Introducció a la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions per a Ciències de la Terra
An introduction to the Periodic Table of the Elements and their ions for the Earth Sciences
Joan Pau Bernal1, * i L. Bruce Railsback2
1 Institut de Geologia, Universitat Nacional Autònoma de Mèxic, ciutat Universitària, 04510 ciutat de Mèxic, Mèxic. * [email protected]
2 Department of Geology, University of Georgia, Athens, Geòrgia 30.602 2501, EE. UU.
Manuscrit rebut: setembre 27, el 2007
Manuscrit corregit rebut: 7 març 2008 a Manuscrit acceptat: 11 març 2008
RESUM
En el present article es mostren els principis i avantatges que ofereix la Taula Periòdica dels Elements i els seus ions per a Ciències de la Terra, originalment publicada a Railsback, LB, 2003, An Earth scientist s periodic table of the elements and their ions, Geology, 31 (9): 73 juliol 740. a diferència de la taula periòdica convencional, on únicament es considera als elements en estat d’oxidació zero, la taula periòdica dels elements i els seus Ions s’acomoda a les espècies d’acord amb els estats d’oxidació possibles en la natura. Això implica el reacomodament d’algunes espècies així com l’aparició d’alguns elements en diverses posicions.
La classificació de les espècies d’acord al seu estat d’oxidació permet que les característiques intrínseques de cada ió, polaritzabilitat i potencial iònic (φ), posen en evidència algunes tendències biogeoquímiques prèviament elucidadas de manera semiempírica. Apartirde la polaritzabilitat és possible establir patrons de reactivitat i compatibilitat dels ions, mentre que el potencial iònic permet evidenciar tendències en el comportament dels ions sota diferents condicions de diferenciació geoquímica. Es mostra que la interacció dels diferents ions amb l’ió òxid (O2), modulada pel potencial iònic de l’catió, juga un paper fonamental en la majoria dels processos de diferenciació geoquímica, incloent hidrogeoquímica, intemperisme, petrogènesi ígnia, entre d’altres . A causa de la gran quantitat d’aplicacions, la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions té el potencial d’esdevenir una eina de vital importància per a l’estudiós en Ciències de la Terra.
Paraules Clau: elements, ions, taula periòdica, polaritzabilitat, potencial iònic, classificació.
ABSTRACT
This paper presents the basic principles behind “An Earth Scientist ‘s Periodic Table of the Elements and Their Ions”, originally published in Railsback , LB, 2003, An Earth scientist ‘s periodic table of the elements and their ions, Geology, 31 (9): 737.740. In contrast to Mendelejeff ‘s periodic table, where all elements are Classified according to their ground state (or oxidation state = 0), the Periodic Table of the Elements and Their Ions, classifies elements and ions according to their natural oxidation state. Consequently, some elements are displayed in several positions within the table, and some others have been relocated.
The classification of the ions according to their oxidation state Allows the visualization of trends based upon Intrinsic characteristics of each ió ( such as polarizability and ionic potential) that evidence the biogeochemical behavior of the elements and their ions. Many of those trends were only semi Empirically inferred until now. Reaction paths for different ions are deducted from their polarizability, whereas the ionic potential Allows to infer the behavior of the ions under diverse geochemical differentiation processes.
It is shown that the interaction of different cations with the s’oxidi ió ( O2) plays a pivotal role in most processes of geochemical differentiation, such as aqueous geochemistry, weathering, igneous Petrogénesis, among others. Because of the wide range of applications, The Periodic Table of The Elements and Their Ions is a valuable tool for the earth scientist.
Keywords: Elements, ions, periodic table, polarizability, ionic potential, classification.
INTRODUCCIÓ
La Taula periòdica dels elements proposada per Mendelejeff (1869) ha provat ser una eina de gran utilitat per predir les propietats químiques i físiques dels elements, fins i tot d’aquells que no existeixen de manera natural a la Terra. Tot i diversos esforços recents per millorar-la, la classificació dels elements proposada per Mendelejeff fa gairebé 150 anys segueix sent part fonamental de la instrucció química bàsica. No obstant això, des del punt de vista geoquímic, la taula periòdica tradicional presenta una sèrie de limitacions que sorgeixen, principalment, de el fet que descriu les propietats físiques i químiques dels elements en el seu estat basal (o estat d’oxidació = 0).No obstant això, la majoria dels elements en la naturalesa ocorren amb un estat d’oxidació diferent de zero. Un exemple d’això són els metalls alcalins, com ara Li, Na, K i Rb; la taula periòdica tradicional permet establir amb gran precisió les seves propietats físiques i químiques, però, en ambients naturals, sempre es trobaran formant cations univalents, amb propietats químiques i físiques significativament diferents dels seus anàlegs metàl·lics. Per exemple, els metalls alcalins en estat basal són altament incompatibles amb l’aigua, mentre que els ions corresponents són altament compatibles amb aquesta. A l’i Si són altres exemples d’elements que mostren un comportament contrastant a el dels seus ions; mentre que Si4 + i A13 + es troben entre els ions més abundants a l’escorça terrestre (McDonoughy Sun, 1995), les espècies elementals són molt poc comuns, però no inexistents. Unit a l’anterior, diversos elements presenten més d’un estat d’oxidació de manera natural, i les propietats geoquímiques de cada un d’ells no poden ser explicades utilitzant la classificació periòdica Mendelejeff.
En virtut de l’anterior , recentment s’ha proposat una classificació dels elements i els seus ions, que permet entendre el seu comportament i associacions geoquímiques (Railsback, 2003), així com establir les bases per a la mineralogia sistemàtica (Railsback, 2005). De manera general, aquesta classificació està basada en l’estabilitat dels enllaços formats pels àcids durs i tous amb els ions O2 i S2 (bases dura i tova, respectivament), així com en la densitat de càrrega dels diferents cations ( potencial iònic), cosa que té implicacions directes en el caràcter de l’enllaç format amb l’ió O2. L’anterior implica que la interacció dels diferents cations amb l’oxigen regula gran part dels processos de diferenciació geoquímica.
A diferència de la taula periòdica dels elements de Mendelejeff, la nova classificació permet explicar tendències i agrupacions d’elements i ions prèviament observats de manera empírica en diversos rams de la geoquímica. Com a resultat es té una eina integral que pot aplicar-se a l’enteniment de diversos processos geoquímics, des de la diferenciació elemental en el mantell de la Terra, fins a processos d’intemperisme, hidrogeoquímica i mineralogia.
D’aquesta manera, el present article pretén difondre entre l’audiència geològica de parla espanyola els avantatges que ofereix la classificació de Railsback (2003) per facilitar la comprensió de les propietats geoquímiques dels elements i els seus ions.
PRINCIPIS per a la classificació
la Taula Periòdica dels Elements i els seus ions ha estat organitzada d’acord amb la duresa o la blanesa dels ions. S’entén com un ió dur aquell que posseeix una alta densitat de càrrega positiva al voltant de el nucli atòmic i un radi iònic petit, de manera que el núvol electrònic (càrrega negativa) al voltant de l’nucli és poc deformable davant la influència d’un camp elèctric extern ( figura 1a). D’altra banda, un ió tou posseeix una baixa densitat de càrrega positiva al voltant de l’nucli i és relativament gran, de manera que el núvol electrònic és fàcilment deformable davant la influència de camps elèctrics externs (Figura 1b). Els termes “dur” i “tou” provenen de la teoria d’àcids i bases durs i tous proposta per Pearson (1963), la qual estableix, de manera qualitativa, que cations metàl·lics amb alta càrrega i radi iònic petit (àcids durs o tipus “a”), tenen la tendència a associar-se de manera preferencial amb lligants o anions petits i poc polaritzables (bases dures, pàg. ex. F “, O2). de manera contrària, aquells cations grans i de baixa densitat de càrrega ( àcids tous o tipus “B”), corresponents a ions que posseeixen electrons en la capa de valència i que no han arribat al seu màxim estat d’oxidació, tendeixen a associar-se preferentment amb lligants grans i polaritzables (basesblandas, pàg. ex. S2, SE2).
com a regla general, els àcids durs reaccionen preferentment amb les bases dures i els àcids tous reaccionen preferentment amb les bases toves (Cotton i Wilkinson, 1988), on la “preferència” s’ha d’entendre com major velocitat de reacció i major conversió a l’equilibri (Creu Garritz et al., 1991). Així mateix, els enllaços formats entre àcids i bases amb el mateix caràcter relatiu de duresa són altament estables i difícils de trencar, mentre que la interacció entre un àcid i una base amb diferent caràcter de duresa és poc estable.
com tot sistema de classificació, hi ha casos de frontera on les propietats de duresa o blanor no estan clarament definides, com és el cas de la majoria dels elements de transició, en on l’estat d’oxidació és el factor determinant de la duresa de l’ió .De manera general, els àcids intermedis o de frontera reaccionen preferentment amb bases toves o de frontera, encara que el mateix caràcter limítrof d’aquests els fa més proclius a generar casos “excepcionals”, com és el cas de la anglesita (PbSO4), la qual és el producte d’un àcid intermedi (Pb2 +), amb una base dura (SO42).
tot i diversos esforços per parametritzar la duresa dels ions (Yamaday Tanaka, 1975; Parry Pearson, 1983) , aquests models no han facilitat la conceptualització de la proposta qualitativa de Pearson (1995), per la qual cosa resulta més senzill associar la duresa dels ions amb la polaritzabilitat. Aquesta es refereix a la tendència que presenta el núvol electrònic al voltant d’un ió a ser distorsionada per un camp elèctric extern causat per un dipol o un altre ió proper (Creu Garritz et al, 1991). Un ió dur presenta alta densitat de càrrega positiva prop de el nucli, de manera que el núvol electrònic al voltant d’ell no és fàcilment deformable, és a dir és poc polarizable (Figures 1a, 1e). D’altra banda, un ió tou es caracteritza per tenir baixa densitat de càrrega positiva prop de el nucli, de manera que una càrrega o camp elèctric extern pot deformar o polaritzar fàcilment el núvol electrònic al voltant d’ell (Figura 1b) (Cotton i Wilkinson, 1988 ). De manera formal, la poralizabilidad es defineix com la relació de moment dipolar induït (μi) d’un àtom a la intensitat de camp elèctric (E) que produeix el dipol αi, de manera que:
Com que la polaritzabilitat és una variable depenent tant de les característiques intrínseques de l’ió (p. ex., càrrega, radi iònic, configuració electrònica, etc.), com de la magnitud de el camp elèctric impost a aquests, no és possible establir una escala absoluta de polaritzabilitat dels ions, a diferència d’altres paràmetres com l’electronegativitat i el radi iònic. No obstant això, és possible trobar diversos exemples que demostren el comportament diari i internament consistent de la polaritzabilitat relativa dels elements i els seus ions (Creu Garritz et al, 1991).
La segona característica intrínseca de cada ió que permet identificar tendències geoquímiques en la taula periòdica dels elements i els seus ions és el potencial iònic (φ), el qual es defineix com:
a on z representa la càrrega de l’ió ir el radi iònic. En general, φ es pot entendre com la densitat de càrrega al ió. D’aquesta manera, dos ions amb radis iònics semblants però càrregues diferents tindran valors de φ diferents, i per tant diferent densitat de càrrega (Figura 1 a i c); a l’igual que dos ions amb la mateixa càrrega i radi iònic diferent tindran valors diferents de φ.
La classificació dels elements i ions de Railsback (2003) no correspon a el primer intent a utilitzar el potencial iònic dels ions com a factor de classificació. Víctor Goldschmidt havia visualitzat un sistema de classificació similar (Goldschmidt, 1937), però no va considerar que alguns elements podrien aparèixer diverses vegades en aquesta classificació pel fet que presenten estats d’oxidació múltiple. A diferència de Goldschmidt, i de manera prèvia, Cartledge (1928; 1928b) va proposar una classificació d’elements i ions que pot considerar precursora de la que presenta Railsback (2003), ja que aquesta sí considerava l’estat d’oxidació dels ions en el seu localització dins de la taula periòdica. D’altra banda, en petrologia ígnia és comú referir-se a alguns elements rellevants com “Large Ion Lithophile Elements i High Field Strength Elements” (també coneguts com Lile i HFSE, o elements litófilos de ràdio iònic gran i elements d’alt potencial iònic o alt camp, respectivament) amb afinitats minerals diametralment oposades, i la definició està basada, precisament, en la relació entre la càrrega i el radi iònic corresponent (Albarède, 2003). La principal diferència entre els esforços anteriors i la classificació dels elements i ions de Railsback (2003) és la inclusió de l’traç de contorns de potencial iònic, o contorns equipotencials (Figura 2), que permeten identificar fàcilment grups d’elements amb un comportament similar sota diverses condicions i processos de diferenciació geoquímica.
Cal subratllar que la duresa o blanor d’un ió és equivalent a la seva polaritzabilitat, i és funció de el radi iònic i de el nombre d’electrons que posseeix en la capa de valència . Aquells ions sense electrons en la capa de valència són poc polarizables i, per tant, de major duresa que aquells de mida similar però que compten amb electrons en la capa de valència. D’altra banda, φ es refereix únicament a la relació càrrega / radi de l’ió, de manera que dos ions amb càrrega i ràdios similars tindran valors de φ similars, la qual cosa no implica necessàriament que ambdós ions comparteixin propietats i / o afinitats geoquímiques.Els ions Na + i Cu + representen un bon exemple per il·lustrar l’anterior: els dos cations posseeixen radis iònics semblants (0.96 i 0.95 Å, respectivament) de manera que, a l’posseir la mateixa càrrega, tenen valors molt similars de cp. No obstant això, mentre que el Na + és un àcid dur per no posseir electrons en la capa de valència, el Cu + és un àcid tou per posseir un electró a la capa de valència. L’anterior té com a conseqüència que el Cu + no pugui substituir el Na + en els feldspats causa de la incapacitat de el primer per formar enllaços covalents estables amb O2 (Ringwood, 1955). De manera similar, el Tl + (àcid tou) no substitueix de manera isomòrfica a K + (àcid dur) en cap mineral, tot i que els radis iònics de les dues espècies (1.40 i 1.3 3 Å) permetrien pensar que aquesta substitució és factible. Val a dir que, tot i la poca difusió d’aquests principis en les Ciències de la Terra, aquests han estat utilitzats prèviament per a la descripció de diferents processos geoquímics (p.ex., Lasaga i Cygan, 1982; Abbott, 1994; Auboiroux et al, 1998; Tomkins i Mavrogenes, 2001).
DESCRIPCIÓ dE lA TAULA
la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions per a Ciències de la Terra (Figura 3) es troba organitzada d’acord amb la càrrega de cadascuna de les espècies. La gran majoria de les espècies apareixen en posicions similars que en la taula periòdica convencional. No obstant això, alguns elements que típicament es troben a la part dreta en una taula periòdica clàssica (p. Ex., B, C, Si), s’han reubicat cap a la part esquerra de la taula com B3 +, C4 + i Si4 +. A més, com ja es va esmentar anteriorment, alguns elements apareixen en diverses posicions com a resultat dels diversos estats d’oxidació que poden presentar. Tal és el cas de P i U que apareixen dues vegades, mentre que V, Fe, C i N ho fan en tres ocasions, i S fins en quatre ocasions (S2, S., S4 + i S6 +).
La taula es troba separada en diversos blocs per diferenciar entre gasos nobles, àcids durs o tipus a, àcids tous o tipus B, espècies elementals (sense càrrega) i anions (Figura 3). Aquesta separació permet racionalitzar la interacció entre les diverses espècies, ja que els àcids durs reaccionaran preferentment amb les bases dures, mentre que els àcids tous són més compatibles amb bases toves. Un exemple d’aquesta tendència és la solubilitat dels halurs de cations durs i tous. Com es pot observar al quadre 8 de la Figura 3, la barreja d’un àcid dur (Mg2 +) amb una base dura (F), o un àcid tou (Ag +) amb una base tova (I) produeix els halogenurs sòlids més insolubles per als respectius cations. Per contra, els productes d’un àcid dur amb una base tova (p. Ex., NaI) o un àcid tou amb una base dura (p. Ex., AgF) resulta en els halogenurs més solubles de la sèrie corresponent, a causa a que l’enllaç catió anió és poc estable. De la mateixa manera és possible explicar la inexistència de sulfuras de Ca2 +, o d’altres àcids durs, i justificar l’existència d’òxids i sulfats d’aquestes espècies. D’altra banda, l’existència d’sulfuras minerals d’elements de el grup de l’Pt, i no dels seus òxids, representa un exemple de el cas contrari.
Una altra diferència important entre la “Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions per a Ciències de la Terra “i la taula convencional, consisteix en l’aparició dels elements naturals de el grup dels actínids amb els àcids intermedis i durs, d’aquesta manera TH4 + es troba per sota de l’Hf4 +, el U4 + per sota de l’W4 + (tots intermedis) mentre que el U6 + es troba sota el W6 + (tots dos durs). Encara que aquest acomodament és poc convencional, les tendències descrites a les següents seccions justifiquen dit acord.
La taula també proporciona informació útil com el nom de l’element i / o ió, nombre i massa atòmica, radi iònic, isòtops naturals de cada element, així com rutes de decaïment radioactiu. Cada element i / o ió està acompanyat per una simbologia (Figura 4) que permet identificar algunes de les principals característiques biogeoquímiques de l’espècie, el que ajuda a l’usuari en la identificació de tendències naturals en la distribució de les espècies corresponents. Així mateix, la mida de l’símbol de l’element / ió està escalat a la seva abundància en l’escorça terrestre.
PATRONS I TENDÈNCIES A LA TAULA
Els símbols associats a cada element i ió (Figura 3 i 4) indiquen si aquests es troben enriquits en minerals, aigües naturals (dolç i / o marina), sòls, sediments, roques ígnies, el mantell, o l’atmosfera, o si tenen un paper preponderant com micronutrients. A l’observar la taula (Figura 3) és evident que els diferents símbols s’agrupen d’acord amb els contorns de potencial iònic, una tendència no evident en la taula periòdica convencional.Per exemple, molts ions amb valors de 3 < φ < 10 tendeixen a formar òxids minerals, es troben enriquits en sòls i nòduls marins de Fe Mn, formen part de fases minerals amb major punt de fusió, i es troben menys empobrits en el mantell. Igualment, aquests ions formen els òxids amb més duresa, menor solubilitat i menor compressibilitat (Figura 3, requadres 1 4 i 6). Aquestes tendències són evidenciades en la nova taula periòdica per mitjà dels contorns de equipotencials de color ataronjat.
D’altra banda, aquells cations amb φ < 4 formen fluorurs minerals i són components majoritaris en aigua de rius i oceans, així mateix en aquest grup s’inclouen ions que són nutrients fonamentals per a alguns éssers vius. De manera similar, aquells cations amb φ > 8, són igualment abundants en aigua de rius i marina, i són nutrients importants per a plantes. No obstant això, a diferència d’aquelles espècies amb baix potencial iònic, aquests cations es troben formant part de oxianiones, com ara sulfats (S6 + en SO42), fosfats (P5 + enPO43), nitrats (N5 + en NO3) i arsenatos (AS5 + en AsO3), entre d’altres. Les dues tendències poden ser identificades a la taula per contorns equipotencials de color blau.
Els contorns equipotencials s’estenen cap a la zona dels cations intermedis, compresa pels ions dels elements de transició. La part superior d’aquesta secció està compresa per cations que posseeixen valors de φ entre 3 i 8, i igualment es troben enriquits en sòls, formen òxids minerals, i són part fonamental de fases minerals ígnies formades en les etapes primerenques de cristal·lització. A la part central d’aquesta secció es troben els àcids tous per excel·lència, caracteritzats per posseir valors baixos de φ. Entre ells es troben els ions dels principals metalls d’encunyació (Cu, Ag, i Au) denotats per diamants grocs que indiquen la seva preferència per formar sulfuras, bromurs i iodurs minerals.
Amb excepció dels gasos nobles , l’única secció de la Taula Periòdica dels elements i els seus Ions on no s’inclouen els contorns equipotencials correspon als elements en forma nativa, i que inclou majoritàriament als metalls acuñables, així com a aquells components de l’atmosfera. La posició relativa d’aquests elements es manté idèntica a la de la taula periòdica convencional. Així i tot, és possible traçar contorns agrupant les preferències d’aliatge per a cada element. Per exemple, aquells elements que formen aliatges amb Us formen un grup discret a la taula, mentre que aquells que s’alien amb Fe formen un grup més gran que es traslapa amb aquells que formen aliatges amb Cu i Au.
a la part dreta de la Taula (Figura 3) es presenten els anions, que comprenen tant a les bases dures com a les toves. Els contorns equipotencials per als anions són similars a aquells dels àcids durs, però, a diferència dels cations, no s’observen variacions dràstiques de φ, que varia entre 1/2 i 2; pel fet que l’augment en la càrrega de l’anió comporta, al seu torn, un augment en el radi iònic. Pel que fa a l’comportament com soluts, la simbologia permet observar que els anions amb valors més negatius de φ (bases dures), a la part alta de la taula periòdica, presenten propietats similars als seus anàlegs àcids. Per contra, la part baixa de la taula presenta als anions tous: aquells amb valors de φ propera a zero, i que preferentment es coordinen amb cations tous, formant sulfuras, bromurs, iodurs i teluros amb àcids tous com Ag + i Au + . D’altra banda, de dreta a esquerra, o de F i Cl fins C4 i O2 és la transició d’anions que formen minerals amb cations durs (per exemple K + i Na +) fins a aquells que formen minerals amb cations durs amb valors de cp extrems (p. ex., Al3 + ySi4 +).
lA INTERACCIÓ catió O2
la diferència entre els cations de baix i alt cp pot il·lustrar a partir de la interacció d’aquests amb l’ió O2. Mentre que els ions de baix cp només exerceixen certa atracció electrostàtica sobre l’anió òxid, aquells cations amb alt φ concentren tal quantitat de càrrega positiva que formen enllaços amb l’oxigen d’alt caràcter covalent, difícils de trencar. L’anterior adquireix més importància a l’considerar que l’oxigen és l’element més abundant a la Terra (McDonough i Sun, 1995), i implica que la sola interacció catió oxigen és el principal regulador dels processos de diferenciació geoquímica.
Per a il·lustrar l’anterior, la interacció entre ions amb diferent valor de cp i molècules d’H2O resulta interessant. De manera general, φ s’incrementa gradualment cap a la dreta en qualsevol fila de la part esquerra de la taula.En una solució aquosa, els ions amb valors menors de φ (p. Ex., Na +, K +) només aconsegueixen inclinar lleugerament el dipol de les molècules d’H2O cap al centre de càrrega positiva (Figura 5a) (Carrillo Tripp et al. , 2003), mentre que cations amb valors de cp lleugerament majors (com Mg2 + i Ca2 +) aconsegueixen orientar de manera efectiva el dipol de les molècules d’H2O al voltant d’ells (Figura 5b) (Bernal Uruchurtu i Ortega Blake, 1995). Aquells ions amb valors més grans de φ (p. Ex., Al3 +) indueixen tal atracció a l’oxigen de les molècules de l’aigua, que generen de manera gairebé espontània reaccions d’hidròlisi de l’tipus:
de tal manera que només és possible trobar alumini dissolt no lligat a oxigen en ambients molt àcids, com ara el drenatge àcid procedent de deixalles miners (p. ex., Cidu et al, 1997), mentre que en ambients menys àcids o neutres l’alumini es trobarà formant complexos tipus hidròxid, descrits com a productes en l’Equació 3 (Figura 5c) (Hiradate, 2004). Ions amb més potencial iònic (p. Ex., C4 +, Si4 +) no existeixen com a tal en solució aquosa, sinó que es troben sempre coordinats pel ió òxid o hidròxid, per exemple CO32 i Si (OH) 4 (Figura 5d) (aquest últim comunament representat com H4Si04, Krauskopf i Bird, 1995). Finalment, la interacció entre cations amb valors extrems de φ (p. Ex., N5 +, S6 +) amb oxigen té com a resultat enllaços altament cova lents, formant oxianiones molt estables, com NO3 “i SO42 (Figura 5e) (Cottony Wilkinson , 1988). Els cations d’àtoms molt pesats amb alta càrrega (p. ex., U6 +, W6 + i MO6 +) també formaran oxianiones com UO2 + 2, WO42 o MoO42, i només alliberaran l’oxigen en presència d’una base més dura (com F) o a l’ésser reduïts.
l’existència d’òxids minerals pot ser explicada de manera similar a l’especiació dels cations en medi aquós (Figura 3, requadre 7). cations amb valors de cp baixos formen enllaços febles amb l’ió òxid, de manera que no formen òxids minerals, ni són retinguts en els sòls com òxids o hidròxids; aquests cations es dissolen fàcilment en aigua, el que els ha convertit en nutrients importants per a plantes i alguns altres éssers vius (p. ex., Na +, K +). La incapacitat que tenen aquests ions per forma r enllaços estables amb l’ió O2 també implica que aquests cations només són incorporats en les fases minerals de més baixa temperatura (biotita, muscovita, feldspat K) i, per tant, en les últimes etapes de cristal·lització. D’altra banda, aquells cations amb valors alts de φ (p. Ex., P5 +, N5 +, S6 +, entre d’altres) formen enllaços extremadament estables amb l’ió òxid; però, l’alta densitat de càrrega positiva de l’catió central exerceix atracció cap als electrons de l’ió O2, polaritzant efectivament la distribució d’electrons en l’enllaç catió oxigen cap al centre de l’oxanión, evitant que aquest pugui formar enllaços amb un altre catió a través d’l’oxigen i formar la base d’una possible estructura de l’òxid mineral corresponent. L’anterior té com a resultat no només l’absència d’òxids minerals d’aquest tipus de cations, sinó també que aquests ions siguin molt solubles en aigua i, per tant, abundants en aigües naturals (dolços i / o marines), i que siguin considerats com a elements incompatibles amb fases minerals ígnies. Finalment, aquells cations amb cp intermèdia, 4 < φ < 10 (p. Ex., Si4 +, Al3 +), formen enllaços amb oxigen relativament forts, però, la densitat de càrrega al centre de l’ió no és prou alta com per evitar que l’oxigen pugui formar enllaços amb altres cations. D’aquesta manera, aquests ions poden formar òxids i hidròxids minerals, i incorporar-se a fases minerals ígnies d’alta temperatura que es formen en les etapes primerenques de la cristal·lització magmàtica. La seva estabilitat com òxids i / o hidròxids els confereix poca solubilitat en aigua i, per tant, són relativament poc abundants en aigües naturals.
El comportament dels ions amb valors diferents de φ en solució aquosa té també implicacions en estudis de petrologia ígnia. En particular permet explicar per què els basalts generats en zones de subducció posseeixen composicions d’elements traça molt diferents a les d’aquells generats en altres ambients tectònics. Els basalts d’arc, per exemple, mostren enriquiments en elements LIL (sota φ), però concentracions d’elements HFS (molt alt φ) similars a les observades en basalts de dorsals oceàniques (N MORB Figura 6). Tals anomalies són generalment interpretades com el resultat de processos metasomáticos a la falca de la capa, originats per la deshidratació de diversos minerals de l’escorça oceànica i sediments subducidos (p.ex., filosilicats i amfíbols) (Tatsumi i Kogiso, 2003).D’aquesta manera els elements LIL, a l’ésser solubles en aigua, poden ser transportats cap a la falca de el mantell pels fluids generats durant la subducció, mentre que la baixa solubilitat en aigua dels HFS (a causa del seu alt valor de cp) evita la seva mobilització, per la qual cosa és comú trobar-los en fases minerals presents a la placa metamorfizada (p. ex., Tiepolo et al., 2000; Scambelluri et al., 2001). Les dissolucions generades en aquests processos, enriquides enLILy empobrides en HFS, poden interactuar amb la falca de el mantell (Murphy, 2007) i alterar l’abundància d’elements LIL en els magmes maricos generats en zones d’arc, donant com a resultat perfils d’elements similars a l’ que es mostra a la Figura 6, on els elements LIL es troben enriquits pel que fa a N MORB, a el temps que els HFS es troben en proporcions similars als N MORB.
tot i que la taula Periòdica dels Elements i els seus ions per a Ciències de la Terra classifica a les diferents espècies d’acord amb el seu estat d’oxidació, cal recalcar que aquesta representació no necessàriament implica que tots els ions participaran en els processos de diferenciació geoquímica com ions lliures. Això és particularment cert per als cations amb alt φ, els quals es trobaran a la majoria dels casos units a ions òxid i / o hidròxid. De manera general, no és possible trobar cations amb estat d’oxidació > 3+ que no estiguin units a una base dura, típicament O2 i / o F i / o OH ( Cotton i Wilkinson, 1988). La universalitat d’aquest principi és sorprenent, ja que tal comportament s’observa tant en la diferenciaciónpegmatítica (Ringwood, 1955b), com en aigües naturals a temperatura ambient (Brookins, 1988).
AVANTATGES I LIMITACIONS
la Taula Periòdica dels elements i els seus ions per a Ciències de la Terra és una eina que permet comprendre amb més facilitat el comportament dels diferents elements i els seus ions sota diverses condicions de diferenciació. La classificació que aquí es presenta no busca aportar coneixements ni teories noves sobre el comportament dels elements, però, permet a l’usuari visualitzar d’una manera més senzilla i ràpida.
Per exemple, prèviament es va esmentar que el Cu + no substitueix el Na + en els feldspats causa de que aquestes espècies són àcids tou i dur, respectivament. Encara aquest comportament es troba previst en els principis de substitució de Goldschmidt, en particular pel que estableix que la substitució pot ser nul·la o limitada a mesura que s’incrementa la diferència d’electronegativitat dels ions en competència (Faure, 1991), resulta més ràpid, senzill i il·lustratiu identificar aquest comportament per la posició dels respectius ions a la taula, ja que d’altra manera és necessari comptar amb dades de electronegativitat per a cada ió i element. Addicionalment, l’ús de la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions no només permet avaluar la factibilitat d’una possible substitució isomòrfica ràpidament, sinó que també permet extrapolar aquest comportament a elements i ions veïns a través de l’ús dels contorns equipotencials.
L’ús de φ com a factor de classificació i els contorns equipotencials han de ser utilitzats amb precaució. L’anterior és a causa que el radi iònic i, per tant cp, (Equació 2) de cada ió és depenent de el nombre de coordinació (NC). Tot i que els contorns equipotencials a la taula han estat traçats utilitzant el NC més comú, hi ha alguns elements que poden adoptar diferents NC, sent el Al3 +, probablement, el cas més notable. Aquest ió pot ocupar de manera indistinta situats tetraèdrics (NC = 4) i octaèdrics (NC = 6) en l’estructura de diversos minerals, per exemple les argiles (Moore i Reynolds, 1997), el que implica que dins de l’estructura d’un mineral, els ions AP + poden presentar dues radis iònics diferents (0.39 i 0.535 Å, respectivament; Shannon, 1976), i per tant valors diferents de φ (7.69 i 5.60, respectivament), depenent de el lloc en l’estructura que ocupin. Encara que l’anterior podria suggerir comportaments diferents per a ambdós tipus de Al3 +, els valors de φ es troben dins de la franja delimitat pels dos contorns equipotencials de color taronja a la Figura 3 (z / r = 4 i z / r = 8), per la qual de considerar a l’NC = 6 com el més comú per al Al3 +, tan sols resultaria en un lleuger desplaçament de el contorn equipotencial z / r = 8 cap al centre de la taula, més no indicaria un comportament geoquímic diferent per al Al3 + a què es presenta a la taula. Conclusions similars es poden obtenir d’altres ions amb comportament similar a l’Al3 +, com ara Fe3 + i Mg2 +, entre d’altres.
CONCLUSIONS
La classificació dels ions d’acord als seus possibles estats d’oxidació en la naturalesa evidència tendències que permeten sistematitzar el comportament dels elements i els seus ions davant diversos processos de diferenciació geoquímica . Aquestes tendències havien estat ja evidenciades de manera semiempírica en la classificació dels elements de Victor Goldschmidt (Goldschmidt, 1937; Goldschmidty Muir, 1954) i d’altres autors (Cartledge, 1928; Cartledge, 1928b; Ringwood, 1955). Així mateix, la classificació evidència que les dues principals propietats intrínseques dels ions, potencial iònic i polaritzabilitat, són els factors moduladors dels principals processos de diferenciació geoquímica elemental. Cal esmentar que encara que aquests termes es presenten d’una manera simplificada, en realitat corresponen a propietats complexes dels ions. El lector interessat a aprofundir en aquests termes, així com en la teoria d’àcids i bases durs i tous, ha de referir-se a la les referències originals (Pearson, 1963), a la literatura química especialitzada (p. Ex., Cottony Wilkinson, 1988 ; Huheey, 1993), així com a revisions recents (Ayers et al., 2006; Ayers, 2007).
la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions per a Ciències de la Terra no pretén ser una substitució de la taula periòdica tradicional; ambdues són complementàries a l’presentar i evidenciar informació que no està present en la contrapart. És de vital importància, però, conèixer i entendre la taula periòdica tradicional, per poder valorar molts dels avantatges que la classificació dels elements i els seus ions proposada per Railsback (2003) ofereix. La generalització i sistematització dels processos de diferenciació geoquímica presentats per Railsback (2003) fa de la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions per a Ciències de la Terra una eina de vital importància per als estudiosos de les Ciències de la Terra. Finalment, el lector és referit als treballs originals (Railsback, 2003; Railsback, 2005) per tal d’ampliar la comprensió de la taula a partir dels exemples i aplicacions aquí presents.
AGRAÏMENTS
la versió original de la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions per a Ciències de la Terra va ser finançada per la United States National Science Foundation, nombre de contracte 02 03115. Els autors agraeixen a M.I. Bernal Uruchurtu per la valuosa ajuda en la preparació de la Figura 5. Així mateix agraeixen a Dara Salcedo, Arturo Gómez Tuena, Dante Moran per la revisió i comentaris sobre versions preliminars de l’manuscrit. La revisió exhaustiva de la Figura 3 per la Dra. Teresa Orozco, així com els seus comentaris i els d’un revisor anònim van resultar en millores significatives de el present document.
APÈNDIX A. SUPLEMENT ELECTRÒNIC
Una versió en alta resolució de la Taula Periòdica dels Elements i els seus Ions per a Ciències de la Terra està disponible al lloc web de la revista < http://satori.geociencias.unam.mx/> ;, en la taula de contingut d’aquest número (suplement electrònic febrer 25 02).
REFERÈNCIES
Abbott, RN, 1994, Electronic polarizability of oxygen and various cations in selected triclinic minerals; point Dipole theory: Canadian Mineralogist, 32 (4), 909.918.
Albarède, F., 2003, Geochemistry, an Introduction: Cambridge, UK, Cambridge University Press., 248 pàg.
Auboiroux, M., Melou, F., Bergaya, F., Touray, JC, 1998, Hard and soft acid base model applied to bivalent cation selectivity on a 2: 1 clay mineral: Clays & Clay Minerals, 46 (5), 546 555.
Ayers, P.W., 2007, The physical basis of the hard / soft acid / base principle: Faraday Discussions, 135, 161.190.
Ayers, PW, Parr, RG, Pearson, RG, 2006, Elucidating the hard / soft acid / base principle: A perspective based on half reactions: Journal of Chemical Physics, 124 (19), art . no. 194107.
Bernal Uruchurtu, M.I., Ortega Blake, I., 1995, A refined Montecarlo study of Ca2 + and Mg2 + hydration: Journal of Chemical Physics, 103, 1588 1598.
Brookins, D.G., 1988, Eh pH Diagrams for Geochemistry: Berlin, Springer, 179 pp.
Carrillo Tripp, M., Saint Martin, H., Ortega Blake, I., 2003, A comparative study of the hydration of Na + and K + with refined polarizable model potentials: Journal of Chemical Physics , 118 (15), 7062 7073.
Cartledge, G.H., 1928, Studies on the periodic system. I. The ionic potential es a periodic function: Journal of the American Chemical Society, 50 (11), 2855 2863.
Cartledge, G.H., 1928b, Studies on the periodic system. II. The ionic potential and related properties: Journal of the American Chemical Society, 50 (11), 2863 2872.
Cidu, R., Caboi, R., Fanfani, L., Frau, F., 1997, Acid Drainage from Sulfides Hosting Gold Mineralization (Furtei, Sardinia): Environmental Geology, 30 (4 març ), 231.237.
Cotton, F.A. I Wilkinson, G., 1988, avançada química inorgànica: Nova York, Wiley, XVII, 1455 Pp.
Cruz-Garrritz, D., Chamizo, JA, Garritz, A., 1991, Estructura Atómica. UN ENFOQUE QUÍMICO: Addison-Wesley Iberoamericana, S.A.
Faure, G., 1991. Principis i aplicacions de la geoquímica inorgànica. PUB MACMILLAN. CO, Nova York, Toronto, XIII, 626 pp.
Goldschmidt, v .m., 1937, els principis de distribució d’elements químics en minerals i roques. La setena conferència Hugo Müller es va lliurar abans de la Societat Química el 17 de març de 1937: Journal of the Chemical Society, 655-673.
Goldschmidt, VM, Muir, A., 1954, Geoquímica: Oxford, Clarendon Press, sèrie internacional de monografies sobre física, 730 pp.
Hiradate, S., 2004, especiació d’alumini en entorns del sòl: Sòil Science & Nutrició de plantes, 50 (3), 303-314.
Huheey, Je, 1993. Química inorgànica: Principis d’estructura i reactivitat: Nova York, NY, Publishers de Harper Collins College, 964 Pp.
Krauskopf, KB, Bird, DK, 1995, Introducció a Geoquímica: Nova York, McGraw-Hill, 647 pp.
Lasaga, AC, CyGan, RT, 1982, polaris electrònics i iònics de minerals de silicat: mineralogista americà, 67, 328-334.
McDonough, W.F., Sun, S.S., 1995, la composició de la Terra: Geologia Química, 120 (3-4), 223-253.
Mendelejeff, D., 1869, Ueber Die Beziehungen der Eigenschaften Zu den Atomgewichten der Elemente: Zeitscrift Für Chemie, 12, 405-406.
Moore, DM, Reynolds, RC, 1997, difracció de raigs X i la identificació i anàlisi de minerals d’argila: Oxford (Anglaterra), Nova York, Oxford University Press, 378 pp.
Murphy, JB, 2007, associacions de roca ígnia, 8. Magmatisme ARC, II: característiques geoquímiques i isotòpiques: Geoscience Canada, 34 (1), 1-29.
Parr, R., Pearson, R., 1983, duresa absoluta: paràmetre acompanyant a l’electronegativitat absoluta: Journal of the American Chemical Society, 105 (26), 7512-7516.
Pearson, R., 1963, àcids durs i suaus i bases: Journal of the American Chemical Society, 85 (22), 3533-3539.
Pearson, R., 1995, el principi HSAB – Aspectes més quantitatius: Inorgánica Chimica Acta, 240 (1-2), 93-98.
RailSback, L.B., 2003, taula periòdica de la Terra dels elements i els seus ions: geologia, 31 (9), 737-740.
RailSback, L.B., 2005, una síntesi de mineralogia sistemàtica: mineralogista americà, 90 (7), 1033-1041.
Ringwood, A., 1955A, els principis que regeixen la distribució de l’element de traça durant la part de la cristal·lització magmàtica: la influència de l’electronegativitat: Geochimica et Cosmochimica Acta, 7 (3-4), 189-202.
Ringwood, A., 1955b, els principis que regeixen el comportament de traça-element durant la cristal·lització magmàtica: part II. El paper de la formació complexa: Geochimica et Cosmochimica Acta, 7 (5-6), 242-254.
Scambelluri, M., Rampone, E., Piccardo, GB, 2001, fluids i element ciclisme en serpentinita subductada: un estudi de traça-element de les ultramafites d’alta pressió Erro-Tobbio (Alps occidentals, NW Itàlia): Journal of Petrology, 42 (1), 55-67.
Shannon, R.D., 1976, va revisar els radis iònics efectius i els estudis sistemàtics de distàncies interatòmiques en halurs i calcogenides: Acta Crystalographica, secció A. Fonaments de cristal·lografia, A32 (5), 751-767.
Sol, SS, McDonough, WF, 1989, sistemàtica química i isotòpica de Basalts oceànics: Implicacions per a la composició i processos de mantell, ca Saunders, AD, Norry, MJ (eds.), Magmatisme a les conques oceàniques : Londres, Societat Geològica Publicació especial, 313-345.
Tatsumi, Y, Kogiso, T., 2003, la fàbrica de subducció: el seu paper en l’evolució de l’escorça i mantell de la Terra, en Larter, R.D., Leat, P.t. (eds.), Sistemes de subducció intra-oceànica: processos tectònics i magmàtics: Londres, Societat Geològica Publicació especial, 55-80.
Tiepolo, M., Vannucci, R., Oberti, R., Foley, S., Bottazzi, P., Zanetti, A., 2000, NB i TA Incorporació i fraccionament en Pargasita Titana i Kaersutite : Restriccions i implicacions de cristalls químics per als sistemes naturals: lletres científiques de la Terra i Planetària, 176 (2), 185-201.
tomkins, ag, mavrogenes, ja, 2001, redistribució d’or dins de l’arsenopirita i lollínia durant el metamorfisme pro i retrògrad: aplicació al moment de la mineralització: la geologia econòmica i el butlletí de la Societat de Geòlegs Econòmics, 96 (3), 525-534.
Yamada, S., Tanaka, M., 1975, suavitat d’alguns ions metàl·lics: Journal of Inorgànica Química Nuclear, 37, 587-589.