Sporgrundstof definition:

Transkript

1 Forelæsning Sporgrundstoffer: fordeling, substitution og klassifikation Forelæsning: Hvad er et sporgrundstof? Grundstoffers elektronkonfiguration og radius Det Periodiske System Goldschmidts regler for substitution af grundstoffer Fordeling af sporgrundstoffer og fordelingskoefficient Øvelse: Grundstoffers elektronkonfiguration; substitution; fordelingskoefficienter F Sporgrundstof definition: Koncentrationen er lille (< ppm, eller <. vægt%) Et sporgrundstof udgør ikke en essentiel komponent i et bjergartsdannende mineral Zr er et sporgrundstof i de fleste silikatsmelter og mineraler - men ikke i mineralet zirkon (ZrSiO ) Fordelingen af sporgrundstoffer afhænger ikke af dets egen koncentration (Henry s lov) Sporgrundstoffer substituerer for hovedgrundstoffer i bjergartsdannende mineraler (Goldschmidts regler) F

2 Grundstoffers elektronstruktur I Niels Bohr s atom model n = kvantetallet og angiver elektronernes energiniveau der ofte kaldes skaller (K-skal etc.) F Grundstoffers elektronstruktur II Schrødingers model for elektronskyer (orbitaler) s sky ( pr. n) fordeling af elektroner i en s sky p skyer ( pr. n) d skyer ( pr. n) a = maksimal sandsynlighed, f skyer (ikke vist) (7 pr. n) F også kaldet Bohr s radius

3 Grundstoffers elektronstruktur III Aufbau princippet: a) elektronskyer med det laveste energi-niveau (kvantetal) fyldes først b) elektroner med modsat spin kan fylde hver sky c) en elektronsky der er helt eller halvt fyldt, eller tom, er særlig stabilt (eks., eller elektroner i d niveauet, eller, eller 6 elektroner i p skyerne) F Sådan fyldes elektronskyerne følg de grå pile! f f 6f 7f d d d 6d 7d p p p p 6p 7p s s s s s 6s 7s fyldningssekvens: s s p 6 s p 6 s d p 6 s d...etc 88 Grundstoffernes Periodiske System I Periode IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA H Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra alkalimetaller jordsalkali metaller 9 IIIB IVB VB VIB VIIB Sc Y 7 Ti Zr Hf Rf s filling p filling 7 V Nb Ta Db Cr Mo 7 W 6 Sg Mn 7 Tc Re 7 Bh 6 76 overgangs metaller Fe Ru Os 8 Hs VIIIB IB IIB 7 Co 77 Rh Ir 9 Gruppe 6 Mt d filling f filling Ni Pd Pt 9 Cu 7 Ag 79 Au 8 Zn Cd 8 Hg 9 B Al Ga 8 In Tl 6 C Si Ge Sn 8 Pb 7 8 N P As Sb Bi 8 6 O S Se Te 8 Po F Cl Br I At halogener ædelgasser He 8 6 Ne Ar Kr Xe 86 Rn fyldnings sekvens s s+p sp sd+p s+d+p 6s+f+d+6p Lanthanides 7 La 8 Ce 9 Pr 6 Nd 6 Pm 6 Sm 6 Eu 6 Gd 6 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 7 Yb 7 Lu Actinides 89 Ac 9 Th 9 Pa 9 U 9 Np 9 Pu Am Cm Bk 98 Cf 99 Es Fm Md No Lr F 6

4 Grundstoffernes Periodiske System II - valens Grupper = kolonner = valens (stort set) eksempel: Ti (Z=) = [Ar]s d de fire yderste elektroner mistes Titanium er derfor ofte Ti + Periode 6 7 IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA +, IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB ,+6+,+7+,+,+,+, Ti Gruppe , -, ,+ -, , ,+,+,+,+ +,+ +, + +,+,++,+6 + +,+6, ,+ +,+6 +,+ +,++,++,+,++,+,+ +, , F 7 Lanthanides Actinides , ,+,+ + +, ,,+ Grundstoffernes Periodiske System III Elektronegativitet = evnen til at tiltrække en elektron varierer systematisk igennem det periodiske system stor for halogener og anioner, mindst for ædelgasser moderat for lithofile kationer, større for siderofile kationer. O F Cl Halogens Pauling Electronegativity of the Elements B r Atmophile Lithophile Siderophile Chalcophile. C I Au.. Li B S i A l Mg Na Fe Ge Ga Ca K Alkali Metals Rb Sn Cs Rare Earths Lu Hg At Ac Ra F r U Pu F 8 He Ne A r Noble Gases Kr Xe Ra Z

5 Grundstoffernes Periodiske System IV lithofile grundstoffer findes til venstre (lille elektronegativitet) og til højre (stor elektronegativitet) siderofile og chalcofile grundstoffer findes, groft set, i midten (moderat til høj elektronegativitet) H Lithophile Artificial Li Na 87 IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA K Rb Cs Fr Be Mg 8 6 Ca Sr Ba 88 Ra IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB 9 Sc Y 7 Ti Zr Hf Rf V Nb 7 Atmophile Chalcophile Ta Db Cr Mo 7 W 6 Sg Mn 7 Tc Re 7 Bh 6 76 Fe Ru Os 8 Hs 7 Co 77 Rh Ir 9 Mt Siderophile Ni Pd Pt 9 Cu 7 Ag 79 Au 8 Zn Cd 8 Hg 9 B Al Ga 8 In Tl 6 C Si Ge Sn 8 Pb 7 8 N P As Sb Bi O S Se Te Po F Cl Br I At 8 He Ne Ar 6 86 Kr Xe Rn Lanthanides 7 La 8 Ce 9 Pr 6 Nd 6 Pm 6 Sm 6 Eu 6 Gd 6 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 7 Tm Yb 7 Lu F 9 Actinides 89 Ac 9 Th 9 Pa 9 U 9 Np 9 Pu Am Cm Bk 98 Cf 99 Es Fm Md No Lr Grundstoffernes Periodiske System V - ionradius Rb er den største og fedeste kation! ionradius falder fra v. mod h. i en periode ionradius stiger ned gennem en gruppe F

6 Grundstoffernes Periodiske System VI - ionradius ionradius måles i Ångstrøm (Å) og afhænger af: valens [kationers radius falder med stigende valens] Koordinering (antal iltatomer omkring kationen) [ionradius af kationer stiger med antal iltatomer] kation radius/ anion radius F Klassifikation af sporgrundstoffer I vigtige sporelementgrupper F

7 Klassifikation af sporgrundstoffer II High Field Strength Elements (HFSE) Large Ion Lithophile Elements (LILE) Overgangsmetaller ( række) Platingruppe Grundstoffer Rare Earth Elements (REE) LILE REE HFSE overgangs metaller PGE F Goldschmidts regler for ion substitution I Fordelingen af grundstoffer i Jorden afhænger i HØJ GRAD af ion substitution i krystaller For eksempel kan man spørge, vil Ni eller Rb kunne substituere for Mg og Fe i et olivin [(Mg,Fe) SiO ] krystal? Det afhænger af mange ting, specielt valens, ionradius, feltstyrke, og elektronegativitet F

8 Goldschmidts regler for ion substitution II Ioner kan nemt substituere for et hovedgrundstof i et krystal hvis:. ionradius afviger <%. valens er den samme, eller afviger med højst en [kræver dog koblet substitution for at bibeholde ladningsbalancen] F. ioner med den største feltstyrke (valens/ radius) danner de stærkeste bånd og derfor det mest stabile mineral [d.v.s. at ioner med lav feltstyrke har svært ved at substituere for en ion med høj feltstyrke]. ionernes elektronegativitet er nogenlunde ens [hvis stor forskel, som f.eks. mellem Na + (.9) og Cu + (.9) sker substitution ikke selvom valens og ionradius opfylder og ] V. M. Goldschmidt (888-97): tysk/norsk; prof. i Oslo; geokemiens fader ; jøde; forfulgt under WWII Goldschmidts regler for ion substitution III Tilbage til Ni and Rb s muligheder for at substituere for Mg og Fe på den oktaedriske plads i Olivin [Mg SiO ] Mg + (VI), radius =.8Å, elctronegativitet =. Ni + (VI), radius =.77Å, electronegativitet =.8 Rb + (VI), radius =.7Å, electronegativitet =.8 Konklusionen er, at Ni nemt kan substituere, mens Rb er for stor til at substituere for Mg i olivin. F 6

9 Fordeling af grundstoffer I Fordelingskoefficienten, D i, af et sporgrundstof imellem to faser, f.eks. mellem mineral og magma, er en kvantificering af graden af substitution D i mineral/smelte beregnes som koncentrationen af grundstof i (C i ) i mineralet i.f.t. smelten: D i mineral/smelte = C i mineral /C i smelte Hvis koncentrationen, f.eks af Ni, er ppm i olivin, der er i ligevægt med magma med ppm Ni, da er D Ni mineral/smelte = ppm/ ppm = Man siger at Ni fordeles ind i olivin (fremfor smelten), Ni er et inkluderet sporgrundstof i olivin F 7 Fordeling af grundstoffer II Hvis: D i mineral/smelte > er i kompatibelt eller inkluderet i mineralet D i mineral/smelte < er i inkompatibelt eller ekskluderet i mineralet D i mineral/smelte = har i ingen præference mellem mineral og smelte F 8

10 F 9 Fordeling af grundstoffer III Hvordan bestemmes fordelingskoefficienten? koncentrationen af et sporgrundstof bestemmes i lynafkølet glas (repræsenterer smeltens sammensætning) og i fænokrystre i ligevægt med smelten i glas og krystaller fremstillet eksperimentelt teoretisk Hvad afhænger fordelingskoefficienten af? mange ting!, f.eks. magma og krystal sammensætning, temperatur, tryk, oxidationsniveau, vandindhold Fordeling af grundstoffer IV Hvordan vil koncentrationen af Rb og Ni udvikle sig i basaltisk magma ved krystallisation af olivin? basalt olivin F

11 Fordeling af grundstoffer V Rb i magma ved krystallisation af olivin: Udgangssammensætning C = p.p.m; D Rb OL/MAGMA =.98 Cl/Co Rayleigh fraktioneringsmodel F proportion melt remaining Fordeling af grundstoffer VI Ni i magma ved krystallisation af olivin: OL/MAGMA Udgangssammensætning C = p.p.m; D Ni =. Cl/Co Rayleigh fraktioneringsmodel proportion melt remaining F

12 Fordeling af grundstoffer VII Kvantitativ modellering af Rayleigh fraktioneret krystallisation I Rayleigh fraktioneringsmodellen fjernes krystaller fra smelten umiddelbart efter dannelse (modsat ligevægtskrystallisation) og koncentrationen af sporgrundstoffer kan beskrives med ligningen C L /C = F (D ) hvor: C = initial koncentration af sporgrundstof i magma C L = koncentration af sporgrundstof i magma D = fordelingskoefficient mellem olivin og magma F = massebrøken af magma tilbage [F varierer fra til ] F Fordeling af grundstoffer VIII Fordelingskoefficient for sporgrundstoffers substitution for Mg og Fe i klinopyroksen (Mg,Fe) Si O 6 F Fordelingskoefficient

13 Fordeling af grundstoffer IX Hvis man skal modellere krystallisation i et system hvor flere mineraler krystalliserer samtidigt, skal man beregne bulk fordelingskoefficienten, som er et udtryk for den samlede fordelingskoefficient af de mineraler der krystalliserer magma F forskellige mineraler Fordeling af grundstoffer X Bulk fordelingskoefficienten beregnes som følger: D i bulk bjergart/magma = f x D i min./magma + f x D i min./ magma +f *D i min./magma +... hvor: D = fordelingskoefficient i = sporgrundstof f i = massebrøk af fase (kan også være volumenbrøk) f + f + f + = F 6