Роберт Гейзен - Історія Землі

Кристали із кремнієво-кисневими зв’язками, які називають силікатами, є найтиповішими мінералами на Землі – наразі відомо більше ніж тринадцять тисяч різновидів силікатів (і майже щомісяця додаються нові). Багатство кремнієво-кисневих зв’язків спричинило розмаїття атомних структур з різними властивостями, як-от у міцній і атмосферостійкій структурі кварцу та польового шпату або в гронах блискучого зеленого олівіну чи червоного гранату (напівкоштовних оберегах народжених у серпні та січні, відповідно), чи голчастих габітусах із силоксановим зв’язком деяких сумновідомих форм азбесту, чи тонких і пласких мінералах, наприклад, слюді, яку колись використовували як дешевий замінник віконного скла.

Кальцій, магній та алюміній, хоча вони й не такі поширені, як-от кремній, відіграють ключову роль у структурі більшості типових силікатних гірських порід, розповсюджених в корі та мантії Землі. Це позитивно заряджені іони, і подібно до своїх «кузенів» (силікатів), що зустрічаються доволі часто, вони також подекуди об’єднуються з киснем, утворюючи оксид кальцію, відомий як негашене вапно; оксид магнію, а також рубін і сапфір (коли оксид алюмінію поєднаний з незначною кількістю таких рідкісних елементів, як-от хром чи титан).

Найгнучкішим елементом є залізо – останній з великої шістки. Решта п’ять – кисень, кремній, алюміній, магній та кальцій – мають однакову домінуючу хімічну особистість. Кисень майже завжди є акцептором двох електронів, кремній, фактично завжди, – донором чотирьох електронів, алюміній – донором трьох електронів, а магній і кальцій – донори двох. Проте залізо, двадцять шостий елемент, відіграє три абсолютно різні хімічні ролі.

Багатошарова структура Землі демонструє нам різноманіття заліза. Кожним десятим атомом у багатій на кисень земній корі та мантії є залізо, а металеве ядро планети містить більш ніж 90 відсотків заліза. Цей разючий контраст можна пояснити тим, що в цього елемента двадцять шість електронів, а це дуже далеко від числа вісімнадцять, найближчого магічного числа, і це робить залізо найкращим у своєму роді донором електронів. Залізо ніяк не може віддати свої вісім електронів (жоден атом так багато не прийме), тож йому лишається обходитися тим акцептором, який у цей момент є поруч.

Подекуди залізо поводиться подібно магнію та віддає два електрони, стаючи іоном із зарядом +2. У такому двовалентному стані залізо надає більшості мінералів та інших хімічних сполук характерного зеленкуватого чи блакитного кольору. Типовий зелений колір дорогоцінного каменю перидоту (олівін з домішком заліза) та блакитно-зелений відтінок бідної на кисень крові, що тече у ваших венах, є красномовним свідченням наявності двовалентного заліза. Останнє об’єднується з киснем в пропорції один до одного. І, оскільки атоми магнію та заліза мають однаковий розмір, ці елементи часто взаємозамінні в найрозповсюдженіших мінералах земної кори та мантії. Деякі найпоширеніші мінерали, серед них олівін, гранат, піроксен та слюда, мають різновиди залежно від пропорції в них магнію та заліза – від безколірних видів, у яких 100 відсотків магнію, до темнозабарвлених із 100 відсотками двовалентного заліза.

Однак залізо не обмежується станом +2. За наявності великої кількості акцепторів електронів воно з готовністю віддає третій електрон, перетворюючись на іон із зарядом +3. Ця тривалентна форма заліза надає сполукам характерного червонувато-цегляного кольору. Червона іржа, червонозем, червона цегла та насичена киснем червона кров завдячують своїми яскравими відтінками тривалентному залізу. Як і алюміній, що також набуває стану +3, тривалентне залізо об’єднується з киснем в пропорції два до трьох, утворюючи Fe2O3 – типовий мінерал, що називають гематитом через його криваво-червоний колір. Як і магній, що часто заміняє залізо у двовалентних сполуках, алюміній теж нерідко заміняє тривалентний варіант заліза. У таких мінералах, як-от гранат, амфібол та слюда, можливі найрізноманітніші співвідношення алюмінію та заліза, при цьому в багатих залізом різновидах червоний колір домінує над зеленим.

Отже, із цим надзвичайно корисним трюком перемикання зі стану +2 в стан +3 та навпаки (ми повернемося до цього дивовижного вміння через декілька мільярдів років, коли на сцені вперше з’явиться життя) залізо у своїй двовалентній та тривалентній личині поводить себе так само, як і решта членів великої шістки. Постривайте-но, залізо відіграє на Землі ще одну істотну роль: воно з легкістю може формувати метал.