Tema 1 Introducción. Elementos,. Análisis geoquímicos

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GEOQUÍMICA

TEMA 1: INTRODUCCIÓN. GEOQUÍMICA. ANÁLISIS

GEOQUÍMICOS. ELEMENTOS QUÍMICOS.● Geoquímica: parte de la ciencia que estudia la composición química y evolución de

la Tierra y el Sistema Solar. Consta de las siguientes ramas:

- Cosmoquímica (cosmochemistry): química de la materia cósmica a partir de la

cual se formó el Sistema Solar.

- Geoquímica de alta temperatura ( solid Earth geochemistry): química de la

corteza, manto y núcleo terrestres.

- Geoquímica de baja temperatura (low T, aqueous geochemistry): química de

los oceános y la atmósfera y química de los procesos implicados en la

meteorización de rocas.

- Geoquímica orgánica (organic geochemistry): química de las moléculas

orgánicas presentes en sistemas naturales.

- Prospección geoquímica: química aplicada a los recursos naturales.

- Medio ambiente: química aplicada al medio ambiente.

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA GEOQUÍMICA (CV)

1. Tabla periódica.

Mendeleev (1871) demostró que, si se ordenan los elementos químicos por número

atómico ascendente, los elementos con propiedades similares quedan agrupados. Los

elementos químicos tienen, por tanto propiedades periódicas:- Punto de fusión.

- Energía de formación.

- Radio atómico.

- Energía de ionización.

En base a dichas propiedades, se clasifican los elementos en grupos con propiedades

comunes: alcalinos, alcalino-térreos, metales de transición, halógenos, gases nobles, etc.

- Alcalinos y alcalino-térreos = Llenan orbitales s



- Del III (B) al VIII (He) = Llenan orbitales p

- Entre medias (metales de transición) = Llenan orbitales d

- Lantánidos y actínidos = Llenan orbitales f

● Radio atómico

El radio atómico es la distancia entre el núcleo y la “capa” de electrones más externa.

Aumenta hacia abajo en las columnas de la tabla periódica, ya que los electrones se

van colocando en capas cada vez más externas.

Disminuye hacia la derecha dentro de una misma fila, porque al ir aumentando el

número de protones en el núcleo, éstos atraen con más fuerza a los electrones

próximos, por lo que el átomo sufre una pequeña contracción. Este efecto esespecialmente patente en los lantánidos (contracción lantánida).

2. De elementos a minerales: números de coordinación y enlaces

químicos.



El intercambio de electrones entre los elementos permite la formación de aniones y

cationes, así como su incorporación a las estructuras cristalinas.

En función de su radio iónico, los elementos van a ocupar distintas posiciones dentro delas estructuras de los minerales. Las estructuras dependen, en cada tipo de minerales, de

la combinación del elemento que caracteriza al grupo, con el oxígeno.

El número de coordinación expresa el número de átomos que rodean a uno

determinado.

Los elementos que ocupen las diversas posiciones en la estructura cristalina van a

depender tanto del tamaño del hueco (cationes grandes en huecos grandes y viceversa)

como de la necesidad de mantener la neutralidad eléctrica.

● Tipos de sustituciones en minerales.

- Simples: elementos con radio iónico similar y valencias iguales. Ej.: Mg 2+ por

Fe2+ en ferromagnesianos.



- Acopladas: Elementos con radio iónico similar pero valencias distintas. Ej.: Si4+

por Al3+ en silicatos (hueco tetraédrico) tiene que compensarse con la entrada de

un catión con más carga en el hueco octaédrico, donde normalmente hay

cationes divalentes (por ejemplo, Mg2+ por Al3+ ó Cr 3+)

El radio iónico varía también según el número de coordinación que tenga un

determinado catión o anión en la estructura de un mineral. Ej.: el radio iónico de Fe3+ es

en coordinación tetraédrica 0.63Å y en coordinación octaédrica 0.69Å.

3. Clasificaciones geoquímicas de los elementos.

● Elementos compatibles e incompatibles.Los elementos compatibles son aquellos adecuados para entrar en las estructuras de los

minerales más comunes.

- COMPATIBLES con la mineralogía del manto: (Si, Al, O) Mg, Fe, Ca, Cr, Ni,

Co.

- COMPATIBLES con la mineralogía de la corteza: (Si, Al, O) Ca, Na, K, Sr,

(Rb, Ba)

● Clasificación por afinidad geoquímica.

- Siderófilos: afinidad por el hierro; se concentran en el núcleo terrestre (manto):

Fe-Co-Ni-Re-Os-Au-EGP

- Calcófilos: alta afinidad por el azufre, con el que forman sulfuros: Cu-Zn-Ag-

Cd-Hg-Pb-As-Sb-Bi-Se

- Atmófilos: elementos en general gaseosos que se concentran en la atmósfera: H-

C-N-O-Gases nobles

- Litófilos: resto de elementos; se concentran en los minerales del manto y de la

corteza.

4. Reservorios y su composición.

Los reservorios son grandes unidades de rocas, agua o gas cuya composición media es

característica y claramente diferente de la de los demás.

Como principales reservorios tenemos:



- Manto (litosfera, astenosfera, manto inferior): Rocas ricas en magnesio

- Corteza (superior, inferior, continental, oceánica): Rocas ricas en sílice

- Núcleo: Fe-Ni

- Atmósfera: O-N-Ar-H-C

- Aguas superficiales / Aguas marinas: Ca-Na-Mg-Cl-S-O-C

La composición de los distintos reservorios no es algo estático, sino que cambia y

evoluciona con el tiempo. Dicho cambio implica una diferenciación geoquímica.

5. Análisis geoquímicos.

Un análisis geoquímico es cualquier medida que proporciona información acerca de la

composición química de una muestra natural (o ambiental). Los tipos de análisis más

comunes miden:

1) Concentración de elementos o compuestos.

2) Qué proporción de un mismo elemento se encuentra en una u otra forma

química. Ej: Fe2+ y Fe3+, sulfuro-sulfato, etc.

3) Cantidades relativas (relaciones) de isótopos de uno o varios elementos. Ej:

Relación 87Sr/86Sr; 238U/204Pb.

Los análisis geoquímicos se realizan no para obtener datos, sino para resolver

problemas o contestar a posibles dudas.

Distinguimos entre:

- Análisis cualitativos: Lista de elementos o compuestos que se encuentran en

concentraciones detectables en una muestra problema. La información que

proporciona este tipo de análisis tiene un valor meramente informativo, útil para

la identificación.



- Análisis cuantitativos: miden las concentraciones de los elementos,

compuestos, isótopos o especies químicas presentes en una muestra

Los elementos de una muestra pueden clasificarse en función de su concentración

relativa:

- Elementos mayores: concentración > 1% en peso. En rocas se expresan como el

porcentaje en peso de su óxido más común, porque casi siempre son silicatos, en

los que el O se haya unido a los cationes. Suelen incluirse al final H2O+, CO2 y

H2O-, elementos volátiles o pérdida por ignición (loss on ignition, LOI).

- Elementos menores: concentración entre el 1 y el 0.1% en peso.

- Elementos traza: concentración < 0.1% en peso.

Algunos ejemplos de análisis geoquímicos son:

- Análisis globales (bulk) o de roca total: se realizan sobre muestras

homogéneas (roca molida, distintas fracciones de suelos, muestras de agua).

- Análisis puntuales: zonados de minerales dentro de una muestra; exsoluciones;

composición de inclusiones fluidas, etc.

- Análisis de especiación: determinación de distintas especies químicas para un

mismo elemento (típico en aguas): Ej: H2CO3, HCO3- y CO3

=.

- Análisis isotópicos: determinan la abundancia de cada isótopo de un elemento

problema en una muestra. Se miden las relaciones entre dos isótopos, porque se

pueden determinar con mayor precisión que las concentraciones “brutas” de

cada isótopo. Pueden realizarse en la totalidad de la muestra o solo en puntos

locales.

Los análisis miden concentraciones, que pueden ser expresadas en distintas unidades demedida. Se entiende concentración en dos sentidos:



1) Concentración en sentido químico: cantidad de componente químico presente

por unidad de volumen de muestra. Ej: Aguas. Unidades de concentración:

gramos/litro (g/l); miligramos/litro (mg/l, utilizados para medir elementos

mayores en aguas), moles/litro (mol/l).

2) Geoquímica de rocas, suelos: cantidad de componente químico presente por

unidad de masa de muestra. Puede expresarse en porcentaje en peso o en partes

por millón (ppm, “gramos por cada millón de gramos de muestra”) ó μg/ g.

1 g = 1000 mg = 106 ppm

Para pasar de % en peso a ppm:

ppm = [(% en peso * Peso atómico) / Peso molecular] * 104

● Análisis cuantitativos e incertidumbres.

Los análisis cuantitativos nos dan medidas que están siempre sujetas a un error o

incertidumbre, que puede ser reducida pero nunca eliminada por completo. Sus fuentes

son el error aleatorio y el error sistemático.

- Error aleatorio: es debido a la precisión analítica, entendiendo como precisión

el grado de coincidencia de los valores de un análisis cuando éste se repite varias

veces bajo las mismas condiciones de medida. Sin embargo, el hecho de que se

obtengan los mismos valores no implica que éstos sean los correctos, sino

simplemente que el análisis es preciso.

El error aleatorio en análisis presenta generalmente una distribución normal

(campana de Gauss). La precisión se expresa como la media más / menos 2

veces la desviación estándar ( ± 2ẋ σ)

- Error sistemático: referido al sesgo y la exactitud del análisis. Se define sesgo(bias) como lo que se aparta del valor real la media de una serie de medidas. La

exactitud (accuracy) de un análisis nos indica cuánto se aparta del valor real

cada medida individual.

Los errores sistemáticos implican desviaciones siempre a la alta o siempre a la

baja y dependen de cada técnica utilizada. Pueden corregirse aplicando patrones

(certified reference materials, CRM ) elaborados a partir de muestras de

composición conocida.

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