كيمياء الأرض والكيمياء الكونية النظائرية

التركيب الكيميائي للأرض:

إن التركيب الكيميائي الخاص في صخرة ما يبين مقدار المكونات الكيميائية الثابتة المختلفة، ومن خلال هذا التركيب نستطيع أن نميز المكونات الأساسية (أي بعض عشرات المائة) وبين المكونات الثانوية (تكون من بعض الأجزاء من الألف وحتى نسبة قليلة منها) في الصخور.
كما نتمكن من تمييز العناصر الشحيحة التي تقل عن الجزء من الألف بالإضافة إلى العناصر المقاومة للحرارة التي تشكل السبائك ذات الحرارة العالية من العناصر المتطايرة، مع العلم بأن حالتها المفضلة هي الحالة الغازية.
أما بالنسبة للغازات النادرة مثل غاز الهيليوم والنيون وغاز الأرجون والكريبتون والزينون أيضاً، فهي تعتبر عناصر ذات تفاعل كيميائي قليل أي أنها تسمى باسم الغازات الخاملة وتبقى في الحالة الغازية، إن حالة تأكسد الحديد تعتبر خاصية ذات أهمية كبيرة بالنسبة للصخور.
فهناك كمية كبيرة من حديد الأرض يكون مؤكسد؛ أي أن ذرة الحديد تكون مرتبطة بذرة الأكسجين بشكل نمطي (تكون على شكل FeO، أو أنها تكون على شكل Fe2O3)، كما أنه من الممكن أن نجد الحديد في الرجوم ويكون في حالته المختزلة (خلاف الأكسدة) أي يكون بشكله الفلزي Fe.

كيمياء الأرض:

إن الاختلاف بين الصخور الأرضية والصخور النيزكية يرجع إلى تشكل أغلب النيازك في مناخ أكثر اختزالاً (أي أنه يكون أقل احتواءً على عنصر الأكسجين) من الأرض، كما أنه من المعروف أن الحديد ليس هو العنصر الكيميائي الوحيد الذي يملك حالات تأكسد مختلفة، فعلى سبيل المثال من الممكن أن يوجد الكبريت على شكل كبريتيد أو على شكل كبريت معدني أو كبريتات.
يقوم علم الصخور (البتروغرافيا) بتعيين طبيعة مختلف مكونات صخرة ما وتحديد علاقات هذه المكونات مع بعضها البعض، في حال أن علم المعادن يصف مختلف المعادن التي توجد في صخرة ما وتكوينها، إن المعدن يتكون من ذرات وفق بنية بلورية معينة (ترتيب الذرات فيما بينها).
يوجد الكثير من العناصر الكيميائية المختلفة التي من الممكن أن تشغل المقر البلوري الواحد في المعدن، مما يتسبب في اختلاف التركيب الكيميائي الخاص في المعادن، ومن الأصناف الكيميائية الأساسية للمعادن هي السيليكات والأكاسيد والكبريتيدات بالإضافة إلى المعادن العنصرية الحرة.
فالسيليكات هي عبارة عن معادت تقوم بالربط بين الأيونات الموجبة (الكات أيونات) مثل ربط كل من Mg، Fe، Ca، في مجموعة Sio4، أو تقوم بربطها في ذرات الأكسجين، والكبريتيدات تقوم بربط الكبريت المختزل مع الأيونات الموجبة، كما تعتبر المعادن العنصرية الحرة بأنها عناصر نقية أو أنها سبائك من العناصر النقية.
كما نعلم أن الحديد هو معدن عنصري سائد في الأحجار النيزكية، ومن المعلوم أن كثافة الأحجار التي تتكون من الأكاسيد والسيليكات بشكل أساسي تساوي تقريباً 3 غرام لكل سانتي متر مكعب، في حين أن كثافة عنصر الحديد يبلغ نحو 7 غرام لكل سانتي متر مكعب.
تتشكل الذرات من نواة في المركز يدور حولها موكب من الإلكترونات، وتتشكل هذه النواة من بروتونات ونيوترونات، حيث تكون البروتونات ذو شحنة موجبة والنيوترونات مجردة من الشحنة أما الإلكترونات تكون ذو شحنة سالبة، إذا كان عدد البروتونات مساوياً لعدد الإلكترونات في الذرة تكون متعادلة كهربائياً، فعدد البروتونات يقوم بتحديد عنصراً كيميائياً.
فعلى سبيل المثال فإن عنصر الهيدروجين يمتلك بروتون واحد وعنصر الهيليوم يمتلك على بروتونان، وعنصر الأكسجين فيه 8 بروتونات أما الحديد فيه 28 بروتون، ومن الممكن أن يكون للعنصر الكيميائي الواحد عدد مختلف من النيوترونات، فعنصر الهيدروجين ممكن أن ألا يكون له نيوترون أو يكون فيه نيوترون واحد هذا ما يعرف باسم النظائر المستقرة للعنصر الواحد.
فعنصر الأكسجين يحتوي على ثلاثة نظائر مستقرة وعنصر الحديد يحتوي على أربعة نظائر مستقرة، ويوجد البعض من العناصر الكيميائية تحتوي على نظير مستقر واحد مثل الألمنيوم، كما أن النظير يتم اعتباره مشعاً عندما يتفكك إلى نظير آخر وحينها يعرف بالنواة الوليدة.
والاختلاف في التركيب النظيري للمادة أثناء بعض العمليات مثل التبخر والتكثف أو التبلور المجزأ، يقوم بالاعتماد على الكتلة النسبية الخاصة بالنظائر المعنية، وهذا ما يعرف بالتجزئة القائمة على الكتلة، وشدة التجزئة تختلف باختلاف طبيعة العمليات التي نتجت عنها ومدتها بالإضافة إلى خصائصها الكيميائية والفيزيائية.
ومن الممكن تفسير وتوضيح مختلف أوجه التركيب النظيري الذي يخص عينات المواد الأرضية، وذلك استناداً على التجزئة القائمة على الكتلة، ولأن الأحجار النيزكية تقوم باظهار أوجه اختلاف في تركيبها النظرية فلا يمكن توضيحها من خلال التجزئة التي تعتمد على الكتلة، وهذا ما يعرف بالشذوذ النظيري أو التجزئة غير القائمة على الكتلة.