Introducere în tabelul periodic al elementelor și ionii lor pentru știința pământului
o introducere la periodică Tabelul elementelor și ionii lor pentru științele pământului
Ioan Paul Bernal1, * și L. Bruce Railback2
1 Institutul de Geologie, Universitatea Națională Autonomă din Mexic, Orașul Universității, 04510 Mexico City, Mexic. * [email protected]
2 Departamentul de Geologie, Universitatea din Georgia, Atena, Georgia 30602-2501, SUA Uu
Manuscript primit: 27 septembrie 2007
Manuscrisul corectat primit: 7 martie 2008
Manuscript acceptat: 11 martie 2008
Rezumat
În acest articol, principiile și avantajele oferite de ofertele de masă periodice de elemente și Ionii lor pentru știința funciară, publicate inițial în Railsback, LB, 2003, un tabel jurnal al omului de știință al elementelor și al ionilor, geologiei, 31 (9): 73 7-740. Spre deosebire de tabelul periodic convențional, unde este numai Considerată elementele din starea de oxidare zero, tabelul periodic al elementelor și ionii acestora găzduiește speciile în funcție de posibilele stări de oxidare în natură. Aceasta implică rearanjarea unor specii, precum și apariția unor elemente în diferite poziții.
Clasificarea speciilor în funcție de starea sa de oxidare permite caracteristicile intrinseci ale fiecărui ion, polarizabilitate și potențial de ioni (φ ), Punând evident unele tendințe biogeochimice elucidate anterior. Polarizabilitatea pleacă este posibilă stabilirea modelelor de reactivitate și compatibilitatea ionilor, în timp ce potențialul de ioni permite demonstrarea tendințelor în comportamentul ionilor în condiții diferite de diferențiere geochimică. Se arată că interacțiunea dintre diferiții ioni cu oxidul de ioni (O2), modulată de potențialul ionic al cationi, joacă un rol fundamental în majoritatea proceselor de diferențiere geochimică, inclusiv hidrogeochimie, intemperii, petrogeneză ignă, printre altele. Datorită gamei largi de aplicații, tabelul periodic al elementelor și ionii lor are potențialul de a deveni un instrument vital pentru studentul din Știința Pământului.
Cuvinte cheie: elemente, ioni, periodice de masă, polarizabilitate, Potențialul de ioni, clasificare.
Abstract
Această lucrare prezintă principiile de bază din spatele „Tabelul de știri al omului de știință al pământului și ionii lor”, publicat inițial în Railsback, LB, 2003, Un Tabel de ziar al omului de știință al elementelor și al ionilor, geologiei, 31 (9): 737-740. Spre deosebire de tabelul periodic al lui Mendelejeff, în cazul în care toate elementele sunt clasificate în funcție de starea lor de bază (sau la starea de oxidare = 0), tabelul periodic al elementelor și ionii lor, clasifică elementele și INS în funcție de starea lor naturală de oxidare. În consecință, unele elemente sunt afișate în mai multe poziții din tabel, alții au belocat.
Clasificarea ionilor în funcție de starea lor de oxidare permite vizualizarea tendințelor pe baza caracteristicilor intrinseci ale fiecărui ion (cum ar fi Polarizabilitatea și potențialul ionic) care dovedesc comportamentul biogeochimic al elementelor și ionii lor. Multe dintre aceste tendințe au fost deduse doar semi-empiric până acum. Căile de reacție pentru diferite ioni sunt deduse din polarizabilitatea lor, în timp ce potențialul ionic ALAWS pentru a deduce comportamentul ionilor în diverse procesuri de diferențiere geochimică.
Se arată că interacțiunea diferitelor cationi cu ionul de oxid ( O2-) joacă la rolul pivotal în majoritatea proceselor de diferențiere geochimică, cum ar fi geochimia apoasă, intemperii, petrogeneza, printre altele. Datorită gamei largi de aplicații, tabelul periodic al elementelor și ionii lor este un instrument valoros pentru omul de știință al Pământului.
Cuvinte cheie: elemente, ioni, tabel de jurnal, polarizabilitate, potențial ionic, clasificare.
Introducere
Tabelul periodic al elementelor propuse de MEDELEJFFFF (1869) sa dovedit a fi un instrument foarte util pentru a prezice proprietățile chimice și fizice ale elementelor, chiar și pe cei care nu au ei există în mod natural pe pământ. În ciuda diferitelor eforturi recente de îmbunătățire a acestuia, clasificarea elementelor propuse de Mendelejeff cu aproape 150 de ani în urmă continuă să fie o parte fundamentală a instruirii chimice de bază. Cu toate acestea, din punct de vedere geochimic, tabelul periodic tradițional prezintă o serie de limitări care apar, în principal, faptul că descrie proprietățile fizice și chimice ale elementelor din starea sa bazală (sau starea de oxidare = 0).Cu toate acestea, majoritatea elementelor în natură apar cu o stare de oxidare diferită de zero. Un exemplu de acest lucru sunt metalele alcaline, cum ar fi Li, Na, K și Rb; Tabelul periodic tradițional permite stabilirea cu o mare precizie proprietățile sale fizice și chimice, totuși, în medii naturale, se va găsi întotdeauna prin formarea cationilor univalenți, cu proprietăți chimice și fizice semnificativ diferite ale analogilor metalici. De exemplu, metalele alcaline din starea bazală sunt foarte incompatibile cu apa, în timp ce ionii corespunzători sunt foarte compatibile cu acesta. Al și dacă alte exemple de elemente care prezintă un comportament contrastant al ionilor lor; În timp ce Si4 + și A13 + sunt printre ionii cei mai abundenți din cortexul Pământului (McDonoughy Sun, 1995), speciile elementare sunt foarte neobișnuite, dar nu inexistente. În plus față de cele de mai sus, mai multe elemente prezintă mai mult de o stare de oxidare în mod natural, iar proprietățile geochimice ale fiecăruia dintre ele nu pot fi explicate utilizând clasificarea periodică a lui Mendelejeff.
în virtutea celor de mai sus, a Clasificarea elementelor și a ionilor lor a fost propusă recent, ceea ce permite înțelegerea comportamentului și asociațiilor geochimice (Railsback, 2003), precum și pentru a stabili bazele mineralogiei sistematice (Railsback, 2005). În general, această clasificare se bazează pe stabilitatea legăturilor formate de acizi tari și moi cu ioni O2- și S2- (baze tare și soft, respectiv), precum și în densitatea încărcării diferitelor cationi (potențial ionic ), care are implicații directe în caracterul legăturii formate cu Ion O2-. Cele de mai sus implică faptul că interacțiunea diferitelor cationi cu oxigen reglementează o mare parte din procesele de diferențiere geochimică.
Spre deosebire de tabelul periodic al elementelor Mendelejeff, noua clasificare vă permite să explicați tendințele și grupurile de elemente și ioni observate anterior o manieră empirică în diferite ramuri ale geochimiei. Ca rezultat, există un instrument cuprinzător care poate fi aplicat înțelegerii diferitelor procese geochimice, de la diferențierea elementară a mantalei Pământului, adormite, procese hidrogeochimice și mineralogice.
În acest fel, acest articol își propune să difuzeze între audiența geologică spaniolă, avantajele oferite de clasificarea lui Railsback (2003) pentru a facilita înțelegerea proprietăților geochimice ale elementelor și a ionilor lor.
Principii pentru clasificare
Tabelul periodic al elementelor și ionilor lor a fost organizat în funcție de duritatea sau moalerea ionilor. Se înțelege ca un ion greu care are o densitate ridicată de încărcare pozitivă în jurul nucleului atomic și o mică rază de ioni, astfel încât norul electronic (încărcare negativă) în jurul nucleului este puțin deformabil la influența unui câmp electric extern (Figura 1A) . Pe de altă parte, un ion moale are o densitate pozitivă de încărcare pozitivă în jurul miezului și este relativ mare, astfel încât norul electronic să fie ușor deformabil la influența câmpurilor electrice externe (Figura 1B). Termenii „hard” și „moale” provin din teoria acizilor și a bazelor dure propuse de Pearson (1963), care stabilește, calitativ, că cationii metalici cu sarcină mare și radio de ioni mici (acizi tari sau tip „A”), Ele au tendința de a fi asociate preferențial cu lianți sau anioni polarizabili mici și joasă (baze dure, de exemplu, F „, O2-). Dimpotrivă, acele cțiuni de densitate mari și joase de marfă (acizi moi sau tip” B „), corespunzătoare la ionii care au electroni în stratul Valencia și care nu au atins starea lor maximă de oxidare, tind să fie asociați, de preferință, cu lianți mari și polarizabili (de bază, de exemplu, S2-, S2 -).
ca a Regula generală, acizi tari reacționează de preferință cu baze dur și acizi moi, reacționează, de preferință, cu baze moi (bumbac și wilkinson, 1988), unde „preferința” ar trebui să fie înțeleasă ca o viteză mai mare de reacție și o conversie mai mare la echilibru (Cruz-Garritz et al., 1991). De asemenea, legăturile formate între acizi și baze cu același caracter relativ al durității sunt foarte stabile și dificil de rupt, în timp ce interacțiunea dintre un acid și o bază cu caracter diferit de duritate este instabilă.
ca orice Sistemul de clasificare, există cazuri de frontieră în care proprietățile de duritate sau de moale nu sunt definite în mod clar, acesta este cazul majorității elementelor de tranziție, în care starea de oxidare este factorul determinant al durității ionului.În general, acizii intermediari sau de la frontieră reacționează, de preferință, cu baze moi sau granițe, deși aceeași natură limită a acestora îi face mai predispuși să genereze cazuri „excepționale”, așa cum este cazul unghiurilor (PBS04), care este produsul un acid intermediar (PB2 +), cu o bază tare (SO42 -).
În ciuda diverselor eforturi de a parametra duritatea ionilor (Yamaday Tanaka, 1975, Parry Pearson, 1983), aceste modele nu au a facilitat conceptualizarea propunerii calitative a lui Pearson (1995), deci este mai simplă să se asocieze duritatea ionilor cu polarizabilitate. Acest lucru se referă la tendința prezentată de norul electronic în jurul unui ion care urmează să fie distorsionat de un câmp electric extern cauzat de un dipol din apropiere sau alt ion (Cruz-Garritz et al, 1991). Un ion tare are o densitate de încărcare pozitivă ridicată lângă miez, astfel încât norul electronic din jurul lui nu este ușor deformabil, adică este puțin polarizabil (figurile 1a, 1e). Pe de altă parte, un ion moale se caracterizează prin densitatea scăzută a sarcinii pozitive în apropierea nucleului, astfel încât o încărcătură electrică externă sau un câmp poate deforma cu ușurință sau cu ușurință polarul electronic în jurul acesteia (Figura 1B) (bumbac și Wilkinson, 1988) . În mod oficial, porralizabilitatea este definită ca raportul momentului dipolar indus (μi) al unui atom la intensitatea câmpului electric (E) care produce dipolul αi, astfel încât:
Deoarece polarizabilitatea este o variabilă dependentă atât de caracteristicile intrinseci ale ionului (de exemplu, sarcina, radioul ionic, configurația electronică etc.), ca și magnitudinea Din câmpul electric impus acestora, nu este posibil să se stabilească o amploare absolută a polarizabilității ionilor, spre deosebire de alți parametri, cum ar fi electronegativitatea și raza de ioni. Cu toate acestea, este posibil să se găsească diferite exemple care să demonstreze comportamentul periodic și intern al polarizabilității relative ale elementelor și ionilor lor (Cruz-Garritz et al, 1991).
cea de-a doua caracteristică intrinsecă a fiecăruia Ion care permite identificarea tendințelor geochimice în tabelul periodic al elementelor și ionii lor este potențialul de ioni (φ), care este definit ca:
unde z reprezintă sarcina de ioni și raza de ioni. În general, φ poate fi înțeleasă ca densitatea de încărcare în ioni. În acest fel, doi ioni cu radiouri ionice similare, dar diferite încărcături vor avea valori diferite și, prin urmare, densitatea de sarcină diferită (Figura 1 A și C); Ca doi ioni cu aceeași încărcătură și radioul ionic diferit vor avea valori diferite de φ.
Clasificarea elementelor de raft și a ionilor (2003) nu corespunde primei încercări de utilizare a potențialului de ioni al ionii ca factor de clasificare. Víctor Goldschmidt a vizualizat un sistem similar de clasificare (Goldschmidt, 1937), dar nu a considerat că unele elemente ar putea apărea de mai multe ori în clasificarea menționată deoarece au mai multe stări de oxidare. Spre deosebire de Goldschmidt și pre-locație în tabelul periodic. Pe de altă parte, în petrologia igneră este comună să se refere la unele elemente relevante, cum ar fi „elemente litofile mari de ioni și elemente de rezistență ridicată a câmpului” (cunoscuți și ca elemente lile de radio ionice ionice sau ridicate Elemente, respectiv, cu afinități minerale opuse diametral și a cărui definiție se bazează, tocmai în relația dintre încărcătură și raza de ioni corespunzătoare (Albare, 2003). Diferența principală dintre solicitările de mai sus și clasificarea elementelor de raft și ionilor (2003) este includerea accidentului de contur al potențialului ionic sau a contururilor echipotențiale (figura 2), care permit identificarea cu ușurință a elementelor a căror comportament este similar sub diverse condițiile și procesele de diferențiere geochimică.
Trebuie subliniat faptul că duritatea sau moalele unui ion este echivalentă cu polarizabilitatea sa și este o funcție a razei ionice și a numărului de electroni pe care îi are în Valencia strat. Acești ioni fără electroni în stratul Valencia sunt slab polarizibile și, prin urmare, mai greu decât cele de dimensiuni similare, dar au electroni în stratul Valencia. Pe de altă parte, φ se referă numai la raportul de încărcare / rază a ionului, astfel încât doi ioni cu sarcină și raze similare vor avea valori similare, ceea ce nu implică neapărat că atât proprietățile acțiunilor ionice, cât și / sau afinitățile geochimice.Ionii de Na + și Cu + reprezintă un exemplu bun pentru a ilustra cele de mai sus: Ambele cationi au radiouri ionice similare (0,96 și, respectiv, 0,95 Å), astfel încât deținând aceeași sarcină, au valori CP foarte asemănătoare. Cu toate acestea, în timp ce NA + este acid greu, deoarece nu are electroni în stratul Valencia, cu + este un acid moale care deține un electron în stratul Valencia. Cele de mai sus sunt că Cu + nu poate înlocui Na + în feldspars datorită incapacității primelor care formează legături covalente stabile cu O2- (Ringwood, 1955A). În mod similar, TL + (acid moale) nu înlocuiește K + (HARD ACID) în nici un mineral, în ciuda faptului că radiourile ionice ale ambelor specii (1.40 și 1.3 3 Å) ar face posibilă crederea faptului că această substituție este fezabilă. Este demn de menționat faptul că, în ciuda micului difuză a acestor principii în științele funciare, acestea au fost utilizate anterior pentru descrierea diferitelor procese geochimice (de exemplu, Lasaga și Cygan, 1982, Abbott, 1994, Auboiroux et al, 1998, Tomkins și Mavrogenes, 2001).
Descrierea tabelului
Tabelul periodic al elementelor și ionii lor pentru știința funciară (Figura 3) este organizat în funcție de sarcina fiecărei specii . Marea majoritate a speciilor apar în poziții similare care în tabelul periodic convențional. Cu toate acestea, unele elemente sunt de obicei pe partea dreaptă într-o masă periodică clasică (de exemplu, b, c, da), au fost relocate în partea stângă a mesei, cum ar fi B3 +, C4 + și SI4 +. În plus, după cum sa menționat mai sus, unele elemente apar în mai multe poziții ca urmare a diferitelor stări de oxidare care pot prezenta. Acesta este cazul lui P și U care apar de două ori, în timp ce V, credință, C și N o fac de trei ori și s până la patru ocazii (S2-, S4 + și S6 +).
Tabelul este separat în diferite blocuri pentru a face diferența între gazele nobile, acizii dur sau tip A, acizii moi, speciile elementare (fără sarcină) și anioni (Figura 3). Această separare permite ca interacțiunea dintre diferitele specii să fie raționalizate, deoarece acizii dur vor reacționa, de preferință, cu bazele dure, în timp ce acizii moi sunt mai compatibile cu bazele moi. Un exemplu de această tendință este solubilitatea halelor de cationi grele și moi. Așa cum se poate observa în caseta 8 din Figura 3, amestecul de acid dur (Mg2 +) cu o bază tare (F-) sau un acid moale (AG +) cu o bază moale (I-) produce halogenurile solide Mai insolubil pentru cationii respective. Dimpotrivă, produsele unui acid dur cu o bază moale (de exemplu, NAI) sau un acid moale cu o bază tare (de exemplu, AGF) are ca halogenuri cele mai solubile ale seriei corespunzătoare, datorită cărora cation-anionul linkul este instabil. În același mod este posibil să se explice absența CA2 + Sulfues sau a altor acizi dur și justifică existența oxizilor și a prizelor speciei menționate. Pe de altă parte, existența sulfurilor minerale de elemente ale grupului PT și nu oxizii săi, reprezintă un exemplu al carcasei opuse.
O altă diferență importantă între „tabelul periodic al elementelor și al acestuia Ioni pentru științele pământului „și tabelul convențional, acesta constă în apariția elementelor naturale ale grupului de actinide cu acizi intermediari și dur, în acest fel TH4 + este sub HF4 +, U4 + sub W4 + ( toți intermediarii) în timp ce U6 + este sub W6 + (atât greu). Deși o astfel de cazare este neconvențională, tendințele descrise în secțiunile următoare justifică acordul menționat.
Tabelul oferă, de asemenea, informații utile, cum ar fi numele elementului și / sau ionului, numărul și masa atomică, radioul ionic, izotopul fiecărui element, precum și rute de dezintegrare radioactivă. Fiecare element și / sau ion este însoțit de o simbolologie (Figura 4) care ne permite să identificăm unele dintre principalele caracteristici biogeochimice ale speciilor, care ajută utilizatorul să identifice tendințele naturale în distribuția speciilor corespunzătoare. De asemenea, dimensiunea simbolului elementului / ionului este scalată la abundența sa în crusta Pământului.
Modelele și tendințele din tabelul
simbolurile asociate fiecărui element și ion (Figura 3 și 4) indică dacă acestea sunt îmbogățite în minerale, apele naturale (dulci și / sau marine), soluri, sedimente, roci igne, manta sau atmosferă sau dacă au un rol preponderent ca micronutrienți. Când se observă tabelul (figura 3), este evident că simbolurile diferite sunt grupate în conformitate cu contururile potențiale ion, o tendință non-evidentă în tabelul periodic convențional.Rugăciunea, mulți ioni cu valori de 3 < 10f2c ” 10 tind să formeze oxizi minerali, sunt îmbogățite în soluri marine și noduli de credință -Mn, ele fac parte din fazele minerale cu un punct de topire mai mare și sunt mai puțin săpuți în manta. De asemenea, ionii au spus oxizi cu o duritate mai mare, o solubilitate mai mică și mai puțină compresibilitate (Figura 3, cutiile 1-4 și 6). Aceste tendințe sunt evidențiate în noua tabel periodic prin intermediul contururilor echipotențiale colorate portocalii și sunt componente majore în apă fluvială și oceanică, precum și ioni care sunt substanțe nutritive fundamentale pentru unele ființe vii. În mod similar, acele cationi cu φ > 8 sunt la fel de abundente în apă marină și sunt substanțe nutritive importante pentru plante. Cu toate acestea, spre deosebire de acele specii cu potențial de ioni, aceste cationi fac parte din oxiști, cum ar fi sulzii (S6 + în SO42), fosfați (P5 + ENPO43-), nitrați (N5 + în NO3-) și arsenate (AS5 + în ASO3 -), printre alții. Ambele tendințe pot fi identificate în tabel prin contururi pentru echipamente albastre.
Echiparea contururilor se extind în zona de intermediari, cuprinsă de ionii elementelor de tranziție. Partea superioară a acestei secțiuni este compusă din cationi care au valori de φ între 3 și 8 și în mod egal îmbogățite în soluri, formează oxizi minerali și sunt o parte fundamentală a fazelor minerale ignee formate în stadiile incipiente ale cristalizării. În partea centrală a acestei secțiuni există acizi moi prin excelență, caracterizată prin valori scăzute de φ. Printre acestea se numără ionii principali metale de mine (Cu, AG și Au), denotați de diamante galbene care indică preferința lor de a forma sulfuri minerale, bromuri și ioduri.
cu excepția gazelor nobile, Singura secțiune a tabelului periodic al elementelor și a ionilor lor în care nu sunt incluse contururile echipotențiale corespunde elementelor nativ și care include în cea mai mare parte metalele coinabile, precum și componentele atmosferei. Poziția relativă a acestor elemente este menținută identică cu cea a tabelului periodic convențional. Chiar și așa, este posibilă urmărirea contururilor prin gruparea preferințelor aliate pentru fiecare element. De exemplu, elementele care formează aliaje formează un grup discret în tabel, în timp ce cei care sunt aliniate cu credința formează un grup mai mare care să se ocupe cu cei care formează aliaje cu CU și Au.
pe partea dreaptă a tabelului (Figura 3) sunt prezentate anioni, care cuprind atât baze dure, cât și cele moi. Contururile echipamentelor pentru anioni sunt similare cu cele ale acizilor dur, totuși, spre deosebire de cationi, nu se observă variații drastice de φ, care variază între -1/2 și -2; Deoarece creșterea încărcăturii anionului implică, la rândul său, o creștere a razei ionice. În ceea ce privește comportamentul ca solute, simbolologia permite observarea faptului că anionii cu valori mai negative ale φ (baze dure), în partea superioară a tabelului periodic, prezintă proprietăți similare analogilor lor de acid. Dimpotrivă, partea inferioară a tabelului prezintă anionii moi: cei cu valori de φ cele mai apropiate de zero și care de preferință coordonate cu cationi moi, formând sulfuras, bromuri, ioduri și poveste cu acizi moi, cum ar fi AG + și AU +. Pe de altă parte, de la dreapta la stânga sau de la F- și Cl-la C4 și O2 – este tranziția de anioni care formează minerale cu cationi tari (de exemplu K + și Na +) la cei care formează minerale cu cationi grele cu valori ale CP extrem (de exemplu, al3 + ysi4 +) Ion O2-. În timp ce ionii cp scăzuți exercită doar o anumită atracție electrostatică pe anionul oxidului, acele cationi cu φ de înaltă φ se concentrează o astfel de cantitate de sarcină pozitivă care formează legături cu oxigen covalent cu caracter înalt, dificil de rupt. Cele de mai sus dobândesc o importanță mai mare în considerarea că oxigenul este cel mai abundent element de pe Pământ (McDonough și Sun, 1995) și implică faptul că oxigenul de interacțiune unică este principalul regulator al proceselor de diferențiere geochimică.
pentru a ilustra Cele de mai sus, interacțiunea dintre ioni cu o valoare diferită a moleculelor CP și H2O este interesantă. În general, φ crește treptat spre dreapta în orice rând din partea stângă a mesei.Într-o soluție apoasă, ioni cu valori mai mici de φ (de exemplu, Na +, K +) înclină ușor dipolo de molecule H2O până la centrul de încărcare pozitivă (Figura 5A) (Carrillo-Tripp și colab., 2003), În timp ce cationii cu valori CP ușor mai mari (cum ar fi Mg2 + și CA2 +) gestionează eficient dipolul moleculelor H2O din jurul lor (Figura 5b) (Bernal-Uruchurtu și Ortega-Blake, 1995). Acei ioni cu valori mai mari de φ (de exemplu, al3 +) induc o astfel de atracție a oxigenului moleculelor de apă, care generează aproape spontan reacții de hidroliză a tipului:
În așa fel încât să se găsească numai aluminiu dizolvat care nu este legat de oxigen în medii foarte acide, cum ar fi drenajul acid din deșeurile miniere (de exemplu, Cidue et al, 1997), În timp ce în medii mai puțin acide sau neutre, aluminiul va formaliza complexe de tip hidroxid, descris ca produse în ecuația 3 (Figura 5c) (Hradate, 2004). Ioni cu potențial mai mare de ioni (de exemplu, C4 +, Si4 +) nu există ca atare în soluție apoasă, dar sunt întotdeauna coordonați de oxid de ioni sau hidroxid, de exemplu CO32- și SI (OH) 4 (Figura 5D) (acesta din urmă Reprezentat în mod obișnuit ca H4SI04, Krauskopf și Bird, 1995). În cele din urmă, interacțiunea dintre cationi cu valori extreme de φ (de exemplu, N5 +, S6 +) cu oxigen are ca rezultat lentile extrem de covas, formând oxi-uri foarte stabile, cum ar fi NO3 „și SO42- (Figura 5e) (Cottony Wilkinson 1988). Cationle de atomi foarte grei cu sarcină mare (de exemplu, U6 +, W6 + și MO6 +) vor forma, de asemenea, oxizioni cum ar fi UO2 + 2, WO42- sau MOO42- și vor elibera doar oxigenul în prezența o bază plus tare (cum ar fi F-) sau fiind redusă.
Existența oxizilor minerali poate fi explicată într-o manieră similară cu specificarea cationilor în mediu apos (Figura 3, caseta 7). Cationi cu valorile CP scăzut formează legături slabe cu ionul de oxid, astfel încât nu formează oxizi minerali și nici nu sunt reținuți în soluri cum ar fi oxizi sau hidroxizi; aceste cationi sunt ușor dizolvate în apă, care a devenit nutrienți importanți pentru plante și altele Altele ființe vii (de exemplu, Na +, K +). Incapacitatea ca acești ioni să aibă forma O legături stabile cu Ion O2 – implică, de asemenea, că aceste cationi sunt încorporate numai în fazele minerale cu temperatură scăzută (biotită, muscovită, feldspar-k) și, prin urmare, în cele mai recente etape de cristalizare. Pe de altă parte, acele cationi cu valori ridicate de φ (de exemplu, P5 +, N5 +, S6 +, printre altele) formează legături extrem de stabile cu ion de oxid; Cu toate acestea, densitatea de încărcare pozitivă ridicată a cationului central exercită electronii Ion O2-, în mod eficient polarizarea distribuției de electroni în legătura de oxigen cu oxigen către centrul oxanionului, împiedicându-l să formeze legături cu o altă cationă a prin oxigen și formează baza unei posibile structuri a oxidului mineral corespunzător. Cele de mai sus rezultă nu numai absența oxizilor minerali ai acestui tip de cationi, ci și că acești ioni sunt foarte solubili în apă și, prin urmare, abundenți în apele naturale (dulci și / sau marine) și care sunt considerate ca elemente incompatibile cu faze minerale ignetice. În cele din urmă, acele cationi cu CP intermediar, 4 < φ 10 (de exemplu, Si4 +, AL3 +), formează legături cu oxigen relativ Strong, cu toate acestea, densitatea de încărcare din centrul de ioni nu este suficient de mare pentru a preveni oxigenul să formeze legături cu alte cationi. În acest fel, acești ioni se pot forma oxizi și hidroxizi minerali și pot fi încorporați în faze minerale igilan de înaltă temperatură, care se formează în stadiile incipiente ale cristalizării magmatice. Stabilitatea sa, cum ar fi oxizii și / sau hidroxizii le conferă o mică solubilitate în apă și, prin urmare, ele nu sunt relativ abundente în apele naturale.
Comportamentul ionilor cu valori diferite de φ în soluție apoasă are, de asemenea, implicații. În studiile de petrologie ignă. În special, aceasta explică de ce bazateile generate în zonele de subducție au compoziții de oligoelemente foarte diferite de cele generate în alte medii tectonice. Bazalele ARC, de exemplu, arată îmbogățiri în elemente de lil (sub φ), dar concentrațiile de elemente HFS (foarte ridicate φ) similare cu cele observate în bazaldele dorsale oceanice (N-Morb Figura 6). Astfel de anomalii sunt, în general, interpretate ca rezultat al proceselor metasomatice de la peneul mantalei, originat de deshidratarea diferitelor minerale ale cortexului oceanic și sedimentele subjutate (de exemplu, fililisticile și amfibolii) (Tatsumi și Kogiso, 2003).În acest fel, elementele de lil, fiind solubile în apă, pot fi transportate spre pană de manta de fluidele generate în timpul subducției, în timp ce solubilitatea scăzută a apei HFS (datorită valorii CP ridicate) evită mobilizarea sa, deci Este obișnuit să le găsiți în faze minerale prezente pe placa metamorfică (de exemplu, Tiepolo și colab., 2000, Scambeluri și colab., 2001). Soluțiile generate în aceste procese, îmbogățite în Illyy săraci în HFS, pot interacționa cu pană de manta (Murphy, 2007) și pot modifica abundența elementelor de lil în magile marice generate în zonele ARC, rezultând profiluri de elemente similare prezentat în figura 6, unde elementele de lil sunt îmbogățite cu N-Morb, în timp ce HFS sunt în proporții similare cu N-Morb.
chiar dacă tabelul periodic al elementelor și ionii lor pentru pământ Științele clasifică diferitele specii în funcție de starea lor de oxidare, este necesar să se sublinieze că această reprezentare nu implică neapărat că toți ionii vor participa la procesele de diferențiere geochimică ca ioni liberi. Acest lucru este valabil în special pentru cationii de înaltă φ, care vor fi găsite în majoritatea cazurilor atașate la ionii de oxid și / sau hidroxid. În general, nu este posibil să se găsească cationi cu status de oxidare > 3+ care nu sunt atașate la o bază tare, de obicei O2- și / sau F- și / sau OH- ( Bumbac și Wilkinson, 1988). Universitatea acestui principiu este surprinzătoare, deoarece un astfel de comportament este observat atât în diferențierea (lemn de ring, 1955b), ca în apele naturale la temperatura camerei (Brookins, 1988).
Avantaje și limitări
Tabelul periodic al elementelor și ionii lor pentru știința terenurilor este un instrument care permite înțelegerea mai ușor a comportamentului diferitelor elemente și a ionilor lor în diferite condiții de diferențiere. Clasificarea prezentată aici nu încearcă să ofere cunoștințe sau noi teorii despre comportamentul elementelor, cu toate acestea, permite utilizatorului să le vizualizeze într-un mod mai simplu și mai rapid.
De exemplu, a fost anterior menționat că Cu + nu înlocuiește Na + în feldspars, deoarece aceste specii sunt moi și acizi dur, respectiv. Deși acest comportament este planificat la principiile de substituire Goldschmidt, în special în care stabilește că substituirea poate fi nulă sau limitată, deoarece diferența de electronegativitate a ionilor în concurență (FAURE, 1991) este mărită, este mai rapidă, simplă și ilustrată identificarea unor astfel de identificări Comportament prin poziția ionilor respectivi din tabel, deoarece altfel este necesar să existe date de electronegativitate pentru fiecare ion și element. În plus, utilizarea tabelului periodic a elementelor și a ionilor acestora nu numai că permite evaluarea fezabilității unei posibile substituții izomorfe, dar permite extrapolarea comportamentului menționat asupra elementelor vecine și ionilor prin utilizarea contururilor echipotențiale.
Utilizarea φ ca factor de clasificare și contururile echipotențiale trebuie să fie utilizate cu prudență. Cele de mai sus se datorează faptului că raza ionică și, prin urmare, CP, (Ecuația 2) a fiecărui ion depind de numărul de coordonare (NC). Deși contururile echipotențiale din tabel au fost trase folosind cele mai frecvente NC, există unele elemente care pot adopta NC diferite, fiind al3 +, probabil, cel mai notabil caz. Acest ion poate ocupa locurile tetraedrale (NC = 4) și octaedru (NC = 6) în structura diferitelor minerale, de exemplu argile (Moore și Reynolds, 1997), ceea ce implică în structura unui mineral, pot avea ioni AP + Două radiouri ionice diferite (0,39 și, respectiv, 0,535 Å, respectiv, shannon, 1976) și, prin urmare, valori decât φ (7,69 și, respectiv, 5.60), în funcție de locul din structura pe care o ocupă. Deși cele de mai sus ar putea sugera diferite comportamente pentru ambele tipuri de AL3 +, valorile lui φ sunt în intervalul delimitate de cele două contururi echipamente de portocale din figura 3 (z / r = 4 yz / r = 8), astfel încât luarea în considerare NC = 6 ca fiind cel mai frecvent pentru AL3 +, aceasta ar duce doar la o ușoară deplasare a conturului Equipotențial Z / R = 8 spre centrul tabelului, mai mult nu ar indica un comportament geochimic diferit pentru AL3 + la care este prezentată în tabel. Concluzii similare pot fi obținute din alte ioni cu comportament similar cu al3 +, cum ar fi Fe3 + și Mg2 +, printre altele.
CONCLUZII
Clasificarea ionilor în conformitate cu posibilele sale stări de oxidare în tendințele dovezilor de natură care permit sistematizarea comportamentului elementelor și a ionilor lor înainte de diferite procese de diferențiere geochimică. Aceste tendințe au fost deja evidențiate în mod semuie în clasificarea elementelor lui Victor Goldschmidt (Goldschmidt, 1954, Goldschmidty Muir, 1954) și alți autori (Căscătorie, 1928A, Cartledge, 1928b, Ringwood, 1955a). De asemenea, dovezi de clasificare că cele două principale proprietăți intrinseci ale ionilor, potențialul de ioni și polarizabilitatea sunt factorii modulatori ai principalelor procese de diferențiere geochimică elementară. Este de remarcat faptul că, deși acești termeni sunt prezentați într-o manieră simplificată, acestea corespund efectiv proprietăților complexe ale ionilor. Cititorul interesat de aprofundarea acestor termeni, precum și în teoria acizilor și a bazelor dure, ar trebui să se refere la referințele originale (Pearson, 1963), la literatura chimică specializată (de exemplu, Cottony Wilkinson, 1988; Huheey, 1993), precum și recenzii (Ayers et al., 2006, Ayers, 2007).
Tabelul periodic al elementelor și ionii lor pentru știința pământului nu intenționează să fie o substituție din tabelul periodic tradițional; Ambele sunt complementare pentru a prezenta și a demonstra informațiile care nu sunt prezente în contrapartidă. Cu toate acestea, este de o importanță vitală de a cunoaște și de a înțelege masa periodică tradițională, pentru a evalua multe dintre avantajele că clasificarea elementelor și a ionilor propuși de către Railsback (2003) oferă. Generalizarea și sistematizarea proceselor de diferențiere geochimică prezentate de Railsback (2003) face ca tabelul periodic al elementelor și ionilor săi pentru știința funciară un instrument de importanță vitală pentru cercetătorii de științe funciare. În cele din urmă, cititorul se referă la lucrările originale (Railsback, 2003, Railsback, 2005) pentru a extinde înțelegerea tabelului din exemplele și aplicațiile prezente acolo.
confirmări
Versiunea originală a tabelului periodic al elementelor și a ionilor lor pentru știința funciare a fost finanțat de Fundația Națională de Științe Naționale a Statelor Unite, numărul contractului 02-03115. Autorii mulțumesc M.I. Bernal-Uuchurtu pentru ajutorul valoros în pregătirea Figura 5. De asemenea, mulțumesc Dara Salcedo, Arturo Gómez Tuena, Dante Moran pentru revizuire și comentarii privind versiunile preliminare ale manuscrisului. Revizuirea exhaustivă a Figura 3 de către Dr. Teresa Orozco, precum și comentariile sale și cele ale unui recenzent anonim au avut ca rezultat îmbunătățiri semnificative în acest document.
Anexă A. Supliment electronic
O versiune de înaltă rezoluție a tabelului periodic al elementelor și a ionilor lor pentru știința funciară este disponibilă pe site-ul revistei < iv id = „91E8B9C303” ;, Tabelul de conținut al acestui număr (supliment electronic 25-2-02).
referințe
abbott, rn, 1994, polarizabilitatea electronică a oxigenului și a diferitelor cationi în mineralele triclinice selectate; Teoria punctului-dipol: Mineralogist canadian, 32 (4), 909-918.
Albară, F., 2003, Geochimie, o introducere: Cambridge, Marea Britanie, Universitatea Cambridge Press., 248 pp.
Auboiroux, M., Melou, F., Bergaya, F., Touray, JC, 1998, Model de bază acid tare și moale aplicat selectivității cationi bivalente pe un mineral de lut 2: 1: argile & minerale de lut, 46 (5), 546-555.
Ayers, P.W., 2007, baza fizică a principiului acidului / acidului moale / moale: Discuții Faraday, 135, 161-190.
Ayers, PW, Parr, Rg, Pearson, Rg, 2006, elucidarea principiului de bază / acid moale / moale: o perspectivă bazată pe jumătăți de reacții: Jurnalul de Fizică Chimică, 124 (19), Art . nu face. 194107.
Bernal-Uuchurtu, M.I., Ortega-Blake, I., 1995, un studiu rafinat de Monte Carlo al CA2 + și Mg2 + Hydration: Journal of Chimice Fizica, 103, 1588-1598.
Brookins, D.G., 1988, Diagrame EH-PH pentru Geochimie: Berlin, Springer, 179 pp.
Carrillo-Tripp, M., Saint-Martin, H., Ortega-Blake, I., 2003, un studiu comparativ al hidratării Na + și K + cu potențial de model polarizabil rafinat: Jurnalul de Fizica chimică, 118 (15), 7062-7073.
Cartledge, G.H., 1928A, studii privind sistemul periodic. I. Potențialul ionic ca funcție periodică: Jurnalul Societății Americane Chemice, 50 (11), 2855-2863.
Clestedge, G.H., 1928b, studii privind sistemul periodic. II Potențialul ionic și proprietățile aferente: Jurnalul Societății Americane Chemice, 50 (11), 2863-2872.
Cidu, R., Capei, R., Fanfani, L., Frau, F., 1997, Drenarea acidă de la sulfides Gazduire mineralizare de aur (Furtei, Sardinia): Geologie de mediu, 30 (3-4 ), 231-237.
bumbac, F.A. Y Wilkinson, G., 1988, Chimie anorganică avansată: New York, Wiley, XVII, 1455 pp.
Cruz-Garritz, D., Chamizo, Ja, Garritz, A., 1991, Estructura Atómica. ONU Enfoque Químico: Addison-Wesley Iberoamericana, S.A.
FAURE, G., 1991. Principii și aplicații ale geochimiei anorganice. Macmillan Pub. CO, New York, Toronto, XIII, 626 pp.
Goldschmidt, V.M., 1937, principiile de distribuire a elementelor chimice în minerale și roci. Cea de-a șaptea prelegere Hugo Müller a fost livrată în fața societății chimice la 17 martie 1937: Jurnalul Societății Chimice, 655-673.
Goldschmidt, VM, Muir, A., 1954, Geochimie: Oxford, Clarendon Press, serii internaționale de monografii pe fizică, 730 pp.
Hardate, S., 2004, specie din aluminiu în medii de sol: știința solului & Nutriția plantelor, 50 (3), 303-314.
Huheey, Je, 1993. Chimie anorganică: Principii de structură și reactivitate: New York, NY, Harper Collin College editori, 964 pp.
krauskopf, kb, pasăre, dk, 1995, Introducere în Geochimie: New York, McGraw-Hill, 647 pp.
Lasaga, AC, Cygan, RT, 1982, polarizabilitățile electronice și ionice ale mineralelor silicate: American Mineralogist, 67, 328-334.
McDonough, W.F., Sun, S.S., 1995, Compoziția Pământului: Geologie chimică, 120 (3-4), 223-253.
Mendelejejeff, D., 1869, Ueber Die Beziehungen der Egenschaften Zu Der Atomgewichten der Elemente: ZeitsCrift Für Chemie, 12, 405-406.
Moore, DM, Reynolds, RC, 1997, Difracția cu raze X și identificarea și analiza mineralelor de lut: Oxford (Anglia), New York, Universitatea Oxford Press, 378 pp.
Murphy, JB, 2007, Asociații de Rock Igneous, 8. Magmatism ARC, II: Caracteristici geochimice și izotopice: Geoscience Canada, 34 (1), 1-29.
parr, R.G., Pearson, R.
Pearson, R.G., 1963, Acizi și baze grele și moi: Jurnalul Societății Americane Chemice, 85 (22), 3533-3539.
Pearson, R.G., 1995, principiul HSAB – aspecte mai cantitative: Inorgánica Chimica Acta, 240 (1-2), 93-98.
Railsback, L.B., 2003, tabelul periodic al omului de știință al pământului și ionii lor: geologie, 31 (9), 737-740.
Railsback, L.B., 2005, o sinteză a mineralogiei sistematice: Mineralogist american, 90 (7), 1033-1041.
Ringwood, A.e., 1955a, Principiile care reglementează distribuția elementelor de urmărire în timpul cristalizării magmatice Partea I: Influența electronegativității: Geochimica et cosmochimica ACTA, 7 (3-4), 189-202.
Ringwood, A.e., 1955b, principiile care guvernează comportamentul de urmărire în timpul cristalizării magmatice: Partea a II-a. Rolul formării complexe: Geochimica et cosmochimica ACTA, 7 (5-6), 242-254.
scambeluri, M., Rampone, E., Piccardo, GB, 2001, Ciclism de fluid și element în Serpentinite Subjustat: Un studiu de urmărire a ultramafiților de înaltă presiune Erro-Tobbio (Alpii de Vest, NW Italia): Jurnalul de Petrologie, 42 (1), 55-67.
Shannon, R.D., 1976, Radiații ionice efective revizuite și studii sistematice ale distanțelor interatomice în halogenuri și chalcogenide: ACTA Crystalographicalica, secțiunea A. Fundații de cristalografie, A32 (5), 751-767.
Sun, SS, McDonough, WF, 1989, Sistematica chimică și izotopică a bazatților oceanici: Implicații pentru compoziția și procesele mantalei, En Saunders, AD, Norry, MJ (EDS), Magmatism în bazinele oceanului : Londra, Societatea Geologică Publicație, 313-345.
Tatsumi, Y, Kogiso, T., 2003, Fabrica de subducție: rolul său în evoluția crustei și mantalei Pământului, En Larter, R.D., Leat, P.T. (Eds.), Sisteme de subducție intra-oceanică: procese tectonice și magmatice: Londra, Societatea Geologică Publicație specială, 55-80.
Tiepolo, M., Vannucci, R., Oberti, R., Foley, S., Bottazi, P., Zanetti, A., 2000, NB și TA Incorporarea și fracționarea în Titanian Pargasită și Kasrutită : Constrângeri cristal-chimice și implicații pentru sistemele naturale: Scrisori științifice Pământ și planetare, 176 (2), 185-201.
Tomkins, AG, MAVROGENEI, JA, 2001, redistribuirea aurului în arsenopirită și lolingite în timpul metamorfismului pro-și retrograd: Aplicarea la calendarul mineralizării: Geologia economică și Buletinul Societății Geologilor Economici, 96 (3), 525-534.
Yamada, S., Tanaka, M., 1975, moale a unor ioni metalici: Jurnalul de Chimie Nucleară anorganică, 37, 587-589.