Grupy pierwiastków - wydzielone ze względu na ich cechy geochemiczne
Pierwiastki lotne
Pierwiastki semi-lotne
Pierwiastki główne
Metale przejściowe
Pierwiastki silnego pola
Metale szlachetne
Pierwiastki śladowe grupy litowców i wapniowców
Pierwiastki ziem rzadkich i podobne
Pierwiastki szeregu promieniotwórczego uran - tor
PRAWA KRYSTALOCHEMICZNE GOLDSCHMIDTA
1. Pomiędzy dwoma jonami diadochia możliwa jest gdy ich promienie jonowe różnią się od siebie mniej niż 15%.
2. Z dwóch diadochowo zastępujących się jonów mających równy ładunek, jon, który ma mniejszy promień, będzie łatwiej wchodził do sieci krystalicznej minerału.
3. Z dwóch jonów o tym samym promieniu, lecz różnym ładunku, łatwiej wchodzi do sieci jon z wyższym ładunkiem.
Częstość występowania pierwiastków (molowo) w krzemianach Ziemi
99.1% to O, Mg, Si, Fe, Al, Ca.
Jeśli uwzględnić jądro Ziemi to dojdzie jeszcze Ni i ewentualnie S. Reszta to pierwiastki śladowe.
Klark
Klark - przeciętna częstość występowania pierwiastka w konkretnym środowisku np. klark ziemski, klark skał magmowych, klark wagowy, klark atomowy (ilość atomów konkretnego pierwiastka na 100 atomów wszystkich pierwiastków w tym środowisku)
Pierwiastki główne - węgiel
Podstawowy budulec materii ożywionej (na naszej planecie!), fundament struktury związków organicznych. Odmiany alotropowe: grafit, diament, karbin, fullereny (sadza = bezpostaciowy węgiel, koks, węgiel drzewny są różnymi formami grafitu o większym lub mniejszym uporządkowaniu i wielkości kryształów). karbin - atomy węgla w tej odmianie tworzą ze sobą długie łańcuchy - dwa rodzaje, o podwójnym i mieszanym wiązaniu. (naprzemiennie pojedyncze i podwójne) - w naturze w kraterze meteorytowym w Niemczech.
Fullereny - sferyczne układy atomów węgla zbudowane z kilkudziesięciu atomów węgla. Podejrzewa się występowanie takich struktur w przestrzeni kosmicznej.
Węgiel - temperatura topnienia (ok. 3700°C).
W temperaturach pokojowych charakteryzuje się słaba reaktywnością. W wysokich temperaturach reaguje bezpośrednio z większością pierwiastków. W wierzchniej warstwie skorupy ziemskiej (litosfera, hydrosfera, atmosfera) zajmuje pod względem występowania ok. 14
miejsca (procenty wagowe).
Żaroodporność i dobre przewodzenie
Postać węgla, zwana węglem aktywnym cechuje się dużą zdolnością adsorpcyjna - zastosowanie w filtrach.
Pierwiastki główne - krzem
Pierwiastek półmetaliczny - po raz pierwszy wyizolowany w 1823 przez szwedzkiego chemika Jonsa Jakoba Berzeliusa.
Półprzewodnik.
Duża reaktywność - nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym; w pokojowych temperaturach - bardzo obojętny, wiąże się tylko z fluorem; w wyższych temperaturach reaguje z wieloma metalami, azotem, chlorem i tlenem atmosferycznym.
Praktycznie nierozpuszczalny we wszystkich kwasach - wyjątek, mieszanina kwasu azotowego i fluorowodorowego; łatwo rozpuszcza się w gorących ługach tworząc krzemiany. kamień dający ogień - krzemień.
Zawartość w skorupie ziemskiej wynosi około 28%. Najważniejsze związki to krzemiany (szczególnie litowców i berylowców), oraz SiO2,
Otrzymywanie - przez redukcje krzemionki magnezem, glinem, węglem lub węglikiem wapnia.
Pierwiastki lotne
Pierwiastki lotne - wysoka prężność par i niska temperatura wrzenia
Gazy szlachetne - zapełnienie ostatniej powłoki implikuje chemiczna obojętność i lotność
Duży promień atomu - oprócz He - stad trudno o miejsce w sieci krystalicznej.
Stężenie - zwykle podawane w STP cm3/g - (standard temperature and pressure: 273 K i 0.1 MPa; 1 cm3/g =4.46 × 10-5 mol/g).
Czynniki kontrolujące rozpuszczalność w krzemianach: ciśnienie, skład stopu, promień atomu.
Rozpuszczalność w krzemianach - zwykle 10-4 do 10-12 STP cm3/g (czyli 10-1 do 10-9 ppm). Głównie siły van der Waalsa.
Azot - mimo, że nie jest gazem szlachetnym może się podobnie zachowywać bo ma b. silne wiązanie N-N w azocie molekularnym (N2) - dlatego jest go dużo w atmosferze. Tworzy wiązania kowalentne - w stopie dominuje w formie jonu amonowego podstawiając K+, lub jest transportowany jako fazy
łatwo rozpuszczalna w roztworach wodnych
lotna podobnie/wraz z N2. W roztworach wodnych jon amonowy jest szybko utleniany do azotanów dominując wraz N2 - w warunkach egzogenicznych nowe porcje jonu amonowego powstają rozkładu związków organicznych (białek) a te powstają w roślinach w wyniku asymilacji głównie azotanów rozpuszczonych w wodzie - stad deficyt azotanów w wielu naturalnych środowiskach glebowo -wodnych.
Pierwiastki semi-lotne
Pierwiastki semi-lotne - są albo same w czystej postaci cieczą lub faza gazowa (Cl, Br) albo tworzą związki lotne (niemal zawsze dominują SO2 lub CO2 a pozostałe pierwiastki tej grupy towarzyszą im w śladowych ilościach, których stężenie jest kontrolowane przez warunki fizykochemiczne (np. stężenie SO2 zależy od ƒO2). ƒ - fugacity - lotność.
Rozpuszczalność siarczków w krzemianach (stopie) jest mała, stop jest zwykle bogaty w metale chalkofilne (Fe, Ni, Cu), krystalizują siarczki.
Zawartość CO2 w stopie zwykle przekracza jego stężenie (rozpuszczalność w krzemianach jest ograniczona), jest funkcja ciśnienia. Zmiana ciśnienia:
małe stężenia - ucieczka CO2-H2O,
duże stężenia wysoki stosunek CO2/H2O, CO2- tworzy fazę ciekła - krystalizacja węglanów gł. CaCO3 (karbonantyty) - częste w strefie ryftu wschodnioafrykanskiego.
Względna częstość występowania
Normalizacja
Względna częstość występowania - relative abundances
Normalizacja - dzielenie stężenia w badanym materiale przez stężenie w skale „wzorcowej” zwykle w chondrycie najbardziej reprezentatywnej dla stężeń składników nielotnych klasy CI.
PZR (REE) - nierozpuszczalne, niemobilne, także podczas metamorfizmu - informacja o
protolicie, hydrogeochamia oceanu
Pierwiastki silnego pola (high field strength (HFS) elements) - wysoki ładunek jonu, 4+
(Zr, Hf, Th, U), 5+ (Ta, Nb), +6 (U). Promienie jonowe (ionic radii) od 64 pm (Nb5+ i
Ta5+ do 76 pm Hf4+). Ich podstawienie wymaga zwykle co najmniej 2 innych jonów (ze względu na wysoki ładunek) a zwykle nie ma na to miejsca (ze względu na ich przeciętne, odpowiadające innym kationom, rozmiary) - jest to energetycznie trudne od utrzymania. Średnio niedopasowane - Zr i Hf,
Silnie niedopasowane - ....,
Tworzą w większości wiązania kowalencyjne
Wysoki potencjał jonowy implikuje nierozpuszczalność stąd niemobilność -
Zastosowanie: badanie pochodzenia starych (zmienionych) skał magmy strefy subdukcji -zubożenie w Ta i Nb - wniosek: magma powstaje częściowo z przetopienia skał osadowych uwodnionych, które ze wzgl. na słaba rozpuszczalność Ta i Nb są w nie ubogie.
Metale przejsciowe.
Chemia bardziej skomplikowana.
1 - minimum 2 stopnie utlenienia
2 - wyższa elektroujemność niż litowce i wapniowce - duża rola wiązania kowalencyjne
(np. S); wiązania w tlenkach i krzemianach są nadal jonowe, orbital d jest silnie kierunkowy co implikuje preferencyjna geometrie anionów koordynacyjnych czy ligandów.
Rozpuszczalność - zwykle słabsza niż litowców i wapniowców - bardzo zmienna i zależy od stopnia utlenienie i obecności anionów z którymi mogą tworzyć rozpuszczalne kompleksy koordynacyjne.
Kompatybilność - bardzo zmienna, w warunkach magmowych bardzo zależna od składu magmy stopu i faz krystalicznych:
Generalnie:
-średnia wysoka kompatybilność: Ti, Cu, Zn
-wysoka kompatybilność: Cr, Ni, Co
Syderofilne i/lub chalkofilne - wyjątek Mn
Metale szlachetne
Złoto i pierwiastki grupy platyny (Rh, Ru, Pd, Os, Ir, Pt). Generalnie nie wchodzą w reakcje tworząc trwałe fazy metaliczne.
Silnie syderofilne - m.in. stad rzadkie, ich stężenie w chondrytach jest 100 większe niż w krzemianowej frakcji Ziemi - prawdopodobnie ich główny zbiornik na Ziemi to jądro Ziemi.
Nieco chalkofilne - najbardziej Ir, najmniej Pt i Au - roztwory (stopy) siarczkowe są wzbogacone w metale szlachetne w stosunku do faz krzemianowych.
Pierwiastki Grupy Platyny (PGE - platinum group elements)
subgrupa Ir (Ir, Os, and Ru) -w chromitach (Fe, Mg)Cr2O4 jako roztworach stałych, w skałach ultramaficznych jako naturalne stopy z metalami rodzimymi i w siarczkach (np. Stillwater Complex of Montana),
subgrupa Pd (Rh, Pd, Pt) - asocjacje z magmowymi siarczkami Fe, Ni, Cu w gabrach
(np. Sudbury Complex of Ontario).
Inne formy występowania: kompleksy chloride and other halide - znaczenie złożotwórcze
Stopnie utlenienia - od +1 do +8,
Orbital d wpływa na wiązania
Tlenki Os i Ru na wysokich stopniach utlenienia są silnie lotne.
Facje geochemiczne
Tendencje do utrzymywania odpowiednich zakresów warunków fizykochemicznych i koncentracji lub usuwania pewnych grup pierwiastków.
Dobrym wskaźnikiem facji geochemicznych jest stopień utlenienia i postaci występowania żelaza i manganu.
Środowiska wodne - Klasyfikacja R. A. Bernera (1981)
- tlenowe - >10-6 mola O2 w wodach porowych - Fe3+ - hematyt goethyt, Mn4+ - brak subst. org.,
- beztlenowe - <10-6 mola O2 w wodach porowych - Fe3+ - Mn2+,
- siarczkowe, H2S >= 10-6 mola (piryt, markasyt, alabandyn Mn S), materia org.,
- nie siarczkowe, H2S < 10-6- mola
Środowiska morskie - Klasyfikacja Pustowałowa
siarkowodorowa
syderytowa
szamozytowa
glaukonitowa
utleniona
znaczenie historyczne, ale ciągle stosowana.
Facja siarkowodorowa
- izolowane, głębokie zbiorniki morskie (M. Czarne) - a wlew wód morskich poprzez otwarcie cieśniny Bosfor w czasie biblijnego potopu - wody morskie mogą jeszcze nawet nie być dobrze przemieszane. Obecność siarkowodoru - brak wolnego tlenu - nagromadzanie szczątków organicznych, warunki silnie redukujące.
Redukcja siarczanów do siarkowodoru, uwalnianie siarki z cysteiny i metioniny - anaerobowe bakterie siarkowe, Fe2+ i inne metale wytrącają się w siarczkach, substancje bitumiczne, łupki bitumiczne z siarczkami (cześć złóż miedzi LGOM).
Facja syderytowa
- CO2 - materia org. utleniana, brak wolnego tlenu, wytracenie syderytu FeCO3, bitumiczne łupki syderytowe
Facja szamozytowa
- koloidalna krzemionka - mała ilość substancji organicznej, warunki redukcyjne, Fe2+, wytrącają się glinokrzemiany warstwowe żelaza (szamozyt i turyngit - chloryty), krzemianowe oolity = rudy żelaza.
Facja glaukonitowa, Facja utleniona
Facja glaukonitowa - obecny wolny tlen, Fe2+ i Fe3+, pow. osadu jest zwykle granicą red/oks, glaukonit (potas, magnez, rubid, lit), fosforyty (gł. fosforan wapnia).
Facja utleniona - dużo wolnego tlenu - Fe3+ cześć Mn4+, brak subst. org., koncentracje wanadu i arsenu.
Niezależnie do klasyfikacji Bernera i Pustowałowa można wyróżnić facje
-metanowe - subst. org., (Fe2+ i Mn2+, syderyt, wiwianit, rodochrozyt często w warunkach brakicznych),
-nie metanowe - mało lub brak materii org., Fe2+ i Fe3+, w procesie diagenezy mogą nast. zmiany szczególnie, gdy jest mat. org.
Środowiska lądowe - facje geochemiczne:
laterytowa
orsztynowa (bielicowa)
pustyniowa i facja słonych jezior
rud żelaza
węglowa
Facja laterytowa
- gorący klimat, opady sezonowe, pełna hydroliza glinokrzemianów - wietrzenie alitowe, środ. utleniające, pełne utl. mat. org., Fe3+, odczyn alkaliczny - ługowanie krzemionki, pozostają wodorotlenki glinu i żelaza, lateryt.
Facja orsztynowa (bielicowa)
- środowisko zakwaszone, rozpuszczenie wodorotlenków w górnej części profilu glebowego - względne wzbogacenie w SiO2 - bielica (wybielenie osadu), brak Fe, glin tylko w krzemianach - Fe i Al wytrącają się głębiej - orsztyn (rdzawe barwy)
Facja pustyniowa i facja słonych jezior
- intensywna ewaporacja - nagromadzenie łatwo rozp. soli chlorki, węglany, borany siarczany), czasem wysokie Eh - powstawanie NO32-, JO3-, CrO42- (w złożach saletry chilijskiej)
Facja rud żelaza
- utlenianie żelaza i wytracanie w postaci wodorotlenków, płytkie zbiorniki śródlądowe.
Facja węglowa
- nagromadzenie substancji organicznej w zawodnionych zagłębieniach, warunki redukcyjne, syderyt, piryt.
Diageneza
Fizykochemiczne przeobrażenia, jakim podlegają osady w strefie hipergenezy
Dyferencjacja diagenetyczna - zmiany wewnątrz osadu - heterogenizacja chemizmu
Konkrecje - dyferencjacja diagenetyczna - częste znacznie złożotwórcze (syderyt, limonit, fosforyty, krzemienie, piryt i markasyt). Konkrecje dyferencjacji diagenetycznej
Metasomatoza diagenetyczna - osad podczas diagenezy ulega zmianom chemicznym na skutek doprowadzenia niektórych pierwiastków. Konkrecje metasomatozy diagenetycznej, sylifikacja, dolomityzacja, syderytyzacja, fosforytyzacja, pirytyzacja.