Tipi di sostituzione degli ioni – spiegazione geochimica

Ci sono diversi tipi di sostituzione ionica: per Camuffamento (raggi simili ed uguale carica), per Cattura (quando uno ione ha un PI più alto di quello sostituito, garantendo maggior stabilità reticolare), per Ammissione (basso PI, svantaggiosa).

Tipi di sostituzione degli ioni

Questa tabella mette in relazione “carica” e “raggio” dei vari elementi della tavola periodica:
Compatible elements: elementi con un PI tale da renderli o elementi fondanti dei minerali del mantello od ottimi sostituenti del medesimo;
Incompatible elements: elementi troppo grandi per entrare nei minerali del mantello (li trovo soprattutto nella crosta continentale);
Large-ion lithophile: elementi con PI basso dovuto alla bassa carica (pertanto, incompatibili);
High field-strength: elementi ad “alta forza di campo” con PI elevato; tendono a diventare ioni complessi a carica negativa, legando con gli ossigeni (insomma, tendono a formare ossidi con legami estremamente forti).

Prima di continuare, è importante chiarire un concetto fondamentale:

Nelle rocce si distinguono più tipi di elementi, in base alla concentrazione media (rapporto tra peso dell’elemento ed il peso totale della roccia) che quest’ultimi hanno in esse:

– elementi maggiori: sono gli 8 elementi che hanno una concentrazione media nelle rocce non inferiore al 0.1% ;

– elementi minori: sono quelli al di sotto di tale soglia, che hanno una concentrazione tra 1000 ed 1 ppm (parti per milione);

– elementi in traccia: sono elementi con concentrazione inferiore ad 1 ppm, e per questi ci si esprime con i ppb (parti per miliardo).

Detto questo, possiamo ora analizzare la seguente tabella:

sostituenti possibili legame ionico elementi

Ad ogni elemento maggiore corrisponde uno o più “sostituenti possibili”, la cui sostituibilità, però, non è uguale per tutti (infatti, ci sono elementi più adatti alla sostituzione di altri).

Cos’è che fa si che un elemento formi un suo minerale proprio?
La quantità dell’elemento! Ma non solo, deve anche essere “concentrato”. Tendenzialmente, infatti, sono gli elementi maggiori a formare minerali propri, ma anche per gli elementi minori può essere possibile (nel caso in cui hanno differenze di elettronegatività molto alte, tendendo a formare legami covalenti, riescono a concentrarsi per poi formare minerali propri).

Questa è una tabella che mostra i vari gruppi di elementi presenti sulla Terra; il “gruppo dello zirconio e dell’uranio”, ad esempio, è un gruppo di elementi che, essendo rari, tendono a concentrarsi fino a raggiungere una concentrazione critica tale da produrre minerali propri (proprio perché non fungono da sostituenti per nessun elemento). L’isomorfismo invece, come nel caso del Rubidio, può negare tale processo ad un elemento (a causa della sua alta capacità di sostituirsi al Potassio).

gruppo dello zirconio e dell’uranio

Coefficiente di ripartizione:
Quando in un magma si forma un cristallo di olivina, lo ione “Ni” va a sostituire nel cristallo il “Mg”. Quindi, nel fuso ci sarà meno concentrazione di Ni ( che sta pian piano sostituendo) rispetto al cristallo. In questo caso, si parla di
coefficiente di ripartizione Kd = Am/Af dove:
K = coeff. di ripartizione;
Am = concentrazione del Ni nel cristallo;
Af = concentrazione del Ni nel fuso;

In parole povere, tale coefficiente è importante per capire cosa succede al Ni durante la differenziazione magmatica.
Se K = 1 : la concentrazione di Ni nel fuso rimane invariata per tutta la durata dell’evento.
Se K > 1 : la concentrazione del Ni nel fuso è minore rispetto a quella nel cristallo e avrò un liquido pian piano sempre più povero di Ni.
Se K < 1 : il Ni rimane tutto nel liquido, e quindi la concentrazione del Ni aumenta nel liquido col procedere della cristallizzazione.

Un K > 1, nella cristallizzazione magmatica, lo hanno gli elementi compatibili, che quindi diminuiscono la loro concentrazione. Un K < 1, invece, è caratteristico di quelli incompatibili.
Ma nel fuso magmatico, quasi sempre, non cristallizza un solo minerale, e quindi:

Bᶸᴵᵏni = Kni (olivina) x 90% + Kni (pirosseno) x 5% + Kni (plagioclasio) x 5%

ovvero, moltiplichi il coeff. di ripartizione del nichel per la percentuale di nichel contenuto in quel determinato minerale!

ripartizione minerali

Infatti, come è possibile notare dalla colonna centrale (che rappresenta i minerali presenti nei plagioclasi) avviene una brusca diminuzione ad un certo punto, dovuta alla cristallizzazione dei plagioclasi a temperatura più basse (mentre la colonna a sinistra rappresenta glie elementi incompatibili e quella a destra quelli compatibili).
Possiamo concludere dicendo che la natura tende a far concentrare elementi, anche rari, al fine di creare minerali proprio, andando a formare giacimenti minerari, ovvero strutture con particolari concentrazioni naturali di un determinato elemento (avvenuta tramite cristallizzazione magmatica) n° volte superiori al
Clarke. Quest’ultimo rappresenta la concentrazione media di un elemento nella crosta terrestre ( espressa in ppm); è una grandezza molto usata dai giacimentologi. Il numero di volte che un elemento deve essere concentrato per definire un suo giacimento è detto “clarke di concentrazione”. Altro discorso importante per i giacimentologi è quello che riguarda la disponibilità geochimica di un elemento; è un concetto qualitativo e, se la disponibilità è alta, significa che l’elemento si trova in una condizione naturale da essere facilmente disponibile in natura ed utilizzabile.

Tab

Tab2

Queste due tabelle rappresentano i valori di Clarke tra i vari elementi (sono espresse in ppm, o mg/kg). Sappiamo che nonostante il Pb ed il Hg abbiano un Clarke più basso del Rb, sono molto più semplici da trovare. Perché?
Proprio perché c’è un problema di disponibilità geochimica che riguarda il Rb! Infatti, mentre quest’ultimo si disperde nel minerale potassio, Hg e Pb si concentrano e quindi riesco ad estrarli.
Alla luce di questi dati, possiamo fare un’ulteriore distinzione tra gli elementi:
– elementi dispersi (non disponibili o poco disponibili);
– elementi concentrati ( disponibili anche con Clarke basso).

<<< Visualizza la differenza fra legame ionico e legame covalente

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