Философы и ученые древнего мира предполагали, что мир состоит из четырех элементов, взятых в различных пропорциях: земли, воды, огня и воздуха. Эта простая теория господствовала до XVII столетия, когда ученые Западной Европы, проводя систематические эксперименты и анализы, открыли не четыре, а 90 элементов, которые составляют нашу планету.
По мере развития научных методов спустя годы было подтверждено, что все вещества — твердые, жидкие и газообразные — состоят из этих элементов, как отдельных, так и из их комбинаций. Возможно, самым замечательным научным достижением было открытие того, что элементы состоят из атомов — основных химических «строительных блоков» Вселенной.
Согласно современным воззрениям, химические элементы — это однородные вещества, состоящие из атомов одного типа, и каждый атом в их составе — мельчайшая частица, полностью сохраняющая свойства этого элемента.
Первоначальная концепция атома как бесконечно малого «кирпичика» Вселенной была, в свою очередь, разбита, когда ученые поняли, что атомы сами состоят из еще более мелких частиц, открытие которых все продолжается и которые имеют свойства, отличные от свойств образуемого ими атома (даже представление о том, что все вещество в общем сложено двумя фундаментальными ядерными частицами — кварками и глюонами, сейчас, возможно, будет заменено на теорию струн).
Для целей геммологии нам нужны только три наиболее важные атомные частицы: протон, нейтрон и электрон. (Атомные частицы в соответствии с квантовой механикой можно рассматривать как волновую энергию, и наоборот. Фотон, например, является единицей количества электромагнитного излучения в форме света и может возникать при взаимодействии электронов и электронных переходах внутри атома.
Строение атома можно представить в виде миниатюрной Солнечной системы, в которой нейтроны и протоны занимают место Солнца в центре, или Ядре, а электроны, подобно планетам, обращаются вокруг них по орбитам. Протон — частица, обладающая единичным положительным зарядом, а нейтрон, имеющий такую же массу, что и протон, электрически нейтрален. Электрон, масса которого намного меньше, чем протона и нейтрона, несет на себе единичный отрицательный заряд. Электрически нейтральные атомы содержат одинаковое количество протонов и электронов.
Встречающиеся в земной коре 90 элементов образуют ряд от самого легкого водорода до самого тяжелого урана. В нормальном состоянии все эти элементы, за исключением водорода, имеют в ядре протоны и нейтроны. Те элементы, у которых в атомных ядрах имеется одинаковое число протонов, но различное нейтронов, называются изотопами. В редких случаях, когда ядро атома водорода содержит еще и нейтрон, мы называем его дейтерием, представляющим собой изотоп водорода.
Число протонов в ядре элемента называется его атомным номером. Атомная масса элемента — это его масса по сравнению с массой атома кислорода (ее значение определено в 16,0 атомных единиц массы, или 16,0 ат. ед. для краткости). Отсюда атомная масса водорода 1,0079, а углерода 12,011 ат. ед.
Соединяясь друг с другом, атомы образуют молекулу. Молекула — это наименьшая частица вещества, которая может устойчиво существовать сама по себе и сохраняет его основные химические свойства. Группы молекул, образованные из комбинаций различных элементов, называются соединениями. Даже атомы одного элемента часто становятся более устойчивыми, когда они соединяются, образуя молекулу. Например, атомы кислорода и водорода более устойчивы, когда они образуют пйры, и эти элементы называют двуатомными или диатомными. Атомы многих элементов, таких, как гелий (Не), абсолютно устойчивы поодиночке и, по определению, эти элементы существуют и как атомы и как молекулы. Такие элементы называют одноатомными или моноатомными.
Разница между веществами, которые образованы в результате механического смещения двух или более элементов, и веществами, в которых элементы соединены химическим путем и образуют химическое соединение, также важна для понимания минералов. Вещество, образованное простым смешением элементов, сохраняет до некоторой степени свойства каждого элемента, и пропорция составляющих не имеет значения.
Когда же образуется соединение из двух или более элементов, это влечет за собой фундаментальные изменения (т. е. происходит химическая реакция), которые обычно сопровождаются поглощением или выделением тепла. Свойства соединения, образованного таким образом, сильно отличаются от свойств отдельных элементов, и количества этих элементов находятся в строгом соотношении, соответствующем полученному соединению.
Например, две диатомные молекулы водорода могут соединиться с одной диатомной молекулой кислорода и образовать соединение — воду, свойства которой кардинально отличаются от свойств исходных газов. Химическую реакцию, происходящую между водородом и кислородом, можно выразить следующим простым уравнением
Из 90 встречающихся в земной коре элементов лишь восемь составляют основную ее массу. Из этих восьми элементов кислород и кремний — доминирующая пара, и данные два элемента, соединяясь с остальными шестью алюминием, железом, кальцием, натрием, калием и магнием) образуют основные минералы — силикаты и алюмосиликаты, такие, как, например, полевые шпаты. Оставшийся кремний соединяется с кислородом, образуя кремнезем. Кремнезем распространен повсеместно в виде кварца и составляет около 12% земной коры и верхней мантии.
