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
29Si Abundncia 4,67% e massa 28,976 4,67% x 28,976 = 1,353
30Si Abundncia 3,10% e massa 29,973 3,10% x 29,973 = 0,929
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
(Klein & Hulbut, 1993)
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
(Klein & Hulbut, 1993)
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
(Klein & Hulbut, 1993)
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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