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Juan Pablo Bernal, L. Bruce Railsback Introducción a la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, vol. 25, núm. 2, 2008, pp. 236-246, Universidad Nacional Autónoma de México México Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=57225204

Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, ISSN (Versión impresa): 1026-8774 [email protected] Universidad Nacional Autónoma de México México

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Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, v. 25, núm. 2, 2008, p. 236-246 Bernal y Raislback

Introducción a la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra

Juan Pablo Bernal1,* y L. Bruce Railsback2 1

Instituto de Geología, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, 04510 Cuidad de México, México. 3 Department of Geology, University of Georgia, Athens, Georgia 30602-2501, EE. UU. * [email protected]

RESUMEN En el presente artículo se muestran los principios y ventajas que ofrece la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra, originalmente publicada en Railsback, L.B., 2003, An Earth scientist’s periodic table of the elements and their ions, Geology, 31(9): 737-740. A diferencia de la tabla periódica convencional, en donde únicamente se considera a los elementos en estado de oxidación cero, la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones acomoda a las especies de acuerdo a los estados de oxidación posibles en la naturaleza. Esto implica el reacomodo de algunas especies así como la aparición de algunos elementos en diversas posiciones. La clasificación de las especies de acuerdo a su estado de oxidación permite que las características intrínsecas de cada ión, polarizabilidad y potencial iónico (ϕ), pongan en evidencia algunas tendencias biogeoquímicas previamente elucidadas de manera semiempírica. A partir de la polarizabilidad es posible establecer patrones de reactividad y compatibilidad de los iones, mientras que el potencial iónico permite evidenciar tendencias en el comportamiento de los iones bajo diferentes condiciones de diferenciación geoquímica. Se muestra que la interacción de los diferentes iones con el ión óxido (O2-), modulada por el potencial iónico del catión, juega un papel fundamental en la mayoría de los procesos de diferenciación geoquímica, incluyendo hidrogeoquímica, intemperismo, petrogénesis ígnea, entre otros. Debido al amplio rango de aplicaciones, la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones tiene el potencial de convertirse en una herramienta de vital importancia para el estudioso en Ciencias de la Tierra. Palabras Clave: elementos, iones, tabla periódica, polarizabilidad, potencial iónico, clasificación.

ABSTRACT This paper presents the basic principles behind “An Earth Scientist’s Periodic Table of the Elements and Their Ions”, originally published in Railsback, L.B., 2003, An Earth scientist’s periodic table of the elements and their ions, Geology, 31(9): 737-740. In contrast to Mendelejeff’s periodic table, where all elements are classified according to their ground state (or oxidation state = 0), the Periodic Table of the Elements and Their Ions, classifies elements and ions according to their natural oxidation state. Consequently, some elements are displayed in several positions within the table, and some others have been relocated. The classification of the ions according to their oxidation state allows the visualization of trends based upon intrinsic characteristics of each ion (such as polarizability and ionic potential) that evidence the biogeochemical behavior of the elements and their ions. Many of those trends were only semi-empirically inferred until now. Reaction paths for different ions are deducted from their polarizability, whereas the ionic potential allows to infer the behavior of the ions under diverse geochemical differentiation processes.

La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra

237

It is shown that the interaction of different cations with the oxide ion (O2-) plays a pivotal role in most processes of geochemical differentiation, such as aqueous geochemistry, weathering, igneous petrogenesis, among others. Because of the wide range of applications, The Periodic Table of The Elements and Their Ions is a valuable tool for the earth scientist. Keywords: Elements, ions, periodic table, polarizability, ionic potential, classification.

INTRODUCCIÓN La Tabla periódica de los elementos propuesta por Mendelejeff (1869) ha probado ser una herramienta de gran utilidad para predecir las propiedades químicas y físicas de los elementos, incluso de aquellos que no existen de manera natural en la Tierra. A pesar de diversos esfuerzos recientes por mejorarla, la clasificación de los elementos propuesta por Mendelejeff hace casi 150 años sigue siendo parte fundamental de la instrucción química básica. Sin embargo, desde el punto de vista geoquímico, la tabla periódica tradicional presenta una serie de limitaciones que surgen, principalmente, del hecho de que describe las propiedades físicas y químicas de los elementos en su estado basal (o estado de oxidación = 0). Sin embargo, la mayoría de los elementos en la naturaleza ocurren con un estado de oxidación diferente de cero. Un ejemplo de esto son los metales alcalinos, tales como Li, Na, K y Rb; la tabla periódica tradicional permite establecer con gran precisión sus propiedades físicas y químicas, sin embargo, en ambientes naturales, siempre se encontrarán formando cationes univalentes, con propiedades químicas y físicas significativamente diferentes de sus análogos metálicos. Por ejemplo, los metales alcalinos en estado basal son altamente incompatibles con el agua, mientras que los iones correspondientes son altamente compatibles con ésta. Al y Si son otros ejemplos de elementos que muestran un comportamiento contrastante al de sus iones; mientras que Si4+ y Al3+ se encuentran entre los iones más abundantes en la corteza terrestre (McDonough y Sun, 1995), las especies elementales son muy poco comunes, pero no inexistentes. Aunado a lo anterior, varios elementos presentan más de un estado de oxidación de manera natural, y las propiedades geoquímicas de cada uno de ellos no pueden ser explicadas utilizando la clasificación periódica de Mendelejeff. En virtud de lo anterior, recientemente se ha propuesto una clasificación de los elementos y sus iones, que permite entender su comportamiento y asociaciones geoquímicas (Railsback, 2003), así como establecer las bases para la mineralogía sistemática (Railsback, 2005). De manera general, esta clasificación está basada en la estabilidad de los enlaces formados por los ácidos duros y blandos con los iones O2- y S2- (bases dura y blanda, respectivamente), así como en la densidad de carga de los diferentes cationes (potencial iónico), lo cual tiene implicaciones directas en el carácter del enlace formado con el ión O2-. Lo anterior implica que la interacción de los diferentes cationes con el oxígeno regula gran parte de los procesos de diferenciación

geoquímica. A diferencia de la tabla periódica de los elementos de Mendelejeff, la nueva clasificación permite explicar tendencias y agrupaciones de elementos y iones previamente observados de manera empírica en diversos ramos de la geoquímica. Como resultado se tiene una herramienta integral que puede aplicarse al entendimiento de diversos procesos geoquímicos, desde la diferenciación elemental en el manto de la Tierra, hasta procesos de intemperismo, hidrogeoquímica y mineralogía. De esta manera, el presente artículo pretende difundir entre la audiencia geológica de habla española las ventajas que ofrece la clasificación de Railsback (2003) para facilitar la comprensión de las propiedades geoquímicas de los elementos y sus iones.

PRINCIPIOS PARA LA CLASIFICACIÓN La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones ha sido organizada de acuerdo con la dureza o blandura de los iones. Se entiende como un ión duro aquel que posee una alta densidad de carga positiva alrededor del núcleo atómico y un radio iónico pequeño, por lo que la nube electrónica (carga negativa) alrededor del núcleo es poco deformable ante la influencia de un campo eléctrico externo (Figura 1a). Por otro lado, un ión blando posee una baja densidad de carga positiva alrededor del núcleo y es relativamente grande, de manera que la nube electrónica es fácilmente deformable ante la influencia de campos eléctricos externos (Figura 1b). Los términos “duro” y “blando” provienen de la teoría de ácidos y bases duros y blandos propuesta por Pearson (1963), la cual establece, de manera cualitativa, que cationes metálicos con alta carga y radio iónico pequeño (ácidos duros o tipo “A”), tienen la tendencia a asociarse de manera preferencial con ligantes o aniones pequeños y poco polarizables (bases duras, p. ej. F-, O2-). De manera contraria, aquellos cationes grandes y de baja densidad de carga (ácidos blandos o tipo “B”), correspondientes a iones que poseen electrones en la capa de valencia y que no han alcanzado su máximo estado de oxidación, tienden a asociarse preferentemente con ligantes grandes y polarizables (bases blandas, p. ej. S2-, Se2-). Como regla general, los ácidos duros reaccionan preferentemente con las bases duras y los ácidos blandos reaccionan preferentemente con las bases blandas (Cotton y Wilkinson, 1988), donde la “preferencia” debe entenderse como mayor velocidad de reacción y mayor conversión al

238

Bernal y Raislback

a)

b)

c)

Figura 1 Modelo conceptual simplificado ilustrando la polarizabilidad de dos cationes y las diferencias en potencial iónico (ϕ). a: Ejemplo de un ácido duro: catión monocargado y radio iónico pequeño lo que hace que la nube de electrones a su alrededor sea difícil de distorsionar. b: Ácido blando: ión con radio iónico grande y baja carga, lo que permite que la nube de electrones alrededor del núcleo sea fácilmente distorsionable, es decir el ión es polarizable. La línea punteada ilustra una posible deformación de la nube electrónica. c: Ión con alto potencial iónico, al poseer el mismo radio que (a), pero mayor carga (en este caso 3+), lo que se refleja en una mayor densidad de carga.

equilibrio (Cruz-Garritz et al., 1991). Asimismo, los enlaces formados entre ácidos y bases con el mismo carácter relativo de dureza son altamente estables y difíciles de romper, mientras que la interacción entre un ácido y una base con diferente carácter de dureza es poco estable. Como todo sistema de clasificación, existen casos de frontera donde las propiedades de dureza o blandura no están claramente definidas, tal es el caso de la mayoría de los elementos de transición, en donde el estado de oxidación es el factor determinante de la dureza del ión. De manera general, los ácidos intermedios o de frontera reaccionan preferentemente con bases blandas o de frontera, aunque el mismo carácter limítrofe de éstos los hace más proclives a generar casos “excepcionales”, tal es el caso de la anglesita (PbSO4), la cual es el producto de un ácido intermedio (Pb2+), con una base dura (SO42-). A pesar de diversos esfuerzos para parametrizar la dureza de los iones (Yamada y Tanaka, 1975; Parr y Pearson, 1983), dichos modelos no han facilitado la conceptualización de la propuesta cualitativa de Pearson (1995), por lo que resulta más sencillo asociar la dureza de los iones con la polarizabilidad. Ésta se refiere a la tendencia que presenta la nube electrónica alrededor de un ión a ser distorsionada por un campo eléctrico externo causado por un dipolo u otro ión cercano (Cruz-Garritz et al., 1991). Un ión duro presenta alta densidad de carga positiva cerca del núcleo, por lo que la nube electrónica alrededor de él no es fácilmente deformable, es decir es poco polarizable (Figuras 1a, 1c). Por otro lado, un ión blando se caracteriza por tener baja densidad de carga positiva cerca del núcleo, por lo que una carga o campo eléctrico externo puede deformar o polarizar fácilmente la nube electrónica alrededor de él (Figura 1b) (Cotton y Wilkinson, 1988). De manera formal, la poralizabilidad se define como la relación del momento dipolar inducido (μi) de un átomo a la intensidad del campo eléctrico (E) que produce el dipolo αi, de manera que: αi = μiE

(1)

Debido a que la polarizabilidad es una variable dependiente tanto de las características intrínsecas del ión (p. ej., carga, radio iónico, configuración electrónica, etc.), como de la magnitud del campo eléctrico impuesto a éstos, no es posible establecer una escala absoluta de polarizabilidad de los iones, a diferencia de otros parámetros como la electronegatividad y el radio iónico. Sin embargo, es posible encontrar diversos ejemplos que demuestran el comportamiento periódico e internamente consistente de la polarizabilidad relativa de los elementos y sus iones (CruzGarritz et al., 1991). La segunda característica intrínseca de cada ión que permite identificar tendencias geoquímicas en la tabla periódica de los elementos y sus iones es el potencial iónico (ϕ), el cual se define como: φ= z (2) r en donde z representa la carga del ión y r el radio iónico. En general, ϕ puede entenderse como la densidad de carga en el ión. De esta manera, dos iones con radios iónicos semejantes pero cargas diferentes tendrán valores de ϕ diferentes, y por ende diferente densidad de carga (Figura 1 a y c); al igual que dos iones con la misma carga y radio iónico diferente tendrán valores distintos de ϕ. La clasificación de los elementos y iones de Railsback (2003) no corresponde al primer intento en utilizar el potencial iónico de los iones como factor de clasificación. Victor Goldschmidt había visualizado un sistema de clasificación similar (Goldschmidt, 1937), pero no consideró que algunos elementos podrían aparecer varias veces en dicha clasificación debido a que presentan estados de oxidación múltiple. A diferencia de Goldschmidt, y de manera previa, Cartledge (1928a; 1928b) propuso una clasificación de elementos y iones que puede considerarse precursora de la que presenta Railsback (2003), ya que ésta sí consideraba el estado de oxidación de los iones en su localización dentro de la tabla periódica. Por otra parte, en petrología ígnea es común referirse a algunos elementos relevantes como “Large Ion

La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra

Lithophile Elements y High Field-Strength Elements” (también conocidos como LILE y HFSE, o elementos litófilos de radio iónico grande y elementos de alto potencial iónico o alto campo, respectivamente) con afinidades minerales diametralmente opuestas, y cuya definición está basada, precisamente, en la relación entre la carga y el radio iónico correspondiente (Albarede, 2003). La principal diferencia entre los esfuerzos anteriores y la clasificación de los elementos y iones de Railsback (2003) es la inclusión del trazo de contornos de potencial iónico, o contornos equipotenciales (Figura 2), que permiten identificar fácilmente grupos de elementos cuyo comportamiento es similar bajo diversas condiciones y procesos de diferenciación geoquímica. Cabe subrayar que la dureza o blandura de un ión es equivalente a su polarizabilidad, y es función del radio iónico y del número de electrones que posee en la capa de valencia. Aquellos iones sin electrones en la capa de valencia son poco polarizables y, por lo tanto, de mayor dureza que aquellos de tamaño similar pero que cuentan con electrones en la capa de valencia. Por otra parte, ϕ se refiere únicamente a la relación carga/radio del ión, por lo que dos iones con carga y radios similares tendrán valores de ϕ similares, lo cual no implica necesariamente que ambos iones compartan propiedades y/o afinidades geoquímicas. Los iones Na+ y Cu+ representan un buen ejemplo para ilustrar lo anterior: ambos cationes poseen radios iónicos semejantes (0.96 y 0.95 Å, respectivamente) por lo que, al poseer la misma carga, tienen valores muy similares de ϕ. Sin embargo, mientras que el Na+ es un ácido duro por no poseer electrones en la capa de valencia, el Cu+ es un ácido blando por poseer un electrón en la capa de valencia. Lo anterior tiene como consecuencia que el Cu+ no pueda sustituir al Na+ en los feldespatos debido a la incapacidad del primero para formar enlaces covalentes estables con O2- (Ringwood, 1955a). De manera similar, el Tl+ (ácido blando) no sustituye de manera isomórfica al K+ (acido duro) en ningún mineral, a pesar de que los radios iónicos de ambas especies (1.40 y 1.33 Å) permitirían pensar que dicha sustitución es factible. Cabe mencionar que, a pesar de la poca difusión de estos principios en las Ciencias de la Tierra, éstos han sido utilizados previamente para la descripción de distintos procesos geoquímicos (p.ej., Lasaga y Cygan, 1982; Abbott, 1994; Auboiroux et al., 1998; Tomkins y Mavrogenes, 2001).

DESCRIPCIÓN DE LA TABLA La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra (Figura 3) se encuentra organizada de acuerdo con la carga de cada una de las especies. La gran mayoría de las especies aparecen en posiciones similares que en la tabla periódica convencional. Sin embargo, algunos elementos que típicamente se encuentran en la parte derecha en una tabla periódica clásica (p. ej., B, C, Si), se han reubicado hacia la parte izquierda de la tabla como B3+,

239

C4+ y Si4+. Además, como ya se mencionó anteriormente, algunos elementos aparecen en varias posiciones como resultado de los diversos estados de oxidación que pueden presentar. Tal es el caso de P y U que aparecen dos veces, mientras que V, Fe, C y N lo hacen en tres ocasiones, y S hasta en cuatro ocasiones (S2-, Sº, S4+ y S6+). La tabla se encuentra separada en diversos bloques para diferenciar entre gases nobles, ácidos duros o tipo A, ácidos blandos o tipo B, especies elementales (sin carga) y aniones (Figura 3). Dicha separación permite racionalizar la interacción entre las diversas especies, ya que los ácidos duros reaccionarán preferentemente con las bases duras, mientras que los ácidos blandos son más compatibles con bases blandas. Un ejemplo de dicha tendencia es la solubilidad de los haluros de cationes duros y blandos. Como se puede observar en el recuadro 8 de la Figura 3, la mezcla de un ácido duro (Mg2+) con una base dura (F-), o un ácido blando (Ag+) con una base blanda (I-) produce los halogenuros sólidos más insolubles para los respectivos cationes. Por el contrario, los productos de un ácido duro con una base blanda (p. ej., NaI) o un ácido blando con una base dura (p. ej., AgF) resulta en los halogenuros más solubles de la serie correspondiente, debido a que el enlace catión-anión es poco estable. De la misma manera es posible explicar la inexistencia de sulfuros de Ca2+, o de otros ácidos duros, y justificar la existencia de óxidos y sulfatos de dichas especies. Por otra parte, la existencia de sulfuros minerales de elementos del grupo del Pt, y no de sus óxidos, representa un ejemplo del caso contrario. Otra diferencia importante entre la “Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra” y la tabla convencional, consiste en la aparición de los elementos naturales del grupo de los actínidos con los ácidos intermedios y duros, de esta manera Th4+ se encuentra por debajo del Hf4+, el U4+ por debajo del W4+ (todos intermedios) mientras que el U6+ se encuentra debajo del W6+ (ambos duros). Aunque dicho acomodamiento es poco convencional, las tendencias descritas en las siguientes secciones justifican dicho arreglo. La tabla también proporciona información útil como el nombre del elemento y/o ión, número y masa atómica, radio iónico, isótopos naturales de cada elemento, así como rutas de decaimiento radioactivo. Cada elemento y/o ión está acompañado por una simbología (Figura 4) que permite identificar algunas de las principales características biogeoquímicas de la especie, lo que ayuda al usuario en la identificación de tendencias naturales en la distribución de las especies correspondientes. Asimismo, el tamaño del símbolo del elemento/ión está escalado a su abundancia en la corteza terrestre.

PATRONES Y TENDENCIAS EN LA TABLA Los símbolos asociados a cada elemento y ión (Figura 3 y 4) indican si éstos se encuentran enriquecidos en mi-

240

Bernal y Raislback

Cationes “duros” o “Tipo A”

Cationes que se coordinan con H2O (o CO32- o SO42-) en disolución

m=1.0079 r=10-5

123

L i+

3

Cationes que se coordinan con OH- (o H2O) en disolución

Be

ión litio

m=6.941 r=0.60

2+

ión berilio

67

z /r = 1

4 B 3+

m=9.012 r=0.31

9

Cationes que se coordinan con O2- en disolución, (p.ej., NO3-, PO43-, SO42-, etc.)

Cationes que se coordinan con OH- (o O2-) en disolución

4+

5+ 6 N

5 C

ión boro

m=14.007 m=10.811 m=12.011 r=0.20 r=0.11 r=0.15 10 11 14 15 12 13 14 4+ 3+ 14 5+

Na+ 11 Mg2+12 A l 13 Si ión sodio

m=22.990 r=0.95

23

ión magnesio

m=39.098 r=1.33

39 40 41

ión calcio

2+

84 86 87 88

2+ 55 B a 56 ión bario

133

87

ión francio

(223) r=1.76 223

per-

4

40 Nb5+ 41

ión circonio

ión ytrio

ión cromo p.ej., 4

4+

ión niobio

Mo 6+

-

z /r =

42

Molibdeno en molibdatos

m=88.906 m=91.224 m=92.906 m=95.94 r=0.80 r=0.93 r=0.70 r=0.62 90 91 92 94 95 97 93 (96) 96 98 100 92 94 96 ? 89 4+ 3+ La 57- Hf 72 T a5+ 73 W 6+ 74 R e7+ ETR 71

m=132.905 m=137.327 r=1.35 r=1.69

F r+

16

Azufre en sulfato (SO42-)

m=47.867 p.ej., vandato cromato (CrO 2-) manganato r=0.68 m=50.942 m=51.996 (MnO ) r= r=0.59 r=0.52 0.25 46 47 48 50 51 50 52 53 54 49 50

38 Y 3+ 39 Zr

ión estroncio

85 87 ión cesio

(48)

44 46 48 ?

ión vanadio

ión titanio

45

40 42 43

m=85.468 m=87.62 r=1.13 r=1.48

C s+

Fósforo en fosfato (PO43- o HPO42-)

Ti

ión escandio

m=40.078 m=44.956 r=0.81 r=0.99

R b+ 37 S r ión rubidio

ión aluminio como Al3+ o Al(OH)n3-n

6+

15 S

P

silicato (SiO44-) o H4SiO4

z = 32 = Carga del ión / radio iónico r

m=24.305 r=0.65 m=26.982 m=28.086 m=30.974 m=32.066 r=0.41 r=0.50 r=0.29 r=0.34 24 25 26 32 33 34 36 28 29 30 31 F e3+ 27 F e2+ 5+ 6+ 3+ 4+ 7+ 2+ 20 S c 21 22 V 23 C r 24 Mn

K+ 19 C a ión potasio

7

Carbón p.ej., CO2, Nitrógeno bicarbonato (HCO3-) p.ej., ión nitrato NO3y carbonato (CO32-)

16

1

ión hidrógeno

z = / 4 z r= /r 2

Coordinan F>O>N=Cl>Br>I>S Se coordinan fácilmente con el O de grupos carboxilos de ligantes orgánicos (ver recuadros 1-5,7)

z /r =

H+

(Todos los electrones son removidos de la capa de valencia y, por lo tanto, poseen configuración electrónica de gas noble)

ión tántalo p.ej., tantalatos

ión hafnio

tungsteno en tungstatos

8

75

ión renio

m=178.49 m=180.948 m=183.84 m=186.207 r=0.81 r=0.56 r=0.73 r=0.68

130 132 Ver Abajo 174 176 177 180 182 183 134 135 136 170Y b 178 179 180 180 181 184 186 185 187 137 138 4+ 6+ 5+ 2+ 3+ 92 Np 93 P u Ra 88 A c 89 T h 90 P a 91 U ión radio

(226) r=1.40 223 224 226 228

ión actinio

ión torio

ión protactinio

?

m=227.03 m=232.038 r=0.95 r=1.18 (+3 r=1.14) 227 228

227 228 230 231 232 *234

(231) (+4 r=0.98)

231 234

uranio en uranilo (UO22+)

m=238.029 r=0.7 234 235*238

94

Plutonio

Neptunio

Ocurrencia Ocurrencia natural muy natural muy limitada limitada

237

?

239

z / r=

z/ = 2 r

z/ = 1 r

z = /r 8

4

Figura 2 Sección izquierda de la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones, en la que se ilustra los contornos equipotenciales. Obsérvese como, para cualquier periodo, ϕ (Ecuación 1) se incrementa de izquierda a derecha. La zona delimitada por los contornos ϕ=4 y ϕ=8 corresponde a aquellos cationes que forman óxidos minerales presentes en las fases ígneas de alta temperatura, poco solubles en agua y enriquecidos en suelos, sedimentos y nódulos de hierro-manganeso

r=0.63

r=0.64 2+

ión niquélico

ión cúprico

r=0.69

+

r=0.73

2+

ión rutenio

76

77

ión iridio

4+

Ir

ión plata

ión cadmio

ión indio

I n 1,3+

49

69 71

(1+ r=1.13)

m=69.723 r=0.62

ión galio

S

50

ión estanoso

Sn

70 72 73 74 76 2+

(2+ r=0.93)

m=72.61 r=0.53

ión germanio

50

r=0.71 G e4+ 32

ión estánico

S n4+

34

telurato

selenito (SeO32-)

ión antimonio p.ej., antimonitas

ión telurio p.ej., teluritas

2

2+

-)

53

ión iodato (IO3

m=74.922 m=78.96 r=0.50 r=0.69 74 76 77 75 78 80 82 4+ 3+ 52 I 5+ S b 51 T e

arsenito

r=0.56 r=0.62 4+ 3+ As 33 S e 34

antimoniato

S e6+ selenato (SeO42-)

r=0.42 r=0.47 S b5+ 51 T e 6+ 52

arsenato (AsO43-)

16 A s5+ 33

r=0.37

azufre en sulfito (SO32-)

78

ión platino

Pt

2+

79

ión oro

A u+

2+

82

83

ión bismutoso

B i 3+

Po

84 Polonio

comúnmente se coordinan con el C de compuestos orgánicos (p.ej: compuestos organomercurados)

Coordinan I>Br>S>Cl=N>O>F

(Contienen uno o varios electrones en la capa de valencia)

Cationes “blandos” o “tipo B”

= z/r

ión telúrico

r=0.95

ión mercúrico

r=1.10

4

3+

3+

r=0.84

Pb ión plúmbico

r=0.74

ión bismútico

Recuadro 7. Modelo conceptual sobre el comporta-

Cobalto

Co

27 Níquel

Ni

28 Cobre

Cu

29 Zinc

Zn

30

Pd

Rh Rodio

Ru Rutenio

Plata

Ag

47

Cadmio

Cd

48

Silicio

14

Indio

In

49

r=1.43

Estaño

Sn

50

r=1.34

Al S i Aluminio

7 Nitrógeno

N2

31° al 40° elementos más abundantes en la corteza terrestre

Antimonio

Sb

51

Teluro

Te

52

r=1.48 r=1.6

Selenio

Se As Arsénico

34

Azufre

16 S

Oxígeno

O2

8

33

r=0.77 r=0.71

(diamante o grafito)

6 C Carbono

Gases

21° al 30° elementos más abundantes en la corteza terrestre

Lu

76 Os Osmio

75 Re Renio

Ir

Iridio

77

80 Hg Mercurio

Au Pt

Oro

79 78 Platino

Pb Plomo

82 Talio

81 Tl

Bi

83 Bismuto

ión nitruro

6 N 3–

7

O2– 14 15

9

ión siliciuro

ión fosfuro

ión cloruro

19

m=18.998 r=1.36

ión fluoruro

–

m=1.0079 r=2.08 123

ión teluro

35

(7+ r=0.39)

I

53 ión ioduro

–

79 81 (82)

m=79.904 r=1.95

2–

83 Los únicos bismuturos minerales son de Pd, Ag, Pt, Au y Pb

m=208.980

ión bismuturo

Bi

85 Astatino

215 218 219

At

ión antimoniuro m=126.904 m=127.60 r=2.16 m=121.760 r=2.21 (7+ r=0.50) r=2.45 120 122 123 124 125 126 (124) 127 121 123 (128) (130) 128 130

51

m=78.96 r=1.98 74 76 77 78 80 82 T e 2– 52

35 37 ión bromuro

–

Br

L. Bruce Railsback, Department of Geology, University of Georgia, Athens, Georgia, 30602-2501 U.S.A. ([email protected]). Traducción por: Juan Pablo Bernal, Instituto de Geología, UNAM ([email protected]).

1

Sb

3–

75

m=74.922 r=2.22

34 ión selenuro

S e2–

32 33 34 36

Helio

2

Neón

10

34

18 Argón

36 Kriptón

86 Radón

218 219 220 222

(222)

Rn

132 134 136

124 126 128 129 130 131

m=131.29 r=2.1

Xenón

78 80 82 83 84 86 Xe 54

m=83.80 r=1.9

Kr

m=39.948 r=1.8 36 38 40

Ar

20 21 22

m=20.180 r=1.5

Ne

m=4.0026 r=1.2

He

(no se ionizan)

Gases Nobles

La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra

z /r

=–

33 ión arseniuro

A s3–

La mayoria de los silicuros y fosfuros naturales se encuentran en meteoritas y fases minerales del manto

m=28.086 m=30.974 m=32.066 m=35.453 r=2.71 r=2.12 r=1.81 r=1.84

ión sulfuro

16 17 18

1

– S i 4–14 P3– 15 S 2– 16 C l 17

12 13 14

La mayoria de los carburos y nitruros naturales se encuentran en meteoritas y fases minerales del manto

–

Hidrógeno como hidruros

H

8F Oxígeno en óxidos

m=12.011 m=14.007 m=15.999 r=1.71 r=2.60 r=1.40

ión carburo

C 4–

Aniones que comúnmente se coordinan con H+ (p.ej: CH4, NH3, H2S, H2O, etc.)

Ver recuadro 8

Aniones

Elementos considerados como principales constituyentes del núcleo de la Tierra (Fe>Ni>Co), posiblemente junto con SyO

11° al 20° elementos más abundantes en la corteza terrestre

Li

Los 10 elementos más abundantes en la corteza terrestre

Zr

Fe

r=1.34 r=1.34 r=1.37 r=1.44 r=1.56 r=1.66 r=1.58 r=1.61 r=1.7

Paladio

46

45

44

r=1.26 r=1.25 r=1.24 r=1.28 r=1.39

Hierro

Fe

26

(sin carga) aparte de los gases nobles

13

No metales

Elementos en forma nativa

5° al 8° más abundantes

Los 4 constituyentes más abundantes de la atmósfera

Elementos que forman aleaciones naturales minerales con Au

Elementos que forman aleaciones naturales minerales con Pt

Elementos que forman aleaciones naturales minerales con Os

Elementos que forman aleaciones naturales minerales con Cu

r=1.46 r=1.37 r=1.35 r=1.35 r=1.38 r=1.44 r=1.60 r=1.71 r=1.75 r=1.82

Tántalo

Ta

73

r=1.27

Cromo

Cr

24

reconocidos después de 1963)

reconocidos a partir de la Edad Media hasta 1862,

Elementos que forman aleaciones naturales minerales con Fe

(

Elementos que ocurren de manera nativa en la naturaleza, reconocidos antiguamente

Bernal y Railsback, Figura 3

Recuadro 8. Solubilidad de haluros de cationes duros y suaves

K

+

9

C 4+

5.5

Perovskita

Corindón

7.5-8

C a3.52+ Cal

5.5-6

H=

+

8.5

Crisoberilo

B 3+

8

Rutilo

T i 4+ >9

*

Cuarzo

7

Mg 2+EspinelaAl3+ S i4+ Periclasa

Na

Li Bromellita B e92+

+

3-3.5

V 5+

P 5+

N 5+

C r6+

S 6+

Recuadro 2: Dureza de óxidos minerales de cationes “duros”

K

+

+

K sp

1193

Na

Ab

Li

1700

+

Fe

2+

----Di An

3+ Cr -----

3+

Al 3+ 2345

723 E n

B

3+

Fe ----Cr

Fo

2+

3125

Mg2+

2681

Be

2+

Il

T i 4+

S i4+Q

Ab

An1996

216

C

4+

N

V 5+

855

P 5+

500

5+

S 6+ 290

C r 6+

Recuadro 3: Comportamiento de cationes “duros” a alta temperatura

T de fusión (K) para óxidos de cationes “duros”

Catión (delineado para cationes intermedios)

Cromita Forsterita Anortita

Minerales de acuerdo a la temperatura típica de cristalización*:

Los minerales se muestran con círculos cuyo diámetro es representativo de la proporción de cada catión

2103

T i 4+

1.4

–2.4

2+

C 4+

Rutilo

–9.7

T i 4+

Cuarzo

Al3+ S i4+ –3.9 –8.1 Corindón

+ 3+ K14.0 CalC a2+ S c

Periclasa

+ Na9.9 Mg

+

3+ Li4.4 B e2+ B2.77 Bromellita –7.4

S 6+

5+ V –7.6 C r6+

5+ P–1.37

N 5+

Recuadro 4: Solubilidad de óxidos minerales de cationes “duros”

Esta tabla fue originalmente publicada por la Geological Society of America en inglés en GEOLOGY, v. 31, p. 737-740, doi: 10.1130/G19542.1 (”An Earth Scientist’s Periodic Table of the Elements and Their Ions” por L. Bruce Railsback), con apoyo de la United States National Science Foundation, número de contrato 02-03115. La versión 4.7 de la tabla ha sido publicada por la Geological Society of America en inglés dentro de la serie Maps & Charts, MCH092F, doi: 10.1130/2004AESPT, y puede adquirirse a través de la Geological Society of America.

190 192 193? (3+ r=0.85) 196 198 199 203 205 206 204 206 207 209 210 211 210 211 212 200 201 214 215 194 195 208 210 211 212 214 215 197 202 204 206 207 208 210 216 218 196 198 212 214 4+ 82 B i 5+ 83 Hg 2+ 80 T l 3+ 81

m=207.2 m=208.980 r=1.20 r=1.20

ión plomboso

81 Pb

m=204.383 r=1.40

ión teluroso

Tl

+

Elementos de Tierras Raras (ETR) (iones “duros” o “tipo A” en estado de oxidación 3+)

z /r

=4

191 193

80

m=200.59 r=1.19

ión mercuroso

Hg

+

3+ 964 G d 64 T b3+ 66 Ho3+ 67 E r3+ 68 T m3+ 69 Yiónb yterbio70 L u3+ 71 65 Dy ión gadolinio ión disprosio 3 ión erbio ión terbio ión lutecio ión holmio ión tulio m=173.04 3 m=157.25 m=162.50 m=167.26 r=0.94 m=158.925 r=0.99 m=164.930 r=0.96 m=168.934 (2+ r= 1.13) m=174.967 63 152r=1.02 r=0.93 154 155 r=1.00 r=0.97 156 158 r=0.95 168 170 171 162 164 166 176Hf 175 176 156 157 160 161 162 172 173 io 165 167 168 170 159 169 Ca ) 158 160 163 164 174 176 ?

3

ránidos (Z >94) no ocurren era natural 101: Mendelevio 102: Nobelio 103: Lawrencio 104: Rutherfordio 105: Hahnio (Dubnio)

184 186 187 188 189 190 192

o

ión paladio

46

m=65.39 r=0.74

m=63.546 64 66 r=0.96 67 68 70 63 65 2+ A g+ 47 C d 48

ión cuproso

/r = 8

30 G a3+ 31

z

4+

m=102.906 m=106.42 m=107.868 m=112.411 m=114.818 m=118.710 m=121.760 m=127.60 m=126.904 3+ r=0.81 r=0.44 r=0.89 r=0.97 r=0.86 r=1.26 r=0.90 r=1.12 1+ r=1.32 r=0.86 106 108 110 120 122 123 112 114 115 116 102 104 105 111 112 113 117 118 119 124 125 126 113 115 123 121 103 106 108 110 107 109 120 122 124 128 130 114 116

ión rodio

Pd

58 60 61 62 64 2+

r=0.72

ión niqueloso

m=190.23 m=192.217 m=195.078 m=196.967 r=0.96 r=1.37 r=0.69 r=0.66

ión osmio

Os

4+

3+ r=0.69 4+ r=0.67 96 98 99 100 101 102 104

m=101.07

45

59

m=58.933 r=0.74

ión cobaltoso

54 56 57 58 2+ R u3,4+44 R h

r=0.76

m=55.845

ión ferroso

ión zinc

Zn

4

2+

z /r =

z/ = 16 r

Aniones que forman minerales Au+

Aniones que forman minerales Ag+

Aniones que forman minerales Cu+

Cationes que se coordinan con O2-, (± H2O) en disolución

Iones escenciales para la nutrición de algunos vertebrados (minerales escenciales)

Elementos principales en meteoritas ferrosas (Fe>>Ni>>Co) y, junto con S y O, probablemente los elementos más abundantes en el núcleo de la tierra

Aniones que forman minerales con Al3+, Ti4+ y Zr4+

Solutos que son macronutrientes para plantas terrestres Aniones que forman minerales con Si4+

Aniones que forman minerales con Mg2+

Solutos que pueden ser nutrientes limitantes en los océanos

Solutos que son micronutrientes para plantas terrestres

Aniones que forman minerales con K+ y Na+

Cationes que forman minerales con base en un oxianión (p.ej: S6+ en sulfatos, A5+ en arsenatos)

Cationes que forman minerales de bromuros o ioduros simples

Cationes que forman minerales de sulfuros simples

Cationes que forman minerales de óxidos simples

Cationes que forman minerales de fluoruros simples

Iones en nódulos ferromangánicos procedentes del fondo del océano, enriquecidos con respecto al agua de mar

Iones que pueden ser limitantes para el crecimiento de bacterias

28 C u 29 F e 26 C o 27 Ni m=58.693

2+

ión cobáltico

ión férrico

17° a 22° solutos más abundantes

2° a 8° solutos más abundantes en agua de río

Soluto más abundante en agua de río (HCO3-)

9° a 16° solutos más abundantes

3+ F e 26 C o3+ 27 Ni3+ 28 C u 2+ 29

nSuO

de valencia)

os

potencial iónico o densidad de carga

z = carga del ión / r radio iónico =

vo (itálicas)

ndante (negritas)

Los 8 solutos más abundantes en agua marina

Iones compatibles con últimas fases cristalinas en rocas ígneas debido a su gran tamaño (pincipalmente LILE)

ico (r) (Å)

mico para la lemental)

Iones compatibles con primeras fases en cristalizar en rocas ígneas

con respecto a la composición del sistema solar

ero Atómico o de protones)

z /r = 2 z /r = 1

2

– z / r =

Iones comúnmente enriquecidos en suelos residuales o sedimentos (símbolo pequeño indica menor certeza)

2

Intermedios

Iones enriquecidos en CAIs (inclusiones ricas en Ca y Al en meteoritas)

1

=

1

– z / r =

Aniones con los que los cationes “duros” se coordinan preferentemente Aniones con los cuales los cationes “blandos” se coordinan preferentemente

Iones menos empobrecidos del manto en la formación de la corteza

8

=6

s ricos en -Ca-Ti

z r/

z/r=

H

H

La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra

241

Iones comúnmente enriquecidos en suelos residuales o sedimentos (símbolo pequeño indica menor certeza)

Iones menos empobrecidos del manto en la formación de la corteza Iones enriquecidos en CAIs (inclusiones ricas en Ca y Al en meteoritas)

Iones en nódulos ferromangánicos procedentes del fondo del océano, enriquecidos con respecto al agua de mar

con respecto a la composición del sistema solar Iones compatibles con primeras fases en cristalizar en rocas ígneas

Cationes que forman minerales de fluoruros simples

Iones compatibles con últimas fases cristalinas en rocas ígneas debido a su gran tamaño (pincipalmente LILE)

Cationes que forman minerales de óxidos simples Cationes que forman minerales de sulfuros simples

Los 8 solutos más abundantes en agua marina 17° a 22° solutos más abundantes

9° a 16° solutos más abundantes Soluto más abundante en agua de río (HCO3

-)

Cationes que forman minerales de bromuros o ioduros simples Cationes que forman minerales con base en un oxianión (p.ej: S6+ en sulfatos, A5+ en arsenatos)

2° a 8° solutos más abundantes en agua de río Iones que pueden ser limitantes para el crecimiento de bacterias

Aniones que forman minerales con K+ y Na+

Solutos que pueden ser nutrientes limitantes en los océanos

Aniones que forman minerales con Mg2+

Solutos que son macronutrientes para plantas terrestres

Aniones que forman minerales con Al3+, Ti4+ y Zr4+

Solutos que son micronutrientes para plantas terrestres

Aniones que forman minerales con Si4+

Iones escenciales para la nutrición de algunos vertebrados (minerales escenciales)

Aniones que forman minerales Cu+ Aniones que forman minerales Ag+ Aniones que forman minerales Au+

Figura 4. Detalle de la simbología utilizada en la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra.

nerales, aguas naturales (dulce y/o marina), suelos, sedimentos, rocas ígneas, el manto, o la atmósfera, o si tienen un rol preponderante como micronutrientes. Al observar la tabla (Figura 3) es evidente que los diferentes símbolos se agrupan de acuerdo a los contornos de potencial iónico, una tendencia no evidente en la tabla periódica convencional. Por ejemplo, muchos iones con valores de 3