Μάθημα 1 ο. - Κατανομή των χημικών στοιχείων - Ταξινομήσεις. Επικ. Καθ. Χ. Στουραϊτη Τομέας Οικονομικής Γεωλογίας - Γεωχημείας. Γεωχημεία Δ εξάμηνο 1

Transcript

1 Μάθημα 1 ο - Κατανομή των χημικών στοιχείων - Ταξινομήσεις Επικ. Καθ. Χ. Στουραϊτη Τομέας Οικονομικής Γεωλογίας - Γεωχημείας Γεωχημεία Δ εξάμηνο 1

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή (Ορολογία & Ταξινομήσεις) Περιοδικός Πίνακας - Περιοδικές ιδιότητες των στοιχείων 8-2

3 Τι είναι η γεωχημεία? το σύνολο των νόμων που διέπουν την κατανομή των χημικών στοιχείων και των ισοτόπων τους στη γη. Victor M. Goldschmidt ( ) 8-3

4 ΜΕΤΑΛΛΑ, ΑΜΕΤΑΛΛΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΛΛΟΕΙΔΗ 8-4

5 ΜΕΤΑΛΛΑ Μεταλλική λάμψη Όλκιμα Ελατά Θερμική αγωγιμότητα Καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα (ελαττώνεται με αύξηση θερμ.) Κρυσταλλικά στερεά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος Εξαίρεση: Hg (l) Ιοντικές ενώσεις Σύμπλοκες ενώσεις Ο μεταλλικός χαρακτήρας μειώνεται κατά μήκος μίας περιόδου, ενώ αυξάνεται από πάνω προς τα κάτω σε μία ομάδα Φωτ. 1. Μεταλλικό ορυκτό: Σιδηροπυρίτης (Pyrite) - FeS 2 8-5

6 ΑΜΕΤΑΛΛΑ Μονωτές Στη θερμοκρασία περιβάλλοντος άλλα είναι στερεά και άλλα είναι αέρια Εξαίρεση: Br 2 (l) Ομοιοπολικές ενώσεις 8-6

7 ΜΕΤΑΛΛΟΕΙΔΗ Ιδιότητες και χαρακτηριστικά τόσο των μετάλλων, όσο και των αμετάλλων Ημιαγωγοί Ο πιο γνωστός: Si 8-7

8 Ταξινόμηση των χημικών στοιχείων (κατά Goldschmidt) Το άτομο είναι το βασικό δομικό συστατικό των ορυκτών. Η ύλη είναι μια ειδική μορφή της ενέργειας, έχει μάζα και καταλαμβάνει χώρο. Ούτε η ύλη ούτε η ενέργεια μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν - μπορούν μόνο να μετατραπούν από μια μορφή σε άλλη. Η ενέργεια είναι η ικανότητα της ύλης να παράγει έργο και έχει διάφορες μορφές, όπως οι εξής: - Δυναμική, Κινητική, Ηλεκτρική, Θερμική, Χημική, Πυρηνική - Ακτινοβολίας (η μόνη μορφή στην οποία υπάρχει μια απουσία ύλης) Τα άτομα αποτελούν τη μικρότερη υποδιαίρεση της ύλης η οποία διατηρεί το χαρακτηριστικά των στοιχείων. 8-8

9 Λιθόφιλα στοιχεία Χαλκόφιλα Σιδηρόφιλα Ατμόφιλα Τεχνητά 8-9

10 Κύρια στοιχεία (major elements) Κύρια στοιχεία: από τα στοιχεία αυτά σχηματίζονται το 99% των πυριγενών πετρωμάτων. 11 στοιχεία: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Mn, P, Ti Η σχετική αφθονία των κύριων στοιχείων καθορίζει την αναλογία των κύριων πετρογενετικών ορυκτών, όπως των αστρίων, του χαλαζία, των φυλλοπυριτικών ορυκτών, του ολίβίνη, των πυροξένων, των αμφιβόλων. Γεωχημικές διεργασίες στο εσωτερικό της γης 10

11 Ιχνοστοιχεία (trace elements) Ιχνοστοιχεία: δεν υπάρχει αυστηρός ορισμός. Συνήθως η αφθονία τους στα πετρώματα είναι < 0,1% στην επί τις % κατά βάρος σύσταση τους. Γεωχημικές διεργασίες στο εσωτερικό της γης 11

12 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΧΩΡΩΝ 8-12

13 Σύσταση του στερεού φλοιού της Γης 8-13

14 Χημική σύσταση επι τις % κατά βάρος επί τις % κατ όγκο επι τις % αριθμός ατόμων 8-14

15 Μετατροπή μονάδων μέτρησης Γραμμομόριο - Mole = περιέχει x10 23 στοιχειώδεις μονάδες, 1 mole του H+= x10 23 H + ions, 10 mol FeOOH = x10 24 moles Fe, x10 24 moles O, x10 24 moles OH. Το mole μιας ένωσης (ή ενός ορυκτού) σχετίζεται με τη μάζα του σύμφωνα με τον τύπο του γραμμομοριακού βάρους (ΜΒ). άτομα. ΜΒ του S = g, έτσι grams S έχουν x10 23 S Γραμμομοριακότητα - Molarity = moles / liter διαλύματος Molality = moles / kg διαλύτη ppm = 1 μέρος (part) στο 1,000,00 (10 6 ) μέρη μάζας or όγκου 8-15

16 Table 8-3. Chemical analyses of some representative igneous rocks Peridotite Basalt Andesite Rhyolite Phonolite SiO TiO Al2O Fe2O FeO MnO MgO CaO Na2O K2O H2O Total

17 Η εξέλιξη της Γεωχημείας βασίστηκε στην πρόοδο των αναλυτικών τεχνικών Σύγχρονες αναλυτικές τεχνικές για την ανάλυση ολικού πετρώματος (whole ή bulk rock analysis) : - Φθορισμομετρία Ακτίνων (XRF) - Φασματογραφία μάζας (isotope dilution mass spectrometry) - ΝΑΑ - ICP MS Οι πλέον σύγχρονες αναλυτικές μέθοδοι αφορούν στη σημειακή ανάλυση ορυκτών σε κλίμακα λίγων μm με τη χρήση εστιασμένων δεσμών ηλεκτρονίων - SEM (EDX) - Electron Probe Microanalyzer (EDX και WDX) - Ion microprobe - Laser ablation ICP MS 8-17

18 Modern Analytical Geochemistry, edited by R. Gill, Addison Wesley Longman Limited,

19 Γεωχημεία Ιχνοστοιχείων Γιατί τα ιχνοστοιχεία είναι σημαντικά γιατι μας δίνουν πληροφορίες: - για τις συνθήκες κρυστάλλωσης των ορυκτών, - την σύσταση και την προέλευση του μάγματος 8-19

20 Ιχνοστοιχεία στα ορυκτά Θέσεις υποκαταστάσεων κυρίων στοιχείων από ιχνοστοιχεία στο πλέγμα των ορυκτών: Α) Στη θέση κύριου στοιχείου: Ni +2 -> Mg +2 στον κρύσταλλο του ολιβίνη (φοστερίτη Mg2SiO4) B) Κενές θέσεις Γ) Εγκλείσματα Δ) Προσροφημένα στην επιφάνεια ορυκτών με χαλαρό δεσμό 8-20

21 Γεωχημεία ιχνοστοιχείων Σκοπός του μαθήματος είναι η θεωρητική κατανόηση της συμπεριφοράς των ιχνοστοιχείων Σύστημα: ορυκτά πυριτικά τήγματα 8-21

22 Γεωχημεία Ιχνοστοιχείων Στοιχεία που δεν συμμετέχουν (στοιχειομετρικά) στον χημικό τύπο μιας ορυκτής φάσης. Δεν επηρεάζουν σημαντικά τις φυσικοχημικές ιδιότητες του μάγματος. 8-22

23 Υποκαταστάσεις κυρίων στοιχείων Προκύπτουν οι συνεχείς σειρές συστάσεων των στερεών διαλυμάτων (Πετρολογία Πυριγενών Πετρ.) Γεωχημικές διεργασίες στο εσωτερικό της γης 23

24 Υποκαταστάσεις των ιχνοστοιχείων Καθοριστική παράμετρος είναι το μέγεθος (ακτίνα ιόντος) σε σχέση με τη μέγεθος της κενής θέσης στο κρυσταλλικό πλέγμα Γεωχημικές διεργασίες στο εσωτερικό της γης 24

25 8-25

26 Ατομική Ακτίνα Η ατομική ακτίνα αυξάνεται: από πάνω προς τα κάτω μέσα σε μία ομάδα (αύξηση του ατομικού αριθμού) Όπως κατεβαίνουμε στην ομάδα, σε κάθε περίοδο, έχει προστεθεί μία στιβάδα, άρα τα άτομα γίνονται μεγαλύτερα σε μέγεθος. Η Li K Na Rb

27 Ατομική Ακτίνα Η ατομική ακτίνα μειώνεται από αριστερά προς τα δεξιά μέσα σε μία περίοδο Κατά μήκος μίας περιόδου τα ηλεκτρόνια προστίθενται στην ίδια (υπο)στιβάδα το πυρηνικό φορτίο αυξάνει τα ηλεκτρόνια έλκονται ισχυρότερα από τον πυρήνα

28 αύξηση του δυναμικού ιονισμού ελάττωση της ατομικής ακτίνας Αύξηση του ατομικού αριθμού αύξηση του δυναμικού ιονισμού ελάττωση της ατομικής ακτίνας αύξηση του ατομικού αριθμού 8-28

29 αύξηση της ηλεκτραρνητικότητας αύξηση της ηλεκτραρνητικότητας - τα μέταλλα είναι δότες ηλεκτρονίων (μικρές τιμές ηλεκτραρνητικότητας) - τα αμέταλλα είναι δέκτες ηλεκτρονίων (μεγάλες τιμές ηλεκτραρνητικότητας).

30 Ηλεκτραρνητικότητα & είδος χημικού δεσμού Ο δεσμός μεταξύ ατόμων με μεγάλη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας είναι ιοντικός. Ο δεσμός στα διατομικά στοιχεία είναι 100% ομοιοπολικός Ισχύς του χημικού δεσμού αυξάνει: Ομοιοπολικό Ιοντικό Μεταλλικό επηρεάζει τις φυσικές ιδιότητες του ορυκτού: σκληρότητα, σημείο τήξης, διαλυτότητα) 8-30

31 Κανόνες του Goldschmidt Ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει την κατανομή των διαφόρων στοιχείων στα διάφορα πετρώματα, είναι οι υποκαταστάσεις στοιχείων στο κρυσταλλικό πλέγμα των ορυκτών. 8-31

32 Κανόνες του Goldschmidt Κανόνες που διέπουν τις υποκαταστάσεις των ιόντων (ιχνοστοιχείων) στα ορυκτά, είναι οι εξής: 1. Οι ακτίνες των δύο ιόντων να διαφέρουν < 15% 2. Η διαφορά σθένους να μην είναι μεγαλύτερη από 1 και με την προϋπόθεση ότι διατηρείται η ουδετερότητα φορτίου στο ορυκτό. 3. Ιόντα με μεγαλύτερο ιοντικό δυναμικό σχηματίζουν ισυρότερους δεσμούς με τα ιόντα γύρω τους. 4. Ακόμα και άν οι προϋποθέσεις του μεγέθους και του φορτίου ικανοποιούνται, τα ιόντα θα πρέπει να έχουν παρόμοιες ηλεκτραρνητικότητες. 8-32