EL ORIGEN DE LOS ELEMENTOSLa teoría más seguida sobre la formación del universo es la del Big-Bang que se basa en un principio donde toda la materia del universo estaba contenida en un núcleo primitivo con una densidad de aproximado 1096 g/cm3 y una temperatura aproximada a 1032 K, se supone que este núcleo explosionó y distribuyó materia y radiación uniformemente a través del espacio. Se produjo así el principio de expansión del universo que al ir expandiendo se enfrió, lo que permitió la formación de las primeras partículas llamadas quarks, y se diferenciaban ya las cuatro fuerzas principales: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y débil.

Se cree que a los 8 minutos del Big-Bang la composición del universo era ¼ de la masa era He y las ¾ eran H, también se cree que había 10-3% de Deuterio y 10-6% núcleos de Li. Existen grandes diferencias en la composición de los elementos en el sistema solar pero existe gran uniformidad en conjunto el universo. El H es el elemento más abundante en el universo constituyendo el 88,6%, después el He que es 8 veces menor que el H (11.3 %) y los demás elementos el 0,1% .

Un segundo después de la gran explosión la temperatura descendió a 1010 K. En esas todavía muy especiales condiciones, ya se encontraban fotones (γ), positrones (e+), neutrinos (ν), antineutrinos (ν), protones (p+), neutrones (n) y electrones (e–). Sabemos que con las tres últimas partículas se forman los átomos que hoy conocemos, pero a esas enormes temperaturas no se podían juntar para formarlos. Los neutrones libres, cuya vida media es de 11 minutos, se desintegraban transformándose en protones de acuerdo con:

Pero al descender la temperatura a 109 K, los protones y los neutrones empezaron a fusionarse para dar origen a los primeros núcleos de deuterio (2H), el cual en esas condiciones era muy inestable y se desintegraba casi tan pronto como se formaba. El Universo continuó enfriándose, muy rápidamente, favoreciendo la fusión de núcleos ligeros para dar núcleos más pesados. Los procesos fueron los siguientes:

La fusión de hidrógeno en las capas intermedias produce más helio, que es atraído gravitacionalmente hacia el centro, provocando un aumento en la presión y la temperatura. Una vez que la temperatura del centro de la estrella alcanza los 108 K, los núcleos de He tienen suficiente energía cinética para vencer la fuerte repulsión electrostática entre ellos y se fusionan para formar 12C en un proceso de dos pasos, conocido como proceso triple alfa  (ya que a los núcleos de He también se les conoce como partículas α). Dos núcleos de 4He se fusionan para originar uno de 8Be, que es poco estable, por lo que es susceptible de fusionarse a su vez con otro núcleo de 4He, para formar uno de 12C, que sí es muy estable; de hecho, el 12C es el tercer elemento más abundante en el Universo y es la base de la vida en nuestro planeta. En estas condiciones también pueden producirse núcleos de 16O, al fusionarse un núcleo de 12C con otro de 4He.

Las estrellas masivas, al agotarse el hidrógeno, la contracción gravitacional es más grande y la consecuente elevación de temperatura, aún mayor que en las estrellas que fusionan H y He, provoca que puedan llevarse a cabo reacciones de fusión en las que se producen muchos otros núcleos atómicos. En la primera de estas reacciones los núcleos de carbono pueden fusionarse para originar varios elementos más pesados.

La tierra en un principio tenía una temperatura muy elevada, por la expansión sufrió un enfriamiento generándose las distintas capas; un núcleo denso, sólido y formado por Fe y Ni; envuelto por una fase líquida(magma); y por último una corteza externa.

Para este caso, existe una sola teoría general aceptada –aunque todavía bajo discusión– entre los científicos, la cual plantea que el oxígeno molecular en la Tierra se originó a partir de la fotosíntesis de las cianobacterias ancestrales.9, 10 Antes de desarrollar esta teoría es importante repasar el origen del elemento oxígeno en la Tierra. Lazcano-Araujo1 habla de la evolución química en la Tierra y plantea la fusión de los átomos de hidrógeno a elevadas temperaturas para formar nuevos átomos: inicialmente dos átomos de hidrógeno más dos neutrones dieron lugar a un átomo de helio, y luego el carbono se originó a partir de helio y berilio (formado por dos átomos de helio), y posteriormente el oxígeno se forma a partir de átomos de helio y carbono (Tabla 1).

El átomo de oxígeno fue uno de los primeros en formarse en el proceso de evolución química, sin embargo la forma diatómica (molecular: O2) tardaría en aparecer porque la mayor parte del

oxígeno se encontraba asociado a otros elementos (H, C, N, metales, etc.), y en este estado no era reactivo ni podía ser usado como aceptor final de electrones en las cadenas metabólicas.

La capa de ozono en la Tierra se formó como consecuencia de la aparición del oxígeno molecular atmosférico, puesto que las moléculas de oxígeno que se encontraban a mayor altura fueron alcanzadas por la radiación ultravioleta produciendo una molécula triatómica de oxígeno (O3), denominada ozono, según la siguiente reacción:

La distribución de los elementos en la tierra ha dependido de las fuerzas que han actuado sobre ella. Nos encontramos en la corteza muchos depósitos de materiales (menas), las cuales se justifican se recurre a la tectónica de placaS. Estos materiales proceden del magma fluido que asciende por grietas existentes en la corteza llegando a la superficie, en esta se solidifican formando filones u otros dispositivos, explicando así las distintas concentraciones de elementos de la corteza.

La clasificación de los elementos de la tierra podía ser en 4 grandes grupos:

a. Siderófilos: se refiere a aquellos elementos amantes del Fe ó parecidos a él, y normalmente se encuentran e el núcleo metálico ó cerca de este, pero también se encuentran en la corteza terrestre pero su aparición es debida a reacciones que los originan.

b. Litófilos: son aquellos elementos amantes de las rocas, forman parte de ellas, estos se combinan fácilmente con él O y X y son los más abundantes de la corteza terrestre.

c. Calcófilos: Son aquellos que se combinan fácilmente con S, Ar, Se... También forman parte mayoritariamente de la corteza terrestre.

d. Atmósfilos: Son aquellos elementos gaseosos que forman parte de la atmósfera terrestre.

Ejemplo:

La galena con el ácido carbónico y oxígeno disuelto en el agua de lluvia. El plomo así lixiviado puede migrar a pH ácido, sin embargo, a medida que este sube, el plomo va quedando fijado como catión adsorbido en goethita, y cuando se supera un pH de 6, todo el plomo ha sido retenido. A su vez, la goethita puede haberse generado a partir de la precipitación de Fe3+ que venía con el drenaje ácido de mina. Así podemos tener un circuito en el cual minerales como la pirita inician un proceso que lleva a la formación de goethita a lo largo de un curso fluvial a medida que el pH aumenta. Esa goethita a su vez es capaz de capturar al plomo proveniente de la lixiviación de la galena. Mientras más alto sea el pH, tendremos más goethita a lo largo del curso fluvial (disminuye la solubilidad del Fe3+), y mientras más goethita (y mayor pH), mayor adsorción de plomo por parte de la primera.

PbS + H2CO3 +2O2 Pb2+ + 2HCO3- + SO4-2 + 2H+

Esquema de movilidad del Pb en función del pH y de la presenciade goethita en el medio fluvial afectado por actividades mineras.

REACCIONESReacción 1

La oxidación de los sulfuros metálicos es un proceso complejo, que incluye varios tipos de reacciones (óxido-reducción, hidrólisis, formación de complejos iónicos, solución-precipitación, etc.) de cuyo conjunto se origina alguna forma oxidada de hierro, aniones sulfato y una fuerte acidez, estimada como 2 moles de ácido por mol de pirita. Esta reacción de oxidación e hidrólisis implica la pérdida de un electrón por el Fe, 14 electrones por el S y la ganancia de 7 electrones y medio por el oxígeno, por cada mol de pirita, así como la precipitación de un mol de hierro hidrolizado, proceso que claramente no puede suceder en una etapa única.

FeS2 + O2+ H 2O Fe+2 + SO4−2 + H+¿¿

FeS2 +72

O2+ H 2O Fe+2 + 2SO4−2 +2 H+¿¿

La pirita al estar en contacto con el oxigeno y agua ; ocurre liberación de iones hierro(+2), sulfatos e hidrógenos.

Oxidación de la pirita por el oxigeno.

Genera 2 moles de acido por cada mol de pirita oxidada.

Reacción 2

La oxidación de los minerales de manganeso (Mn) es más complicada que los de Fe, porque el Mn tiene tres estados de oxidación. Los iones son Mn2+, Mn3+, Mn4+. El estado Mn3+ está representado por la manganita (MnOOH) y el Mn4+ por pirolusita (MnO2), pero una serie de óxidos más complejos. De todos ellos el más estable a la exposición de la atmósfera es la Pirolusita.

Fe+2 + M nO2+ H+¿¿ Mn+2 + H 2O + Fe+3

2 Fe+2 + M nO2+ 4 H+¿¿ Mn+2 + 2H 2O + 2 Fe+3

La pirolusita al estar en contacto con iones de hierro (+2) e hidrógenos, libera iones manganeso (+2), hierro (+3) y moléculas de agua.

Reacción 3

Entre los productos de meteorización, los óxido de Fe son los más abundantes. Todos los óxidos formados en contacto con el aire son óxidos férricos; ellos incluyen dos formas de los compuestos anhidros Fe2O3 (el mineral común hematita y el menos común óxido magnético maghemita) y al menos dos hidratados, goethita (HFeO2) y lepidocrocita.

El proceso de oxidación de la siderita implica una reducción de volumen, lo que se traduce en la formación de abundantes cavidades que confieren a la roca un aspecto poroso y/o cavernoso.

Mármol Siderítico

FeCO3 + O2+ H 2O Fe2O3+ HCO3−¿ ¿ + H+¿¿

4 FeCO3 + O2+ 4 H2O 2 Fe2O3+ 4 HCO3−¿¿ + 4 H+¿¿

6 FeCO3 + O2+6 H 2O 2 Fe2O3+ 6HCO3−¿¿ + 6H+¿ ¿

La siderita al reaccionar con el oxigeno y el agua, libera iones bicarbonatos e hidrogeno y forma la hematita.

CUESTIONARIO

PREGUNTA 3 El producto de solubilidad del carbonato de calcio a 25oC es 4.5 x 10-9

Calcular la solubilidad de CaCO3 en agua pura a 25oC. Expresar la solubilidad como: moles por litro. gramos de CaCO3. partes por millón de Ca.

SOLUCION:

CaCO3 → Ca2+ + CO32-

X X

K = x2 = 4.5 x 10-9

Por lo tanto x = [CaCO3] = 6.7 x 10-5M Analisis:

Debemos convertir a g/L, para ello lo multiplicamos por el peso molecular del CaCO3 (100) y obtenemos 6.7 x 10-3g/L luego dividimos entre 10 y obtenemos: C = 6.7 x 10-4g/100MlA partir de C = 6.7 x 10-3g/L multiplicamos por 1000 y obtenemos: [Ca2+] = 67000 ppm

Calcular la solubilidad de CaCO3 en una solución de CaCl2 0.05M a 25oC.

CaCO3 → Ca2+ + CO32- y CaCl2 → Ca2+ + 2Cl-

x x P 2Px(x+ 0.05) = 4.5 x 10-9

x2 + 0.05x = 4.5 x 10-9

x ≈ [Ca2+] = 0.9 x 10-7 M

¿Cuál es la razón de SO4-/CO3

- en una solución en equilibrio con CaSO4 y CaCO3?

CaSO4 → Ca2+ + SO42- y CaCO3 → Ca2+ + CO3

2-

x x z zP2 = 3.4 x 10-5 P2 = 4.5 x 10-9

x = [SO42-] = 5.83 x 10-3 M P = [CO3

2-] = 6.71 x 10-5M[SO4

2-]/[CO32-] = 86.855

PREGUNTA 7

El producto de solubilidad de PbS es 10-27.5 y la de ZnS es 10-24.7. ¿Cuál es la razón de Pb2+/Zn2+ en equilibrio con galena y esfalerita? Si una solución que contiene 100 veces más Zn2+ que Pb2+ se filtra por una mezcla de sulfuros, ¿sería la galena reemplaza por esfalerita o la esfalerita por galena?PbS → Pb2+ + S2- y ZnS → Zn2+ + S2-

x x P P

K = x2 = 10-27.5 K = P2 = 10-24.7

x = [Pb2+] = 1.78 x 10-8

P = [Zn2+] = 4.46 x 10-13

[Pb2+]/[Zn2+] = 0.0399 Si: [Zn2+]/[Pb2+] = 100 ,

Vemos que la esfalerita reemplaza a la galena ya que los resultados nos dicen que es más más soluble.