 Mn 0.08
Fe 4.71 C 0.08
Ca 3.39 S 0.06
Na 2.63 Ba 0.04
K 2.40 N 0.03
Mg 1.93 F 0.03
H 0.87 Sr 0.02
Ti 0.58 Ostatní 0.47

Jiné podklady:

díky práci stále modernějších spektroskopiských a jiných přístrojů na astronomických observatořích a výsledků, které přinášejí kosmické programy jsou k dispozici stále novější a přesnější údaje o chemickém složení bližšího i vzdálenějšího Vesmíru, včetně Země. Další příkladné výsledky chemických analýz jsou uvedeny v tabulkách 3c a 3d.