Introduzione alla tabella periodica degli elementi e dei loro ioni per la scienza della terra
un’introduzione al periodico Tabella degli elementi e dei loro ioni per le scienze della terra
Giovanni Paul Bernal1, * e L. Bruce Railsback2
1 Istituto di Geologia, Università Autonoma Nazionale del Messico, Città dell’Università, 04510 Città del Messico, Messico. * [email protected]
2 Dipartimento di geologia, Università della Georgia, Atene, Georgia 30602-2501, USA UU
Manoscritto ricevuto: 27 settembre 2007
Manoscritto corretto ricevuto: 7 marzo 2008
Manoscritto accettato: 11 marzo 2008
Riepilogo
Sommario
In questo articolo, i principi e i vantaggi offerti dalla tavola periodica offerte di elementi e I loro ioni per la scienza del territorio, originariamente pubblicati su Railsback, Lb, 2003, un tavolo da giornale della terra degli Elementi e dei loro ioni, geologia, 31 (9): 73 7-740. A differenza della tabella periodica convenzionale, dove è solo Considerato gli elementi nello stato di ossidazione zero, la tavola periodica degli elementi e i loro ioni accoglie le specie in base ai possibili stati di ossidazione in natura. Ciò implica il riarrangiamento di alcune specie e l’aspetto di alcuni elementi in varie posizioni.
La classificazione della specie in base al suo stato di ossidazione consente le caratteristiche intrinseche di ciascun ione, polarizzabilità e potenziale ionico (φ ), Metti in modo evidente alcune tendenze biogeochimiche precedentemente chiarite. La polarizzazione è possibile stabilire modelli di reattività e compatibilità degli ioni, mentre il potenziale ionico consente di dimostrare le tendenze nel comportamento degli ioni in condizioni diverse di differenziazione geochimica. Si dimostra che l’interazione dei diversi ioni con l’ossido di ioni (O2-), modulato dal potenziale ionico della cazione, svolge un ruolo fondamentale nella maggior parte dei processi di differenziazione geochimica, tra cui idrogeochimica, agenti atmosferici, petrogenesi ignea, tra gli altri. A causa della vasta gamma di applicazioni, la tabella periodica degli elementi e i loro ioni ha il potenziale per diventare uno strumento vitale per lo studente nella scienza della terra.
Parole chiave: elementi, ioni, tavola periodica, polaribilità, Potenziale di ioni, classificazione.
Astratto
Questo documento presenta i principi di base dietro “Tavola di notizie di una Terra Scienziato degli elementi e dei loro ioni”, originariamente pubblicato su Railsback, LB, 2003, Tabella dei giornali degli elementi di un scienziato della terra degli elementi e dei loro ioni, geologia, 31 (9): 737-740. In contrasto con la tavola periodica di Mendelejeff, -Dove tutti gli elementi sono classificati abilitando al loro stato di terra (o allo stato di ossidazione = 0), la tabella periodica degli elementi e i loro ioni, classifica elementi e insissione secondo il loro stato di ossidazione naturale. Di conseguenza, alcuni elementi vengono visualizzati in diverse posizioni all’interno del tavolo, gli altri che altri hanno beccheggiato.
La classificazione degli ioni in base al loro stato di ossidazione consente la visualizzazione delle tendenze basate su caratteristiche intrinseche di ciascun ione (come ad esempio Polarizzabilità e potenziale ionico) che evidenziano il comportamento biogeochimico degli elementi e dei loro ioni. Molte di quelle tendenze erano solo semi-empiricamente dedotti fino ad ora. I percorsi di reazione per i diversi ioni sono dedotti dalla loro polarizzabilità, mentre il potenziale ionico alaws per dedurre il comportamento degli ioni in diverso processo di differenziazione geochimica.
Si mostra che l’interazione di diversi cationi con gli ioni di ossido ( O2-) gioca al ruolo fondamentale nella maggior parte dei processi della differenziazione geochimica, come la geochimica acquosa, l’intestazione, la petrogenesi igidaica, tra gli altri. A causa della vasta gamma di applicazioni, la tavola periodica degli elementi e i loro ioni è prezioso strumento per lo scienziato della Terra.
Parole chiave: elementi, ioni, tavolo da rivista, polaribilità, potenziale ionico, classificazione.
Introduzione
La tabella periodica degli elementi proposti da Medelejeff (1869) ha dimostrato di essere uno strumento molto utile per prevedere le proprietà chimiche e fisiche degli elementi, anche quelli che non lo fanno esiste naturalmente sulla terra. Nonostante i vari ultimi sforzi per migliorarlo, la classificazione degli elementi proposti da Mendelejeff quasi 150 anni fa continua ad essere una parte fondamentale dell’istruzione chimica di base. Tuttavia, dal punto di vista geochimico, la tradizionale tavola periodica presenta una serie di limitazioni che sorgono, principalmente il fatto che descrive le proprietà fisiche e chimiche degli elementi nel suo stato basale (o stato di ossidazione = 0).Tuttavia, la maggior parte degli elementi in natura si verifica con uno stato di ossidazione diverso da zero. Un esempio di questo sono metalli alcali, come Li, NA, K e RB; La tradizionale tavola periodica consente di stabilire con grande precisione le sue proprietà fisiche e chimiche, tuttavia, in ambienti naturali, si troverà sempre formando cazioni impreviste, con proprietà chimiche e fisiche significativamente diverse dei suoi analoghi metallici. Ad esempio, i metalli alcali nello stato basale sono altamente incompatibili con l’acqua, mentre gli ioni corrispondenti sono altamente compatibili con esso. Al e se altri esempi di elementi che mostrano un comportamento a contrasto dei loro ioni; Mentre SI4 + e A13 + sono tra gli ioni più abbondanti nella Corteccia Earth (McDonoughy Sun, 1995), le specie elementari sono molto insolite, ma non inesistenti. Oltre a quanto sopra, diversi elementi presenti più di uno stato di ossidazione naturalmente e le proprietà geochimiche di ciascuna di esse non possono essere spiegate utilizzando la classificazione periodica di Mendelejeff.
in virtù di quanto sopra, a La classificazione degli elementi e dei loro ioni sono stati recentemente proposti, il che consente di comprendere il suo comportamento e le associazioni geochimiche (rotaia, 2003), nonché stabilire le basi per la mineralogia sistematica (rotaia, 2005). In generale, questa classificazione si basa sulla stabilità dei collegamenti formati da acidi duri e morbidi con ioni O2- e S2- (basi dure e morbide, rispettivamente), nonché nella densità del costo delle diverse cazioni (potenziale ionico ), che ha implicazioni dirette nel carattere del collegamento formato con ION O2-. Quanto sopra implica che l’interazione di diverse cazioni con ossigeno regola i processi di differenziazione geochimica.
A differenza della tabella periodica degli elementi Mendelejeff, la nuova classificazione consente di spiegare tendenze e raggruppamenti di elementi e ioni precedentemente osservato in precedenza un modo empirico in vari rami di geochimica. Di conseguenza, vi è uno strumento completo che può essere applicato alla comprensione di vari processi geochimici, dalla differenziazione elementare nel mantello terrestre, ad addormentato, processi idrogeochimici e mineralogici.
In questo modo, questo articolo mira a diffondere tra il pubblico geologico di lingua spagnola i vantaggi offerti dalla classificazione di Railsback (2003) per facilitare la comprensione delle proprietà geochimiche degli elementi e dei loro ioni.
Principi per la classificazione
il Tavola periodica degli elementi e dei loro ioni è stato organizzato in base alla durezza o alla morbidezza degli ioni. Resta inteso come un duro ione che ha un’elevata densità di carica positiva attorno al nucleo atomico e un piccolo raggio di ioni, quindi la nuvola elettronica (carica negativa) attorno al nucleo è poco deformabile all’influenza di un campo elettrico esterno (Figura 1A) . D’altra parte, uno ione soft ha una bassa densità di carica positiva attorno al nucleo ed è relativamente grande, in modo che la nube elettronica sia facilmente deformabile nell’influenza dei campi elettrici esterni (figura 1b). I termini “HARD” e “SOFT” provengono dalla teoria degli acidi e delle basi dure proposte da Pearson (1963), che stabilisce, qualitativamente, che le cazioni di metallo con radiocomando ad alto carico e piccoli ioni (acidi duri o tipo “A”), Hanno una tendenza ad essere associata preferenzialmente con leganti o piccole e basse anoni polarizzabili (basi dure, ad esempio, f “, O2-). In contrario, quelle grandi e basse cationi da carico (acidi morbidi o tipo” B “), corrispondente agli ioni che hanno elettroni nello strato di Valencia e che non hanno raggiunto il loro stato massimo di ossidazione, tendono ad essere associati preferibilmente con leganti grandi e polarizzabili (basisblands, ad esempio S2-, SE2 -).
Come a Regola generale, gli acidi duri che hanno preferibilmente reagire con basi duri e acidi morbidi hanno preferibilmente reagire con basi morbide (cotone e Wilkinson, 1988), dove “preferenza” dovrebbe essere intesa come maggiore velocità di reazione e maggiore conversione Per bilanciare (Cruz-Garritz et al., 1991). Allo stesso modo, i collegamenti formati tra acidi e basi con lo stesso carattere relativo della durezza sono altamente stabili e difficili da rompere, mentre l’interazione tra un acido e una base con carattere diverso di durezza è instabile.
come qualsiasi Sistema di classificazione, ci sono casi di frontiera dove le proprietà durezze o morbidezza non sono chiaramente definite, tale è il caso della maggior parte degli elementi di transizione, in cui lo stato di ossidazione è il fattore determinante della durezza dello ione.In generale, gli acidi intermedi o di frontiera hanno preferibilmente reagire con basi morbide o confine, sebbene la stessa natura limite di questi rendessi più inclini a generare casi “eccezionali”, tale è il caso dell’angolante (PBSO4), che è il prodotto di un acido intermedio (PB2 +), con una base dura (SO42 -).
Nonostante vari sforzi per parametrizzare la durezza degli ioni (Yamaday Tanaka, 1975, Parry Pearson, 1983), questi modelli non hanno Facilitare la concettualizzazione della proposta qualitativa di Pearson (1995), quindi è più semplice associare la durezza degli ioni con la polarizzazione. Ciò si riferisce alla tendenza presentati dalla nuvola elettronica attorno a uno ione da distorcere da un campo elettrico esterno causato da un dipolo vicino o da altri ioni (Cruz-Garritz et al, 1991). Un ione duro ha un’elevata densità di carica positiva vicino al nucleo, quindi la nube elettronica intorno non è facilmente deformabile, cioè, è poco polarizzabile (figure 1a, 1e). D’altra parte, uno ionico morbido è caratterizzato da una bassa densità di carico positiva vicino al nucleo, in modo che una carica o un campo elettrica esterna possa facilmente deformarsi o facilmente polare la nuvola elettronica intorno ad essa (figura 1b) (cotone e Wilkinson, 1988) . Formalmente, la porrelitabilità è definita come il rapporto tra il momento del dipolare indotto (μi) di un atomo all’intensità del campo elettrico (E) che produce il dipolo αi, in modo da:
Poiché la polarizzazione è una variabile dipendente da entrambe le caratteristiche intrinseche dello ione (ad esempio, carico, radio ionico, configurazione elettronica, ecc.), A partire dalla grandezza Del campo elettrico imposto su di loro, non è possibile stabilire una scala assoluta di polarizzazione degli ioni, a differenza di altri parametri come elettronegatività e raggio di ioni. Tuttavia, è possibile trovare vari esempi che dimostrano il comportamento periodico e internamente coerente della relativa polarizzabilità degli elementi e dei loro ioni (Cruz-Garritz et al, 1991).
La seconda caratteristica intrinseca di ciascuno ION che consente di identificare le tendenze geochimiche nella tavola periodica degli elementi e dei loro ioni è il potenziale ionico (φ), che è definito come:
Dove Z rappresenta il carico dei ioni e il raggio dei ioni. In generale, φ può essere inteso come la densità di ricarica nello ione. In questo modo, due ioni con radios ioniche simili ma diversi carichi avranno valori diversi e quindi diversa densità di carico (figura 1 A e C); Come due ioni con lo stesso carico e la radio ionica diversa avranno valori diversi di φ.
La classificazione degli elementi e gli ioni ferroviari (2003) non corrisponde al primo tentativo di utilizzare il potenziale ionico di gli ioni come fattore di classificazione. Víctor Goldschmidt aveva visualizzato un sistema di classificazione simile (Goldschmidt, 1937), ma non considerava che alcuni elementi potrebbero apparire più volte in detta classificazione perché hanno più stati di ossidazione. A differenza dell’oro Goldschmidt, e in precedenza, Cartledge (1928a, 1928b) ha proposto una classificazione di elementi e ioni che possono essere considerati precursore da cui il binari (2003), poiché ha considerato lo stato di ossidazione degli ioni nella sua posizione all’interno del tavolo periodico. D’altra parte, in petrologia ignea è comune fare riferimento ad alcuni elementi pertinenti come “elementi di lireofilo di grandi ioni e elementi ad alto campo-resistenza” (noto anche come lile e hfse, o piccoli elementi lithifili radio-ionici e alto ionico o alto Elements Field, rispettivamente) con affinità minerali diametralmente opposte, e la cui definizione è basata, con precisione, nella relazione tra il carico e il raggio di ioni corrispondenti (Albare, 2003). La differenza principale tra le sollecitazioni di cui sopra e la classificazione degli elementi ferroviari e degli ioni (2003) è l’inclusione del tratto dei contorni potenziali dei ioni o dei contorni equipotentiali (figura 2), che consentono facilmente i gruppi di elementi identificativi di identificazione facilmente il cui comportamento è simile a vari Condizioni e processi di differenziazione geochimica.
Dovrebbe essere sottolineato che la durezza o la morbidezza di un ione equivalgono alla sua polarizzabilità ed è una funzione del raggio di ioni e del numero di elettroni che ha nel Strato di Valencia. Tali ioni senza elettroni nello strato di Valencia sono scarsamente polarizzabili e, quindi, maggiori duri di quelli di dimensioni simili ma hanno elettroni nello strato di Valencia. D’altra parte, φ si riferisce solo al rapporto di carico / raggio dello ione, in modo che due ioni con carico e radii simili abbiano valori simili, che non implicano necessariamente che sia gli ioni condividono proprietà e / o affinità geochimiche.Gli ioni NA + e Cu + rappresentano un buon esempio per illustrare quanto sopra: entrambe le cazioni hanno radios ioniche simili (0,96 e 0,95 Å, rispettivamente) così, di proprietà dello stesso carico, hanno valori CP molto simili. Tuttavia, mentre NA + è un acido duro perché non ha elettroni nello strato di Valencia, il Cu + è un acido morbido di possedere un elettrone nello strato di Valencia. Quanto sopra è che il Cu + non può sostituire NA + nei feldspas a causa dell’incapacità del primo a formare legami covalenti stabili con O2- (Ringwood, 1955A). Allo stesso modo, TL + (acido morbido) non sostituisce K + (acido duro) in alcun minerale, nonostante il fatto che le radio ioniche di entrambe le specie (1,40 e 1,3 å) avrebbero permesso di pensare che detta sostituzione sia fattibile. Vale la pena ricordare che, nonostante la piccola diffusione di questi principi nelle scienze della terra, questi sono stati precedentemente utilizzati per la descrizione dei diversi processi geochimici (ad esempio, Lasaga e Cygan, 1982, Abbott, 1994, Aubououx et al, 1998, Tomkins e Mavrogenes, 2001).
Descrizione della tabella
La tabella periodica degli elementi e dei loro ioni per la scienza della terra (figura 3) è organizzata in base al carico di ciascuna delle specie . La stragrande maggioranza delle specie appare in posizioni simili che nella tabella periodica convenzionale. Tuttavia, alcuni elementi sono in genere sul lato destro in una classica tabella periodica (ad esempio, B, C, sì), sono stati trasferiti sul lato sinistro del tavolo come B3 +, C4 + e SI4 +. Inoltre, come già menzionato sopra, alcuni elementi appaiono in diverse posizioni come risultato dei vari stati di ossidazione che possono presentare. Tale è il caso di P e U che appaiono due volte, mentre V, Faith, C e N lo fanno tre volte, e fino a quattro volte (S2-, sº, S4 + e S6 +).
La tabella è separata in vari blocchi per distinguere tra gas nobili, acidi duri o tipo A, acidi morbidi o tipo B, specie elementari (senza carico) e anioni (figura 3). Questa separazione consente l’interazione tra le varie specie da razionalizzare, poiché gli acidi duri preferibilmente reagire con basi duri, mentre gli acidi morbidi sono più compatibili con basi morbide. Un esempio di questa tendenza è la solubilità delle sale di cationi duri e morbide. Come si può vedere nella casella 8 di figura 3, la miscela di un acido duro (MG2 +) con una base dura (F-) o un acido soft (AG +) con una base morbida (I-) produce gli alogenuri solidi Più insolubile per i rispettivi cationi. Al contrario, i prodotti di un acido duro con una base morbida (ad esempio, NAI) o un acido soft con una base dura (ad esempio AGF) si traduce negli alogenuri più solubili della serie corrispondente, a causa del quale la cation-anione Il collegamento è instabile. Allo stesso modo è possibile spiegare l’assenza di ca2 + solforosi o altri acidi duri, e giustificare l’esistenza di ossidi e sori di detta specie. D’altra parte, l’esistenza di solfure minerali di elementi del Gruppo PT, e non i suoi ossidi, rappresenta un esempio del caso opposto.
Un’altra differenza importante tra “tavola periodica degli elementi e dei suoi ioni per le scienze della terra “e il tavolo convenzionale, consiste nell’aspetto degli elementi naturali del gruppo di actinides con gli acidi intermedi e duri, in questo modo TH4 + è inferiore a HF4 +, U4 + sotto il W4 + ( Tutti gli intermedi) Mentre U6 + è sotto W6 + (sia difficile). Sebbene tale alloggio non sia convenzionale, le tendenze descritte nelle sezioni seguenti giustificano detta disposizione.
La tabella fornisce anche informazioni utili come il nome dell’elemento e / o ionico, il numero e la massa atomica, la radio ionica, Isotopo naturale di ciascun elemento, così come percorsi di decadimento radioattivo. Ogni elemento e / o ionico è accompagnato da una simbologia (figura 4) che ci consente di identificare alcune delle principali caratteristiche biogeochimiche della specie, che aiuta l’utente nell’identificazione delle tendenze naturali nella distribuzione delle specie corrispondenti. Allo stesso modo, la dimensione del simbolo dell’elemento / ione è cacciato alla sua abbondanza nella crosta terrestre.
Motivi e tendenze nella tabella
I simboli associati a ciascun elemento e ioni (Figura 3 e 4) indicare se questi sono arricchiti in minerali, acque naturali (dolci e / o marine), terreni, sedimenti, rocce ignea, mantle o atmosfera, o se hanno un ruolo preponderante come micronutrienti. Quando si osserva il tavolo (figura 3) è evidente che i diversi simboli sono raggruppati in base ai contorni potenziali dei ioni, una tendenza non ovvia nella tabella periodica convenzionale.Preghiera, molti ioni con valori di 3 < φ < 10 tendono a formare ossidi minerali, sono arricchiti in terreni marini e noduli di fede -Mn, fanno parte di fasi minerali con un punto di fusione maggiore e sono meno impoverite nel manto. Allo stesso modo, tali ioni formano ossidi con maggiore durezza, riduzione della solubilità e meno compressibilità (figura 3, scatole 1-4 e 6). Queste tendenze sono evidenziate nella nuova tavola periodica per mezzo di contorni equipotentiali color arancioni.
D’altra parte, tali cationi con φ < 4 modulo fluorori minerali E sono componenti principali nel fiume e nell’acqua dell’oceano, così come ioni che sono nutrienti fondamentali per alcuni esseri viventi. Allo stesso modo, tali cationi con φ > 8 sono ugualmente abbondanti nel fiume e nell’acqua marina e sono importanti nutrienti per le piante. Tuttavia, a differenza di tali specie con il potenziale ionico, queste cazioni stanno formando parte degli ossisti, come Sultes (S6 + in SO42), fosfati (P5 + ENPO43-), nitrati (N5 + in NO3-) e ARSENATI (AS5 + in ASO3 -), tra gli altri. Entrambe le tendenze possono essere identificate nella tabella da contorni equipotentiali blu.
Equipaggiamento dei contorni si estendono all’area dei cationi intermedi, compresa dagli ioni degli elementi di transizione. La parte superiore di questa sezione è composta da cationi che hanno valori di φ tra 3 e 8, e ugualmente arricchiti nei terreni, formano ossidi minerali e sono una parte fondamentale delle fasi minerali ignea formata nelle prime fasi della cristallizzazione. Nella parte centrale di questa sezione ci sono acidi morbidi per eccellenza, caratterizzati da bassi valori di φ. Tra questi sono gli ioni dei principali metalli di estrazione (CU, AG e AU) denotati da diamanti gialli che indicano la loro preferenza per formare solforti minerali, bromuri e ioduidi.
ad eccezione dei gas nobili, L’unica sezione della tabella periodica degli elementi e dei loro ioni in cui i contorni equipotenziali non sono inclusi corrispondono agli elementi nativamente e che include principalmente i metalli coinari, così come quei componenti dell’atmosfera. La posizione relativa di questi elementi è mantenuta identica a quella della tabella periodica convenzionale. Anche così, è possibile rintracciare i contorni raggruppando le preferenze della lega per ciascun elemento. Ad esempio, tali elementi che formano le leghe formano un gruppo discreto nella tabella, mentre coloro che sono allineati con fede formano un gruppo più ampio che si sovrappone a quelli che formano leghe con cu e au.
sul lato destro della tabella (figura 3) sono presentate le anioni, che comprendono basi rigide e morbide. I contorni delle attrezzature per le anioni sono simili a quelli di acidi duri, tuttavia, a differenza delle cazioni, non sono osservate variazioni drastiche di φ, che variano tra -1/2 e -2; Perché l’aumento del carico dell’anione comporta, a sua volta, un aumento del raggio di ione. Per quanto riguarda il comportamento come solidi, la simbologia consente di osservare che le anioni con valori più negativi di φ (basi duri), nella parte superiore della tabella periodica, attuali proprietà simili ai loro analoghi acidi. Viceversa, la parte inferiore della tabella presenta alle anielle morbide: quelle con valori di φ più vicini a zero, e che preferibilmente coordinati con cationi soft, formando solforosi, bromuri, ioduri e racconti con acidi morbidi come AG + e AU +. D’altra parte, da destra a sinistra, o da f- e cl-to c4- e o2 – è la transizione di anioni che formano minerali con cationi dure (ad es. K + e NA +) a quelli che formano minerali con cationi duri con valori di estremo cp (ad esempio, AL3 + YSI4 +).
Interazione Catione-O2 –
La differenza tra bassi e cationi CP possono essere illustrati dall’interazione di questi con ION O2-. Mentre i bassi ioni CP esercitano solo una certa attrazione elettrostatica sull’anione di ossido, tali cazioni con alto φ concentrano una quantità di carico positiva che forma collegamenti con ossigeno covalente di alto carattere, difficile da rompere. Quanto sopra acquisisce maggiore importanza nel considerare che l’ossigeno è l’elemento più abbondante sulla Terra (McDonough e Sun, 1995), e implica che l’interazione singola cation-ossigeno è il principale regolatore dei processi di differenziazione geochimica.
per illustrare Quanto sopra, l’interazione tra ioni con diversi valore delle molecole CP e H2O è interessante. In generale, φ aumenta gradualmente a destra in qualsiasi riga sul lato sinistro del tavolo.In una soluzione acquosa, ioni con valori inferiori di φ (ad esempio, na +, k +) solo inclinare leggermente il dipolo delle molecole H2O al centro di carico positivo (Figura 5A) (Carrillo-Tripp et al., 2003), Mentre le cazioni con valori CP leggermente più elevati (come MG2 + e CA2 +) riescono a guidare efficacemente il dipolo di molecole H2O intorno a loro (Figura 5b) (Bernal-Uruchurtu e Ortega-Blake, 1995). Tali ioni con valori più alti di φ (ad es., AL3 +) inducono tale un’attrazione di ossigeno delle molecole d’acqua, che generano quasi spontaneamente le reazioni di idrolisi del tipo:
In tal modo è possibile trovare solo l’alluminio disciolto non collegato all’ossigeno in ambienti molto acidi, come il drenaggio acido dai rifiuti minerari (ad es. Cidue et al, 1997), Mentre in ambienti meno acidi o neutri, l’alluminio formerà complessi di tipo idrossido, descritto come prodotti in equazione 3 (Figura 5C) (Iradate, 2004). Ioni con un maggiore potenziale dei ioni (ad es. C4 +, SI4 +) non esistono come tale nella soluzione acquosa, ma sono sempre coordinati da ossido di ioni o idrossido, ad esempio CO32- e SI (OH) 4 (Figura 5D) (il secondo Comunemente rappresentato come H4SI04, Krauskopf e Bird, 1995). Infine, l’interazione tra cazioni con valori estremi di φ (ad es. N5 +, S6 +) con ossigeno si traduce in obiettivi altamente covas, formando ossici molto stabili, come No3 “e SO42- (figura 5e) (Cottony Wilkinson , 1988). Le cazioni di atomi molto pesanti con carico elevato (ad esempio U6 +, W6 + e Mo6 +) formeranno anche ossiani come UO2 + 2, WO42- o Moo42- e rilascerà solo ossigeno in presenza di una base più dura (come f-) o ridotta.
L’esistenza di ossidi minerali può essere spiegata in modo simile alla speciazione dei cationi in mezzo acquoso (figura 3, casella 7). Cationi con I valori del basso CP formano i collegamenti deboli con ioni deboli con ioni di ossido, quindi non formano ossidi minerali, né sono mantenuti in terreni come ossidi o idrossidi; queste cazioni sono facilmente dissolte in acqua, che sono diventati importanti nutrienti per le piante e alcuni altri esseri viventi (ad esempio, na +, k +). L’incapacità che questi ioni hanno per la forma Un collegamento stabile con ION O2 – implica anche che queste cazioni sono incorporate solo nelle fasi minerali di temperatura più bassa (biotite, muscovita, feldspar-k) e, quindi, nelle ultime fasi della cristallizzazione. D’altra parte, tali cationi con valori elevati di φ (ad esempio, P5 +, N5 +, S6 +, tra gli altri) formano legami estremamente stabili con ioni di ossido; Tuttavia, l’elevata densità di carica positiva della cazione centrale esercita agli elettroni di ION O2-, polarizzando efficacemente la distribuzione di elettroni nel legame di catione-ossigeno verso il centro dell’ossanione, impedendolo di formare legami con un’altra cazione A attraverso l’ossigeno e costituiscono la base di una possibile struttura del corrispondente ossido minerale. I risultati di cui sopra non sono solo l’assenza di ossidi minerali di questo tipo di cationi, ma anche che questi ioni sono molto solubili in acqua e, quindi, abbondanti nelle acque naturali (dolci e / o marine), e che sono considerati elementi incompatibili con fasi minerali ignea. Infine, quei cationi con CP intermedio, 4 < φ < 10 (ad esempio, SI4 +, AL3 +), forma collegamenti con ossigeno relativamente Forte, tuttavia, la densità di ricarica nel centro ionico non è abbastanza elevata da impedire all’ossigeno di formare legami con altri cationi. In questo modo, questi ioni possono formare ossidi e idrossidi minerali e incorporati in fasi minerali IGILAN ad alta temperatura formata nelle prime fasi della cristallizzazione magmatica. La sua stabilità come ossidi e / o idrossidi conferisce loro una piccola solubilità in acqua e, quindi, sono relativamente non abbondanti nelle acque naturali.
Il comportamento degli ioni con valori diversi di φ in soluzione acquosa Ha anche implicazioni. In studi di petrologia ignea. In particolare, spiega perché i basalti generati nelle zone di sottogruppo hanno composizioni di elementi di traccia molto diversi da quelli generati in altri ambienti tettonici. Gli Arco Basi, ad esempio, mostrano arricchimenti in elementi lil (sotto φ), ma concentrazioni di elementi HFS (molto alti φ) simili a quelli osservati in basalti dorsali oceanici (n-morb figura 6). Tali anomalie sono generalmente interpretate come il risultato di processi metaomatici nel cuneo del mantello, originati dalla disidratazione di vari minerali della corteccia oceanica e dei sedimenti sottoprizzati (ad esempio, filosofili e anfibo) (Tatsumi e Kogiso, 2003).In questo modo gli elementi lil, essere solubili in acqua, possono essere trasportati verso il cuneo del mantello dai fluidi generati durante la subduzione, mentre la bassa solubilità dell’acqua della HFS (a causa del suo alto valore CP) evita la sua mobilitazione, quindi È comune trovarli in fasi minerali presenti nel piatto metamorfico (ad esempio, Tiepolo et al., 2000, Scambelluri et al., 2001). Le soluzioni generate in questi processi, arricchita con amplyy impoverite in HFS, possono interagire con il cuneo del mantello (Murphy, 2007) e alterare l’abbondanza di elementi lil nei magmi marici generati nelle zone arc generate nelle zone d’arco, con conseguenti profili di elementi simili al Mostrato nella figura 6, dove gli elementi lil sono arricchiti rispetto a N-Morb, mentre gli HFS sono in proporzioni simili a N-Morb.
Anche se la tavola periodica degli elementi e dei loro ioni per la Terra Le scienze classifica le diverse specie in base al loro stato di ossidazione, è necessario sottolineare che questa rappresentazione non implica necessariamente che tutti gli ioni parteciperanno ai processi di differenziazione geochimici come ioni gratuiti. Ciò è particolarmente vero per le cazioni elevate con alto φ, che si troveranno nella maggior parte dei casi allegati agli ioni di ossido e / o idrossido. In generale, non è possibile trovare cazioni con stato di ossidazione > 3+ che non sono collegati a una base dura, tipicamente o2- e / o f- e / o oh- ( Cotone e wilkinson, 1988). L’universalità di questo principio è sorprendente, dal momento che tale comportamento è osservato sia nel differenziatoPemmatite (ringwood, 1955b), come nelle acque naturali a temperatura ambiente (Brookins, 1988).
Vantaggi e limitazioni
La tabella periodica degli elementi e dei loro ioni per la scienza della terra è uno strumento che consente di comprendere più facilmente il comportamento dei diversi elementi e dei loro ioni in varie condizioni di differenziazione. La classificazione che viene presentata qui non cerca di fornire conoscenze o nuove teorie sul comportamento degli elementi, tuttavia, consente all’utente di visualizzarli in modo più semplice e veloce.
Ad esempio, era in precedenza Citato che il CU + non sostituisce NA + nei feldspars perché queste specie sono rispettivamente acidi morbidi e duri. Sebbene questo comportamento sia pianificato ai principi della sostituzione dell’oro Goldschmidt, in particolare in cui essa stabilisce che la sostituzione può essere nullo o limitata in quanto la differenza di elettronegatività degli ioni in concorrenza (Faure, 1991) è aumentata, è più veloce, semplice ed illustrativo che identifica tale Comportamento mediante la posizione dei rispettivi ioni nella tabella, poiché altrimenti è necessario avere dati di elettronegatività per ciascun ione ed elemento. Inoltre, l’uso della tabella periodica degli elementi e dei loro ioni non solo consente di valutare la fattibilità di una possibile sostituzione isomorfa, ma consente inoltre di estrapolare detto comportamento agli elementi e agli ioni vicini attraverso l’uso di contorni equipotentiali.
L’uso di φ come fattore di classificazione e i contorni equipotentiali devono essere utilizzati con cautela. Quanto sopra è perché il raggio ionico e, quindi cp, (equazione 2) di ciascun ione dipende dal numero di coordinamento (NC). Sebbene i contorni equipotentiali nella tabella siano stati disegnati utilizzando il NC più comune, ci sono alcuni elementi che possono adottare diversi NC, essendo l’AL3 +, probabilmente il caso più notevole. Questo ione può occupare siti tetraedrili (NC = 4) e ottaedrica (NC = 6) nella struttura dei vari minerali, ad esempio argille (Moore e Reynolds, 1997), che implica all’interno della struttura di un minerale, potrebbe avere gli ioni AP + Due diverse radio ioniche (0,39 e 0,535 Å, rispettivamente; Shannon, 1976), e quindi valori diversi da φ (7,69 e 5.60, rispettivamente), a seconda del sito nella struttura che occupano. Sebbene quanto sopra possa suggerire comportamenti diversi per entrambi i tipi di AL3 +, i valori di φ sono all’interno del range delimitato dai due contorni equipotentiali arancioni nella figura 3 (z / r = 4 yz / r = 8), in modo che considerando NC = 6 Come il più comune per l’AL3 +, comporterebbe solo un leggero spostamento del contorno equipotenziale z / r = 8 verso il centro della tabella, più non indicherebbe un comportamento geochimico diverso per l’AL3 + a quale è presentato nel tavolo. Conclusioni simili possono essere ottenute da altri ioni con comportamenti simili a AL3 +, come FE3 + e MG2 +, tra gli altri.
Conclusioni
La classificazione degli ioni in base ai suoi possibili stati di ossidazione nelle tendenze delle prove della natura che consentono sistematizzando il comportamento degli elementi e dei loro ioni prima di vari processi di differenziazione geochimica. Queste tendenze erano già state evidenziate sestoremente nella classificazione degli elementi di Victor Goldschmidt (Goldschmidt, 1954, Goldschmidty Muir, 1954) e altri autori (Cartledge, 1928a, Cartledge, 1928b, Ringwood, 1955a). Allo stesso modo, le prove di classificazione secondo cui le due principali proprietà intrinseche degli ioni, il potenziale di ioni e la polarizzabilità dei ioni sono i fattori modulatori dei principali processi di differenziazione geochimica elementare. Vale la pena ricordare che sebbene questi termini siano presentati in modo semplificato, corrispondono effettivamente a proprietà complesse degli ioni. Il lettore interessato a approfondire questi termini, nonché nella teoria degli acidi e delle basi dure, dovrebbe fare riferimento ai riferimenti originali (Pearson, 1963), alla letteratura chimica specializzata (ad esempio Cottony Wilkinson, 1988; Huheey, 1993), Oltre recensioni recenti (Ayers et al., 2006, Ayers, 2007).
La tabella periodica degli elementi e dei loro ioni per la scienza della terra non è destinata ad essere una sostituzione dalla tradizionale tavola periodica; Entrambi sono complementari a presentare e dimostrare informazioni che non sono presenti nella contropartita. È di vitale importanza, tuttavia, conoscere e comprendere la tradizionale tavola periodica, al fine di valutare molti dei vantaggi che la classificazione degli elementi e dei loro ioni proposti da offerte di Railsback (2003). La generalizzazione e la sistematizzazione dei processi di differenziazione geochimica presentati da Railsback (2003) rende la tavola periodica degli elementi e dei loro ioni per la scienza della terra uno strumento di vitale importanza per gli studiosi delle scienze della terra. Infine, il lettore è riferito alle opere originali (Railsback, 2003, Railsback, 2005) per espandere la comprensione della tabella dagli esempi e le applicazioni presenti lì.
Riconoscimenti
La versione originale della tavola periodica degli elementi e dei loro ioni per la scienza del territorio è stata finanziata dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, il numero del contratto 02-03115. Gli autori ringraziano M.I. Bernal-Uuchurtu per il prezioso aiuto nella preparazione di figura 5. Grazie mille, anche grazie a Dara Salcedo, Arturo Gómez Tuena, Dante Moran per la recensione e i commenti sulle versioni preliminari del manoscritto. La revisione esaustiva della figura 3 del Dr. Teresa Orozco, così come i suoi commenti e quelle di un revisore anonimo ha portato a miglioramenti significativi in questo documento.
Appendice A. Supplemento elettronico
Una versione ad alta risoluzione della tavola periodica degli elementi e dei loro ioni per la scienza della terra è disponibile sul sito Web della rivista < http://satori.geociencias.unam.mx/> IN La tabella dei contenuti di questo numero (integratore elettronico 25-2-02).
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