Introdución á táboa periódica dos elementos e os seus iones para a ciencia da Terra
Unha introdución ao periódico Táboa dos elementos e os seus iones para as ciencias da Terra
John Paul Bernal1, * e L. Bruce Railsback2
1 Instituto de Xeoloxía, Universidade Autónoma Nacional de México, Cidade Universitaria, 04510 Cidade de México, México. * [email protected]
2 Departamento de Xeoloxía, Universidade de Xeorxia, Atenas, Xeorxia 30602-2501, EUA UU
Manuscrito recibido: 27 de setembro de 2007
Manuscript Corrixido recibido: 7 de marzo de 2008
Manuscrito aceptado: 11 de marzo de 2008
Resumo
Neste artigo, os principios e vantaxes que ofrece a táboa periódica ofrece elementos e Os seus iones para a ciencia da terra, publicados orixinalmente en Railsback, LB, 2003, unha táboa xornalística científica da Terra dos Elementos e os seus iones, xeoloxía, 31 (9): 73 7-740. A diferenza da táboa periódica convencional, onde está só Considerados os elementos do Estado de oxidación cero, a táboa periódica dos elementos e os seus iones alberga a especie de acordo cos posibles estados de oxidación na natureza. Isto implica a reorganización dalgunhas especies, así como a aparición dalgúns elementos en diversas posicións.
A clasificación das especies de acordo co seu estado de oxidación permite as características intrínsecas de cada ión, polarizabilidade e potencial de ións (φ ), Evidencialmente poñer algunhas tendencias bioxeoquímicas anteriormente escorregadas semiseradamente. A polarizabilidade sae é posible establecer patróns de reactividade e compatibilidade dos iones, mentres que o potencial iónico permite demostrar tendencias no comportamento dos iones baixo diferentes condicións de diferenciación xeoquímica. Móstrase que a interacción dos diferentes ións co óxido de ións (O2-), modulada polo potencial iónico do catião, xoga un papel fundamental na maioría dos procesos de diferenciación, incluíndo geoquímico hidrogeoquímico, intemperies, petrogênese ígnea, entre outros. Debido á ampla gama de aplicacións, a táboa periódica dos elementos e os seus iones ten o potencial de converterse nunha ferramenta vital para o alumno na ciencia da terra.
Palabras clave: Elementos, ións, táboa periódica, polarizabilidade, potencial de ión, clasificación.
Resumo
Este artigo presenta os principios básicos detrás de “unha mesa de noticias dunha Terra dos Elementos e os seus iones”, orixinalmente publicada en Railsback, LB, 2003, Unha mesa de xornais científicos da Terra dos Elementos e os seus iones, xeoloxía, 31 (9): 737-740. En contraste coa táboa periódica de Mendelejeff, onde todos os elementos clasificáronse acordes ao seu estado de terra (ou o estado de oxidación = 0), a táboa periódica dos elementos e os seus iones, clasifica elementos e ins de acordo co seu estado de oxidación natural. En consecuencia, algúns elementos móstranse en varias posicións dentro da táboa, os outros andomas foron bocados.
A clasificación dos iones de acordo co seu estado de oxidación permite a visualización das tendencias baseadas en características intrínsecas de cada ión (como Polarizabilidade e potencial iónico) que evidencian o comportamento biogeoquímico dos elementos e os seus iones. Moitas desas tendencias foron só de forma semi-empírica ata agora. Os camiños de reacción para diferentes ións son deducidos da súa polarizabilidade, mentres que o potencial iónico alegre para inferir o comportamento dos iones baixo diversos procesos de diferenciación xeoquímica.
Mostra que a interacción de diferentes cións co ión de óxido ( O2-) xoga a papel fundamental na maioría dos procesos de diferenciación xeoquímica, como a xeoquímica acuosa, a intemperie, a petrogénesis ignora, entre outros. Debido á gran variedade de aplicacións, a táboa periódica dos elementos e os seus iones é unha ferramenta valiosa para o científico da terra.
Palabras clave: Elementos, ións, mesa de xornais, polarizabilidade, potencial iónico, clasificación.
Introdución
A táboa periódica dos elementos propostos por Medelejeff (1869) demostrou ser unha ferramenta moi útil para predecir as propiedades químicas e físicas dos elementos, incluso aqueles que non eles existen naturalmente na terra. A pesar de varios esforzos recentes para melloralo, a clasificación de elementos propostos por Mendelejeff case fai 150 anos segue sendo unha parte fundamental da instrución química básica. Non obstante, desde o punto de vista xeoquímico, a táboa periódica tradicional presenta unha serie de limitacións que xorden, principalmente, o feito de que describe as propiedades físicas e químicas dos elementos no seu estado basal (ou o estado de oxidación = 0).Non obstante, a maioría dos elementos da natureza ocorren cun estado de oxidación diferente de cero. Un exemplo diso son metais alcalinos, como Li, Na, K e RB; A táboa periódica tradicional permite establecer con gran precisión as súas propiedades físicas e químicas, con todo, en ambientes naturais, sempre se atopará formando cationes univalentes, con propiedades químicas e físicas significativamente diferentes dos seus análogos metálicos. Por exemplo, os metais alcalinos no estado basal son altamente incompatibles coa auga, mentres que os iones correspondentes son moi compatibles con el. Al e outros exemplos de elementos que mostran un comportamento contrastante dos seus iones; Mentres SI4 + e A13 + están entre os iones máis abundantes da Terra Cortex (McDonoughy Sun, 1995), as especies elementais son moi inusuales, pero non inexistentes. Ademais do anterior, varios elementos presentan máis dun estado de oxidación naturalmente, e as propiedades xeoquímicas de cada un deles non se poden explicar usando a clasificación periódica de Mendelejeff.
en virtude do anterior, a A clasificación dos elementos e os seus iones foi recentemente proposta, o que permite comprender o seu comportamento e as asociacións xeoquímicas (Railsback, 2003), así como establecer as bases para a mineralogía sistemática (Railsback, 2005). En xeral, esta clasificación baséase na estabilidade das ligazóns formadas por ácidos duros e suaves con iones O2- e S2- (bases duras e suaves, respectivamente), así como na densidade de cargo dos diferentes caticumentos (potencial iónico) ), que ten implicacións directas no carácter da ligazón formada con ión O2-. O anterior implica que a interacción de diferentes cións con osíxeno regula gran parte dos procesos de diferenciación xeoquímica.
A diferenza da táboa periódica de Mendelejeff Elements, a nova clasificación permítelle explicar as tendencias e as agrupacións de elementos e ións previamente observados en unha forma empírica en varias ramas da xeoquímica. Como resultado, hai unha ferramenta completa que se pode aplicar á comprensión de varios procesos xeoquímicos, desde a diferenciación elemental no manto da Terra, ata os procesos durmidos, hidroggímicos e mineralogi.
Deste xeito, este artigo ten como obxectivo difundir entre a audiencia xeolóxica de lingua española as vantaxes que ofrece a clasificación de Railsback (2003) para facilitar a comprensión das propiedades xeoquímicas dos elementos e os seus iones.
Principios de clasificación
o A táboa periódica dos elementos e os seus iones foron organizados segundo a dureza ou a suavidade dos iones. Enténdese como un ión duro que ten unha alta densidade de carga positiva ao redor do núcleo atómico e un pequeno radio iónico, polo que a nube electrónica (carga negativa) ao redor do núcleo é pouco deformable coa influencia dun campo eléctrico externo (Figura 1A) .. Doutra banda, un ión suave ten unha baixa densidade de carga positiva ao redor do núcleo e é relativamente grande, polo que a nube electrónica é facilmente deformable coa influencia dos campos eléctricos externos (Figura 1B). Os termos “duros” e “suaves” proveñen da teoría dos ácidos e as bases difíciles propostas por Pearson (1963), que establece, cualitativamente, que as cidades de metal con alta carga e pequena radio iónica (ácidos duros ou tipo “a”), Teñen unha tendencia a asociarse de forma preferente con aglutinantes ou pequenos e baixos anións polarizables (bases duras, por exemplo, F “, O2-). Entrar, aqueles catións de densidade de grandes e baixos de carga (ácidos suaves ou tipo” B “), correspondente a iones que teñen electróns na capa de Valencia e que non alcanzaron o seu estado máximo de oxidación, tenden a ser asociados preferentemente con aglutinantes grandes e polarizables (basesbandas, por exemplo, S2-, SE2 -).
como a Regra xeral, os ácidos duros reaccionan preferentemente con bases duras e os ácidos suaves de preferencia reaccionan con bases suaves (algodón e Wilkinson, 1988), onde a “preferencia” debe entenderse como unha maior velocidade de reacción e unha maior conversión para equilibrar (Cruz-Garritz et al., 1991). Do mesmo xeito, as ligazóns formadas entre os ácidos e as bases co mesmo carácter relativo da dureza son altamente estables e difíciles de romper, mentres que a interacción entre un ácido e unha base con diferente carácter de dureza é inestable.
como calquera Sistema de clasificación, hai casos de fronteira onde as propiedades de dureza ou suavidade non están claramente definidas, é o caso da maioría dos elementos de transición, onde o estado de oxidación é o factor determinante da dureza do ión.En xeral, os ácidos intermedios ou fronterizos reaccionan preferentemente con bases ou bases suaves, aínda que a mesma natureza fronteira destes fai que sexan máis propensas a xerar casos “excepcionais”, tal é o caso do anglesita (PBSO4), que é o produto de un ácido intermedio (PB2 +), cunha base dura (SO42 -).
A pesar de varios esforzos para parametrizar a dureza dos iones (Yamaday Tanaka, 1975, Parry Pearson, 1983), estes modelos non o teñen Facilitou a conceptualización da proposta cualitativa de Pearson (1995), polo que é máis sinxelo asociar a dureza dos ións con polarizabilidade. Isto refírese á tendencia presentada pola nube electrónica ao redor dun ión que se distorsiona por un campo eléctrico externo causado por un dipolo próximo ou outro ión (Cruz-Garritz et al, 1991). Un ión duro ten unha alta densidade de carga positiva preto do núcleo, polo que a nube electrónica ao seu redor non é fácil de deformable, é dicir, é pouco polarizable (figuras 1a, 1e). Doutra banda, un ión suave caracterízase por ter unha baixa densidade de carga positiva preto do núcleo, de xeito que unha carga ou campo eléctrico externo pode facilmente deformar ou facilmente a nube electrónica (Figura 1B) (algodón e Wilkinson, 1988) .. Formalmente, a lorralizabilidade defínese como a proporción do momento dipolar inducido (μI) dun átomo a intensidade do campo eléctrico (e) que produce o dipolo αi, de xeito que:
porque a polarizabilidade é unha variable dependente das características intrínsecas do ión (por exemplo, carga, radio iónica, configuración electrónica, etc.), a partir da magnitude Do campo eléctrico imposto sobre eles, non é posible establecer unha escala absoluta de polarizabilidade dos iones, a diferenza doutros parámetros como a electronegatividade eo radio iónico. Non obstante, é posible atopar varios exemplos que demostren o comportamento periódico e internamente consistente da relativa polarizabilidade dos elementos e os seus iones (Cruz-Garritz et al, 1991).
A segunda característica intrínseca de cada un Ion que permite identificar tendencias xeoquímicas na táboa periódica dos elementos e os seus iones é o potencial iónico (φ), que está definido como:
Onde Z representa a carga iónica e o radio iónico. En xeral, φ pódese entender como a densidade de carga no ión. Deste xeito, dous iones con radios iónicos semellantes, pero diferentes cargas terán diferentes valores e, polo tanto, densidade de carga diferente (Figura 1 A e C); Do mesmo xeito que dous ións coa mesma carga e distintos radio ións terán diferentes valores de φ.
A clasificación de elementos ferroviarios e iones (2003) non corresponde ao primeiro intento de usar o potencial iónico de os iones como factor de clasificación. Víctor Goldschmidt visualizara un sistema de clasificación similar (Goldschmidt, 1937), pero non considerou que algúns elementos puidesen aparecer varias veces a esa clasificación porque teñen varios estados de oxidación. A diferenza de Goldschmidt, e anteriormente, Cartledge (1928A, 1928b) propuxo unha clasificación de elementos e iones que pode considerarse precursor desde que Railsback (2003), xa que considerou o estado de oxidación dos iones na súa ubicación dentro da táboa periódica. Por outra banda, en petroloxía ígneosa é común referirse a algúns elementos relevantes como “grandes elementos lithófilos de ións e elementos de forza de campo altos” (tamén coñecidos como lile e HFSE, ou pequenos elementos litofílicos de radio jónico e alta iónica ou alta Campo de elementos, respectivamente) con afinidades minerais opostas diametralmente opostas e cuxa definición baséase, precisamente, na relación entre a carga eo radio iónico correspondente (Albare, 2003). A principal diferenza entre as tensións anteriores ea clasificación dos elementos ferroviarios e iones (2003) é a inclusión do accidente vascular cerebral dos contornos posibles iónicos ou contornos equipenciales (Figura 2), que permiten facilmente identificar grupos de elementos cuxo comportamento é similar baixo varios condicións e procesos de diferenciación xeoquímica.
Debe subliñar que a dureza ou a suavidade dun ión é equivalente á súa polarizabilidade e é unha función do radio iónico e do número de electróns que ten no Layer de Valencia. Eses iones sen electróns na capa de Valencia son pouco polarizables e, polo tanto, máis duros que os de tamaño similar, pero teñen electróns na capa de Valencia. Doutra banda, φ refírese só á ratio de carga / radio do ión, de xeito que dous iones con carga e radios similares terán valores similares, o que non implica necesariamente que ambos os ións comparten propiedades e / ou afinidades xeoquímicas.Os ións NA + e CU + representan un bo exemplo para ilustrar o anterior: ambos catións teñen radios iónicos similares (0,96 e 0,95 å, respectivamente), polo que, ao ter a mesma carga, teñen valores CP moi similares. Non obstante, mentres que Na + é un ácido duro porque non ten electróns na capa de Valencia, o CU + é un ácido suave posuíndo un electrón na capa de Valencia. O anterior é que o CU + non pode substituír Na + nos feldespatos debido á incapacidade do primeiro para formar bonos covalentes estables con O2- (Ringwood, 1955A). Do mesmo xeito, o TL + (ácido suave) non está a substituír K + (ácido duro) en calquera mineral, a pesar de que as radios iónicas de ambas as dúas especies (1,40 e 1,3 3 å) permitirían pensar que esa substitución é factible. Paga a pena mencionar que, a pesar da pouca difusión destes principios nas ciencias da terra, estes foron utilizados previamente para a descrición de diferentes procesos geoquímicos (por exemplo, Lasaga e Cygan, 1982, Abbott, 1994, Auboiroux et al, 1998, Tomkins e Mavrogenes, 2001).
Descrición da táboa
A táboa periódica dos elementos e os seus iones para a ciencia da terra (Figura 3) está organizada segundo a carga de cada unha das especies .. A gran maioría das especies aparecen en posicións similares que na táboa periódica convencional. Non obstante, algúns elementos adoitan estar no lado dereito nunha táboa periódica clásica (por exemplo, B, C, si), foron trasladados ao lado esquerdo da mesa como B3 +, C4 + e SI4 +. Ademais, como xa se mencionou anteriormente, algúns elementos aparecen en varias posicións como resultado dos distintos estados de oxidación que poden presentar. Tal é o caso de P e U que aparecen dúas veces, mentres que V, Faith, C e N faino tres veces, e S ata catro ocasións (S2-, Sº, S4 + e S6 +).
A táboa está separada en varios bloques para diferenciar entre gases nobres, ácidos duros ou tipo a, ácidos suaves ou tipo B, especies elementais (sen carga) e anións (Figura 3). Esta separación permite racionalizar a interacción entre as distintas especies, xa que os ácidos duros reaccionarán preferentemente con bases duras, mentres que os ácidos suaves son máis compatibles con bases suaves. Un exemplo desta tendencia é a solubilidade dos salóns de cidades duras e suaves. Como se pode ver na caixa 8 da Figura 3, a mestura dun ácido duro (MG2 +) cunha base dura (F-) ou un ácido suave (AG +) cunha base suave (I-) produce os haluros sólidos Máis insoluble para os respectivos cativos. Pola contra, os produtos dun ácido duro cunha base suave (por exemplo, NAI) ou un ácido suave cunha base dura (por exemplo, AGF) resulta nos haluros máis solubles da serie correspondente, debido a que a cación-anión A ligazón é inestable. Do mesmo xeito é posible explicar a ausencia de sulfues CA2 +, ou outros ácidos duros e xustificar a existencia de óxidos e sorprendentes da devandita especie. Doutra banda, a existencia de sulfures minerais de elementos do grupo PT, e non os seus óxidos, representa un exemplo do caso oposto.
Outra diferenza importante entre a “táboa periódica dos elementos e os seus) iones para ciencias da terra “ea mesa convencional, consiste na aparición dos elementos naturais do grupo de actínidos cos ácidos intermedios e duros, deste xeito th4 + está por baixo do HF4 +, o U4 + debaixo do W4 + (( todos os intermediarios) Mentres que U6 + está por baixo de W6 + (ambos difíciles). Aínda que tal aloxamento non é convencional, as tendencias descritas nas seguintes seccións xustifican a devandita arranxo.
A táboa tamén proporciona información útil, como o nome do elemento e / ou ión, número e masa atómica, radio iónica, radio, Isotope natural de cada elemento, así como rutas de decadencia radioactiva. Cada elemento e / ou ión está acompañado por unha simbología (Figura 4) que nos permite identificar algunhas das principais características bioxeoquímicas da especie, que axuda ao usuario na identificación de tendencias naturais na distribución das especies correspondentes. Do mesmo xeito, o tamaño do símbolo do elemento / ión é obriga á súa abundancia na codia terrestre.
Patróns e tendencias na táboa
Os símbolos asociados a cada elemento e ión (Figura 3 e 4) Indique se estes están enriquecidos en minerais, augas naturais (doces e / ou mariñas), solos, sedimentos, rocas ígneas, manto ou atmosfera, ou se teñen un papel preponderante como micronutrientes. Ao observar a táboa (Figura 3) é evidente que os diferentes símbolos están agrupados segundo os contornos de ións potenciais, unha tendencia non obvia na táboa periódica convencional.Oración, moitos ións con valores de 3 < φ < Tenden a formar óxidos minerais, están enriquecidos en solos mariños e nódulos de fe -Mn, forman parte das fases minerais cun maior punto de fusión, e son menos empobrecidas no manto. Do mesmo xeito, dixo que os iones forman óxidos con maior dureza, menor solubilidade e menos compresibilidade (Figura 3, caixas 1-4 e 6). Estas tendencias son evidenciadas na nova táboa periódica mediante contornos equidade de cor laranxa.
Por outra banda, aqueles catións con φ < 4 forman minerais de fluoruros E son compoñentes principais no río e auga do mar, así como os iones que son nutrientes fundamentais para algúns seres vivos. Do mesmo xeito, eses catións con φ > son igualmente abundantes en auga e auga mariña, e son importantes nutrientes para as plantas. Non obstante, a diferenza destas especies con potencial de ións, estas catións están formando parte dos óxos, como as sultas (S6 + en SO42), fosfatos (P5 + ENPO43-), nitratos (N5 + en No3-) e Arsenates (AS5 + en ASO3) -), entre outros. Ambas as tendencias pódense identificar na táboa por contornos equivotentes azuis.
O equipamento de contornos esténdese á área dos cationes intermedios, composta polos iones dos elementos de transición. A parte superior desta sección está composta de catiões que teñen valores de φ entre 3 e 8, e igualmente enriquecidas en solos, forman óxidos minerais, e son unha parte fundamental de fases minerais ígneas formados nas fases iniciais de cristalización. Na parte central desta sección hai ácidos suaves por excelencia, caracterizados por ter valores baixos de φ. Entre eles están os iones dos principais metais de acuñación (CU, AG e AU) denotados por diamantes amarelos que indican a súa preferencia para formar xofores minerais, bromuros e iodidos.
Con excepción dos gases nobres, A única sección da táboa periódica dos elementos e os seus iones onde os contornos equipóxenos non están incluídos corresponden aos elementos de forma nativa, e que principalmente inclúe os metais acuatizables, así como aqueles compoñentes da atmosfera. A posición relativa destes elementos mantense idéntica á da táboa periódica convencional. Aínda así, é posible rastrexar contornos agrupando as preferencias de aleación para cada elemento. Por exemplo, eses elementos que forman aliaxes forman un grupo discreto na mesa, mentres que aqueles que están aliñados con fe forman un grupo máis grande que se atopa con aqueles que forman aliaxes con CU e AU.
no lado dereito da mesa (Figura 3) Preséntanse os anións, que compoñen as bases ásperas e suaves. Os contornos de equipos para os anións son similares aos de ácidos duros, con todo, a diferenza das catións, non se observan variacións drásticas de φ, que varía entre -1/2 e -2; Porque o aumento da carga do anión implica, á súa vez, un aumento no radio iónico. Respecto ao comportamento como solutos, a simbología permite observar que os anións con valores máis negativos de φ (bases duras), na parte superior da táboa periódica, as propiedades presentes similares aos seus análogos ácidos. Por outra banda, a parte inferior da táboa presenta aos aniones suaves: aqueles con valores de φ máis próximo a cero, e que preferentemente coordinados con catións brandos, formando xofuras, bromuros, iodidos e convocatorias con ácidos suaves como AG + e Au +. Por outra banda, de dereita a esquerda, ou de F- e Cl- a C4- e O2 – é a transición de aniones que forman minerais con cións duros (por exemplo, K + e Na +) a aqueles que forman minerais con catas duras con valores de CP extremo (por exemplo, AL3 + YSI4 +).
Cación de interacción-O2 –
A diferenza entre as cidades CP baixas e altas pódese ilustrar desde a interacción destes con ión o2-. Aínda que os iones de CP baixos só exercen unha determinada atracción electrostática no anión de óxido, aqueles catións con alta φ concentran un importe de carga positiva que forma enlaces con osíxeno covalente de alto carácter, difícil de romper. O anterior adquire maior importancia ao considerar que o osíxeno é o elemento máis abundante da Terra (McDonough e Sun, 1995) e implica que a única interacción cación-oxíxeno é o principal regulador dos procesos de diferenciación xeoquímica.
para ilustrar O anterior, a interacción entre iones con diferentes valor de moléculas CP e H2O é interesante. En xeral, φ aumenta gradualmente á dereita en calquera fila do lado esquerdo da mesa.Nunha solución acuosa, os iones con valores máis baixos de φ (por exemplo, Na +, K +) só inclinan lixeiramente o DIPOLO de moléculas H2O ao centro de carga positivo (Figura 5A) (Carrillo-Tripp et al., 2003), Mentres as catións con valores de CP ligeramente máis altos (como MG2 + e CA2 +) poidan orientar eficazmente o dipolo das moléculas H2O ao redor deles (Figura 5B) (Bernal-Uruchurtu e Ortega-Blake, 1995). Eses ións con valores máis altos de φ (por exemplo, AL3 +) inducir unha atracción tan de osíxeno das moléculas de auga, que case espontáneamente xeran reaccións de hidrólise do tipo:
de tal xeito que só é posible atopar aluminio disolto non ligado ao osíxeno en ambientes moi ácidos, como a drenaxe de ácido a partir de residuos mineiros (por exemplo, Cidue et al, 1997), Mentres que en ambientes menos ácidos ou neutros, o aluminio formará complexos de tipo hidróxido, descritos como produtos na ecuación 3 (Figura 5C) (Hiradate, 2004). Os iones con maior potencial de ión (por exemplo, C4 +, SI4 +) non existen como tal en solución acuosa, pero sempre están coordinadas por óxido de ión ou hidróxido, por exemplo CO32- e SI (OH) 4 (Figura 5D) (este último) comúnmente representado como H4SI04, Krakeopf e Bird, 1995). Finalmente, a interacción entre as catións con valores extremos de φ (por exemplo, N5 +, S6 +) con osíxeno resulta en altamente covas-lenses, formando óxidos moi estables, como NO3 “e SO42- (Figura 5e) (Cottony Wilkinson , 1988). Os cationes de átomos moi pesados con alta carga (por exemplo, U6 +, W6 + e Mo6 +) tamén formarán oxiquiones como UO2 + 2, WO42- ou MOO42- e só liberarán osíxeno en presenza de unha base máis dura (como F-) ou a ser reducida.
A existencia de óxidos minerais pode ser explicada dun xeito similar á especiación dos catións no medio acuoso (Figura 3, caixa 7). Cacións con valores de baixa CP forman enlaces débiles con ión de óxido, polo que non forman óxidos minerais, nin se conservan en solos como óxidos ou hidróxidos; estes cationes son facilmente disoltos en auga, que se converteu en importantes nutrientes para plantas e algúns outros seres vivos (por exemplo, Na +, k +). A incapacidade de que estes iones teñan por formulario Un enlaces estables con Ion O2 – tamén implica que estes cationes só se incorporan ás fases minerais de temperatura máis baixas (biotita, moscovita, feldespato) e, polo tanto, nas últimas etapas da cristalización. Doutra banda, estes catións con valores altos de φ (por exemplo, P5 +, N5 +, S6 +, entre outros) forman bonos extremadamente estables con ion de óxido; Con todo, a elevada densidade de carga positiva dos exerce catiões centrais para os electróns de ión O2-, polarizando eficazmente a distribución dos electróns na ligazón catião-osíxeno en dirección ao centro da oxanion, impedindo-a de formar enlaces con outro catião Un través de osíxeno e formar a base dunha posible estrutura do óxido mineral correspondente. Os resultados anteriores non só a ausencia de óxidos minerais deste tipo de catións, senón tamén que estes ións son moi solubles en auga e, polo tanto, abundantes en augas naturais (doces e / ou marítimo), e que son considerados elementos incompatibles con fases minerais ígneas. Finalmente, estes catións con CP intermedio, 4 < φ < 10 (por exemplo, SI4 +, AL3 +), forman ligazóns con osíxeno relativamente Forte, con todo, a densidade de carga no centro iónico non é o suficientemente alta como para evitar que osíxeno formen enlaces con outros cationes. Deste xeito, estes iones poden formar óxidos e hidróxidos minerais e incorporados a fases minerais de alta temperatura que se forman nas primeiras etapas da cristalización magmática. A súa estabilidade, como óxidos e / ou hidróxidos dálles pouca solubilidade en auga e, polo tanto, son relativamente non abundantes en augas naturais.
O comportamento dos iones con diferentes valores de φ en solución acuosa tamén ten implicacións. En estudos de petrología ígnea. En particular, explica por que as basalties xeradas en zonas de subducción teñen composicións de elementos de seguimento moi diferentes aos xerados noutros ambientes tectónicos. Os animais basais de arco, por exemplo, amosar enrriquecimentos en lil elementos (baixo φ), pero as concentracións de elementos (HFS moi alto & Phi) similares aos observados en basaltos dorsais oceanous (N-MORB Figura 6). Tales anomalías son xeralmente interpretadas como resultado de procesos metástomáticos na cuña do manto, orixinado pola deshidratación de diversos minerais do córtex oceánico e sedimentos subdutados (por exemplo, filosilicatos e anfibole) (Tatsumi e Kogiso, 2003).Deste xeito, os elementos de lil, sendo solubles en auga, pódense transportar cara á cuña do manto polos fluídos xerados durante a subducción, mentres que a baixa solubilidade da auga do HFS (debido ao seu alto valor CP) evita a súa mobilización, así que É común atopalos en fases minerais presentes na placa metamórfica (por exemplo, Tiepolo et al., 2000, Scambelluri et al., 2001). As solucións xeradas nestes procesos, enriquecidos enllyy empobrecidos en HFS, poden interactuar coa cuña do manto (Murphy, 2007) e alterar a abundancia de elementos lil nos magmas marais xerados en zonas de arco, resultando en perfís de elementos similares ao Mostrado na Figura 6, onde os elementos Lil están enriquecidos con respecto a N-Morb, mentres que os HFS están en proporcións similares a N-Morb.
Aínda que a táboa periódica dos elementos e os seus iones para a Terra As ciencias clasifica as diferentes especies segundo o seu estado de oxidación, hai que destacar que esta representación non implica necesariamente que todos os iones participarán en procesos de diferenciación xeoquímica como iones libres. Isto é particularmente certo para as cidades altas con alto φ, que se atoparán na maioría dos casos conectados a ións de óxido e / ou hidróxido. En xeral, non é posible atopar cationes con estado de oxidación > 3+ que non están conectados a unha base dura, normalmente o2 e / ou f- e / ou oh- (( Algodón e Wilkinson, 1988). A universalidade deste principio é sorprendente, xa que tal comportamento obsérvase tanto no diferenciadoPematite (Ringwood, 1955b) como en augas naturais a temperatura ambiente (Brookins, 1988).
Vantaxes e limitacións
A táboa periódica dos elementos e os seus iones para a ciencia da terra é unha ferramenta que permite comprender máis facilmente o comportamento dos diferentes elementos e os seus iones baixo varias condicións de diferenciación. A clasificación que se presenta aquí non busca proporcionar coñecementos ou novas teorías sobre o comportamento dos elementos, con todo, permite ao usuario visualizalos de xeito máis sinxelo e rápido.
Por exemplo, foi anteriormente Mencionado que o CU + non substitúe Na + nos feldespatos porque estas especies son ácidos suaves e duros, respectivamente. Aínda que este comportamento está previsto nos principios de substitución de Goldschmidt, en particular onde establece que a substitución pode ser nula ou limitada a medida que a diferenza de electronegatividade de iones en competición (Faure, 1991) aumenta, é máis rápido, sinxelo e ilustrativo identificando tal Comportamento pola posición dos ións respectivos na mesa, xa que doutro xeito é necesario ter datos de electronegatividade para cada ión e elemento. Adicionalmente, o uso da táboa periódica dos elementos e os seus iones non só permite avaliar a viabilidade dunha posible substitución isomórfica, senón que tamén permite extrapolar dixo o comportamento a elementos e ións veciños a través do uso de contornos equipaxentes.
O uso de φ como factor de clasificación e os contornos equipaxentes deben ser utilizados con precaución. O anterior é porque o radio iónico e, polo tanto, CP, (ecuación 2) de cada ión depende do número de coordinación (NC). Aínda que os contornos equipótentes da táboa foron deseñados usando o NC máis común, hai algúns elementos que poden adoptar diferentes NC, sendo o AL3 +, probablemente, o caso máis notable. Este ión pode ocupar sitios tetraédricos (NC = 4) e octaédricas (NC = 6) na estrutura de varios minerais, por exemplo arxilos (Moore e Reynolds, 1997), o que implica dentro da estrutura dun mineral, pode ter iones de AP + Dúas radios iónicas distintas (0,39 e 0,535 å, respectivamente; Shannon, 1976) e, polo tanto, valores distintos de φ (7,69 e 5,60, respectivamente), dependendo do sitio da estrutura que ocupan. Aínda que o anterior podería suxerir diferentes comportamentos para ambos tipos de AL3 +, os valores de φ están dentro do rango delimitado polos dous contornos equidade de laranxa na figura 3 (z / r = 4 yz / r = 8), polo que considerar O NC = 6 como o máis común para o AL3 +, só produciría un lixeiro desprazamento do contorno equipótenente z / r = 8 cara ao centro da táboa, máis non indicaría un comportamento xeoquímico diferente para o AL3 + a que se presenta na mesa. As conclusións similares pódense obter a partir doutros iones con comportamento similar a Al3 +, como Fe3 + e MG2 +, entre outros.
Conclusións
A clasificación dos iones de acordo cos seus posibles estados de oxidación en tendencias de evidencia de natureza que permiten sistematizar o comportamento dos elementos e os seus iones ante varios procesos de diferenciación xeoquímica. Estas tendencias xa foron evidenciadas semierces na clasificación dos elementos de Victor Goldschmidt (Goldschmidt, 1954, Goldschmidty Muir, 1954) e outros autores (Cartledge, 1928A, Cartledge, 1928b, Ringwood, 1955A). Do mesmo xeito, a evidencia de clasificación de que as dúas propiedades intrínsecas principais dos iones, o potencial de ión e a polarizabilidade son os factores moduladores dos principais procesos de diferenciación xeoquímica elemental. Cómpre mencionar que, aínda que estes termos preséntanse de forma simplificada, eles realmente corresponden a propiedades complexas de iones. O lector interesado en profundar estes termos, así como na teoría dos ácidos e as bases duras, debería referirse ás referencias orixinais (Pearson, 1963), á literatura química especializada (por exemplo, Cottony Wilkinson, 1988; Huheey, 1993), Así como as revisións recentes (Ayers et al., 2006, Ayers, 2007).
A táboa periódica dos elementos e os seus iones para a ciencia da terra non está destinada a ser unha substitución da táboa periódica tradicional; Ambos son complementarios para presentar e demostrar información que non está presente na contraparte. É de vital importancia, con todo, coñecer e comprender a táboa periódica tradicional, a fin de avaliar moitas das vantaxes que ofrece a clasificación dos elementos e os seus iones propostos por Railsback (2003). A xeneralización e sistematización dos procesos de diferenciación xeoquímica presentados por Railsback (2003) fai a táboa periódica dos elementos e os seus iones para a ciencia da terra unha ferramenta de vital importancia para os eruditos das ciencias da terra. Finalmente, o lector é referido ás obras orixinais (Railsback, 2003, Railsback, 2005) para expandir a comprensión da táboa a partir dos exemplos e as aplicacións presentes alí.
Recoñecementos
A versión orixinal da táboa periódica dos elementos e os seus iones para a ciencia da terra foi financiada pola Fundación Nacional de Ciencia Nacional dos Estados Unidos, número do contrato 02-03115. Os autores agradecen a M.I. Bernal-Uuchurtu para a valiosa axuda na preparación da Figura 5. Tamén agradece a Dara Salcedo, Arturo Gómez Tuena, Dante Moran para a revisión e comentarios sobre versións preliminares do manuscrito. A exhibición exhaustiva da Figura 3 polo Dr. Teresa Orozco, así como os seus comentarios e os de un revisor anónimo resultaron en melloras significativas neste documento.
Apéndice A. Suplemento electrónico
Unha versión de alta resolución da táboa periódica dos elementos e os seus iones para a ciencia da terra está dispoñible na páxina web da revista < http://satori.geociencias.unam.mx/>, en A táboa de contido deste número (suplemento electrónico 25-2-02).
Referencias
Abbott, RN, 1994, polarizabilidade electrónica de osíxeno e varios cións en minerais triclínicos seleccionados; Teoría de punto-dipolo: mineralogista canadense, 32 (4), 909-918.
Albarede, F., 2003, GeoChemistry, unha introdución: Cambridge, Reino Unido, Cambridge University Press., 248 pp.
Auboiroux, M., Melou, F., Bergaya, F., Touray, JC, 1998, modelo de base de ácido duro e suave aplicado á selectividade do catión bivalente nun mineral de arxila 2: 1: Clays & Clay minerais, 46 (5), 546-555.
Ayers, P.W., 2007, a base física do principio de ácido / ácido suave: Faraday Discusións, 135, 161-190.
Ayers, Pw, Parr, RG, Pearson, RG, 2006, elucidando o principio de ácido / ácido / base suave: unha perspectiva baseada en medias reaccións: Journal of Chemical Física, 124 (19), Art .. non. 194107.
Bernal-Uuchurtu, M.I., Ortega-Blake, I., 1995, un estudo refinado Monte Carlo de CA2 + e MG2 + Hidratación: Journal of Chemical Física, 103, 1588-1598.
Brookins, D.G., 1988, Diagramas EH-PH para Geoquímica: Berlín, Springer, 179 pp.
Carrillo-Tripp, M., Saint-Martin, H., Ortega-Blake, I., 2003, un estudo comparativo da hidratación de Na + e K + con potenciais modelo polarizables refinados: Diario de Física química, 118 (15), 7062-7073.
Cartledge, G.H., 1928A, estudos sobre o sistema periódico. I. O potencial iónico como unha función periódica: Diario da American Chemical Society, 50 (11), 2855-2863.
Cartledge, G.h., 1928b, estudos sobre o sistema periódico. II. O potencial iónico e propiedades relacionadas: Diario da American Chemical Society, 50 (11), 2863-2872.
CIDU, R., CAPEI, R., FANFANI, L., FRAU, F., 1997, drenaje ácido de Sulfides Aloxamento de ouro Mineralización (Furtei, Cerdeña): Xeoloxía Ambiental, 30 (3-4 ), 231-237.
algodón, F.A. Y Wilkinson, G., 1988, avanzada química inorgánica: Nova York, Wiley, XVII, 1455 pp.
Cruz-Garritz, D., Chamizo, JA, Garritz, A., 1991, Estructura Atómica. Un enfoque Químico: Addison-Wesley Iberoamericana, S.A.
Faure, G., 1991. Principios e aplicacións da xeoquímica inorgánica. Pub Macmillan. CO, Nova York, Toronto, XIII, 626 PP.
Goldschmidt, V.M., 1937, os principios de distribución de elementos químicos en minerais e rocas. A sétima conferencia de Hugo Müller entregada ante a sociedade química o 17 de marzo de 1937: Journal of the Chemical Society, 655-673.
Goldschmidt, VM, MUIR, A., 1954, Geochemistry: Oxford, Clarendon Press, serie internacional de monografías sobre física, 730 pp.
Hiradate, S., 2004, especiación de aluminio en ambientes de solo: ciencia do solo & nutrición de plantas, 50 (3), 303-314.
HUHEEY, JE, 1993. Química inorgánica: principios de estrutura e reactividade: Editores universitarios de Nova York, NY, Harper Collins College, 964 pp.
Krakeopf, KB, Bird, DK, 1995, Introdución á Geoquímica: Nova York, McGraw-Hill, 647 pp.
Lasaga, AC, Cygan, RT, 1982, polarizabilidades electrónicas e iónicas de minerais de silicato: mineralogista americano, 67, 328-334.
McDonough, W.F., Sun, S.S., 1995, a composición da Terra: Xeoloxía química, 120 (3-4), 223-253.
Mendelejeff, D., 1869, Ueber Die Beziehungen der Eigenschaften Zu den Atomgewichten der Elementse: Zeitscrift für Chemie, 12, 405-406.
Moore, DM, Reynolds, RC, 1997, Difracción de raios X ea identificación e análise de minerais de Clay: Oxford (Inglaterra), Nova York, Oxford University Press, 378 pp.
Murphy, JB, 2007, Asociacións de rocas Igneous, 8. Arco Magmatismo, II: Características xeoquímicas e isotópicas: Geoscien Canadá, 34 (1), 1-29.
Parr, R.G., Pearson, R.G., 1983, Dureza absoluta: parámetro de acompañante a electronegatividade absoluta: Journal of the American Chemical Society, 105 (26), 7512-7516.
Pearson, R.G., 1963, Ácidos e bases duras e softs: Journal of the American Chemical Society, 85 (22), 3533-3539.
Pearson, R.G., 1995, o principio HSAB – Aspectos máis cuantitativos: Inorgánica Chimica ACTA, 240 (1-2), 93-98.
Railsback, L.b., 2003, unha táboa periódica dun científico da Terra dos elementos e os seus iones: xeoloxía, 31 (9), 737-740.
Railsback, L.b., 2005, unha síntese de mineralogía sistemática: mineralogista americano, 90 (7), 1033-1041.
Ringwood, A.E., 1955A, os principios que rexen a distribución de elementos de trazos durante a parte de cristalización magmática I: a influencia da electronegatividade: Geochimica et Cosmochimica ACTA, 7 (3-4), 189-202.
Ringwood, A.E., 1955b, os principios que rexen o comportamento de trazado durante a cristalización magmática: Parte II. O papel da formación complexa: Geochimica et Cosmochimica ACTA, 7 (5-6), 242-254.
Scambelluri, M., Rampone, E., Piccardo, GB, 2001, fluído e elemento en bicicleta en serpentinita subdido: un estudo de trazado dos ultramáficas de alta presión Erro-tobbio (Alpes occidentais, nw Italia): Diario de Petroloxía, 42 (1), 55-67.
Shannon, R.D., 1976, revisou radios iónicos efectivos e estudos sistemáticos de distancias interatómicas en haluros e chalcogenídeos: ACTA Crystallographica, sección A. Fundacións de Cristalografía, A32 (5), 751-767.
Sun, SS, McDonough, WF, 1989, Sistemática química e isotópica dos basaltos oceánicos: implicacións para a composición e procesos de manto, en Saunders, AD, NORRY, MJ (EDS), Magmatismo nas cuncas do océano : Londres, Sociedade Xeolóxica Publicación especial, 313-345.
Tatsumi, Y, Kogiso, T., 2003, a fábrica de subducción: o seu papel na evolución da codia da Terra e Mantle, en Larter, R.D., Leat, P.t. (EDS), Sistemas de subducción intra-oceánico: procesos tectónicos e magmáticos: Londres, a publicación especial da sociedade xeolóxica, 55-80.
Tiepolo, M., Vannucci, R., Oberti, R., Foley, S., Bottazzi, P., Zanetti, A., 2000, NB e incorporación e fraccionamento en pargasite e kaersutite titanio : Crystal-produtos químicos e implicacións para sistemas naturais: letras de ciencias da Terra e planetaria, 176 (2), 185-201.
tomkins, AG, Mavrogenes, JA, 2001, Redistribución de ouro dentro do arsenopirita e Lollingite durante o metamorfismo pro- e retrógrado: Solicitude de tempo de mineralización: Xeoloxía económica e boletín da Sociedade de Xeólogos Económicos, 96 (3), 525-534.
Yamada, S., Tanaka, M., 1975, suavidade dalgúns iones metálicos: Diario de química nuclear inorgánica, 37, 587-589.