TRADUCCION GEOQUIMICA

El 9 - natural elementos químicos (90, de hecho, ya ethium baile y tecnecio ya no se encuentra en su estado natural en la Tierra) se com planteado de un núcleo de nucleones subatómicas orbitado por electrones cargados negativamente. Nucleones son positivamente protones cargados y los neutrones neutrales. Como un átomo contiene el mismo número de protones y electrones con cargas iguales pero opuestas, no lleva carga eléctrica neta. La masa de una protón es 1836 veces mayor que la de un electrón. Las propiedades iCal química de los elementos son en gran parte, aunque no del todo, determ INED por la forma en que sus conchas ost outerm de electrones interactúan con otros elementos. Los iones se forman cuando los electrones excedentes átomos de captura para dar forma negativa cargada aniones o cuando arrojan electrones para dar cationes cargados positivamente. Un átomo m formulario ay varios tipos de iones. El hierro, por ejemplo, las formas ambos iones férrico (Fe3 +) y iones ferrosos (Fe- +), w hile también se produce en la forma elemental Fe0. iones errous (Fe- +), w hile también se produce en la forma elemental Fe0. Un nucleido es un núcleo atómico que se caracteriza por el número Z de sus protones y la núm ero N de sus neutrones, independientemente de su nube de electrones. La masa num ber A es el suma de los nucleones N + Z. Interacciones ifferent D actúan en el núcleo y explican su unión: el corto alcance (nuclear) fuerza nuclear fuerte, la fuerza electrom agnetic de largo alcance, y la m edio ysterious interm w vigor eak. Dos nucleidos con el mismo núm ero Z de protones pero diferente número N de neutrones se irán acompañadas de la misma suite de electrones y también lo han hecho muy sim ilares propiedades iCal química; serán los isótopos del mismo elemento. Los "Carta de los nucleidos" (Fig. 1.1) muestra que con el fin de ser estable, núclidos deben contener una proporción específica de neutrones y protones. La fórmula semi-empírica para la energía de un núcleo es:

y esto describe el llamado modelo de "gota de líquido" del núcleo. Las constantes a, b, c, y d se puede ajustar para adaptarse a los datos de laboratorio. Como primera aproximación, el volumen de la núcleo es proporcional a A, su radio a A 1/3, y su superficie a A2 / 3. El primero plazo en el lado derecho expresa la energía volumen, que es proporcional a la número de nucleones; el segundo término es la energía superficial, lo que resta el menú reduciatracción compensada de los nucleones situados cerca de la superficie del núcleo; el tercer término expresa que, para un determinado A, la atracción nuclear entre protón y el neutrón es ligeramente más fuerte que protón-protón y la atracción de neutrones de neutrones; el cuarto cuentas plazo para energía electrostática que es inversamente proporcional a la distancia entre la vecina cargos de los protones. El locus de m ínim energía, en el N, Z parcela de la Fig. 1,1, que se conoce como el "valle de estabilidad", se obtiene por izing minim (1.1) con respecto a Z, y está convenientemente representado por la ecuación:

Para los elementos de luz (Z <40), el término en A en el denominador denom es muy pequeña, por lo que Z & A / 2 y por lo tanto N & Z. Masas A t más altos, la repulsión electrostática entre los protones obtiene Z fuerte y N>. Uno encuentra fácilmente que por 238U, Z = 92, que es la correcta.

Los núcleos con N y Z demasiado lejos de este valle de estabilidad son inestables y se dice que so radiactivo. Un isótopo radiactivo es si su núcleo se somete a un cambio espontáneo como se produce, por ejemplo, cuando las partículas alfa (dos protones y dos neutrones) o electrones son emitida. Se transforma en un isótopo diferente, denominado radiogenic, dando hacia fuera la energía, por lo general en forma de radiación gam ma, algunas de las cuales es perjudicial para los seres humanos. Varios sitios de Internet ofrecen mesas de todos los nucleidos estables y radiactivos.La gran mayoría de los isótopos naturales de elementos de origen natural son estables, es decir, el núm ero de sus protones y neutrones se mantiene sin cambios, simplemente porque la mayoría de los isótopos radiactivos han desaparecido en el transcurso del tiempo geológico. Por tanto, no son un peligro para las personas.

1.1 La tabla periódica

El núm ero atómico de un elem ento es igual al núm ero de sus protones. Hemos visto antesque el átomo 's num ber masa es igual al núm ero de partículas que componen su núcleo. LosNum Avogadro ber N es el núm ero de átomos contenidos en 12 g de carbono-12 de isótopos.La masa atómica de un isótopo es el peso de un núm ero N de átomos de ese isótopo.Gran descubrimiento D im itri M endeleev en 1871 fue a dem ostrar el carácter periódico delas propiedades de los elementos cuando clasificadas por orden ascendente núm ero atómica (Fig. 1.2). M Eltingpunto, la energía de la formación, radio atómico, y la primera energía de ionización toda varían periódicamente a medidaw e w ork través de mesa de M endeleev. Las propiedades iCal Geochem de elementos se reflejanpor su posición en esta tabla. Los metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs), metales alcalino-térreos(Be, M g, Ca, Sr, Ba), elementos del grupo del titanio (Ti, Zr, Hf), pero también los halógenos (F, Cl,Br, I), gases inertes (He, Ne, Ar, Kr, Xe), tierras raras (lantánidos), o actínidos (uraniofamiliares) todos los grupos de forma que comparten propiedades químicas sim ilares; estas propiedades son de hechosometim it tan similar que fue durante mucho tiempo un desafío para aislar chem formas camente puras desom elementos electrónicos tales como hafnio (Hf), que sólo fue separado de circonio (Zr) yidentificado en 1922.

Por tanto, es muy im portante para entender cómo los elementos se ordenan en el periódicomesa. En pocas palabras, un átomo puede ser representado como un núcleo puntual que contiene la masay la carga de las partículas nucleares y por m electrones-ass menos que orbitan alrededor de este punto. La pesadanúcleo es norma aliado supone que es im m une a las fluctuaciones en el m ás de electrones volátil

nubes y se trata como estacionario (Born-Oppenheimer aproxim ación). Mecanica cuanticarequiere las diferentes formas de energía de electrones para ser distribuidos de forma discreta, es decir, en separadoniveles de energía. También requiere que se cuantificarán las diferentes formas de m entum om, no sólola forma lineal de moléculas de gas rebotando en una caja, sino también el angular m entum omde los electrones en sus orbitales atómicos y alrededor de su eje de giro. El entum om m angularL juega el mismo papel con respecto a la velocidad angular w tan lineal entum mamá p = mvjuega con velocidad lineal v: la conocida expresión que define la energía cinética linealp - / - m se convierte en L - / - 1 para la energía cinética de rotación, con ent m om de inercia I jugandopara la energía de rotación de la función de la masa m de traslación lineal.

El principio de Heisenberg establece que la incertidumbre de la posición y la velocidad deuna partícula varían inversamente entre sí y por lo tanto evita que el cálculo exacto deelectrón orbita alrededor del núcleo. Un orbital es una función compleja com utilizado por cuánticamecánica para describir la probabilidad de la presencia de un electrón alrededor del núcleo peroa menudo se reduce a una de tres dim ensional superficie m EANT para representar el locus de la máxima umprobabilidad. Se denota (Fig. 1.3) por un conjunto de números enteros conocidas como números cuánticos. Loscuatro niveles de cuantificación son los siguientes

1. La primera (principal) núm ero cuántico n caracteriza el nivel de energía total del electróny puede tomar valores positivos 1, -, 3,. . . En él se definen las principales capas de electrones, quea veces están representados por las letras K, L, M,. . .2. El segundo (orbital) núm ero cuántico l caracteriza total orbital m angular entum omL del electrón; que varía de 0 a n - 1 y define el núm ero de lóbulos de laorbitales de cada cáscara, que suelen ser designados por las letras s, p, d, f.3. La tercera ber m (magnética) num cuántica (0, ± 1,..., ± l) da la parte L z del angularm om ent que apunta a lo largo del eje de rotación; que define la forma de la orbital.4. El cuarto num cuántica ber s describe la entum mama asociado con el giro de laelectrón y da la dirección del espín del electrón alrededor de su eje con relación a su propiomovimiento orbital.

El principio de exclusión de Pauli establece que dos electrones no pueden tener el mismo cuánticanúmeros.La tabla periódica se puede construir mediante la asignación de un conjunto único de números cuánticos paracada elemento (Tabla 1.1) y el llenado de los orbitales sucesivos ahora puede proceder deinferior a los niveles más altos de energía hasta el núm ero de electrones es igual al número de protonesen el núcleo. Esto es válido para n, por definición, sino también para l debido a la electrostática

detección por electrones en orbitales inferiores (ver más abajo): por ejemplo, orbital 2p se llena despuésorbital 2s. El orden de llenado se muestra en la Fig. 1.4 y puede ser emparejado exactamente con eltabla periódica.A núm ero de sitios de Internet proporcionan clasificaciones periódicas detalladas, de los cuales yopuede reco m terminar http: // ww ww ebelem ents.com /, mientras excelente sitio de Dave M antheyhttp://www.orbitals.com/orb/ov.htm proporciona software para crear dibujado muy profesionalmenteimágenes orbitales (Fig. 1.3).En la tabla periódica, los grupos I (metales alcalinos) y II (metales alcalino-térreos) correspondenpara el llenado de los orbitales s, y los grupos III a V III a la de los orbitales p. El edio intermgrupos (elementos de transición como el hierro y platino) se diferencian en la ocupación de suorbitales d. W gallina ocupados, estos orbitales d son norma aliado más cerca del núcleo de los sorbitales de la próxima salida shell. La ocupación de los orbitales se observa nx 1, donde x representael tipo de (s, p, d, f) orbital, n su cuántico principal núm ero y yo el núm ero de electronescontiene. L a mayoría de los elementos de la primera serie (por ejemplo, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) tienen unfórmula de electrones del tipo [Ne] 3s2 3p6 4s2 3D1, donde [Ne] representa el totalmente ocupadaorbitales de un átomo de neón; y sus iones divalentes, tales como Fe2 + y Cu2 +, tienen una configuración[Ne] 3s2 3p6 3D1. Estos elementos de transición sólo se diferencian por el núm ero i de los electrones enorbital 3d pero tienen un idénticos 4s capa electrónica exterior, lo que explica por qué su químicapropiedades son tan similares. Este fenó- fenómeno se amplifica aún más en las tierras raras (lantánidos) o,tales como La y Ce (shell 4 f), y los actínidos (5 f), tales como U y Th, dondelos s y orbitales p de las carcasas externas son idénticas.Reglas simples tienen para la predicción de radios atómicos. En primer lugar, la energía potencial y atómicaradio aumenta con n y por lo tanto hacia abajo cada columna de la tabla periódica. En segundo lugar,el radio atómico disminuye a través de cada fila. Esto es debido a la reducción de la electrostáticaatracción de los electrones externos de la nube de los electrones internos (Fig. 1.5), un fenó- fenómenoconocido como blindaje. Para los lantánidos y los actínidos, los electrones f en su multilobateorbitales dejan algunas partes del núcleo expuesta (Fig. 1.3) y por lo tanto no sedetectar el aumento de la carga del núcleo tan eficientemente como forma sin problemas el mineral morbitales de orden inferior. Como resultado, sus radios atómicos disminuyen sin problemas con su creciente

número atómico, un fenó- fenómeno conocido como lantánidos (y actínidos) contracción.La energía almacenada en silicatos como bonos iCal chem depende de la naturaleza de los cationesy los sitios de cristal ACCOM modating ellos. Dependiendo de su radio iónico, cationes puedenocupar los sitios de diferente tamaño y el núm ero de vecinos de oxígeno con el que están unidos(número de coordinación) aumenta con el tamaño del sitio. Carbono y boro átomos bine comcon oxígeno en un ent arrangem triangular (es decir, la coordinación triple, Fig. 1.6), mientras que el silicioy aluminio átomos com bine con el oxígeno para formar un tetraedro (coordinación de cuatro veces).Sin embargo, m edio -sized cationes, tales como Fe2 +, M g2 + o Ca2 +, ocuparán octaédrica vacantesitios (coordinación de seis veces) entre tetraedros SiO4 mientras que los iones más grandes, talescomo K + o OH aniones hidroxilo, requieren las más amplias sitios, norma aliado de doce vecescoordinación.

1.2 Enlace químico

Los átomos y iones com bine para formar m atter en su estado sólido, líquido o gaseoso. Losim portancia de la ocupación de la capa electrónica exterior puede ser ilustrado por com pelar lainteracción entre dos átomos de helio, donde dos electrones ocupan orbital 1s, conla interacción entre dos átomos de hidrógeno, cada uno con un solo electrón. Cuando eldos átomos de helio e com muy juntos y sus nubes de electrones se interpenetran, un átomo 'slos electrones no pueden ser m acom odated por la órbita de la otra, ya que ello infringir laPrincipio de exclusión de Pauli. Ellos m UST, por tanto, jum p para el orbital 2s, a un costo de energía quepenaliza la formación de tales bonos.Dos átomos de hidrógeno, sin embargo, se prestan unos a otros a es de electrones. La configuración electrónica resultante es m ás ventajosa que la de aisladosátomos de hidrógeno y unión ical tanto química se favorece. Esta es la esencia de Pauling deteoría de enlace de valencia, que, sin embargo, cayó en desgracia por su incapacidad para explicar la espectroscópicapropiedades de las sustancias. Por el contrario, la teoría del campo cristalino ve totalmente ionizadocationes, tales como Na + o Ca2 + que se encuentra alojado en sitios definidos por "ligandos" con carga negativatal como la red de silicato: el enlace se supone que es totalmente electrostática. Aunquela teoría de valencia representa muchas de las propiedades de los elementos de transición, es ahora tambiénconsiderados como gran parte obsoletos.

El carácter dual de la mayoría de los bonos ical química se explica por el concepto de molecular

orbitales: cuando los átomos y los iones com e cerca uno del otro, sus orbitales electrónicos individualesfundirse en orbitales colectivos, que, sin embargo, en general, rem Ain difícil de calcular. Lostipo de enlace químico se determ INED por la probabilidad de la presencia del electrónjunto a uno de los núcleos consolidados, que es exactamente lo que los orbitales m MOLECULAR son m EANT adescribir. Si el electrón se transfiere de forma permanente, enlace iónico ha ocurrido: una de sodioátomo en la presencia de un átomo de cloro renunciará a su aislado de electrones 3s porque sucapas exteriores serán luego com completamente ocupados, con sodio configurado como el neón y el clorocomo el argón. Los iones formados de esta manera, señalaron como N y C a + l-, son particularmente estables;su capa electrónica exterior es en gran parte esférica y estos iones actúan como carga eléctricaesferas m utually atraídos por sus campos electrostáticos para formar libras com iónicos tales comola sal de mesa, NaCl. A la inversa, cuando el núm ero de electrones que se puede intercambiar falla enllenar las capas exteriores de los dos socios, se forma un enlace covalente. Dos átomos de hidrógenoprestarán sus electrón que falta, pero deben compartir los dos electrones 1s más tiem po porformando orbitales híbridos de com plejo geom etría lo que les permite llenar la capa exteriorde ambos átomos.

Los elementos de transición (V, Fe, Cu, Zn, etc.) son particularmente sensibles a su cristalinaambiente. Se diferencian entre sí por un relleno diferente de su orbital d (Fig. 1.3).Dos de estos orbitales, llamada por ejemplo, tienen sus lóbulos situadas a lo largo de los ejes de coordenadas rectangulares,w hile tres orbitales, llamados T2G, se encuentran en cada plano definido por dos ejes pero con sulóbulos que salen de entre los ejes. En la mayoría de los sitios octaédricos com lun ocupados porelementos de transición en silicatos, con un átomo de oxígeno en cada vértice a lo largo de los ejes, un electrónque ocupa una T2G orbital siente la repulsión por los electrones de los iones de oxígeno, lael llamado campo cristalino, mucho menos que un electrón que ocupa un ejemplo orbital (Fig. 1.7). LlamadaUna energía de estabilización del campo cristalino (CSFE), es decir, la diferencia en la energía de enlaceentre T2G y, por ejemplo, el cambio de energía de los tres orbitales t2g es - 2 A / 5, w hile el cambio depor ejemplo, los dos orbitales es + 3 A / 5, asegurando así que el cambio de energía significa con respecto aun m edio am biente esférica es cero (Fig. 1.8).Vamos ahora a dar ejemplos de cómo estos conceptos son relevantes para la energética de elementopartición en sitios cristalográficos:

1. Trivalente iones Cr3 + io chrom tiene la fórmula electrónica [Ar] 3d3 4S0 ([Ar] representa elllenado orbital de argón) en un sitio octaédrico. U no de electrones en cada orbital T2G da estaiones una energía de enlace de 3 x (- 2 A / 5) = - 6 A / 5. A pesar de un cargo en desacuerdo con laprincipales cationes, un valor tan grande hace Cr3 + un elemento abundante en algunos Fe-M gminerales, más visible piroxeno.

2. El hierro ferroso Fe2 + tiene la fórmula electrónica [Ar] 3d6 4S0. Una vez que los tres orbitales más t2gestán ocupados por un electrón cada uno, hay dos opciones: (i) si A es menor que el de repulsiónla energía de apareamiento de electrón-electrón, el siguiente electrón se ajusta un límite superior por ejemplo, orbital o,(ii) si A es grande, se asociará a un electrón en el T2G orbital. Dos configuraciones de Fe2 +por lo tanto, son posibles en cada caso (Fig. 1.9), que reciben su denom inación delos espines electrónicos manera se suman. El más abundante de hierro en el manto corresponde ael pequeño Un caso y se conoce como "de alto espín" Fe. La ganancia de energía debido al campo cristalino es de 4 x (- 2 A / 5) + 2 x 3 (A / 5) = - 2 A / 5. Por el contrario, la gran Un caso (T2G completo)que se conoce como "de bajo spin" Fe y tiene un efecto de campo de cristal de - 1 2 A / 5.3. Para divalente níquel N i2 + ([Ar] 3d8 4S0), la configuración es único: los tres orbitales t2gestán totalmente ocupadas, w hile cada uno de los orbitales eg acoge un electrón. La ganancia de energíaes de 6 x (- 2 A / 5) + 2 x (3A / 5) = - 6 A / 5; N i2 +, por lo tanto se acurruca en los sitios octaédricosy está especialmente enriquecida en g silicatos F de dinero electrónico como olivino y piroxenos.4. La com ún alto espín M n2 + ([Ar] 3d54s0), así como Zn2 + ([A r] 3d104s0) tiene symm configuraciones orbitales etrical y, por tanto, no hay ganancia de energía: en general, se muestran pocopreferencia entre minerales de silicato o entre silicatos y se derrite.

El efecto del campo de cristal es esencialmente SYMM etrical cuando se producen estos iones en tetraédricacoordinación.En soluciones, forma libras ent com-transición elem por la interacción entre un ligando yun catión, que es la base de Lewis teoría ácido-base. Típico de esta interacción eshidratación, por ejemplo, de Znlo que demuestra la fuerte atracción del catión Zn2 + para el par de electrones solitario llevadopor el oxígeno. El agua actúa como el donante y Zn2 + es el aceptor. Los resultados de la reacciónen la liberación de un protón, lo que justifica el hecho de que Zn2 + se conoce como un Lewisácido y agua como una base de Lewis. En general, una especie de donar un par de electrones es unaBase de Lewis, mientras que una especie aceptar este par es un ácido de Lewis. La "dureza" variablesde ácidos de Lewis, que no debe confundirse con su fuerza que mide la energía de labonos de protones, nos ayuda a comprender el sentido de las reacciones inorgánicas y orgánicas. iones

se separan en duro "Clase A" (grupos I y II de la tabla periódica, además de los más ligeroselementos de transición), blanda "Clase B" (la parte superior derecha de la tabla periódica), y en el límite(Fe2 +, Cu2 +, Zn2 +, Pb2 +) elementos en función de su afinidad por pares de electrones solitarios.¿Por qué este criterio adicional es im portante se puede ilustrar con la siguiente reacción:Adición del Ca2 + ácido de Lewis, que es un aceptor más duro que Co2 + y por lo tanto fuertementese une a las moléculas de agua, desplaza la reacción hacia la izquierda y da el color azul fuertedel cloruro a la solución. En contraste, la adición de Zn2 +, que es un ácido de Lewis más suave deCo2 +, empuja la reacción hacia la derecha y muestra el color rosa del hidróxido. Talreacciones son esenciales para explicar el papel de los metales con respecto a ligandos orgánicos.La presión es portante especialmente im en el m edio am biente de iones. El oxígeno es más compresible comque los iones más pequeños y, con su num coordinación cación ber aumentar, desempeña unpapel esencial. Por lo tanto, a profundidades de más de 660 kilometros, los niveles de presión en el manto inferiorson tales que los turnos de coordinación de silicio a partir de cuatro veces a seis veces por lo tanto prom over lacom pacto de apilamiento de los átomos de oxígeno. Del mismo modo, en las condiciones de la ost lowerm m Antle,distorsión sitio se convierte en im portante y algunos minerales tales como óxidos muestran una transiciónde alto espín de hierro de baja tirada. It ains rem, sin embargo, un verdadero desafío para predecir con plenaexactitud las propiedades químicas de los elementos a muy grandes profundidades.

1.3 Estados de la materia y el medio ambiente atómico de los elementos

Bonos formados por materiales condensados son generalmente m ás com plejo que las formadas porgases. En silicatos, que son impor- así que estoy a nuestra comprensión de ena fenómeno geológico,una pequeña silicio (o, posiblemente, de aluminio) átomo (Fig. 1.10) se encuentra en el centro de un tetraedrode cuatro átomos de oxígeno. Al igual que en la química del carbono, SiO4 tetraedros puede Polym Erize en mayor o menorgrados, compartiendo uno o m oxígenos de mineral en sus vértices. El bono S i-O es un muy fuertementecovalente una. O tros elementos, como M g, Fe, o Na, m ay se acom modated dentro delestructura de silicato en sus formas iónicas M + g2, Fe2 +, Na +.Las numerosas estructuras-ino silicato de silicato y alumbre cristalizadas se clasifican segúnel patrón formado por su tetraedros. Los m ás de las más importantes en la geología son:

1. silicatos tetraedros aislados: los m inerals más comunes de esta familia son los diversostipo de olivino, como forsterita M g2SiO4, y de granate, tales como pyropeM g3Al2 (SiO4) 3.2. Los silicatos de cadena sencilla: estos son los piroxenos, que se dividen en dos grupos con el de dosdiferentes sistemas cristalográficos; ortopiroxenos, tales como enstatite M g2Si2O 6, yclinopiroxenos, como diópsido CaM gSi2O6.3. Los silicatos de cadena doble: anfíboles, como trem Olite CA2M g5Si8O 22 (OH) 2 o hornblendaC A2M G4a l2Si7O 22 (OH) 2. La formación de estos minerales hidroxiladosrequiere un cierto grado de presión del agua.4. silicatos Hoja: micas y arcillas minerales generalmente contienen aluminio, potasio, yiones más pequeños, tales como F e2 + y M + g2. Se establece una distinción entre micas di-octaédricoscomo moscovita (común w hite mica) K 2A l6Si6O 20 (OH) 4 y micas tri-octaédricos comobiotita (mica negro ordinario) K 2M G6A l2Si6O 20 (OH) 4, con la diferencia de las proporcionesde 2 + y 3 + cationes y por lo tanto la ocupación del sitio. Esta familia es extremadamentediversa.5. Fram ew silicatos ork: estos silicatos están interconectadas en cada uno de sus vértices. Estafamilia incluye SiO2 cuarzo y los feldespatos, el m ás im portante de las cuales son albitaN aA lSi3O 8, anortita CaAl2Si2O 8, y las diversas feldespatos de potasio w fórmula mangueraes K Un lSi3O 8.Otros m inerals significativos incluyen óxidos de hierro y óxidos de titanio, que son comúnmente comsólidos iónicos cúbicos tales como magnetita Fe3O4 y ilm Enite FeTiO3. Corindón es el óxido dealumbre inum Un l2O3. El carbonato de calcio (calcita, aragonita) ym carbonato agnesio (m agnesite),formado por el apilamiento de Ca2 + o M + g2 iones, contener pequeñas agrupaciones de carbonatoCO32 - capaz de girar alrededor del eje de simetría.Los m inerals citadas anteriormente son sólo ejemplos, si bien los im portante, pero solos no logranproporcionar una representación suficientemente precisa de la diversidad química de las rocas. Elementosse encuentran dentro de los minerales en los lugares que se caracterizan por el núm ero de átomos de oxígeno quetienen como im vecinos m edio. Ya hemos com correo a través del silicio tetravalenteión Si4 + (es decir, con cuatro cargas positivas) en un sitio tetraédrico y dijo que podría serreemplazado por el ion trivalente de aluminio Al3 +. Neutralidad eléctrica se m aintained travéssustituciones de pares tales como Al3 + Al3 + sustituyendo Si4 + M + g2. Dicha sustitución es posiblee incluso com OnPlace en piroxenos, anfíboles, micas y feldespatos como los dosiones tienen radios similares iónico (0,39 y 0,26 A, respectivamente) y las cargas eléctricas similares.

Del mismo modo, M g2 + iones (0,72 A) ubicados en los sitios octaédricos de olivino de origen natural,es decir, aquellos rodeado por seis átomos de oxígeno, se com solamente reemplazados por iones Fe2 + (0,61 A)o N i2 + iones (0,69 A). Los iones de la familia elem ento de tierras raras, como el b3 + iterbio Yión (0,99 A), m sustituto ay para el Ca2 + iones (1,00 A) en clinopiroxenos o anfíboles.A medida que estos continua ena fenómeno de sustitución son análogos a los w presente varios ionescoexisten en soluciones acuosas, se utiliza el término solución sólida.N o todas las soluciones sólidas son posibles. Los iones más grandes, como los metales alcalinos (K +, Rb +)o los metales alcalino-térreos (Sr2 +, Ba2 +) de los períodos más altos, tienen radios iónicos que son demasiadogrande para que quepan fácilmente en los com minerales de silicato comunes. Los iones con diferentes cargosm Anage para sustituir los iones principales si el saldo im eléctrica puede ser compensado a nivel local: un(Ca2 +) 2 par m ay por tanto, ser reemplazado por un b3 Y + N + un par en un clinopyroxene, mientras que suent REPLACEM por un ion torio Th4 + requiere la formación de un defecto con una alta energíacosto. Los iones que llevan demasiado alto cargo o cuyo radio iónico es demasiado pequeño o demasiado grande sonrechazado por la red de m inerals esenciales y concentrarse tanto en minerales accesorios,tales como los fosfatos o titanatos, o en fases mal caracterizado en las fracturas de granose intersticios. Estos son parias INCOM ed elementos incompati- plazo. Sin embargo, este es un parienteconcepto: el potasio y bario son incompatibles en el manto de feldespato de conexión; sin embargo, enla corteza continental, donde el feldespato es abundante, K y Ba son com patibles. La volátilelementos y libra com, tales como los gases nobles, el agua y el dióxido de carbono, llame para algunosatención. Mientras no está presente en fase gaseosa, es decir, siempre y cuando la concentración de uno de losm ás abundantes sustancias volátiles en el sólido o líquido en cuestión no supere el nivel de saturación,se comportan como cualquier otro elem ento con diferentes niveles de compatibilidad. A falta devapor, por ejemplo, los gases inertes tales como helio o argón no necesitan ser clasificados por separadoa partir de los otros elementos traza.

1.4 clasificaciones geoquímicos

Hay muchas maneras de organizar los elementos por sus propiedades iCal Geochem. Tal práctica,

reduciendo como lo hace la gran diversidad de comportamiento de los elementos a los rangos ITED lim de comportamiento,m vuelo pensarse sin sentido, pero proporciona una visión general de sus propiedades iCal chem.La clasificación idespread más w es, probablemente, la de Victor G oldschm idt (Fig. 1.2).G oldschm idt schem e basa en la observación de Berzelius, un sueco del siglo XVIIIquímico, que los elementos som e tienden a formar óxidos o carbonatos, mientras que otros formansulfuros. Los elementos litofilos (Na, K, Si, Al, Ti, M g, Ca) generalmente se concentran enla forma de rock ing m inerals de la corteza y el manto; los elementos siderófilos (Fe, Co,Ni, Pt, Re, Os) tiene una afinidad por el hierro y por lo tanto se concentra en el núcleo de la E Arth;los elementos chalcophile (Cu, Ag, Zn, Pb, S) forman fácilmente sulfuros; los elementos ophile atm(O, N, H, y los gases inertes) se concentran en la atmósfera. Ciertos elementosen cada grupo tienden a ser volátiles; K es un lithophile más volátil que sea M go Ti(véase el Capítulo 12). Elementos refractarios tales como M o g Cr tienden a concentrarse en sólidaresiduos.

La relación de la carga al radio de un ion define su potencial electrostático, es decir, sucapacidad de modificar el campo electrostático en el que los iones adyacentes están bañando. Este potencialdefine un gran núm ero de las propiedades asociadas con cada elemento, como su tendenciapara atraer a los electrones de enlace (electronegatividad) o para formar libras com como oxo-aniones yhidratos. Trazado de este potencial vs. el propio radio iónico, que es am edida del ion decapacidad para adaptarse a sitios específicos en minerales, es particularmente informar ativa de las propiedades iCal Geochemde un ion particular (Fig. 1.11). Grandes iones que transportan cargas EAK w (K, Rb, Cs, BA) sonACCOM modated con dificultad por los principales minerales del manto, a excepción de K-feldespato,y así se concentran en la corteza continental. Se les conoce como lithophile a gran ioneselementos (LILE). Iones pequeños que transportan cargas fuertes (Zr, Nb, Th, U) desarrollan una intensa electrostáticacampos (elementos de alta intensidad de campo, HFSE), de ahí que no se sustituyen fácilmentepara los elementos m Ajor en m inerals ordinarios. Posiciones relativas en la tabla periódica se mantienen,sin embargo, esenciales y elementos de la misma columna cuota com sobre propiedades iCal Geochem,como es el caso de los metales alcalinos (Na, K, Cs), metales alcalinotérreos (Mg, Ca, Sr),halógenos (F, Cl, Br), o elementos de transición de la misma fila.

1.5 Los diferentes embalses y sus composiciones

En los sólidos, los elementos son secuestradas en minerales, minerales Assem ble como piedras y rocasconstituyen las principales unidades ic geodynam del m Antle y la corteza. Algunos elementos se producenen particular grandes abundancias en agua de mar o en el osphere atm (H, O, N, Ar). Terrestrerocas se dividen en tres categorías principales: las rocas ígneas, como basaltos y granitos,producido por procesos magmáticos, es decir, desde el m Elting de las rocas; rocas sedimentarias,formar cado por la acumulación de partículas clásticas y biológicas o por precipitación química icalen los pisos de los océanos y otros cuerpos de agua; y las rocas m Etam órficos,producido por "disparar" rocas existentes a alta temperatura, bajo presión, y, para la mayoríade ellos, en presencia de fluidos acuosos o carbónico. Rocas extraterrestres no puedense clasificarán en la misma manera. Las rocas ígneas se producen en la oon M, lo más probableen ars M y, como meteoritos (acondritas). Otro tipo de meteoritos, conocido como un chondrite,no tiene equivalente terrestre. Condritas w forma ere ed por condensación de los gases dela nebulosa solar y por las gotitas de líquido de silicato llamados cóndrulos, de la que sunom bre se deriva. M Etam transformaciones órficos m ay afecta rocas planetarias y meteoritosasí comoUn depósito es un término vagamente definido en referencia a un gran cuerpo de roca (manto,corteza), agua (océano), o gas (atm osphere) w manguera significar posición com está en contraste agudoa la posición com de otros reservorios. Puede contener una variedad de componentes, perosu posición com es aliado norma muy diferente de la posición de com com ponentes presentes enotros reservorios: por ejemplo, las rocas Si-ricos que componen el depósito continental-cortezason fácilmente diferenciados de los M g rico rocas que componen el manto. Un depósito m ay serespacialmente continua (por ejemplo, el océano) o dispersos en grandes distancias en la Tierra (por ejemplo, recicladocorteza oceánica en el manto profundo). Los elementos químicos abundantes m ás en cada uno de losprincipales reservorios terrestres se enumeran en A péndice A. Sin embargo, una comprensión más clara deestas distribuciones ical chem requiere una cierta idea de la que m inerals contienen estos elementos(véase el capítulo siguiente). El oxígeno se encuentra en casi todas partes, mientras que el silicio se limita alos silicatos, que son, con mucho, los minerales más abundantes. El contenido de silicio de mineraleses un eter param particularmente significativo porque la concentración (sílice) es una medida SiO2de la "acidez" de las rocas: este término obsoleto, que data de los días en que eran silicatosvisto como sales de ácido silícico, todavía impregna la literatura. La concentración de sílice de m ineralsaumenta de olivino, piroxeno, anfíbol y m ica través de feldespato y cuarzo.M agnesio y el hierro son particularmente abundantes en olivino, piroxeno en las rocas ígneas,en la mañana phibole, y en los minerales laminares (biotita, clorita, y serpentina) de órfico m Etamrocas. Un félsico roca (ácido), como un granito o una riolita, es rica en silicio y pobres en

m agnesio y hierro; una roca máfico, el arquetipo de los cuales es de basalto, tiene un alto Mg yF contenidos e. El calcio se encuentra, sobre todo, en piroxeno ígnea y feldespato calcitic (plagioclasa),en carbonato sedimentarias y en anfíbol órfico metam. Un inum lum tiene muchostransportistas: en las rocas ígneas que se encuentra, por orden de la presión cada vez mayor, en plagioclasa, espinela(óxidos), y granate; se concentra en los minerales de arcilla de rocas sedimentarias y en la micade rocas órficos metam (biotita y moscovita). El potasio y el sodio están apenas encontraronfuera m ica y feldespato.

Cuando se derrite la roca, elementos e som (Na, K, Al, Ca, Si) son fusibles, mientras que otros (Mgy en menor medida Fe) son m refractario mineral; por lo tanto, magmáticas m Elting contribuye afraccionamiento ical geoquímica entre los embalses. De la misma manera, los elementos som E (Na, K, Ca,M g) son m ás soluble en agua que otros, induciendo fraccionamiento ical más Geochemdurante la erosión y la sedimentación.Cuando la posición com del m Antle se com comparación con la de la Tierra como un todose puede observar a tener un alto contenido de ent-elem refractario, especialmente de M g y Cr, yun menor contenido de elementos fusibles, especialmente Na, K, Al, Ca, y Si, dem onstrating sucarácter residual con respecto a la fusión. Como cabe esperar m de vuelo, olivino y piroxenoson nante Predom en el m ineralogy del manto superior: peridotita es la roca ubicuaformando el manto superior. La corteza continental, por otro lado, se enriquece en fusibleelementos (alojados m ainly en feldespato, cuarzo y arcilla m inerals) y exhibe una fusiónCarácter "líquido" en contraste con el manto residual. Los océanos son, evidentemente, enriquecidosen Na soluble, K, Ca y cationes y aniones (C L-, SO4-), w hile elementos que son a la vezinsoluble y fusible (Si, Fe y Al) Ulate acum rocas sedimentarias clásticas en (arcillas).La posición com del Sol, la corteza y el manto de la Tierra, etc., se da en A péndice A.No siempre es fácil para determ ine estas posiciones com; w hile observación del espectro solary el análisis de m eteorites, de agua de mar y de río, los datos de rendimiento de agua que puede sertabulada bastante directa, determ nando la posición com de la corteza de la E de arth exige discusiónde la naturaleza de la corteza inferior, el manto inferior, el núcleo y de la Tierra en su conjunto.Los mecanismos responsables de la formación de estos importante, pero no directamente observable, geológicosembalses m ust por lo tanto, ser razonablemente bien entendidas antes de que sus posiciones COM puedeser estimado. Esto será cubierto brevemente en los capítulos 11 y 12.

1.6 El núcleo y la radiactividad

Aunque las fuerzas que mantienen unido el núcleo son extrem ely poderosa, la observación

muestra que algunos núcleos son inestables, es decir, radiactivo. La radiactividad es una propiedad deel núcleo e implica energías gigantescas del orden de unos pocos M eV por nucleón(1 eV / m olecule = 1,6 x 10-19 x 6,022 x 1,023 = 96,5 kJ m ol- 1) (Cuadro 1.2). La temturas, que son am ent easurem de excitación atómica y m MOLECULAR, necesaria para romperun vínculo nuclear son órdenes de m agnitud superiores a los requeridos para el intercambio de electrones(reacciones químicas) o incluso a rem ove un electrón desde un orbital atómico (ionizaciónenergía) y sólo se producen en los interiores estelares como la del Sol Estas enormes energíasexplicar la extrema eficiencia de la energía nuclear con respecto a cualquier otra energía alternativaformulario. Enlaces N uclear no dependen de la suite de electrones del átomo 's y por lo tanto no enuna reacción química o cambio de fase m ineralogical que tienen lugar en el m uch energías más bajas:la eliminación de la primera de electrones de un átomo normalmente requiere sólo unos pocos eV por átomo(potencial de ionización). M ineralogical, temperatura, presión y procesos implican inclusoenergías más pequeñas. La radiactividad es por lo tanto independiente de la química y m ineralogicalam biente del elemento, de tem peratura y de presión, que afecta sólo a la de electronesconchas. Por ejemplo, el rubidio -87 o uranio -238 decadencia probabilidad por unidad de tiem po es el mismo en el mar o en un lago, en el granito o estone lim, en la corteza de la E de arth o menor m Antle,en la oon M o el ars M, etc. Esta probabilidad no ha variado m easurably en el transcursodel tiempo geológico. El rem consistencia arkable de radiactivos etros chronom isotópicas dediversos objetos geológicos y planetarios obtenidos mediante el uso de diferentes isótopos radiactivos disipacualquier duda sobre la validez de los relojes nucleares. La tem peratura extrema condicionesque se encuentra en las estrellas masivas proporcionan algunas excepciones a esta regla, pero estos son de ninguna prácticarelevancia en nuestro Sistema Solar.Hay un núm ero de procesos de desintegración1. El proceso a (alfa), que es la emisión de un núcleo de helio (dos protones y dosneutrones), es común en la misa mayor. Los nucleones (protones cargados positivamente y neutrosneutrones) se mantienen unidas por el corto alcance atractiva fuerza fuerte. Esta fuerza esesencialmente restringido a los nucleones adyacentes, por lo que varía linealmente con su number. En contraste, la fuerza agnetic Electrom, que tiende a la palanca de carga positivaprotones aparte, es w EAKER sino que actúa sobre una gama más amplia, de modo que se trata de la totalidadnúcleo. Se varía con el número total de pares de protones y por lo tanto con el cuadradonúm ero de protones. En general, para los núcleos más pesados, la fuerza de repulsión, por tanto, tiende

para com compensar la fuerza de atracción y la energía media que sostiene las partículas entre sídisminuye. Un núcleo pesado becom e nudoso y w obbly y algunas partes tienden a separar.El proceso se produce a (alfa) cuando la suma de las masas de la nucleido hijo yla partícula es menor que la masa del nucleido padre. Es una consecuencia de un cuantola propiedad de las partículas nucleares conocido como el efecto túnel: a pesar de la barrera de potencialoponerse a la expulsión de una partícula es mucho mayor que la ganancia de energía resultantede la separación, existe una probabilidad no nula de que se produzca una expulsión. Por ejemplo147Sm ^ 143N d + a.2. La p - proceso (beta m inus) implica la Com em de un electrón por el núcleo principal.En el vacío, un neutrón libre no sobrevive más de 15 minutos antes de que se convierta enun protón y un electrón. Un neutrón atado en un núcleo es definitivamente más estable, pero,como se ha indicado anteriormente, la energía más baja de la interacción de protones neutrones con respecto ala de nucleones similares favorece un núcleo con un bra igual num de protones y neutrones.W uando N> Z, esta condición es violada, y el exceso de energía se libera mediante la conversión de un neutrón en un protón y un electrón. Este proceso requiere un tipo especial de la fuerza, lainteracción EAK w, que es análoga a Electrom fuerzas agnetic pero, como se refleja por sunombrar, mucho más débil. Esta interacción es de poca relevancia en nuestro entorno familiary es difícil de explicar de manera sencilla. La distribución continuo de energía electrón emitidodurante este proceso de poner en duda la cuantificación de la energía nuclear hasta que se demostróque había una partícula de masa cero, un neutrino, que prácticamente no presenta interacciones conel m atter por el que pasa, pero que puede llevar a una energía considerable. Colapsoestrellas pierden energía a través isión em neutrino. Por ejemplo, 87Rb ^ 87Sr + | 3- + V,donde p - es el electrón y un antineutrino V. Beta-menos radiactividad es una comúnproceso cuando el núcleo tiene una alta relación de neutrones / protones. Un proceso etrical SYMM de p +(más beta) por emisión de positrones (partículas con la misma masa que un electrón, pero de frentecargo) tiene lugar cuando el núcleo tiene una alta relación de protones / neutrones (N <Z), una situaciónrara vez se encuentran para nucleidos naturales, que, como vamos a aprender más adelante en el capítulo 12, la formaen ambientes ricos en neutrones.

3. Captura de un electrón de la capa K es un proceso menos frecuente, y fue identificado porvon W eizsacker durante su investigación de exceso de argón-40 en la atmósfera de la E de arth.Por ejemplo, 40K + e ^ 40 Ar. La captura de electrones afecta el nucleido de la mismamanera que por emisión de positrones hace.4. fisión espontánea de som e átomos pesados como el uranio -238 o -244 plutonio es un lugarproceso raro y muy lento; que constituye la base del método de datación de fisión-pista.Un nucleido m ay ser inestable con respecto a dos procesos de desintegración sim ultaneously y la

probabilidades de posición decom por cada proceso son aditivos. Por ejemplo, potasio -40(40K) decae dualmente en 40Ca por p - emisiones y en 40Ar por captura de electrones; este esconocido como m oda ramificada de la desintegración radiactiva.

EJERCICIOS

1. Dar a los tres primeros números cuánticos de un electrón en un orbital 3p.2. Encontrar la fórmula electrónica de los elementos K, HF, y F. Com pare el orbital electrónicaconfiguración para K y Rb (bloque s), H f y Zr (bloque d), F y Cl (bloque p).Para cada elemento, que la configuración iónica debe ser el más estable?3. Trace la radio iónico y la primera energía de ionización en función del núm ero de Zprotones.4. W hich iones de Na +, K +, Rb +, M g2 +, Ca2 + tiene el radio Allest sm? ¿Por qué?5. W hy es el radio iónico de Yb (0,99 A) menor que el de La (1,16 A)?6. Calcular la energía de estabilización del campo cristalino (CFSE) en unidades de A para el comúniones Sc3 +, Ti4 +, V 5+, Cr3 +, M n2 +, M e2 +, Co2 +, N i2 +, Cu2 + y Zn2 + en octaédricaentornos tetraédricos frente en la configuración de alto espín.7. La base de datos PetDB (http://www.petdb.org/) recopila datos de iCal Geochem en medio del océanobasaltos del canto (M ORB). Tabla 1.3 da las concentraciones de los elementos de transiciónde la primera fila en algunas muestras vítreas de la Dorsal del Pacífico Oriental (EPR) y también el valor medio de estas concentraciones calculadas en M ORB de un conjunto mucho más amplio demuestras. N orm alize los datos para cada muestra que el valor medio, trazar la normalizadavalores contra el número atómico, y utilizar los resultados del ejercicio anterior ainferir w fraccionamiento hether se debe a la precipitación de M inerals en que estos elementosse encuentran en los sitios octaédricos (por ejemplo olivino, piroxeno) o a m inerals en el que podíanTambién residen en sitios tetraédricos (óxidos).8. Elementos El platino -group (PGE) constará de los siguientes elementos de transición: Ru(44), Rh (45), Pd (46), Os (76), Ir (77), y Pt (78) con sus números de protones dadas enparéntesis. Discuta cómo aplicar la teoría del campo cristalino a estos elementos y decidirlo que necesita saber para entender la química de su cristal.9. Deje que la longitud de un borde poliedro sea un y el radio de la esfera descrito circumR. Para ser un tetraedro se puede demostrar que R = (1/4) una V 6, w hile para un octaedroR = (1/2) una V 2. El radio iónico de O 2 - es 1.4 A. Calcula el radio de los cationesque ajustarse estrechamente en un sitio tetraédrico o octaédrica. Com pare con una mesa de radios iónicos(por ejemplo, http: // w w w.w ebelem ents.com)10. U so de los datos que figuran en la Tabla 1.4, dibujar un semi-logaritmo ic trama de la com posición de:(i) la norma condritas ordinarias lizados de condritas carbonáceas CI para disminuir50 por ciento tem peratura de condensación(ii) la norma corteza continental lizados a la EEB o primitivo m Antle por valores decrecientes

del valor de norma lizados(iii) la norma manto itive prim lizados primero en condritas carbonáceas CI, y luego acondritas ordinarias utilizando el mismo orden(iv) un basalto hawaiana y una norma de basalto dorsal oceánica lizados al manto itive primutilizando el mismo orden.11. U so de la primera parcela del ejercicio anterior, tratan de evaluar la tem peratura de condensaciónde los elementos para los que no se encuentra presente eter param.12. Uso de todas las parcelas y una tabla periódica, encontrar qué grupo de itrio elementos trivalentes(Y) es hom ologous a. Luego hacer lo mismo para el torio (Th) y uranio (U)