La clasificación de Goldschmidt , [1] [2] desarrollada por Victor Goldschmidt (1888-1947), es una clasificación geoquímica que agrupa los elementos químicos dentro de la Tierra según sus fases anfitrionas preferidas en litófilos ( amantes de las rocas ), siderófilos ( amantes del hierro ), calcófilos ( amantes de los minerales de sulfuro o calcógenos ) y atmófilos (amantes de los gases) o volátiles (el elemento, o un compuesto en el que se encuentra, es líquido o gaseoso en condiciones ambientales de la superficie).
Algunos elementos tienen afinidades con más de una fase. La afinidad principal se indica en la tabla siguiente y a continuación se incluye un análisis de cada grupo.
Clasificación de Goldschmidt: Litófilo Siderófilo Calcofilo Atmófilo Traza/Sintético
Los elementos litófilos son aquellos que permanecen en la superficie o cerca de ella porque se combinan fácilmente con el oxígeno, formando compuestos que no se hunden en el núcleo de la Tierra . Los elementos litófilos incluyen Al , B , Ba , Be , Br , Ca , Cl , Cr , Cs , F , I , Hf , K , Li , Mg , Na , Nb , O , P , Rb , Sc , Si , Sr , Ta , Th , Ti , U , V , Y , Zr , W y los lantánidos o elementos de tierras raras (REE).
Los elementos litófilos están compuestos principalmente por metales altamente reactivos de los bloques s y f . También incluyen una pequeña cantidad de no metales reactivos y los metales más reactivos del bloque d, como el titanio , el circonio y el vanadio . Litófilo deriva de "lithos", que significa "roca", y "phileo", que significa "amor".
La mayoría de los elementos litófilos forman iones muy estables con una configuración electrónica de gas noble (a veces con electrones f adicionales). Los pocos que no lo hacen, como el silicio, el fósforo y el boro, forman enlaces covalentes extremadamente fuertes con el oxígeno, que a menudo implican enlaces pi . Su fuerte afinidad por el oxígeno hace que los elementos litófilos se asocien muy fuertemente con el sílice, formando minerales de densidad relativamente baja que flotan hasta la corteza terrestre . Los minerales más solubles formados por los metales alcalinos tienden a concentrarse en el agua de mar o en regiones extremadamente áridas donde pueden cristalizar. Los elementos litófilos menos solubles se concentran en escudos continentales antiguos donde todos los minerales solubles han sido erosionados.
Debido a su fuerte afinidad por el oxígeno, la mayoría de los elementos litófilos están enriquecidos en la corteza terrestre en relación con su abundancia en el sistema solar. Se sabe que los metales de los bloques s y f más reactivos, que forman hidruros salinos o metálicos , están extraordinariamente enriquecidos en la Tierra en su conjunto en relación con sus abundancias solares. Esto se debe a que durante las primeras etapas de la formación de la Tierra, la reacción que controlaba la forma estable de cada elemento químico era su capacidad para formar compuestos con hidrógeno. En estas condiciones, los metales de los bloques s y f se enriquecieron fuertemente durante la formación de la Tierra. Los elementos más enriquecidos son el rubidio , el estroncio y el bario , que juntos representan más del 50 por ciento en masa de todos los elementos más pesados que el hierro en la corteza terrestre.
Los litófilos no metálicos ( el fósforo y los halógenos ) existen en la Tierra en forma de sales iónicas con metales del bloque s en las pegmatitas y el agua de mar. Con excepción del flúor , cuyo hidruro forma enlaces de hidrógeno y, por lo tanto, es de una volatilidad relativamente baja, estos elementos han visto sus concentraciones en la Tierra reducidas significativamente a través del escape de hidruros volátiles durante la formación de la Tierra. Aunque están presentes en la corteza terrestre en concentraciones bastante cercanas a sus abundancias solares, el fósforo y los halógenos más pesados probablemente estén significativamente agotados en la Tierra en su conjunto en relación con sus abundancias solares.
Varios metales de transición, entre ellos el cromo , el molibdeno , el hierro y el manganeso , presentan características litófilas y siderófilas y pueden encontrarse en ambas capas. Aunque estos metales forman fuertes enlaces con el oxígeno y nunca se encuentran en la corteza terrestre en estado libre, se cree que es muy probable que existan formas metálicas de estos elementos en el núcleo de la Tierra como reliquias de cuando la atmósfera no contenía oxígeno. Al igual que los siderófilos "puros", estos elementos (excepto el hierro) están considerablemente agotados en la corteza en relación con sus abundancias solares.
Debido a su fuerte afinidad por el oxígeno, los metales litófilos, aunque constituyen la mayor parte de los elementos metálicos de la corteza terrestre, nunca estuvieron disponibles como metales libres antes del desarrollo de la electrólisis . Con este desarrollo, muchos metales litófilos tienen un valor considerable como metales estructurales ( magnesio , aluminio , titanio , vanadio ) o como agentes reductores ( sodio , magnesio , calcio ).
Los primeros químicos tampoco conocían los no metales fósforo y halógenos, aunque la producción de estos elementos es menos difícil que la de los litófilos metálicos, ya que solo se requiere electrólisis con flúor. El cloro elemental es particularmente importante como agente oxidante , y generalmente se produce por electrólisis del cloruro de sodio .
Los elementos siderófilos (de sideron , "hierro", y phileo , "amor") son los metales de transición que tienden a hundirse en el núcleo porque se disuelven fácilmente en hierro, ya sea como soluciones sólidas o en estado fundido, aunque algunas fuentes [3] incluyen elementos que no son metales de transición en su lista de siderófilos, como el germanio . Otras fuentes también pueden diferir en su lista según la temperatura que se discuta: el niobio , el vanadio , el cromo y el manganeso pueden considerarse siderófilos o no, dependiendo de la temperatura y la presión asumidas. [4] También es confuso el tema que algunos elementos, como el manganeso antes mencionado , así como el molibdeno , forman enlaces fuertes con el oxígeno, pero en estado libre (como existían en la Tierra primitiva cuando no existía el oxígeno libre) pueden mezclarse tan fácilmente con el hierro que no se concentran en la corteza silícea, como lo hacen los verdaderos elementos litófilos. El hierro , mientras tanto, simplemente está en todas partes .
Los elementos siderófilos incluyen el altamente siderófilo rutenio , rodio , paladio , renio , osmio , iridio , platino y oro , el moderadamente siderófilo cobalto y níquel , además de los elementos "disputados" mencionados anteriormente –algunas fuentes [3] incluso incluyen tungsteno y plata . [5]
La mayoría de los elementos siderófilos prácticamente no tienen afinidad alguna con el oxígeno: de hecho, los óxidos de oro son termodinámicamente inestables con respecto a los elementos. Forman enlaces más fuertes con el carbono o el azufre , pero incluso estos no son lo suficientemente fuertes como para separarse con los elementos calcófilos. Por lo tanto, los elementos siderófilos están unidos a través de enlaces metálicos con el hierro en la capa densa del núcleo de la Tierra, donde las presiones pueden ser lo suficientemente altas como para mantener el hierro sólido. El manganeso, el hierro y el molibdeno forman enlaces fuertes con el oxígeno, pero en estado libre (como existían en la Tierra primitiva cuando no existía el oxígeno libre) pueden mezclarse tan fácilmente con el hierro que no se concentran en la corteza silícea, como lo hacen los verdaderos elementos litófilos. Sin embargo, los minerales de manganeso se encuentran en los mismos sitios que los de aluminio y titanio, debido a la gran reactividad del manganeso hacia el oxígeno.
Debido a que están tan concentrados en el núcleo denso, los elementos siderófilos son conocidos por su rareza en la corteza terrestre. La mayoría de ellos siempre han sido conocidos como metales preciosos debido a esto. El iridio es el metal de transición más raro que se encuentra dentro de la corteza terrestre, con una abundancia en masa de menos de una parte por mil millones. Los depósitos explotables de metales preciosos generalmente se forman como resultado de la erosión de rocas ultramáficas , pero no están altamente concentrados incluso en comparación con sus abundancias en la corteza , que suelen ser varios órdenes de magnitud inferiores a sus abundancias solares. Sin embargo, debido a que están concentrados en el manto y el núcleo de la Tierra , se cree que los elementos siderófilos están presentes en la Tierra en su conjunto (incluido el núcleo) en algo que se acerca a sus abundancias solares.
Los elementos calcófilos incluyen Ag , As , Bi , Cd , Cu , Ga , Ge , Hg , In , Pb , S , Sb , Se , Sn , Te , Tl y Zn . [6]
Los elementos calcófilos son aquellos que permanecen en la superficie o cerca de ella porque se combinan fácilmente con el azufre y algún otro calcógeno distinto del oxígeno, formando compuestos que no se hunden en el núcleo de la Tierra.
Los elementos calcófilos son aquellos metales y no metales más pesados que tienen una baja afinidad por el oxígeno y prefieren unirse con el azufre en forma de sulfuros altamente insolubles . El término calcófilo deriva del griego khalkós (χαλκός), que significa " mineral " (también significaba " bronce " o " cobre ", pero en este caso "mineral" es el significado relevante), y varias fuentes lo interpretan como "amante de los calcógenos". [ aclaración necesaria ]
Como estos sulfuros son mucho más densos que los minerales de silicato formados por elementos litófilos, los elementos calcófilos se separaron por debajo de los litófilos en el momento de la primera cristalización de la corteza terrestre. Esto ha provocado su agotamiento en la corteza terrestre en relación con su abundancia solar, aunque como los minerales que forman son no metálicos, este agotamiento no ha alcanzado los niveles encontrados en los elementos siderófilos.
Sin embargo, debido a que formaron hidruros volátiles en la Tierra primitiva cuando la reacción redox controladora era la oxidación o reducción del hidrógeno, los elementos calcófilos menos metálicos están fuertemente agotados en la Tierra en su conjunto en relación con las abundancias cósmicas. Esto es especialmente cierto en el caso de los calcógenos selenio y telurio (que formaron seleniuro de hidrógeno volátil y telururo de hidrógeno , respectivamente), que por esta razón se encuentran entre los elementos más raros que se encuentran en la corteza terrestre (para ilustrarlo, el telurio es solo tan abundante como el platino ).
Los elementos calcófilos más metálicos (de los grupos del cobre, el cinc y el boro) pueden mezclarse en cierta medida con el hierro en el núcleo de la Tierra. No es probable que se agoten en la Tierra en su conjunto en relación con sus abundancias solares, ya que no forman hidruros volátiles. El cinc y el galio son algo "litófilos" en la naturaleza porque a menudo se encuentran en silicatos o minerales relacionados y forman enlaces bastante fuertes con el oxígeno. El galio, en particular, se obtiene principalmente de la bauxita , un mineral de hidróxido de aluminio en el que el ion galio sustituye al aluminio, químicamente similar.
Aunque ningún elemento calcófilo es muy abundante en la corteza terrestre, los elementos calcófilos constituyen la mayor parte de los metales de importancia comercial. Esto se debe a que, mientras que los elementos litófilos requieren una electrólisis intensiva en energía para su extracción, los calcófilos se pueden extraer fácilmente mediante reducción con coque y la concentración geoquímica de los calcófilos, que en casos extremos puede superar las 100.000 veces la abundancia media de la corteza terrestre, se encuentra en mayores enriquecimientos en mesetas altas como la meseta tibetana y el altiplano boliviano , donde se han elevado grandes cantidades de elementos calcófilos a través de colisiones de placas . Un efecto secundario de esto en los tiempos modernos es que los calcófilos más raros (como el mercurio ) se explotan tan completamente que su valor como minerales ha desaparecido casi por completo.
Los elementos atmófilos son H , C , N y los gases nobles . [7]
Los elementos atmófilos (también llamados "elementos volátiles") se definen como aquellos que permanecen principalmente sobre la superficie o por encima de ella porque son, o se encuentran en, líquidos y/o gases a temperaturas y presiones que se encuentran en la superficie. Los gases nobles no forman compuestos estables y se presentan como gases monoatómicos , mientras que el nitrógeno , aunque no tiene una configuración estable para sus átomos individuales, forma una molécula diatómica tan fuerte que todos los óxidos de nitrógeno son termodinámicamente inestables con respecto al nitrógeno y al oxígeno. En consecuencia, con el desarrollo del oxígeno libre a través de la fotosíntesis , el amoníaco se oxidó a nitrógeno molecular que ha llegado a formar cuatro quintas partes de la atmósfera de la Tierra. El carbono también se clasifica como un atmófilo porque forma enlaces múltiples muy fuertes con el oxígeno en el monóxido de carbono (que se oxida lentamente en la atmósfera) y el dióxido de carbono . Este último es el cuarto constituyente más grande de la atmósfera de la Tierra, mientras que el monóxido de carbono se produce naturalmente en los volcanes y tiene un tiempo de residencia en la atmósfera de unos pocos meses.
El hidrógeno, que se encuentra en el agua compuesta, también se clasifica como un compuesto atmófilo. El agua se clasifica como volátil, porque la mayor parte es líquida o gaseosa, aunque exista como un compuesto sólido en la superficie. El agua también se puede incorporar a otros minerales como agua de cristalización (por ejemplo, yeso ) o como grupos hidroxilo (por ejemplo, talco ), lo que le da al hidrógeno un carácter litófilo.
Como todos los elementos atmófilos son gases o forman hidruros volátiles, los elementos atmófilos están muy reducidos en la Tierra en su conjunto en relación con sus abundancias solares debido a las pérdidas de la atmósfera durante la formación de la Tierra. Los gases nobles más pesados ( criptón , xenón ) son los elementos estables más raros de la Tierra.
Los elementos sintéticos quedan excluidos de la clasificación porque no se encuentran en la naturaleza.
Los elementos radiactivos traza (a saber, Tc, Pm, Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Pa, Np, Pu) también se tratan como sintéticos. Aunque estos ocurren en la naturaleza, [8] [9] [10] su ocurrencia depende completamente de sus progenitores de larga vida Th y U, y no son muy móviles. Por ejemplo, la química del polonio predeciría que es un calcófilo, pero tiende a ocurrir en cambio como un litófilo junto con su progenitor uranio . Incluso el radón , que es un gas, no suele tener tiempo para viajar muy lejos de la fuente original de uranio antes de desintegrarse. Cuando es necesario, estos elementos normalmente se producen sintéticamente en reactores nucleares en lugar de utilizar el tedioso y laborioso proceso de extracción de los minerales de uranio .