3.2: Química de los Minerales
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El Átomo
La materia está hecha de átomos. Los átomos consisten en partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones. Un modelo simple del átomo tiene un núcleo central compuesto por protones, que tienen cargas positivas, y neutrones que no tienen carga. Una nube de electrones cargados negativamente rodea el núcleo, igualando el número de electrones al número de protones, equilibrando así la carga positiva de los protones para un átomo neutro. Los protones y neutrones tienen cada uno un número de masa de 1. La masa de un electrón es menor que 1/1000 th la de un protón o neutrón, lo que significa que la mayor parte de la masa del átomo está en el núcleo.
Tabla Periódica de los Elementos
La materia está compuesta por elementos que son átomos que tienen un número específico de protones en el núcleo. Este número de protones se llama el Número Atómico para el elemento. Por ejemplo, un átomo de oxígeno tiene 8 protones y un átomo de hierro tiene 26 protones. Un elemento no se puede descomponer químicamente en una forma más simple y conserva propiedades químicas y físicas únicas. Cada elemento se comporta de una manera única en la naturaleza. Esta singularidad llevó a los científicos a desarrollar una tabla periódica de los elementos, una disposición tabular de todos los elementos conocidos enumerados en orden de su número atómico.
La primera disposición de los elementos en una tabla periódica fue realizada por Dmitri Mendeleev en 1869 utilizando los elementos conocidos en ese momento [1]. En la tabla periódica, cada elemento tiene un símbolo químico, nombre, número atómico y masa atómica. El símbolo químico es una abreviatura del elemento, a menudo derivado de un nombre latino o griego para la sustancia [2]. El número atómico es el número de protones en el núcleo. La masa atómica es el número de protones y neutrones en el núcleo, cada uno con un número de masa de uno. Dado que la masa de electrones es mucho menor que los protones y neutrones, la masa atómica es efectivamente el número de protones más neutrones.
La masa atómica de los elementos naturales representa una masa promedio de los átomos que comprenden esa sustancia en la naturaleza y generalmente no es un número entero como se ve en la tabla periódica, lo que significa que existe un elemento en la naturaleza con átomos que tienen diferentes números de neutrones. El diferente número de neutrones afecta la masa de un elemento en la naturaleza y el número de masa atómica representa este promedio. Esto da lugar al concepto de 'isótope'. Los isótopos son formas de un elemento con el mismo número de protones pero diferentes números de neutrones. Por lo general, hay varios isótopos para un elemento en particular. Por ejemplo, el 98.9% de los átomos de carbono tienen 6 protones y 6 neutrones. Este isótopo de carbono se llama carbono-12 (12 C). Algunos átomos de carbono, carbono-13 (13 C), tienen 6 protones y 7 neutrones. Una cantidad traza de átomos de carbono, carbono-14 (14 C), tiene 6 protones y 8 neutrones. Entre los 118 elementos conocidos, los más pesados son creaciones humanas fugaces conocidas solo en aceleradores de partículas de alta energía, y decaen rápidamente. El elemento natural más pesado es el uranio, número atómico 92. Los ocho elementos más abundantes en la corteza continental terrestre se muestran en la Tabla\(\PageIndex{1}\): [3; 4]. Estos elementos se encuentran en los minerales formadores de rocas más comunes.
| Element | Símbolo | Abundancia% |
|---|---|---|
| Oxígeno | O | 47% |
| Silicio | Si | 28% |
| Aluminio | Al | 8% |
| Hierro | Fe | 5% |
| Calcio | Ca | 4% |
| Sodio | Na | 3% |
| Potasio | K | 3% |
| Magnesio | Mg | 2% |
Adhesiones Químicas
La mayoría de las sustancias en la Tierra son compuestos que contienen múltiples elementos. La unión química describe cómo estos átomos se unen entre sí para formar compuestos, como el sodio y el cloro que se combinan para formar NaCl, sal de mesa común. Los compuestos que se mantienen unidos por enlaces químicos se llaman moléculas. El agua es un compuesto de hidrógeno y oxígeno en el que dos átomos de hidrógeno están unidos covalentemente con un oxígeno formando la molécula de agua. El oxígeno que respiramos se forma cuando un átomo de oxígeno se une covalentemente con otro átomo de oxígeno para hacer la molécula O 2. El subíndice 2 en la fórmula química indica que la molécula contiene dos átomos de oxígeno.
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La mayoría de los minerales también son compuestos de más de un elemento. La calcita mineral común tiene la fórmula química\(\ce{CaCO3}\) que indica que la molécula consiste en un átomo de calcio, un carbono y tres átomos de oxígeno. En la calcita, un átomo de carbono y tres átomos de oxígeno se mantienen unidos por enlaces covalentes para formar un ion molecular, llamado carbonato, que tiene una carga negativa. El calcio como ion tiene una carga positiva de más dos. Los dos iones con carga opuesta se atraen entre sí y se combinan para formar la calcita mineral,\(\ce{CaCO3}\). El nombre del compuesto químico es carbonato de calcio, donde el calcio es\(\ce{Ca}\) y carbonato se refiere al ion molecular\(\ce{CO_3^{-2}}\).
El olivino mineral tiene la fórmula química (Mg, Fe) 2 SiO 4, en la que un átomo de silicio y cuatro átomos de oxígeno están unidos con dos átomos de magnesio o hierro. La coma entre hierro (Fe) y magnesio (Mg) indica que los dos elementos pueden ocupar la misma ubicación en la estructura cristalina y sustituirse entre sí.
Valencia y Carga
Los electrones alrededor del núcleo del átomo están ubicados en conchas que representan diferentes niveles de energía. El caparazón más exterior se llama caparazón de valencia. Los electrones en la capa de valencia están involucrados en la unión química. En 1913, Niels Bohr propuso un modelo simple del átomo que afirma que los átomos son más estables cuando su caparazón más externo está lleno [5; 6]. Los átomos de la mayoría de los elementos tienden así a ganar o perder electrones por lo que la capa más externa o de valencia está llena. En el modelo de Bohr, la capa más interna puede tener un máximo de dos electrones y la segunda y tercera conchas pueden tener un máximo de ocho electrones. Cuando el caparazón más interno es el caparazón de valencia, como en el caso del hidrógeno y el helio, obedece a la regla del octeto cuando está lleno de dos electrones. Para los elementos en filas superiores, se aplica la regla del octeto de ocho electrones en la capa de valencia.
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Las filas de la tabla periódica presentan los elementos en orden de número atómico y las columnas organizan elementos con características similares, como el mismo número de electrones en sus conchas de valencia. Las columnas suelen etiquetarse de izquierda a derecha con números romanos I a VIII, y números arábigos del 1 al 18. Los elementos de las columnas I y II tienen 1 y 2 electrones en sus respectivas conchas de valencia y los elementos de las columnas VI y VII tienen 6 y 7 electrones en sus respectivas conchas de valencia.
En la fila 3 y columna I, el sodio (Na) tiene 11 protones en el núcleo y 11 electrones en tres cáscaras: 2 electrones en la capa interna, 8 electrones en la segunda capa y 1 electrón en la capa de valencia. Para mantener una capa externa completa de 8 electrones por la regla del octeto, el sodio cede fácilmente ese 1 electrón por lo que hay 10 electrones totales. Con 11 protones cargados positivamente en el núcleo y 10 electrones cargados negativamente en dos conchas, el sodio al formar enlaces químicos es un ion con una carga neta global de +1.
Todos los elementos de la columna I tienen un solo electrón en su caparazón de valencia y una valencia de 1. Estos otros elementos de las columnas I también renuncian fácilmente a este único electrón de valencia y así se convierten en iones con una carga +1. Los elementos de la columna II ceden fácilmente 2 electrones y terminan como iones con una carga de +2. Obsérvese que los elementos de las columnas I y II que ceden fácilmente sus electrones de valencia, a menudo forman enlaces con elementos en las columnas VI y VII que fácilmente absorben estos electrones. Los elementos de las columnas 3 a 15 suelen estar involucrados en el enlace covalente. La última columna 18 (VIII) contiene los gases nobles. Estos elementos son químicamente inertes porque la capa de valencia ya está llena con 8 electrones, por lo que no ganan ni pierden electrones. Un ejemplo es el helio de gas noble que tiene 2 electrones de valencia en la primera capa. Por lo tanto, su caparazón de valencia está lleno. Todos los elementos de la columna VIII poseen conchas de valencia completas y no forman enlaces con otros elementos.
Como se vio anteriormente, un átomo con una carga neta positiva o negativa como resultado de ganar o perder electrones se llama ion. En general, los elementos del lado izquierdo de la tabla pierden electrones y se convierten en iones positivos, llamados cationes porque son atraídos hacia el cátodo en un dispositivo eléctrico. Los elementos del lado derecho tienden a ganar electrones. Estos se llaman aniones porque son atraídos por el ánodo en un dispositivo eléctrico. Los elementos en el centro de la tabla periódica, columnas 3 a 15, no siguen consistentemente la regla del octeto. A estos se les llama elementos de transición. Un ejemplo común es el hierro, que tiene una carga +2 o +3 dependiendo del estado de oxidación del elemento. El Fe oxidado +3 lleva una carga +3 y el Fe +2 reducido es +2. Estos dos estados de oxidación diferentes del hierro a menudo imparten colores dramáticos a las rocas que contienen sus minerales, la forma oxidada que produce colores rojos y la forma reducida que produce verde.
Unión Iónica
Los enlaces iónicos, también llamados enlaces de transferencia de electrones, se forman por la atracción electrostática entre átomos que tienen cargas opuestas. Los átomos de dos cargas opuestas se atraen electrostáticamente y forman un enlace iónico en el que el ion positivo transfiere su electrón (o electrones) al ion negativo que los absorbe. A través de esta transferencia ambos átomos logran así una capa de valencia completa. Por ejemplo, un átomo de sodio (Na +1) y un átomo de cloro (Cl -1) forman un enlace iónico para hacer el compuesto cloruro de sodio (NaCl). Esto también se conoce como la halita mineral o sal común de mesa. Otro ejemplo es el calcio (Ca +2) y el cloro (Cl -1) que se combinan para elaborar el compuesto cloruro de calcio (CaCl 2). El subíndice 2 indica que dos átomos de cloro están unidos iónicamente a un átomo de calcio.
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Enlace covalente
Los enlaces iónicos generalmente se forman entre un metal y un no metal. Otro tipo, llamado enlace covalente o de intercambio de electrones, ocurre comúnmente entre los no metales. Los enlaces covalentes comparten electrones entre iones para completar sus capas de valencia. Por ejemplo, el oxígeno (número atómico 8) tiene 8 electrones—2 en el caparazón interior y 6 en el caparazón de valencia. Los gases como el oxígeno a menudo forman moléculas diatómicas al compartir electrones de valencia. En el caso del oxígeno, dos átomos se unen entre sí y comparten 2 electrones para llenar sus cáscaras de valencia para convertirse en la molécula de oxígeno común que respiramos (O 2). El metano (CH 4) es otro gas unido covalentemente. El átomo de carbono necesita 4 electrones y cada hidrógeno necesita 1. Cada hidrógeno comparte su electrón con el carbono para formar una molécula como se muestra en la figura.
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Referencias
- Mendeleev, D. La relación entre las propiedades y los pesos atómicos de los elementos. Revista de la Sociedad Química Rusa 1, 60—77 (1869).
- Scerri, E. R. La Tabla Periódica: Su Historia y Su Importancia. (Oxford University Press, EE.UU., 2007).
- Clarke, F. W. H. S. W. La composición de la corteza terrestre. 127, (Servicio Geológico de Estados Unidos, 1927).
- Hans Wedepohl, K. La composición de la corteza continental. Geochim. Cosmochim. Acta 59, 1217—1232 (1995).
- Alfabetización científica: conceptos, contextos y consecuencias. (Prensa de Academias Nacionales (US), 2016).
- Bohr, N. Sobre la constitución de átomos y moléculas. Philos. Mag. 26, 1—24 (1913).