Classificaçao Dos Elementos

1 - APRESENTAO - 01 aula terica e 01

aula prtica

Geoqumica analtica: histrico;

Reviso: tabela peridica; classificao e propriedades dos elementos qumicos;

Segurana no laboratrio

Equipamentos bsicos

GEOQUMICA ANALTICA

4,5 B.A. formao da Terra

3,8 B.A. formao da crosta

1,8 a 1,3 B.A. incio da acumulao do oxigniona Terra

20 M.A. formao da atmosfera

Incio da histria da geoqumica

da Terra

Geoqumica

Geoqumica a cincia que estuda a distribuio dos elementos qumicos na Terra e as leis que

regem essa distribuio (Goldschmidt, 1954).

Divises da Geoqumica:

Cosmogeoqumica Hidrogeoqumica Geocronologia Geoqumica Orgnica Geoqumica de Explorao Geoqumica Ambiental Geoqumica Analtica

Materiais utilizados: rochas, solos, gua, ar

Propsitos da Geoqumica:

Conhecer a distribuio dos elementos no universo, sistema solar e Terra;

Descobrir o porque da composio da Terra e dos materiais extraterrestres;

Estudar as reaes qumicas que ocorrem no interior e na superfcie da Terra, no sistema solar e no universo que levam a formao das rochas;

Associar essas reaes com o ciclo geoqumico da Terra e quais as implicaes para o futuro.

Como iniciou a geoqumica?

Com a descoberta dos elementos qumicos

Demcrito em 460 AC usou a palavra tomo queijo cortado em n vezes. Foi o 1. a pensar que a Terra era uma esfera formada

de tomos.

Aristteles (Plato) acreditava que a matria

era constituda de ar, gua, terra, fogo e eter

regidos pelas foras do amor e conflito.

Logo o mundo tinha uma finalidade.

Alquimia/Alquimistas

Do que era feito o mundo?1s. alquimistas foram chineses h +2000 anos. A matria era

formada por fogo, madeira, metal e gua (at o sculo XVI)

Busca do elixir da longa vida.

Desenvolveram a plvora (elixir da morte) no sculo IX mistura de enxofre, carvo vegetal e nitrato de K e utilizaram

contra os mongis.

Au, Ag, Cu, Fe, Sn, Hg e Pb eram conhecidos j na Idade do Bronze mas no como elementos.

Sb, As, Bi, P eram estudados pelos alquimistas durante a Idade Mdia.

Henning Brand 1695 (1. Laboratrio de qumica)

Destilou, purificou e misturou urina com areia em busca da pedra filosofal

= depurador das substncia para produzir ouro.

Encontrou P (brilhava no escuro)

Usaram o P como remdio, mas era venenoso e como era raro valia mais

que o Au. Desenvolveu os palitos de fsforo.

Lavoisier (gilhotina) e Joseph Priestley descobriram o oxignio

aquecendo sais de Hg em 1774, tambm aquecendo madeira (irmos

Montgolfier 1783).

Lavoisier tabela peridica com 33 elementos (hoje 94+22).

Henry Cavendish derramou cido sobre metal e gerou gs H (13 vezes

mais leve que o ar) = desenvolvimento dos bales. Utilizado por

Napoleo na guerra. Em 6/5/1937 Hindenburg matou 37 pessoas fim dos bales.

Henry Davy em 1801 descobriu o Na, Ca, Sr, Ba, Mg, Cl.

Entre 1720 e 1850 foram descobertos 46 novos elementos.

Entre 1850 e 1925 foi desenvolvido o espectrgrafo de emisso tica que permitiu a descoberta de mais 30 elementos: Re, Fr, Hf, Lu....e os radioativos. Incio da Geoqumica Analtica.

A descoberta dos elementos foi acelerada pela pesquisa para corantes (carvo, malva, hematita, goethita...) William Perkin.

Sculo XX - Revoluo na qumica: desenvolvimento de remdios, plsticos,

materiais sintticos. A pesquisa do tomo (teoria quntica) levou a descoberta da energia nuclear, biologia molecular, computadores, raio laser....

Pr-requisitos que permitiram o

desenvolvimento da geoqumica:

Pr-requisitos que permitiram o

desenvolvimento da geoqumica:

Descoberta dos elementos qumicos.

Desenvolvimento de equipamentos capazes de analisar materiais geolgicos (rochas, solos, minerais, gua).

Espectrmetros que medem a emisso ou absoro de energia de um elemento quando excitado por uma energia (chama absoro atmica ou raios-x fluorescncia de raios-x).

No incio do sculo XX foi lanado o livro

Data of Geochemistry por F.W. Clarke.

Apresenta um sumrio crtico sobre os dados geoqumicos obtidos at aquela data sobre guas,

gases vulcnicos, rochas, minerais, minrios, petrleo, carvo.

A geoqumica passa a evoluir de uma simples cincia descritiva para uma cincia mais diversificada apoiada na qumica, fsica e matemtica com o

objetivo de entender os processos de formao da terra e do sistema solar;

Vitor M. Goldschmidt (1888-1947) - contribuiu no estudo das substituies isomrficas nos

minerais baseado na compatibilidade do raio e carga dos ions.

Ahrens, Taylor, Rankama, Wedepohl, Vinogradov, Turekian

Brian Masson, em 1952 publicou a 1a. edio de Principles of Geochemistry

Termodinmica - Garrels e Christ em 1965

Konrad Krauskoph em 1967 publicou a 1a. edio de Introduction to Geochemistry

Reviso

Grupo 1 (1A) - Alcalinos Grupo 2 (2A) - Alcalino-terrosos Grupo 3 a 12 Grupo 13 (3A) - Grupo do boro Grupo 14 (4A) - Grupo do carbono Grupo 15 (5A) - Grupo do nitrognio Grupo 16 (6A) - Calcognios Grupo 17 (7A) - Halognios Grupo 18 (Zero) - Gases Nobres Grupo dos Lantandios ou Terras Raras Grupo dos Actindios

CLASSIFICAO QUMICA DOS ELEMENTOS

de acordo com a

configurao eletrnica

Metais - ctions

No metais - nions

Gases nobres

Metais: so a maioria dos elementos da tabela, esto na parte esquerda da tabela peridica, so doadores de eltrons (cations) pois tm orbitais vazios. So bons condutores de eletricidade e calor, maleveis e dcteis, possuem brilho metlico caracterstico e so slidos, com exceo do mercrio. Semi metais: alcalinos

No-Metais: So os mais abundantes na natureza e, ao contrrio dos metais, so receptores de eltrons (nions), no so bons condutores de calor e eletricidade, no so maleveis e dcteis e no possuem brilho como os metais.

Gases Nobres: So no total 6 elementos e sua caracterstica mais importante a inrcia qumica (carga zero).

Hidrognio: considerado parte por ter

comportamento nico, no tem neutron (1p+1e).

CLASSIFICAO GEOQUMICA DOS

ELEMENTOS

Goldschmidt afinidade qumica com o

Si, S, Fe e Ni-Fe;

Baseada na abundncia;

Baseada na forma de ocorrncia.

CLASSIFICAO DOS ELEMENTOS SEGUNDO

GOLDSCHIMIDT baseada na qca dos meteoritos

Siderfilos elementos com afinidade com o Fe: Fe, Ni, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, Re, Mo, Ge, Sn, W, C, Cu, Ge, Ga, As, Sb (elementos do grupo VIII e vizinhos)

Calcfilos elementos com afinidade com o Fe em sulfetos: S, Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se, Te, Fe, Mo, Os, Ru, Rh, Pd (elementos com 18 eltrons na camada externa).

Litfilos elementos com afinidade com os silicatos (menor eletronegatividade): Si, Na, Mg, Al, K, Ca, Li, Rb, Cs, Be, Sr, Ba, B, Sc, Y, ETR, Ti, Zr, Hf, Th, P, V, Nb, Ta, O, Cr, H, F, Cl, Br, I, Fe, Mn, Zn, Ga (elementos com 8 eletrons na camada externa)

Atmfilos elementos encontrados na atmosfera: O, N, H, C, He, Ar, Kr, Xe.

Os elementos com menor eletronegatividade se associam aos silicatos,os de maior eletronegatividade ao Ni-Fe e os demais ao S logo a

distribuio dos elementos controlada pelas configuraes/afinidades eletrnicas.

Classificao dos elementos com base na abundncia Elementos maiores (%) SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, CaO, Na2O, K2O,

MgO

Elementos menores (%) TiO2, P2O5

Elementos-trao (ppm) Zr, Ni, Cu, Pb, Au, Pt, Ga, Zn, Ba, Cs, Ge.......

Elementos terras raras (Sc, Y) La, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.

Forma de ocorrncia dos elementos na Terra

Gases no combinveis: He, Ne, Ar, Kr, Xe,

Como xidos ou haletos: Al, Ga, Ge, C, Si, P, Sn, H, Li, Be, Na, Mg, K,Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ta, Cs, Ba, La, Hf, W, B, Cl, F, Br, I

Como sulfetos: Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Te, Sb,Bi, Pb, Tl, Hg, In, Cd, Ag, Pd, Rh, Ru, Mo

Nativo: Au, Ag, Cu, S, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Os

Radioativos (propriedade): U, Th, Po, Fr, Ra, At, Rn, Tc, Ac

Classificao dos elementos com base na abundncia Elementos maiores (%) SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, CaO, Na2O, K2O,

MgO

Elementos menores (%) TiO2, P2O5

Elementos-trao (ppm) Zr, Ni, Cu, Pb, Au, Pt, Ga, Zn, Ba, Cs, Ge.......

Elementos terras raras (Sc, Y) La, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.

Como os elementos ocorrem

nos minerais/rochas? Mineral prprio: Si no quartzo (SiO2);

Substituindo o elemento principal: Srsubstitui o Ca no plagioclsio

(Ca,Na)Al(Al,Si)Si2O8.

Adsorvido na estrutura de outro mineral: Cu entre as camadas de tetraedros de Si

e octadros de Al na caulinita;

Ocluso: ouro na pirita (FeS2)

ESTRUTURA ATMICAtomo menor estrutura da matria que retmcaractersticas do elemento

Estrutura do tomo:

prtons nutrons eltronsQuando um tomo ganha ou perde eltrons fica com carga desbalanceada ON

O nmero de eltrons e a sua distribuio nos orbitais so responsveis pelas propriedades qumicas do tomo

Muda o nmero de protons muda o elemento, o H se transforma de He ou o U em Pb.

Muda o nmero de neutrons tem-se istopos sem variao nas caractersticas qumicas do elemento

2H2 + O2 2H2O 2 molculas de H2 + 2 molculas de O2

Peso atmico da H2O = [(1,008 x 2) + 15,999] = 18,015 g

Determina a densidade do elemento/substncia

Importantes para a datao de rochas

28Si Abundncia 92,23% e massa 27,976 92,23% x 27,976 = 25,803



Soma = 28,085

(no tem unidade)

Os elementos ocorrem na estrutura dos

minerais de acordo com suas

propriedades eletrnicas

1) Valncia ou carga nmero de ligaes que um tomo pode fazer formando um

composto eletricamente neutro.

Valncia ou carga positiva ction (perde eltrons);

Valncia ou carga negativa nion (ganha eltrons).

2) Raio inico corresponde a distncia entre os ncleos de tomos vizinhos e depende da estrutura do cristal.

Diferencia-se de um tomo para

o outro de acordo com a famlia e

perodo na tabela peridica.

expresso em onde 1 = 10-10 m

Ao longo do perodo diminui com o aumento do nmero atmico (Z)

K =19, 1,3; Ca =20, 0,99; Sc =21, 0,81

A medida que aumenta a valncia ou carga de um elemento diminui o raio inico Li+1 =0,68; Be2+= 0,35; B3+ =0,23 ; C4+ = 0,16 N5+= 0,13

Elementos com a mesma carga ao longo do grupo o raio inico aumenta com nmero atmico

Li+1=0,68 Na+1=0,97 K+1=1,3 Rb+1=1,5 Cs+1= 1,7 Fr+1=1,8

O raio inico de um elemento diminui com o aumento da carga positiva e aumenta com o incremento da carga negativa

Mn2+, 3+, 4+ 0,83 0,65 0,53 S 2-, 0, +4 1,84 0,37 0,34

ons de elementos diferentes podem ter o mesmo raio Si4+ e Se4+ = 0,42

++

Raio inico

Ponto de fuso versus distncia interatmica

(Klein & Hulbut, 1993)

Composto Distncia interatmica

()

Ponto de fuso (C)

NaF 2,31 988

NaCl 2,81 801

NaBr 2,98 755

NaI 3,29 651

MgO 2,10 2800

CaO 2,40 2580

SrO 2,57 2430

BaO 2,76 1923

LiF 2,01 842

NaF 2,31 988

KF 2,67 846

RbF 2,82 775

Dureza versus distncia interatmica


Composto Distncia

interatmica ()

Dureza

BeO 1,65 9,0

MgO 2,10 6,5

CaO 2,40 4,5

SrO 2,57 3,5

BaO 2,76 3,3

3) Eletronegatividade/tipo de ligao

o nmero que indica a capacidade de um tomo atrair e

reter eltrons em uma molcula ou cristal.

Dois elementos que tenham eletronegatividade similares

formam ligaes covalentes com pouco carter inico,

enquanto elementos com eletronegatividades diferentes

formam ligaes com carter inico proporcional a

magnitude da diferena de eletronegatividades

Contudo, sempre h um carter

intermedirio entre os dois tipos de

ligaes. As nicas estruturas

realmente covalentes so H2, O2 e N2

Qual a importncia geoqumica em saber o

tipo de ligao?

que as caractersticas fsicas e qumicas

dos compostos dependem dos tipos de

ligaes.

CaCO3 Ca2+ + CO3

2- (tem carter inico)

disocia

CO2 no disocia pois C e O tem ligao

covalente.

SiO4 ? Mg2SiO4 ?

Exemplo de propriedades em funo do tipo de ligao


Propriedades Inica Covalente Metlica Van der Waals

Tipo de ligao Forte Muito forte Moderada Fraca

Mecnica Dureza moderada a

alta e frgil

Dureza alta e

frgil

Dureza baixa a

moderada, plstico,

dctil e malevel

Macio a plstico

Eltrica Mau condutor em

estado slido

Isolante em

estado slido ou

em fuso

Bom condutor Isolante em

estado slido e

lquido

Trmica Ponto de fuso

moderado a alto

Ponto de fuso

alto

Ponto de fuso

varivel

Ponto de fuso

baixo

Solubilidade Solvel em solvente

polar

Baixa

solubilidade

Insolvel Solvel em

solvente

orgnico

Exemplos NaCl, CaCO3 CaF2

(fluorita)

C (diamante),

ZnS (esfalerita)

Cu, Ag, Au e a

maioria dos metais

I2 e compostos

orgnicos

Nmero de coordenao

o nmero de ligaes que um on positivo

faz com os ons negativos de modo que o

positivo ocupa o centro de um poliedro e

os negativos as pontas. Portanto, o grau

de coordenao determina a estrutura da

molcula e influencia o raio do on.

Clculo do grau de coordenao

raio do ction/raio do nion

CSi, P, S (Al)

Mn, Fe, Mg, Ti

(Ca, Na)

Ca, Na (K)

K

O grau de coordenao influencia o raio do on. Pq?

Mineral Densidade No. de

coordenao

SiO2 (quartzo) 2,65 4

SiO2 (stishovita)* 4,29 6

CaSiO3 (wolastonita) 2,91 4

CaSiO3** 4,25 6

MgSiO3 (enstatita) 3,21 4

MgSiO3** 4,10 6

*polimorfo: mais de um tipo de estrutura devido a diferenas de P e T estrutura do rutilo

** estrutura da perovskita

O grau de coordenao influencia a densidade


Substituio ou diadoquia

a substituio de um elemento por outro na estrutura de um mineral.

Regras de Goldschmidt

o raio inico do elemento a ser substitudo no pode diferir mais que 15% a carga inica tem que ser a mesma para manter a neutralidade das

cargas

mesmo em condies de carga e tamanho compatvel a substituio pode ser prejudicada quando os ons tm diferente eletronegatividade

quando dois ons podem ocupar a mesma posio o de menor potencial inico (carga/raio) tem preferncia por formar ligaes mais forte.

Essas regras podem ser parcialmente alteradas se as substituies se derem em condies que favoream a troca entre os elementos. Por ex. aumento de temperatura.

Regra de Ringwood: sempre que um elemento substitui outro o de menor eletronegatividade tem preferncia pois ele formar ligao mais forte.

Substituio em soluo slida parcial ou total

A+X- (A+B-)X- B+X-

Ex: (Mg,Fe)3SiO4

(Mn,Fe)CO3

KCl KBr

(Fe,Al)OOH

Substituio acoplada

A+ B3+ C34+ O- D2+ B2

3+ C24+ O-

1+ 3+ 12+ 2+ 6+ 8+

16+ 16+

NaAlSi3O8 CaAl2Si2O8albita anortita

Principais pares/grupos de elementos que se substituem

Galena PbS (87/13%)

Ag 500 a 5000 ppm

Sb 200 a 5000 ppm

Bi 200 a 5000 ppm

As 200 a 5000 ppm

Cu 10 a 200 ppm

Fe 10 a 50 ppm

Mn 10 a 50 ppm

Ni 10 a 50 ppm

Tl

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