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Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=57225204 Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Sistema de Información Científica 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 ¿Cómo citar? Fascículo completo Más información del artículo Página de la revista Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, ISSN (Versión impresa): 1026-8774 [email protected] Universidad Nacional Autónoma de México México www.redalyc.org Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
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Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal
Sistema de Información Científica
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
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Revista Mexicana de Ciencias Geológicas,
ISSN (Versión impresa): 1026-8774
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México
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Bernal y Raislback236
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.
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 clasifi cación 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, clasifi cación.
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 classifi ed according to their ground state (or oxidation state = 0), the Periodic Table of the Elements and Their Ions, classifi es 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 classifi cation 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.
Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, v. 25, núm. 2, 2008, p. 236-246
La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra 237
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 clasifi cación 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 signifi cativamente diferentes de sus análogos metálicos. Por ejemplo, los metales alcalinos en estado basal son altamente incompatibles con el agua, mientras que los io-nes 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 clasifi cación periódica de Mendelejeff.
En virtud de lo anterior, recientemente se ha propuesto una clasifi cación 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 clasifi cación 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 clasifi cación permite explicar tendencias y agrupaciones de elementos y iones previa-mente 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 clasifi cación de Railsback (2003) para facili-tar 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 infl uencia 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 infl uencia 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 aso-ciarse 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
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, classifi cation.
Bernal y Raislback238
Debido a que la polarizabilidad es una variable dependiente tanto de las características intrínsecas del ión (p. ej., carga, radio iónico, confi guración 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 (Cruz-Garritz et al., 1991).
La segunda característica intrínseca de cada ión que permite identifi car tendencias geoquímicas en la tabla pe-riódica de los elementos y sus iones es el potencial iónico (ϕ), el cual se defi ne 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 clasifi cación de los elementos y iones de Railsback (2003) no corresponde al primer intento en utilizar el poten-cial iónico de los iones como factor de clasifi cación. Victor Goldschmidt había visualizado un sistema de clasifi cación similar (Goldschmidt, 1937), pero no consideró que algunos elementos podrían aparecer varias veces en dicha clasifi ca-ción debido a que presentan estados de oxidación múltiple. A diferencia de Goldschmidt, y de manera previa, Cartledge (1928a; 1928b) propuso una clasifi cación 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
equilibrio (Cruz-Garritz et al., 1991). Asimismo, los enlaces formados entre ácidos y bases con el mismo carácter relati-vo 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 clasifi cación, existen casos de frontera donde las propiedades de dureza o blandura no están claramente defi nidas, 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 (SO4
2-). 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 conceptualiza-ción de la propuesta cualitativa de Pearson (1995), por lo que resulta más sencillo asociar la dureza de los iones con la polarizabilidad. Ésta se refi ere 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 porali-zabilidad se defi ne 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)
a) b) c)
Figura 1 Modelo conceptual simplifi cado 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 refl eja en una mayor densidad de carga.
La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra 239
Lithophile Elements y High Field-Strength Elements” (tam-bién conocidos como LILE y HFSE, o elementos litófi los de radio iónico grande y elementos de alto potencial iónico o alto campo, respectivamente) con afi nidades minerales diametralmente opuestas, y cuya defi nición 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 clasifi cación de los ele-mentos y iones de Railsback (2003) es la inclusión del trazo de contornos de potencial iónico, o contornos equipotencia-les (Figura 2), que permiten identifi car 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 refi ere 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 afi nidades 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 isomórfi ca 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, algu-nos 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+,
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 solubi-lidad 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 haloge-nuros 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 justifi car la existencia de óxidos y sulfatos de dichas espe-cies. 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 interme-dios 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 justifi can 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 per-mite identifi car algunas de las principales características biogeoquímicas de la especie, lo que ayuda al usuario en la identifi cación 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-
Bernal y Raislback240
z/r = 1
z/r = 4z/r = 2
= 32 =zr
C s 55
m=132.905
133
r=1.69
+
F r 87
(223)
223
r=1.76
+137 138
B a 56m=137.327
130 132r=1.35
134 135 136
2+
R a 88
(226)
223 224r=1.40
226 228
2+
z / r= 16
?
Ac 89m=227.03
r=1.18
227 228
?
3+ P u 94
239
Np 93
237 ?
92
234 235 238*r=0.7
m=238.029
U6+P a 91(231)
(+4 r=0.98)
231 234
5+
+L i 3m=6.941
6 7
r=0.60
Na 11m=22.990
23
r=0.95
+
+
R b 37m=85.468
85 87
r=1.48
+
B e 4
m=9.012
9
r=0.31
2+
S r 38m=87.62
87 8884 86
r=1.13
2+
B 5
m=10.811
10 11
r=0.20
3+ C 6
12 13 14
m=12.011
4+
15r=0.
r=0.25
Mn7+C r 24
m=51.996
50 52 53 54
r=0.52
6+V 23
m=50.942
50 51r=0.59
5+
96 98 100
Mo 42
m=95.94
92 94 95 97r=0.62
6+
R e 75
m=186.207r=0.56
185 187
7+
r=0.68
W 74
180 182 183184 186
m=183.84
6+
z/r= 1
Si 14
m=28.086
28 29 30
r=0.41
4+
H 1
1 2 3
m=1.0079r=10-5
+
zr = 8/
zr =
8/
S c 21m=44.956
45
r=0.81
(48)
3+
Al 13
m=26.982
27
r=0.50
3+
Fe3+
49 50
Ti 22m=47.867
46 47 48
r=0.68
4+
Zr 40m=91.224
90 91
r=0.80
92 94 96 ?
4+
L a 57-71
170Y bVer Abajo
3+ Hf 72m=178.49
174 176 177r=0.81
178 179 180
4+Ta 73
m=180.948
180 181
r=0.73
5+
Th 90m=232.038
227 228 230
r=0.95(+3 r=1.14)
231 234232*
4+
Y 39m=88.906
89
r=0.93
3+ Nb 41
m=92.906r=0.70
(96)93
5+
N 7
m=14.007
14 15
r=0.11
5+
P
m=30.974
31r=0.34
515+ S 16
m=32.066
3233 34 36
r=0.29
6+
K 19m=39.098
39 40 41
r=1.33
C a 20m=40.078
40 42 4344 46 48
2+
r=0.99
Mg 12m=24.305
24 25 26
r=0.65
2+
F e2+
Cationes que se coordinan con H2O (o CO32- o
SO42-) en disolución
Cationes que se coordinan con OH- (o
H2O) en disolución
ión hidrógeno
ión litio ión berilio
ión sodio ión magnesio
ión potasio ión calcio
ión rubidio ión estroncio
ión cesio ión bario
ión francio ión radio
Cationes que se coordinan con OH- (o O2-) en
disolución
ión boro Carbón p.ej., CO2,bicarbonato (HCO3-)y carbonato (CO32-)
Nitrógenop.ej., ión nitrato NO3
-
Cationes que se coordinan con O2- en disolución, (p.ej.,
NO3-, PO43-, SO42-, etc.)
Cationes “duros” o “Tipo A”(Todos los electrones son removidos de la capa de valencia y, por lo tanto, poseen configuración
electrónica de gas noble)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)
ión aluminio como Al3+ o Al(OH)n3-n
silicato (SiO44-) o H4SiO4
Fósforo en fosfato (PO43- o HPO42-)
ión escandio ión titanio ión vanadio p.ej., vandato
ión ytrio ión circonio ión niobio
ETRión hafnio ión tántalo
p.ej., tantalatos
ión actinio ión torio ión protactinio
Carga del ión /radio iónico
Azufre en sulfato (SO42-)
ión cromo p.ej., cromato (CrO4
2-)per-manga-nato(MnO4-)
Molibdeno en molibdatos
tungsteno en tungstatos ión renio
uranio en uranilo (UO22+)
Neptunio Plutonio
Ocurrencianatural muy
limitada
Ocurrencianatural muy
limitada
z/r=
2
z/r = 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
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14.0
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14
15
r=1.
71
3–
S1
6
32
33
34
36
r=1.
84m
=3
2.0
66
2–
78
80
82
Se
m=
78
.96
74
76 7
7r=
1.983
42
–B
r3
5
m=7
9.9
04
79
81
(82)
r=1
.95
(7+
r=0.
39)
–
Cl
17
m=
35
.45
3
35
37
r=1.
81
–
C6
m=
12
.01
1
12
13
14
r=2
.60
4–
15
m=
30
.97
4r=
2.1
2
3–
P
51
r=2
.45
12
1 12
3
Sb
m=1
21.
760
3–
Fe
Zr
Li
Lu
At
85
21
5 2
18
21
9
Rn
86
(22
2)
22
0 2
22
21
8 2
19
Si
14
m=
28
.08
6r=
2.7
1
4–
He
2
34
m=
4.00
26
r=1.
2
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10
20
21
22
m=
20.1
80
r=1.
5
Ar
18
36
38
40
m=
39
.948
r=1.
8
Kr
36
78
80 8
28
3 8
48
6
m=
83
.80
r=1.
9
Xe
54
129
130
131
132
13
4 1
36
12
41
26
12
8
m=
13
1 .29
r=2.
1
As
33
m=
74
.922
75
r=2.
22
3–
z / r=
1
Rn
86
(22
2)
21
9 2
20 2
22
z / r=
4z / r
=2
He
2m
=4.0
026
34
r=1.
2
Ne
10
m=
20
.18
0
20
21
22
r=1
.5
Ar
18
m=
39
.94
8
36
38
40
r=1
.8
Kr
36
m=
83
.80
78
80 8
28
38
48
6
r=1.
9
Xe
54
m=1
31
.29
12
9 1
30
131
13
21
34
13
6
124
12
61
28
r=2.
1
= 3
2 =
zr
Cs
55
m=1
32
.90
5
13
3
r=1.
69
+
Fr
87
(22
3)
22
3
r=1.
76
+1
37 1
38
Ba
56
m=1
37
.32
7
13
0 1
32r=
1.3
5
13
4 1
35
13
6
2+
Ra
88
(22
6)
223
224
r=1.
40
22
6 2
28
2+
z/r=
16
?
Ac
89
m=
22
7.03
r=1.
18
22
7 2
28
?
3+
Pu
94
23
9
Np
93
23
7?
92
234
235
23
8*
r=0.
7m
=23
8.0
29
U6
+P
a9
1(2
31
)(+
4 r=
0.98
)
23
1 2
34
5+
+L
i3
m=6
.94
1
67
r=0.
60
Na
11
m=2
2.9
90
23
r=0.
95
+ +
Rb
37
m=
85
.46
8
85
87
r=1.
48
+
Be
4
m=
9.01
2
9
r=0.
31
2+
Sr
38
m=8
7.6
2
87
88
84
86
r=1
.13
2+
B5
m=1
0.8
11
10
11
r=0.
20
3+
C6
12
13
14
m=1
2.0
11
4+
15
r=0.
r= 0.2
5
Mn7+
Cr
24
m=5
1.9
96
50
52
53
54
r=0
.52
6+
V2
3
m=
50
.94
2
50
51
r=0.
59
5+
96
98
100
Mo
42
m=
95
.94
92
94
95
97
r=0
.62
6+
Re
75
m=
18
6.2
07
r=0
.56
18
5 1
87
7+
r=0.
68
W7
4
180
182
183
18
41
86
m=1
83
.84
6+
Tc
43
(100
)9
9
zr/=
4
z / r=
16
Po
210
211
212
21
6 2
18
21
4 2
1584
zr/
=8
3+
r= 0
.64
Mn
25
4+
r=0
.53
3,4
+F
e2
6
r=0
.643+
Co
27
r=0.
63
3+
Sn
50
r=0.
71
4+
Sn
50
m=
11
8.7
10
11
21
141
15
116
r=1.
12
120
12
2 1
241
17 1
18
11
9
2+
102
104
Ru
44
m=
10
1.07
96
98 9
9
3+
r=0
.69
4+
r=0
.67
100
101
3,4
+P
d4
6
m=1
06.
42
10
2 1
04
105
10
61
08
11
0
r=0.
86
2+
Re
75
m=
18
6.20
7
18
51
87
r=0
.65
4+
212
214
Pb
82
m=
20
7.2
204
206
207
r=1.
20
208
21
0 2
11
2+
Pb
82
r=0.
84
4+
Bi
83
m=
20
8.9
80
r=1.
20
212
214
215
20
92
10
21
1
3+
Bi
83
r=0.
74
5+
r=0.
61
V2
34
+
z / r= 8
As
33
r=0.
47
5+
As
33
m=
74
.92
2
75
r=0.
69
3+
r=0.
62
Sb
51
5+
Sb
51
m=
12
1.7
60
r=0.
90
12
11
23
3+
S1
6r=
0.3
7
4+
Se
34
r=0.
42
6+
78
80
82
Se
34
m=
78
.96
74
76
77
r=0
.50
4+
52
r=0.
56
Te
6+
12
81
3052
m=1
27
.60
12
0 1
22
12
3r=
0.89
12
4 1
25
12
6
Te4
+5
3
r=0.
44
I5+
m=
12
6.90
4
17
6 Hf
?
Pm
61
(15
0)?
z /r
=2
138
Ba
z / r=
4
z / r= 2
z/r = 1
La
57
m=
13
8.90
6r=
1.15
138
13
9
3+
14
2
Ce
58
m=
14
0.11
6
136
138
14
0r=
1.11
3+
14
81
50
Nd
60
m=
14
4.2
4
142
14
31
44
r=1.
08
146
145
?
3+
Eu
63
m=
15
1.96
4
15
11
53r=
1.03
3+
Gd
64
m=
15
7.2
5
152
154
15
5r=
1.02
15
8 1
60
156
157
3+
Tb
65
m=
15
8.92
5r=
1.00
15
9
3+
Dy
66
m=
16
2.5
0
156
158
r=0.
99
16
3 1
64
16
0 1
61
162
3+
Ho
67
m=
16
4.93
0
16
5r=
0.9
7
3+
Er
68
m=
16
7.2
6
16
2 1
64
16
6r=
0.96
16
7 1
68
17 0
3+
Tm
69
m=
16
8.93
4
16
9r=
0.95
3+
Yb
70
m=
17
3.0
4
16
8 1
70
171
r=0.
94(2
+ r
= 1
.13)
17
41
76
172
173
3+
Lu
71
m=
17
4.96
7
17
51
76
r=0.
93
3+
Pr
59
m=
14
0 .90
8
14
1
r=1.
09(4
+ r=
0.9
2)
3+
r=1.
01
Ce
58
4+
15
21
54
Sm
62
m=
15
0.36
144
14
7 1
48
r=1
.04
14
91
50
3+
Eu
63
r=1.
12
2+
C6
r=0.
77
S16
Si
14
r=1
.34
Se
34
r=1.
6
Cd48
r=1.
56
In49
r=1.
6 6
52
Te
r=1.
7
Re
75
r=1.
37
Ta73
r=1.
46
2N7
r=0.
71
O82
Bi
83
r=1.
82
Pb
82
r=1
.75
Cr
24
r=1.
27
Co
27
r=1.
25
Ni
28
r=1.
24
Fe
26
r=1
.26
Pd
46
r=1.
3 7
Rh
45
r=1.
34
Ru
44
r=1.
3 4
Os76
r=1
.35
Ir77
r=1.
35
Zn30
r=1.
39
Al
13
r=1.
43
As
33
r=1.
48
Sb
51
r=1.
61
Sn
50
r=1
.58
Au
79
r=1
.44
Ag47
r=1
.44
Pt
78
r=1.
38
Cu
29
r=1
.28
Hg
80
r=1.
60
Tl
81
r=1.
71
1Å
Li
N
Rb
O2
–
H+
Si
14
m=
28
.086
28
29
30
r=0.
41
4+
V2
3m
=50
.942
50
51
r=0.
74
3+
Cr
24
m=5
1.9
96
50
52
53
54
r=0
.69
3+
54
56
57
58
La
3+
Ba2
+H
f4+
Cs+
Y3
+S
r2+
Zr4
+N
b5+
Rb+
Ca
2+
Ti4
+V
5+
K+
Al
Mg
2+
Si4
+P
5+
Na
+
B3
+B
e2+
C4
+L
i+
3+
25
1
240
16
02
541
983
8
21
02
16
11
5
87
71
3 14
5
15
2*
17
5
38
71
210
200
150
100
50
z/r=1
z/r
=1
z/r
=4
Cd
48
114
11
61
11
11
2 1
13
r=0.
971
06
10
8 1
10
m=
11
2.4
11
2+
In4
9
m=
11
4.8
18
1+
r=1.
32
11
31
15
3+
r=0
.81
1,3
+
Au
79
m=
19
6.9
67
r=1.
37
197
(3+
r=0
.85
)
+T
l8
1m
=2
04
.38
3r=
1.40
207
208
210
20
32
05
20
6
+
Tl
81
r=0.
95
3+
202
20
4 20
6
Hg
80
m=2
00.
59
19
6 1
98
199
r=1.
19
20
0 2
01
+
Ag
47
m=
10
7.8
68
r=1.
26
10
7 10
9
++ 63
65
Cu
29
m=6
3.5
46r=
0.96
Ti
22
r=0
.90
2+
Cr
24
r=0.
90
2+
H1
12
3
m=1
.00
79r=
10-5
+
Ni
28
r=0.
73
3+
61
62
64
Ni
28
m=5
8.6
9 3
58
60
r=0.
72
2+
r=0.
62
Ga
31
m=6
9.7
23
69
71
(1+
r=1.
13)
3+
70
72
7
37
4 76
Ge
32
m=
72
.61
(2+
r=0.
93)
r=0
.53
4+
H1
m=1
.00
79
12
3r=
2.08
–
O8
m=
15
.99
9
16
17
18
r=1.
40
2–
Hg
80
r=1.
10
2+
zr
=8
/
z r=
8/
z / r=
4
z/r=2
Cr
Mn2
+
Fe3
+
Fe2
+C
o2+
Ni2
+C
u+Z
n2+
Sn4
+
Pb2
+B
i3+
26
03
20
54
16
52
18
38
20
78
22
28
15
09
22
42
190
3
10
98
11
70
Sb
92
8
As
54
7
Cd
2+
>17
73
Cu2
+
17
19
Ga3
+
20
79
Ge4
+
13
88
Ag
~4
73
(d)
+
Tl
85
2+
Tl3
+
11
07
Sn2
+
13
53
(d)
Hg2
+
77
3(d
)A
u+
240
0
20
00
1600
1200800
Co3
+
116
8
V4
+
22
40
Mn3
+
13
53
As5
+
58
8
In3
+
21
85
Pd
2+
10
23
Rh2
+
13
73
(M
o4+
13
73
(d)
W4
+
~17
73
(d)
Re4
+
11
73
(d)
Pt2
+
59
8(d
)
Au
3+
42
3(d
)H
g+
37
3(d
)
3+
160
0
20
00
Ir3
+
12
73
1200
3+
3+
400
Sc
21
m=4
4.9
56
45
r=0.
81
(48)
3+
Al
13
m=2
6.9
82 27
r=0
.50
3+
Fe3
+
49
50
Ti
22
m=
47
.86
7
46
47
48
r=0
.68
4+
Zr
40
m=
91
.22
4
90
91
r=0.
80
92
94
96
?
4+
La
5
7- 71
170
Yb
Ver
Aba
jo
3+
Hf
72
m=
17
8.49
17
4 17
6 1
77r=
0.8
1
17
8 1
79
180
4+
Ta
73
m=
18
0.9
48
18
01
81
r=0.
73
5+
Th
90
m=2
32
.038
22
7 2
28
230
r=0
.95
(+3
r=
1.1
4)
23
1
23
42
32
*
4+
92
r=0.
97
U4
+
74
m=
18
3.8
4
18
0 1
82
183
r=0.
64
184
18
6
W4
+
19
01
92
Os
76
m=1
90
.23
18
41
86
r=0.
69
18
7 1
88
189
4+
Ir7
7m
=1
92
.21
7r=
0.6
6
19
11
93
4+
97
98
10
0
42
m=
95
.94
92
94
95
96
r=0
.68
Mo
4+
Ti
22
r=0.
753+
12
81
3052
m=
127
.60
12
0 1
22
12
3r=
2.21
12
4 1
25
12
6
Te
2–
Bi
83
m=
20
8.98
0
2–
Y3
9m
=88
.906
89
r=0.
93
3+
Nb
41
m=
92
.90
6r=
0.70
(96)
935+
Rh
45
m=
10
2.9
06
r=0.
86
10
3
2+
Pt
78
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La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra 241
nerales, aguas naturales (dulce y/o marina), suelos, sedi-mentos, 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 <ϕ <10 tienden a formar óxidos minerales, se encuentran enriquecidos en suelos y nódulos marinos de Fe-Mn, forman parte de fases minerales con mayor punto de fusión, y se encuentran me-nos empobrecidos en el manto. Igualmente, dichos iones forman los óxidos con mayor dureza, menor solubilidad y menor compresibilidad (Figura 3, recuadros 1-4 y 6). Estas tendencias son evidenciadas en la nueva tabla periódica por medio de los contornos de equipotenciales de color anaranjado.
Por otra parte, aquellos cationes con ϕ <4 forman fl uoruros minerales y son componentes mayoritarios en agua de ríos y océanos, así mismo en este grupo se inclu-yen iones que son nutrientes fundamentales para algunos seres vivos. De manera similar, aquellos cationes con ϕ >8, son igualmente abundantes en agua de ríos y marina, y son nutrientes importantes para plantas. Sin embargo, a diferencia de aquellas especies con bajo potencial iónico, estos cationes se encuentran formando parte de oxianiones, tales como sulfatos (S6+ en SO4
2-), fosfatos (P5+ en PO43-),
nitratos (N5+ en NO3-) y arsenatos (As5+ en AsO3
-), entre otros. Ambas tendencias pueden ser identifi cadas en la tabla por contornos equipotenciales de color azul.
Los contornos equipotenciales se extienden hacia la zona de los cationes intermedios, comprendida por los iones de los elementos de transición. La parte superior de esta sección está comprendida por cationes que poseen valores de ϕ entre 3 y 8, e igualmente se encuentran enriquecidos en suelos, forman óxidos minerales, y son parte fundamental de fases minerales ígneas formadas en las etapas tempranas
de cristalización. En la parte central de esta sección se en-cuentran los ácidos blandos por excelencia, caracterizados por poseer valores bajos de ϕ. Entre ellos se encuentran los iones de los principales metales de acuñación (Cu, Ag, y Au) denotados por diamantes amarillos que indican su preferen-cia para formar sulfuros, bromuros y yoduros minerales.
Con excepción de los gases nobles, la única sección de la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones donde no se incluyen los contornos equipotenciales corresponde a los elementos en forma nativa, y que incluye en su mayoría a los metales acuñables, así como a aquellos componentes de la atmósfera. La posición relativa de estos elementos se mantiene idéntica a la de la tabla periódica convencional. Aun así, es posible trazar contornos agrupando las preferen-cias de aleación para cada elemento. Por ejemplo, aquellos elementos que forman aleaciones con Os forman un grupo discreto en la tabla, mientras que aquellos que se alían con Fe forman un grupo más grande que se traslapa con aquellos que forman aleaciones con Cu y Au.
En la parte derecha de la Tabla (Figura 3) se presentan los aniones, que comprenden tanto a las bases duras como a las blandas. Los contornos equipotenciales para los aniones son similares a aquellos de los ácidos duros, sin embargo, a diferencia de los cationes, no se observan variaciones drásticas de ϕ, que varía entre -1/2 y -2; debido a que el aumento en la carga del anión conlleva, a su vez, un aumento en el radio iónico. Con respecto al comportamiento como solutos, la simbología permite observar que los aniones con valores más negativos de ϕ (bases duras), en la parte alta de la tabla periódica, presentan propiedades similares a sus análogos ácidos. Por el contrario, la parte baja de la tabla presenta a los aniones blandos: aquellos con valores de ϕ más cercanos a cero, y que preferentemente se coordinan con cationes blandos, formando sulfuros, bromuros, yoduros y teluros con ácidos blandos como Ag+ y Au+. Por otra parte, de derecha a izquierda, o de F- y Cl- hasta C4- y O2- es la
Iones menos empobrecidos del manto en la formación de la corteza
Iones enriquecidos en CAIs (inclusiones ricas en Ca y Al en meteoritas) con respecto a la composición del sistema solarIones compatibles con primeras fases en cristalizar en rocas ígneas
Iones compatibles con últimas fases cristalinas en rocas ígneas debido a su gran tamaño (pincipalmente LILE)
Los 8 solutos más abundantes en agua marina
9° a 16° solutos más abundantes 17° a 22° solutos más abundantes
Soluto más abundante en agua de río (HCO3-)
2° a 8° solutos más abundantes en agua de río
Solutos que pueden ser nutrientes limitantes en los océanos
Solutos que son macronutrientespara plantas terrestres
Solutos que son micronutrientespara plantas terrestres
Iones escenciales para la nutrición de algunos vertebrados (minerales escenciales)
Iones que pueden ser limitantes para el crecimiento de bacterias
Iones comúnmente enriquecidos en suelos residuales o sedimentos (símbolo pequeño indica menor certeza)Iones en nódulos ferromangánicos procedentes del fondo del océano, enriquecidos con respecto al agua de mar
Cationes que forman minerales de fluoruros simples
Cationes que forman minerales de óxidos simples
Cationes que forman minerales de sulfuros simples
Cationes que forman minerales de bromuros o ioduros simplesCationes que forman minerales con base en un oxianión (p.ej: S6+ en sulfatos, A5+ en arsenatos)
Aniones que forman minerales con K+ y Na+
Aniones que forman minerales con Mg2+
Aniones que forman minerales con Al3+, Ti4+ y Zr4+
Aniones que forman minerales con Si4+
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.
Bernal y Raislback242
MoO42-, y solamente liberarán al oxígeno en presencia de
una base más dura (como F-) o al ser reducidos. La existencia de óxidos minerales puede ser explicada
de manera similar a la especiación de los cationes en medio acuoso (Figura 3, recuadro 7). Cationes con valores de ϕ bajos forman enlaces débiles con el ión óxido, por lo que no forman óxidos minerales, ni son retenidos en los suelos como óxidos o hidróxidos; estos cationes se disuelven fácilmente en agua, lo que los ha convertido en nutrientes importantes para plantas y algunos otros seres vivos (p. ej., Na+, K+). La incapacidad que tienen estos iones para formar enlaces estables con el ión O2- también implica que estos cationes sólo son incorporados en las fases minerales de más baja temperatura (biotita, muscovita, feldespato-K) y, por lo tanto, en las últimas etapas de cristalización. Por otra parte, aquellos cationes con valores altos de ϕ (p. ej., P5+, N5+, S6+, entre otros) forman enlaces extremadamente estables con el ión óxido; sin embargo, la alta densidad de carga posi-tiva del catión central ejerce atracción hacia los electrones del ión O2-, polarizando efectivamente la distribución de electrones en el enlace catión-oxígeno hacia el centro del oxanión, evitando que éste pueda formar enlaces con otro catión a través del oxígeno y formar la base de una posible estructura del óxido mineral correspondiente. Lo anterior tiene como resultado no sólo la ausencia de óxidos minerales de este tipo de cationes, sino también que estos iones sean muy solubles en agua y, por lo tanto, abundantes en aguas naturales (dulces y/o marinas), y que sean considerados como elementos incompatibles con fases minerales ígneas. Finalmente, aquellos cationes con ϕ intermedia, 4 <ϕ <10 (p. ej., Si4+, Al3+), forman enlaces con oxígeno relativamente fuertes, sin embargo, la densidad de carga en el centro del ión no es lo sufi cientemente alta como para evitar que el oxígeno pueda formar enlaces con otros cationes. De esta manera, estos iones pueden formar óxidos e hidróxidos minerales, e incorporarse a fases minerales ígneas de alta temperatura que se forman en las etapas tempranas de la cristalización magmática. Su estabilidad como óxidos y/o hidróxidos les confi ere poca solubilidad en agua y, por ende, son relativamente poco abundantes en aguas naturales.
El comportamiento de los iones con valores diferentes de ϕ en solución acuosa tiene también implicaciones en estudios de petrología ígnea. En particular permite expli-car porqué los basaltos generados en zonas de subducción poseen composiciones de elementos traza muy diferentes a las de aquellos generados en otros ambientes tectónicos. Los basaltos de arco, por ejemplo, muestran enriquecimientos en elementos LIL (bajo ϕ), pero concentraciones de elementos HFS (muy alto ϕ) similares a las observadas en basaltos de dorsales oceánicas (N-MORB Figura 6). Tales anomalías son generalmente interpretadas como el resultado de proce-sos metasomáticos en la cuña del manto, originados por la deshidratación de diversos minerales de la corteza oceánica y sedimentos subducidos (p.ej., fi losilicatos y anfíboles) (Tatsumi y Kogiso, 2003). De esta manera los elementos LIL, al ser solubles en agua, pueden ser transportados ha-
transición de aniones que forman minerales con cationes duros (por ejemplo K+ y Na+) hasta aquellos que forman minerales con cationes duros con valores de ϕ extremos (p. ej., Al3+ y Si4+).
LA INTERACCIÓN CATIÓN-O2-
La diferencia entre los cationes de bajo y alto ϕ puede ilustrarse a partir de la interacción de éstos con el ión O2-. Mientras que los iones de bajo ϕ sólo ejercen cierta atrac-ción electrostática sobre el anión óxido, aquellos cationes con alto ϕ concentran tal cantidad de carga positiva que forman enlaces con el oxígeno de alto carácter covalente, difíciles de romper. Lo anterior adquiere mayor importancia al considerar que el oxígeno es el elemento más abundante en la Tierra (McDonough y Sun, 1995), e implica que la sola interacción catión-oxígeno es el principal regulador de los procesos de diferenciación geoquímica.
Para ilustrar lo anterior, la interacción entre iones con diferente valor de ϕ y moléculas de H2O resulta interesante. De manera general, ϕ se incrementa gradualmente hacia la derecha en cualquier fi la de la parte izquierda de la tabla. En una solución acuosa, los iones con valores menores de ϕ (p. ej., Na+, K+) solamente logran inclinar ligeramente el dipolo de las moléculas de H2O hacia el centro de carga positiva (Figura 5a) (Carrillo-Tripp et al., 2003), mientras que cationes con valores de ϕ ligeramente mayores (como Mg2+ y Ca2+) logran orientar de manera efectiva el dipolo de las moléculas de H2O alrededor de ellos (Figura 5b) (Bernal-Uruchurtu y Ortega-Blake, 1995). Aquellos iones con valores mayores de ϕ (p. ej., Al3+) inducen tal atracción al oxígeno de las moléculas del agua, que generan de manera casi espontánea reacciones de hidrólisis del tipo:
Al3+ + 2nH2O ⇔ Al(OH)n3-n + nH3O+ (3)
n = 1 – 5
de tal manera que solamente es posible encontrar aluminio disuelto no ligado a oxígeno en ambientes muy ácidos, tales como el drenaje ácido procedente de desechos mine-ros (p. ej., Cidu et al., 1997), mientras que en ambientes menos ácidos o neutros el aluminio se encontrará formando complejos tipo hidróxido, descritos como productos en la Ecuación 3 (Figura 5c) (Hiradate, 2004). Iones con mayor potencial iónico (p. ej., C4+, Si4+) no existen como tal en so-lución acuosa, sino que se encuentran siempre coordinados por el ión óxido o hidróxido, por ejemplo CO3
2- y Si(OH)4 (Figura 5d) (este último comúnmente representado como H4SiO4, Krauskopf y Bird, 1995). Finalmente, la interacción entre cationes con valores extremos de ϕ (p. ej., N5+, S6+) con oxígeno tiene como resultado enlaces altamente cova-lentes, formando oxianiones muy estables, como NO3
- y SO4
2- (Figura 5e) (Cotton y Wilkinson, 1988). Los cationes de átomos muy pesados con alta carga (p. ej., U6+, W6+ y Mo6+) también formarán oxianiones como UO2
+2, WO42- o
La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra 243
z/r = ϕ
1/0.95 = 1.05
2/0.65 = 3.07
3/0.5 = 6.0
4/0.41 = 9.75
5/0.11 = 45
a) Na++ H2O
b) Mg2+(H2O)6
c) AlOH2+ + H3O+
d) Si(OH)4
e) NO3-
cia la cuña del manto por los fl uidos generados durante la subducción, mientras que la baja solubilidad en agua de los HFS (debido a su alto valor de ϕ) evita su movilización, por lo que es común encontrarlos en fases minerales presentes en la placa metamorfi zada (p. ej., Tiepolo et al., 2000; Scambelluri et al., 2001). Las disoluciones generadas en estos procesos, enriquecidas en LIL y empobrecidas en HFS,
pueden interactuar con la cuña del manto (Murphy, 2007) y alterar la abundancia de elementos LIL en los magmas máfi cos generados en zonas de arco, dando como resultado perfi les de elementos similares al que se muestra en la Figura 6, donde los elementos LIL se encuentran enriquecidos con respecto a N-MORB, al tiempo que los HFS se encuentran en proporciones similares a los N-MORB.
Figura 5 Modelo conceptual para ilustrar la interacción entre cationes con potencial iónico diferente (ϕ) con moléculas de agua y/o iones óxido. La representación de los iones no se encuentra escalada a su radio iónico. a: Moléculas de agua parcialmente inclinadas hacia el catión Na. b: Ión Mg2+ rodeado de moléculas de agua orientadas hacia el ión. c: Ión AlOH2+ y H3O+, productos de la hidrólisis del H2O por el ión Al3+ de acuerdo a la Ecuación 3. d: Estructura del H4SiO4, un ácido débil, que no puede liberar iones OH-, pero puede perder dos H+ en medios muy alcalinos. e: Ión NO3
-, en el cual la atracción generada por el nitrógeno hacia los átomos de oxígeno, impide que se estos últimos formen enlaces estables con H+.
Bernal y Raislback244
Cs Rb Ba Th U Nb Ta K La Ce Pb Sr P Nd Zr Hf Sm Eu Ti Y Yb Lu
1
10
100
Mue
stra
/ N
-MO
RB
LILE
HFSE
A pesar de que la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra clasifi ca a las diferentes especies de acuerdo con su estado de oxidación, es nece-sario recalcar que esta representación no necesariamente implica que todos los iones participarán en los procesos de diferenciación geoquímica como iones libres. Esto es parti-cularmente cierto para los cationes con alto ϕ, los cuales se encontrarán en la mayoría de los casos unidos a iones óxido y/o hidróxido. De manera general, no es posible encontrar cationes con estado de oxidación >3+ que no estén unidos a una base dura, típicamente O2- y/o F- y/o OH- (Cotton y Wilkinson, 1988). La universalidad de este principio es sorprendente, pues tal comportamiento se observa tanto en la diferenciación pegmatítica (Ringwood, 1955b), como en aguas naturales a temperatura ambiente (Brookins, 1988).
VENTAJAS Y LIMITACIONES
La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra es una herramienta que permite comprender con mayor facilidad el comportamiento de los diferentes elementos y sus iones bajo diversas condiciones de diferenciación. La clasifi cación que aquí se presenta no busca aportar conocimientos ni teorías nuevas sobre el comportamiento de los elementos, sin embargo, permite al usuario visualizarlos de una manera más sencilla y rápida.
Por ejemplo, previamente se mencionó que el Cu+ no sus-tituye al Na+ en los feldespatos debido a que estas especies son ácidos blando y duro, respectivamente. Aunque dicho comportamiento se encuentra previsto en los principios de sustitución de Goldschmidt, en particular por el que esta-blece que la sustitución puede ser nula o limitada a medida que se incrementa la diferencia de electronegatividad de los iones en competencia (Faure, 1991), resulta más rápido, sencillo e ilustrativo identifi car dicho comportamiento por la posición de los respectivos iones en la tabla, ya que de otra manera es necesario contar con datos de electronega-tividad para cada ión y elemento. Adicionalmente, el uso de la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones no sólo permite evaluar la factibilidad de una posible sustitución isomórfi ca rápidamente, sino que también permite extra-polar dicho comportamiento a elementos y iones vecinos a través del uso de los contornos equipotenciales.
El uso de ϕ como factor de clasifi cación y los con-tornos equipotenciales deben ser utilizados con precaución. Lo anterior es debido a que el radio iónico y, por lo tanto ϕ, (Ecuación 2) de cada ion es dependiente del número de coordinación (NC). Aunque los contornos equipotenciales en la tabla han sido trazados utilizando el NC más común, hay algunos elementos que pueden adoptar distintos NC, siendo el Al3+, probablemente, el caso más notable. Este ión puede ocupar de manera indistinta sitos tetraédricos (NC=4) y octaédricos (NC=6) en la estructura de diversos minera-
Figura 6. Distribución de elementos traza en basaltos de arco provenientes del Cinturón Volcánico Trans-Mexicano (Morán-Zenteno, comunicación per-sonal) normalizados contra N-MORB (Sun y McDonough, 1989). Nótese como los elementos LIL se encuentran marcadamente enriquecidos, mientras que los elementos HFS se encuentran en proporciones similares a N-MORB. El enriquecimiento aparente del Th es resultado de la baja concentración de este elemento tanto en la muestra como en N-MORB, y de la incertidumbre asociada a ambos valores. Un análisis de propagación de errores demuestra que Thmuestra/ThN-MORB = 4.87 ± 4.15.
La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra 245
les, por ejemplo las arcillas (Moore y Reynolds, 1997), lo que implica que dentro de la estructura de un mineral, los iones Al3+ pueden presentar dos radios iónicos diferentes (0.39 y 0.535 Å, respectivamente; Shannon, 1976), y por ende valores distintos de ϕ (7.69 y 5.60, respectivamente), dependiendo del sitio en la estructura que ocupen. Aunque lo anterior podría sugerir comportamientos diferentes para ambos tipos de Al3+, los valores de ϕ se encuentran dentro del rango delimitado por los dos contornos equipotenciales de color naranja en la Figura 3 (z/r =4 y z/r = 8), por lo que considerar al NC = 6 como el más común para el Al3+, tan sólo resultaría en un ligero desplazamiento del contorno equipotencial z/r = 8 hacia el centro de la tabla, más no indicaría un comportamiento geoquímico diferente para el Al3+ al que se presenta en la tabla. Conclusiones similares pueden obtenerse de otros iones con comportamiento similar al Al3+, tales como Fe3+ y Mg2+, entre otros.
CONCLUSIONES
La clasifi cación de los iones de acuerdo a sus posibles estados de oxidación en la naturaleza evidencia tendencias que permiten sistematizar el comportamiento de los ele-mentos y sus iones ante diversos procesos de diferenciación geoquímica. Dichas tendencias habían sido ya evidenciadas de manera semiempírica en la clasifi cación de los elementos de Victor Goldschmidt (Goldschmidt, 1937; Goldschmidt y Muir, 1954) y de otros autores (Cartledge, 1928a; Cartledge, 1928b; Ringwood, 1955a). Asimismo, la clasifi cación evi-dencia que las dos principales propiedades intrínsecas de los iones, potencial iónico y polarizabilidad, son los factores moduladores de los principales procesos de diferenciación geoquímica elemental. Cabe mencionar que aunque dichos términos se presentan de una manera simplifi cada, en rea-lidad corresponden a propiedades complejas de los iones. El lector interesado en profundizar en dichos términos, así como en la teoría de ácidos y bases duros y blandos, debe referirse a la las referencias originales (Pearson, 1963), a la literatura química especializada (p. ej., Cotton y Wilkinson, 1988; Huheey, 1993), así como a revisiones recientes (Ayers et al., 2006; Ayers, 2007).
La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra no pretende ser una sustitución de la tabla periódica tradicional; ambas son complementarias al presentar y evidenciar información que no está presente en la contraparte. Es de vital importancia, sin embargo, conocer y entender la tabla periódica tradicional, para po-der valorar muchas de las ventajas que la clasifi cación de los elementos y sus iones propuesta por Railsback (2003) ofrece. La generalización y sistematización de los procesos de diferenciación geoquímica presentados por Railsback (2003) hace de La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra una herramienta de vital importancia para los estudiosos de las Ciencias de la Tierra. Finalmente, el lector es referido a los trabajos originales
(Railsback, 2003; Railsback, 2005) con el fi n de ampliar la comprensión de la tabla a partir de los ejemplos y aplica-ciones ahí presentes.
AGRADECIMIENTOS
La versión original de la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra fue fi nan-ciada por la United States National Science Foundation, número de contrato 02-03115. Los autores agradecen a M.I. Bernal-Uruchurtu por la valiosa ayuda en la preparación de la Figura 5. Asimismo agradecen a Dara Salcedo, Arturo Gómez Tuena, Dante Morán por la revisión y comentarios sobre versiones preliminares del manuscrito. La revisión ex-haustiva de la Figura 3 por la Dra. Teresa Orozco, así como sus comentarios y los de un revisor anónimo resultaron en mejoras signifi cativas del presente documento.
APÉNDICE A. SUPLEMENTO ELECTRÓNICO
Una versión en alta resolución de la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra está disponible en el sitio web de la revista <http://satori.geociencias.unam.mx/>, en la tabla de contenido de este número (suplemento electrónico 25-2-02).
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Manuscrito recibido: Septiembre 27, 2007Manuscrito corregido recibido: Marzo 7, 2008Manuscrito aceptado: Marzo 11, 2008
