סיווג גולדשמידט

סיווג גולדשמידט הוא סיווג גאוכימי שפותח על ידי הגאולוג היהודי יליד שווייץ ויקטור גולדשמידט (Victor Moritz Goldschmidt; 1947-1870), המקבץ את היסודות הכימיים על פי העדפתם (או בלשונו "אהבתם") לשותפים או מארחים מסוימים בטבע. גולדשמידט חילק את היסודות לליתופילים (מיוונית אוהבי סלע), סידרופילים (אוהבי ברזל), כלקופילים (אוהבי עפרה) ואטומופילים (אוהבי גז) או נדיפים (היסוד או התרכובת שבה הוא משתתף הוא נוזל או גז בטמפרטורת החדר).

הטבלה המחזורית של היסודות לפי סיווג גולדשמידט
לכמה מהיסודות יש זיקה לכמה שותפים. הזיקה העיקרית מוצגת בטבלה להלן ותיאור כל קבוצה מופיע אחרי הטבלה.

יסודות ליתופילים
Al, At, B, Ba, Be, Br, Ca, Cl, Cr, Cs, F, I, Hf, K, Li, Mg, Na, Nb, O, P, Rb, Sc, Si, Sr, Ta, Th, Ti, U, V, Y, Zr, W, לנתנידים

יסודות ליתופילים הם יסודות הנוטים להישאר על פני השטח או קרוב לפני השטח משום שהם מתרכבים בקלות עם חמצן תוך יצירת תרכובות שאינן שוקעות לתוך גלעין כדור הארץ.

קבוצת היסודות הליתופילים כוללת בעיקר מתכות פעילות מאוד מבלוק-s ובלוק-f. היא כוללת גם מספר קטן של אלמתכות פעילות, והמתכות הפעילות יותר של בלוק-d, כדוגמת טיטניום, זירקוניום וונדיום. מקור המילה ליתופיל מיוונית: "ליתוס" – סלע ו"פיל" – אוהב.

היונים של מרבית היסודות הליתופילים יציבים מאוד, כשתבנית האלקטרונים שלהם היא כשל גז אציל (לעיתים עם אלקטרוני-f נוספים). היסודות שבהם המצב אינו כזה, כמו צורן, זרחן ובור, יוצרים קשרים קוולנטיים חזקים מאוד עם חמצן – המערבים לעיתים קרובות קשרי פאי. הזיקה החזקה שלהם לחמצן גורמת ליסודות הליתופילים לקשר חזק עם סיליקה תוך יצירת מינרלים שצפיפותם נמוכה ומשום כך הם צפים אל קרום כדור הארץ. המינרלים הנוצרים ממתכות אלקליות שהם המסיסים יותר נוטים להתרכז במי ים או באזורים צחיחים מאוד שם הם יכולים להתגבש. היסודות הליתופילים המסיסים פחות מתרכזים בשילדים יבשתיים עתיקים שבהם כל המינרלים המסיסים עברו בליה.

בשל זיקתם החזקה לחמצן מצויים היסודות הליתופילים בריכוז גבוה בקרום כדור הארץ יחסית לתפוצתם במערכת השמש. בולטות במיוחד המתכות הפעילות ביותר מבלוק-s ובלוק-f היוצרים הידרידים מתכתיים או יוניים, שתפוצתם בכדור הארץ גדולה בהרבה בהשוואה לכמותם במערכת השמש. הסיבה לכך היא שבמהלך השלבים הראשונים של יצירת כדור הארץ התגובה שקבעה את הצורה היציבה של יסוד כימי הייתה יכולתו ליצור תרכובות עם מימן. בתנאים אלו עברו המתכות מבלוק-s ובלוק-f העשרה משמעותית במהלך התהוות כדור הארץ. היסודות המעושרים ביותר הם רובידיום, סטרונציום ובריום, שביחד מהווים יותר מ-50% מהמסה של כל היסודות הכבדים מברזל המצויים בקרום כדור הארץ.

הליתופילים האלמתכתיים – זרחן והלוגנים – קיימים בכדור הארץ כמלחים יוניים יחד עם מתכות מבלוק-s בפגמטיטים ובמי ים. להוציא פלואור, שההידרידים שלו יוצרים קשרי מימן, ולפיכך הם בעלי נדיפות נמוכה, הריכוזים של יסודות אלו בכדור הארץ הצטמצמו בצורה משמעותית בעקבות בריחה של הידרידים נדיפים בתהליך היווצרות כדור הארץ. על אף שהריכוזים של יסודות אלו בקרום כדור הארץ דומים לריכוזים שלהם במערכת השמש, הריכוזים של זרחן וההלוגנים הכבדים הם ככל הנראה נמוכים באופן משמעותי בכדור הארץ בשלמותו בהשוואה לריכוזם במערכת השמש.

כמה מתכות מעבר, כולל כרום, מוליבדן, ברזל ומנגן מפגינים הן מאפיינים ליתופילים והן מאפיינים סידרופילים והם מצויים בשתי הקבוצות. למרות שלמתכות אלו קשרים חזקים עם חמצן ואף פעם אינם נמצאים בקרום כדור הארץ במצבם החופשי, משערים שצורות מתכתיות של יסודות אלו קיימים בגלעין כדור הארץ כשרידים מהעידנים שבהם האטמוספירה לא הכילה חמצן. כמו יסודות סידרופילים "טהורים" מצויים יסודות אלו בקרום כדור הארץ בריכוזים נמוכים משמעותית יחסית לריכוזים במערכת השמש.

היסודות המתכתיים הליתופילים מהווים את עיקר המסה של יסודות מתכתיים בקרום כדור הארץ ועם זאת בשל הזיקה החזקה שלהם לחמצן הם אף פעם לא היו זמינים כמתכות חופשיות לפני המצאת האלקטרוליזה. לאחר שזו הומצאה התגלו מתכות ליתופיליות רבות כבעלות ערך רב עבור מבנים (מגנזיום, אלומיניום, טיטניום, ונדיום) וכחומרים מחזרים (נתרן, מגנזיום, סידן). תהליך ההיתוך של מתכות אלו עתיר אנרגיה, ולכן גורם בעקיפין לפליטה מואצת של גזי חממה. בשל החשד שאלו גורמים לשינוי האקלים הוטל השימוש במתכות תעשייתיות אלו בספק, למרות שההצטמצמות של המתכות הכלקופיליות הנדירות יותר והפעילות פחות מותירה מעט מאוד תחליפים.

גם האלמתכות דוגמת הזרחן וההלוגנים לא היו מוכרים לכימאים הראשונים, למרות שיצור יסודות אלו קל יותר מייצור מתכות ליתופיליות מכיוון שמכל האלמתכות נדרשת אלקטרוליזה רק על מנת להפיק פלואור. היסוד כלור חשוב במיוחד כחומר מחמצן – והוא מיוצר מאלקטרוליזה של מלח בישול.

יסודות סידרופילים

Au, Co, Fe, Ir, Mn, Mo, Ni, Os, Pd, Pt, Re, Rh, Ru

יסודות סידרופילים (מ"סידרון" – ברזל ו"פיליה" – אוהב) הם מתכות מעבר שצפיפותן גבוה, הנוטים לשקוע לגלעין כדור הארץ משום שהם מתמוססים בקלות בברזל אם בתמיסה מוצקה או במצב מותך.

למרבית היסודות הסידרופילים אין שום זיקה שהיא לחמצן, ואכן תחמוצות של זהב אינם יציבים מבחינה תרמודינמית. הם יוצרים קשרים חזקים עם פחמן או גופרית, אבל אפילו אלו אינם מספיק חזקים על מנת להרחיק מהתרכובת יסודות כלקופילים. וכך היסודות הסידרופילים קשורים בקשרים מתכתיים עם ברזל בשכבות הצפופות של גלעין כדור הארץ שבו הלחצים הם כה גדולים שלמרות החום הברזל נשאר במצב מוצק. עם זאת, מנגן, ברזל ומוליבדן יוצרים קשרים חזקים עם חמצן, אך במצבם החופשי (כפי שהתקיימו בכדור הארץ הבראשיתי כשלא היה חמצן חופשי באטמוספירה) הם יכולים להתמזג עם ברזל בקלות מרובה, ולכן הם לא התרכזו בקרום הסיליקטי כמו שמתנהגים יסודות ליתופילים אמיתיים. עם זאת, עפרות של מנגן מצויים באותם אתרים שבהם מוצאים אלומיניום וטיטניום בשל הזיקה הגדולה של מנגן לחמצן.

מכיוון שהם כל כך מרוכזים בגלעין הצפוף, ידועים יסודות סידרופילים בהיותם נדירים בקליפת כדור הארץ. מרביתם גם היו ידועים תמיד בשל כך בכינוי מתכות יקרות. אירידיום היא מתכת המעבר הנדירה ביותר המצויה בקרום כדור הארץ, שריכוזה הוא פחות מחלק אחד למיליארד. מרבצים הניתנים לכרייה של מתכות נדירות נוצרים בדרך כלל כתוצאה מסחיפה של סלעים אולטרה-מאפיים, שבדרך כלל לא יוצר ריכוזים גבוהים במיוחד, אפילו בהשוואה לריכוז מתכות אלו בקרום כדור הארץ הנמוך בכמה סדרי גודל מריכוזם במערכת השמש. עם זאת, משום שהם מרוכזים במעטפת כדור הארץ ובגלעין משערים כי בממוצע ריכוז יסודות אלו בכל כדור הארץ דומה לריכוז במערכת השמש.

יסודות כלקופילים
Ag, As, Bi, Cd, Cu, Ga, Ge, Hg, In, Pb, Po, S, Sb, Se, Sn, Te, Tl, Zn

יסודות כלקופילים הם אלו שנשארו על פני השטח או קרוב לפני השטח משום שהם מתרכבים בקלות עם גופרית או עם כלקוגנים (יסודות בקבוצה 16) אחרים מלבד חמצן, תוך יצירת תרכובות שלא שוקעות לתוך הגלעין.

יסודות כלקופילים הם המתכות (הקרויות לעיתים "מתכות עניות") ואלמתכות כבדות שיש להם זיקה נמוכה לחמצן והם מעדיפים להיקשר לגופרית כסולפידים בלתי מסיסים. מקור המילה כלקופילים מיוונית "כלקוס" (χαλκός), שפירושו "עפרה" (פירוש המילה הוא גם נחושת או ארד, אבל במקרה זה "עפרה" היא הפירוש הרלוונטי), ויש גם השערה שמקור המילה כלקופילים הוא קיצור ל"אוהבי כלקוגנים".

משום שסולפידים אלו צפופים הרבה יותר מהמינרלים הסיליקטיים שנוצרו על ידי היסודות הליתופילים, נפרדו היסודות הכלקופילים מתחת לליתופילים בתקופה בה חלה ההתגבשות הראשונה של קרום כדור הארץ. עובדה זו גרמה להידלדלותם בקרום כדור הארץ יחסית לריכוזם במערכת השמש, אם כי משום שהמינרלים שהם יוצרים הם אלמתכתיים, הידלדלות זו לא הגיעה לרמות שאליהן הגיעו היסודות הסידרופילים.

עם זאת, משום שהם יצרו הידרידים נדיפים בכדור הארץ הבראשיתי כאשר התגובה העיקרית הייתה חמצון או חיזור של מימן, היסודות הכלקופילים הפחות מתכתיים הידלדלו מאוד בכדור הארץ יחסית לריכוזם הקוסמי. עובדה זו בולטת במיוחד לכלקוגנים סלניום וטלוריום, שמסיבה זו הם בין היסודות הנדירים ביותר המצויים בקרום כדור הארץ (רק להמחיש זאת, טלוריום נדיר כמו פלטינה).

היסודות הכלקופילים המתכתיים ביותר (מקבוצות הנחושת, האבץ ו הבור) עשויים להתערבב במידת מה עם ברזל בגלעין כדור הארץ. משום שאינם יוצרים הידרידים נדיפים ריכוזם בקרום לא הידלדל יחסית לריכוזם במערכת השמש. אבץ וגליום הם "ליתופילים" בטבעם משום שהם מופיעים לעיתים קרובות במינרלים סיליקטיים או מינרלים קרובים ויוצרים קשרים חזקים למדי עם חמצן. אחד ממקורות העיקרים של הגליום הוא המינרל בוקסיט, עפרה של אלומיניום הידרוקסידי, שבו מחליפים יונים של גליום יונים דומים כימית של אלומיניום.

למרות שיסודות כלקופילים אינם מצויים בריכוז גבוה בקרום כדור הארץ הם מהווים את עיקר המתכות בעלי החשיבות הכלכלית. הסיבה לכך היא שבעוד שיסודות ליתופילים דורשים תהליך אלקטרוליזה יקר באנרגיה לזיקוקם, קל לזקק כלקופילים על ידי ביצוע חיזור עם קוק, וגם משום שריכוזם הגאוכימי יכול להגיע במקרים קיצוניים לפי 100,000 מריכוזם הממוצע בקרום. ריכוזים עשירים אלו מופיעים ברמות גבוהות דוגמת רמת טיבט והאלטיפלאנו בבוליביה בהם התרוממו כמויות גדולות של יסודות כלקופילים אל פני השטח כתוצאה מהתנגשות לוחות טקטוניים. תופעת-לוואי של עובדה זו בתקופה המודרנית היא שהכלקופילים הנדירים ביותר (כמו כספית) נוצלו כמעט לחלוטין שערכם כמינרלים כמעט ונמוג לחלוטין.

יסודות אטומופילים
H, C, N, גזים אצילים

יסודות אטומופילים (קרויים גם "יסודות נדיפים") מוגדרים כיסודות הקיימים בעיקר על פני השטח או מעליו משום שהם מוכלים בנוזלים, או שהם נוזלים, או שהם גזים בטמפרטורות ובלחצים של פני השטח. הגזים האצילים אינם יוצרים תרכובות יציבות ומתקיימים כגזים מונאטומיים, בעוד שחנקן, אף שאין לו תצורה יציבה לאטומים הבודדים שלו, יוצר מולקולה דו-אטומית כל כך חזקה עד שכל התחמוצות של החנקן אינם יציבים תרמודינמית ביחס לחנקן וחמצן חופשיים. עקב כך התפתחות החמצן החופשי הודות לתהליך הפוטוסינתזה, עברה אמוניה התחמצנות לחנקן מולקולרי שבהדרגה הפך לארבע חמישיות מהאטמוספירה של כדור הארץ. פחמן גם הוא מסווג כאטומופיל משום שהוא יוצר קשרים מרובים חזקים מאוד עם חמצן בפחמן חד-חמצני (המתחמצן לאיטו באטמוספירה) ופחמן דו-חמצני. האחרון הוא המרכיב הרביעי בכמותו באטמוספירה, בעוד שפחמן חד-חמצני נוצר באופן טבעי בהרי געש ומתקיים באטמוספירה במשך כמה חודשים.

מימן, כאחד משני היסודות המרכיבים את המים, מסווג אף הוא כאטומופיל. מים מסווגים כנדיפים, משום שמרביתם הם בצורת נוזל או גז, אף שהם מתקיימים גם כתרכובת מוצקה על פני השטח.

מכיוון שכל היסודות האטומופילים הם גזים או שהם יוצרים הידרידים נדיפים, "הידלדלו מאוד" היסודות האטומופילים בכדור הארץ בהשוואה לכמותם במערכת השמש בשל ההתנדפות מהאטמוספירה במהלך היווצרות כדור הארץ. הגזים האצילים הכבדים ביותר (קריפטון וקסנון) הם היסודות היציבים הנדירים ביותר בכדור הארץ.

קישורים חיצוניים
Chapter 3. Mineral Crystal Chemistry

הערות שוליים

גאוכימיה