GEOCHEMIA WYBRANYCH PIERWIASTKÓW
Na, K i inne metale alkaliczne silnie elektrododatnie metale o dużych promieniach jonowych tworzące jony +1 i wiązania w przewadze jonowe sód i potas są składnikami minerałów skałotwórczych, pozostałe litowce występują jako podstawiające się pierwiastki śladowe są niekompatybilne i koncentrują się w kwaśnych magmach i pegmatytach ok. 15% ciepła powstającego w skorupie ziemskiej i opóźniającego stygnięcie naszego globu pochodzi z rozpadu radioaktywnego 40 K izotopowe analizy potasu i rubidu oraz produktów ich rozpadu znajdują znakomite wykorzystanie w geochronologii i w petrologii halit NaCl czy sylwin KCl doskonale rozpuszczają się w wodzie halit jest eksploatowany głównie na potrzeby przemysłu chemicznego a sylwin i inne sole potasowe na potrzeby nawozów rolniczych
Mg, Ca i inne metale ziem alkalicznych są to elektrododatnie metale tworzące jony +2 podobieństwo promienia jonowego pomiędzy Mg 2+ i Fe 2+ powoduje, że pierwiastki te często współwystępują w wielu minerałach skałotwórczych na przykład w oliwinach, granatach, piroksenach i amfibolach, biotycie, chlorytach itd. magnez jest jednym z głównych kationów wody morskiej wapń też jest istotnym składnikiem wody morskiej i to właśnie węglany i siarczany wapnia stanowią istotny składnik ewaporatów. Kalcyt jest zdecydowanie najpowszechniejszym minerałem wapnia a większość Ca związana jest w skałach osadowych: wapieniach, dolomitach, marmurach i łupkach węglanowych Mg jest też nadzwyczaj ważnym biopierwiastkiem wchodząc w skład chlorofilu przemysłowo minerały i związki wapnia to składniki surowców budowlanych: wapna, cementu itp. Magnez jako metal zużywany jest głównie do produkcji lekkich stopów
Azot N i fosfor P azot to gazowy niemetal ze środka układu okresowego, który może przyjmować różne stopnie utlenienia i tworzyć wiązania w przewadze atomowe azot jest głównym i niereaktywnym składnikiem atmosfery ziemskiej jest też istotnym składnikiem zanieczyszczenia powietrza w wielkich aglomeracjach: ubocznym produktem spalania benzyny w silnikach samochodowych są różne tlenki azotu, m.in. N 2 O, NO, NO 2. Te tlenki azotu zabarwiają powietrze na lekko brązowy kolor i przyczyniają się do powstawania smogu w wielkich miastach ważny surowiec przemysłu chemicznego, niezbędny do produkcji nawozów oraz (m.in. poprzez amoniak NH 3 ) do wielu bardzo potrzebnych syntez związków organicznych
Azot N i fosfor P fosfor, podobnie jak azot, jest niemetalem ze środka układu, znacznie jednak bardziej reaktywnym od azotu fosfor w przyrodzie występuje głównie w postaci fosforanów jako apatyt. Kości i zęby kręgowców zbudowane są z hydroksylapatytu Ca 5 (PO 4 ) 3 OH a w skałach jako minerał akcesoryczny występuje zazwyczaj apatyt fluorowy Ca 5 (PO 4 ) 3 F zarówno azot jak i fosfor wchodzą w skład związków organicznych budujących organizmy. Dlatego przemysłowa produkcja związków azotu i fosforu skierowana jest przede wszystkim na użytek nawozów rolniczych. Niestety, dość powszechne jest niefrasobliwe i nadmierne użycie tych nawozów co powoduje zmywanie ich nadmiaru do wód powierzchniowych. Nadmiar fosforu powoduje eutrofizację czyli
Glin Al glin jest metalem amfoterycznym intensywne wietrzenie w klimacie tropikalnym powoduje, że powstają boksyty: zwietrzelina wzbogacona w tlenki i wodorotlenki KAlSi 3 O 8 + 2H 2 O Al(OH) 3 + 3SiO 2 + KOH ortoklaz NaAlSi 3 O 8 + 2H 2 O Al(OH) 3 + 3SiO 2 + NaOH albit gibbsyt gibbsyt pośród zastosowań aluminium w budownictwie i technice (stopiony z odpowiednimi dodatkami daje lekki, wytrzymały i odporny na korozję materiał konstrukcyjny wyśmienicie przewodzący ciepło i elektryczność) nie należy zapominać o korundzie Al 2 O 3, który ze względu na twardość jest poszukiwanym materiałem ściernym a jako kamień szlachetny znany jest np. pod nazwami szafir, rubin
krzem leży w czwartej głównej grupie układu okresowego: ma 4 elektrony walencyjne i pośrednią elektroujemność, wiązania mają w przewadze charakter kowalencyjny, nie jonowy w minerałach krzemianowych (i w stopach magmowych) podstawowymi cegiełkami chemicznymi są przestrzenne formy, w kształcie tetraedrów, z atomem Si w środku i czterema atomami tlenu w narożach dlatego krzem określa się angielskim terminem network former, czyli pierwiastek tworzący szkielet, sieć krystaliczną minerału, w przeciwieństwie do jonów Mg 2+, Fe 2+ i in. nazywanych network modifiers czyli pierwiastki modyfikujące sieć. W ten sposób powstają różne struktury minerałów krzemianowych i glinokrzemianowych.
Wielokrotne łączenie się tetraedrów krzemianowych w wielkie struktury przestrzenne przypomina polimeryzację organicznych związków węgla. Wiązanie kowalencyjne powstaje przez uwspólnienie elektronów. W tetraedrze SiO 4 każdy atom tlenu tworzy wiązanie wykorzystując jeden swój elektron i jeden elektron atomu krzemu. A więc wszystkie elektrony krzemu są wykorzystane, ale każdy atom tlenu ma jeszcze jeden elektron do wykorzystania do utworzenia dalszych wiązań.
Polimeryzacja wszystkich dostępnych tetraedrów krzemotlenowych ze sobą prowadzi do powstania przestrzennej struktury kwarcu, którego wzór można by zapisać jako (SiO 4 )n. Tetraedry łączą się ze sobą silnymi wiązaniami atomowymi, przez co kwarc ma dość dużą twardość a ponieważ wszystkie wiązania mają tą samą siłę kwarc nie wykazuje łupliwości.
W kwarcu atomy połączone są wiązaniami atomowymi. Gdy podczas krystalizacji stopu krzemianowego znajdują się w nim w dużej ilości jony elektrododatnich pierwiastków metalicznych (np. Mg 2+, Fe 2+ ) to mogą one utworzyć z tetraedrami SiO 4 (o nominalnym ładunku 4-) wiązanie o bardziej jonowym charakterze. Tak powstają oliwiny np. forsteryt Mg 2 SiO 4, granaty np. almandyn Fe 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 czy cyrkony ZrSiO 4. W minerałach tych nie ma bezpośredniego wiązania pomiędzy poszczególnymi tetraedrami, cegiełki SiO 4 spojone są jonami metalu i w efekcie, podobnie jak w przypadku kwarcu, oliwiny czy granaty nie wykazują łupliwości. oliwin granat cyrkon
Częściowa polimeryzacja powoduje, że tetraedry SiO 4 tworzą łańcuchy i warstwy, które spojone są bardziej jonowymi oddziaływaniami w obecności jonów Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Fe 2+, Fe 3+, Mn 2+ i innych. Tak powstają na przykład struktury piroksenów i amfiboli. Długie łańcuchy ułożone są równolegle do wydłużenia kryształów powodując, że pirokseny i amfibole mają pokrój słupkowy i igiełkowy. A ponieważ łatwiej jest rozerwać jonowe oddziaływania pomiędzy łańcuchami niż silne atomowe wiązania wzdłuż łańcuchów, więc płaszczyzny łupliwości w tych minerałach biegną równolegle do łańcuchów a więc i równolegle do wydłużenia kryształów.
pirokseny widziane w dół wydłużenia słupa kierunki łupliwości
amfibole widziane w dół wydłużenia słupa kierunki łupliwości
W krzemianach warstwowych tetraedry połączone są trzema narożami tworząc warstwy. Wiązania w obrębie warstw są znacznie silniejsze niż oddziaływania pomiędzy warstwami: powstaje łupliwość jednokierunkowa równolegle do ułożenia warstw. muskowit
Możliwa jest częściowa substytucja atomów glinu Al za atomy krzemu Si w strukturze krzemianów. Podstawienie trójwartościowego jonu Al 3+ za czterowartościowy Si 4+ wymaga jednak skompensowania niedoboru ładunku dodatniego i pozwala na przyjęcie kationóww metali, tak jak to ma miejsce na przykład w skaleniach potasowych KAlSi 3 O 8 czy w plagioklazach NaAlSi 3 O 8 i CaAl 2 Si 2 O 8. albit anortyt