GEOCHEMIA

WYBRANYCH PIERWIASTKÓW

Pierwiastki w minerałach i skałach

W zależności od zawartości pierwiastków
w minerale czy w skale mówimy o:

pierwiastkach głównych

(występują w ilościach

większych niż 1% wag.)

pierwiastkach śladowych

(występują w ilościach

mniejszych niż 0,1% wag.)

To rozróżnienie nie jest ścisłe, raczej zwyczajowe.
Pierwiastek może być uznany za śladowy w

jednym minerale a główny w innym minerale czy
w skale.

Pierwiastki w minerałach i skałach

Chemicznie minerały są naturalnie występującymi

pierwiastkami (pierwiastki rodzime) lub związkami
chemicznymi np. tlenki, siarczki i siarkosole, halogenki,
węglany, siarczany, azotany, fosforany, arseniany,
wanadany, krzemiany i glinokrzemiany i wiele innych:

CaMg[CO

3

]

2

dolomit

Ca

5

[OH|(PO

4

)

3

]

hydroksylapatyt

(Fe, Mg)

2

[SiO

4

]

oliwin

Al

2

[(OH)

4

|Si

2

O

5

]

kaolinit

(Na,Ca)[(Al,Si)

4

O

8

] labrador

(grupa plagioklazów)

NaCa

2

(Mg

4

Al)[(OH)

2

|Al

2

Si

6

O

22

] pargasyt

(grupa

amfiboli)

Układ okresowy.

Grupy pierwiastków według ich własności

Metale

Na, K i inne metale alkaliczne

• silnie elektrododatnie metale o dużych promieniach jonowych

tworzące jony +1 i wiązania w przewadze jonowe

• sód i potas są składnikami minerałów skałotwórczych, pozostałe

litowce występują jako podstawiające się pierwiastki śladowe

• są niekompatybilne i koncentrują się w kwaśnych magmach i

pegmatytach

• ok. 15% ciepła powstającego w skorupie ziemskiej i

opóźniającego stygnięcie naszego globu pochodzi z rozpadu
radioaktywnego

40

K

• izotopowe analizy potasu i rubidu oraz produktów ich rozpadu

znajdują znakomite wykorzystanie w geochronologii i w
petrologii

• halit NaCl czy sylwin KCl doskonale rozpuszczają się w wodzie
• halit jest eksploatowany głównie na potrzeby przemysłu

chemicznego a sylwin i inne sole potasowe na potrzeby nawozów
rolniczych

Na, K i inne metale alkaliczne

• Które z metali alkalicznych tworzą izotopy promieniotwórcze

istotne geologicznie? Jakie to izotopy i jakie mają znaczenie?

• Dlaczego Li ma właściwości geochemiczne nieco odmienne od

pozostałych metali alkalicznych?

Mg, Ca i inne metale ziem alkalicznych

• są to elektrododatnie metale tworzące jony +2
• podobieństwo promienia jonowego pomiędzy Mg

2+

i Fe

2+

powoduje,

ż

e pierwiastki te często współwystępują w wielu minerałach

skałotwórczych na przykład w oliwinach, granatach, piroksenach i
amfibolach, biotycie, chlorytach itd.

• magnez jest jednym z głównych kationów wody morskiej
• wapń też jest istotnym składnikiem wody morskiej i to właśnie

węglany i siarczany wapnia stanowią istotny składnik ewaporatów.
Kalcyt jest zdecydowanie najpowszechniejszym minerałem wapnia
a większość Ca związana jest w skałach osadowych: wapieniach,
dolomitach, marmurach i łupkach węglanowych

• Mg jest też nadzwyczaj ważnym biopierwiastkiem wchodząc w

skład chlorofilu

• przemysłowo minerały i związki wapnia to składniki surowców

budowlanych: wapna, cementu itp. Magnez jako metal zużywany
jest głównie do produkcji lekkich stopów

Glin Al

• Najpowszechniejszy metaliczny pierwiastek w skorupie

ziemskiej

• Tlenek Al

2

O

3

ma właściwości amfoteryczne

(co to znaczy?)

• Tlenek Al

2

O

3

jako minerał korund jest też jednym z

twardszych minerałów, a zabarwione odmiany stanowią
kamienie szlachetne (rubiny, szafiry).

• Glin wchodzi w skład wielu podstawowych minerałów

skałotwórczych z grupy glinokrzemianów

• Główną rudą Al jest boksyt, produkt wietrzenia w warunkach

tropikalnych

(jak otrzymuje się metaliczny glin z rudy?)

• Selektywne wietrzenie jest też odpowiedzialne za powstawanie

bogatych w Al złóż minerałów ilastych (np. kaolinit)
wykorzystywanych do produkcji wyrobów ceramicznych

• Selektywne wymywanie prowadzi też do powstawania gleb

bielicowych

KAlSi

3

O

8

+ 2H

2

O ⇒

⇒

⇒

⇒

Al(OH)

3

+ 3SiO

2

+ KOH

NaAlSi

3

O

8

+ 2H

2

O ⇒

⇒

⇒

⇒

Al(OH)

3

+ 3SiO

2

+ NaOH

Glin Al

• intensywne wietrzenie w klimacie tropikalnym powoduje, że

powstają boksyty: zwietrzelina wzbogacona w tlenki i wodorotlenki

albit

albit

ortoklaz

ortoklaz

gibbsyt

gibbsyt

gibbsyt

gibbsyt

• aluminium znajduje zastosowanie w budownictwie i technice

niemal wyłącznie jako stop z odpowiednimi dodatkami co daje
lekki, wytrzymały i odporny na korozję materiał konstrukcyjny
wyśmienicie przewodzący ciepło i elektryczność

Metale przejściowe

• Tworzą blok d w układzie okresowym np. w okresie 4 od Sc

do Cu.

(dlaczego Zn, Cd czy Hg nie należą do metali bloku d?)

• W większości tworzą

związki i stopy o pożądanych

właściwościach mechanicznych i elektrycznych i znajdują
liczne zastosowanie przez co są poszukiwanymi surowcami

• W większości mogą występować na różnych stopniach

utlenienia wchodzą więc w reakcje redoks w środowisku

• Jeśli posiadają niesparowane elektrony na podpoziomie d to

są odpowiedzialne za właściwości magnetyczne minerałów
(np. Fe, Co, Ni): nawet jeśli taki atom utworzy związek
chemiczny to niesparowane elektrony d nie biorą udziału w
tworzeniu wiązań i pozostają niesparowane

• tworzą związki kompleksowe i w wielu wypadkach wywołują

barwę

w

minerałach

(rozszczepienie

poziomów

energetycznych w polu krystalicznym, efekt Jahna-Tellera)

Rudy i hutnictwo

• Jakie związki/minerały stanowią składniki najważniejszych

rud żelaza?

• Na czym polega hutnicze wytapianie żelaza? Na czym polega

produkcja stali i żeliwa? Na czym polega hartowanie stali?

• W jaki sposób przerabia się rudę miedzi? Gdzie w Polsce

występuje miedź?

• W jaki sposób przerabia się rudy Zn i Pb? Gdzie w Polsce

występują rudy tych metali?

• Z jakich surowców w Polsce odzyskuje się Ag i Au?

• Przykłady szkodliwości tzw. metali ciężkich dla środowiska

Krzem i krzemiany

• krzem leży w czwartej głównej grupie układu okresowego: ma

4 elektrony walencyjne i pośrednią elektroujemność, wiązania
mają w przewadze charakter kowalencyjny, nie jonowy

• w minerałach krzemianowych (i w stopach magmowych)

podstawowymi cegiełkami chemicznymi są

przestrzenne

formy, w kształcie tetraedrów, z atomem Si

w środku i czterema atomami tlenu w narożach

• dlatego krzem określa się angielskim terminem „network

former”, czyli pierwiastek tworzący szkielet, sieć krystaliczną
minerału, w przeciwieństwie do jonów Mg

2+

, Fe

2+

i in.

nazywanych

„network

modifiers”

czyli

pierwiastki

modyfikujące sieć. W ten sposób powstają różne struktury
minerałów krzemianowych i glinokrzemianowych.

Krzem i krzemiany

Wielokrotne łączenie się tetraedrów krzemianowych w wielkie
struktury przestrzenne przypomina polimeryzację organicznych
związków

węgla.

Wiązanie

kowalencyjne

powstaje

przez

uwspólnienie elektronów.

W tetraedrze SiO

4

każdy atom tlenu tworzy wiązanie wykorzystując

jeden swój elektron i jeden elektron atomu krzemu. A więc
wszystkie elektrony krzemu są wykorzystane, ale każdy atom tlenu
ma jeszcze jeden elektron do wykorzystania do utworzenia dalszych
wiązań.

Krzem i krzemiany

Polimeryzacja wszystkich dostępnych tetraedrów krzemotlenowych
ze sobą prowadzi do powstania przestrzennej struktury kwarcu,
którego wzór można by zapisać jako (SiO

4

)n. Tetraedry łączą się ze

sobą silnymi wiązaniami atomowymi, przez co kwarc ma dość dużą
twardość a ponieważ wszystkie wiązania mają tą samą siłę kwarc nie
wykazuje łupliwości.

Krzem i krzemiany

W kwarcu atomy połączone są wiązaniami atomowymi. Gdy podczas
krystalizacji stopu krzemianowego znajdują się w nim w dużej ilości
jony elektrododatnich pierwiastków metalicznych (np. Mg

2+

, Fe

2+

) to

mogą one utworzyć z tetraedrami SiO

4

(o nominalnym ładunku 4-)

wiązanie o bardziej jonowym charakterze. Tak powstają
oliwiny np. forsteryt Mg

2

SiO

4

,

granaty np. almandyn Fe

3

Al

2

(SiO

4

)

3

czy

cyrkony ZrSiO

4

.

W minerałach tych nie ma bezpośredniego wiązania pomiędzy
poszczególnymi tetraedrami, cegiełki SiO

4

spojone są jonami metalu

i w efekcie, podobnie jak w przypadku kwarcu, oliwiny czy granaty
nie wykazują łupliwości.

oliwin

granat

cyrkon

Krzem i krzemiany

Częściowa polimeryzacja powoduje, że tetraedry SiO

4

tworzą

łańcuchy i warstwy, które spojone są

bardziej jonowymi

oddziaływaniami w obecności jonów Na

+

, K

+

, Mg

2+

, Ca

2+

, Fe

2+

, Fe

3+

,

Mn

2+

i innych. Tak powstają na przykład struktury piroksenów i

amfiboli. Długie łańcuchy ułożone są równolegle do wydłużenia

kryształów powodując, że pirokseny i amfibole mają pokrój

słupkowy i igiełkowy. A ponieważ łatwiej jest rozerwać jonowe

oddziaływania pomiędzy łańcuchami niż silne atomowe wiązania

wzdłuż łańcuchów, więc płaszczyzny łupliwości w tych minerałach

biegną równolegle do łańcuchów a więc i równolegle do wydłużenia

kryształów.

Krzem i krzemiany

Krzem i krzemiany

pirokseny widziane w dół wydłużenia słupa

kierunki łupliwości

Krzem i krzemiany

Krzem i krzemiany

amfibole widziane w dół wydłużenia słupa

kierunki łupliwości

Krzem i krzemiany

W krzemianach warstwowych tetraedry połączone są trzema
narożami tworząc warstwy. Wiązania w obrębie warstw są znacznie
silniejsze niż

oddziaływania pomiędzy warstwami: powstaje

łupliwość jednokierunkowa równolegle do ułożenia warstw.

muskowit

Krzem i krzemiany

Możliwa jest częściowa substytucja atomów glinu Al za atomy
krzemu Si w strukturze krzemianów. Podstawienie trójwartościo-
wego

jonu Al

3+

za czterowartościowy Si

4+

wymaga jednak

skompensowania niedoboru ładunku dodatniego i pozwala na
przyjęcie kationów metali, tak jak to ma miejsce na przykład
w skaleniach potasowych KAlSi

3

O

8

czy

w plagioklazach NaAlSi

3

O

8

i CaAl

2

Si

2

O

8

.

albit

anortyt