Geochimica - Parte 1

9 marzo 2011, lezione 1

La terra è un pianeta del sistema solare.

L’universo è in espansione, le nebulose si allontanano le une dalle altre e la velocità di allontanamento

aumenta con la distanza. Di questo ce ne accorgiamo per l’effetto Doppler: col cannocchiale vediamo uno

shiftamento della luce bianca verso il rosso, ovvero quando il corpo si allontana l’energia passa verso

lunghezze d’onda più lunghe.

L’universo è in espansione. All’infinito?? Sappiamo che esso è in espansione iperbolica.

CHIMICA DELL’UNIVERSO:

STELLE: fonte d’informazione della chimica dell’universo ( fonte indiretta ). I dati astronomici

potrebbero in sé essere considerati soddisfacenti, ma non sono abbastanza accurati e sono limitati ai

non molti elementi per cui si è potuta stabilire quantitativamente l’abbondanza relativa. E’ necessario

integrare questi dati con quelli relativi alla composizione chimica delle meteoriti, nelle quali si è potuta

dosare una grande quantità di elementi, nonché con l’analisi della composizione chimica della Terra

stessa ( fonti d’informazioni dirette ).

Uniamo le informazioni per avere l’andamento delle abbondanze cosmiche.

Le STELLE emettono luce bianca.

Scaldando gli elementi si emette energia e quando questi si raffreddano riemettono energia sottoforma

di luce. Se metto in evidenza le lunghezze d’onda posso capire quali elementi sono presenti nelle stelle.

Ogni stella ha elementi chimici che nella parte interna assorbono energia, e quando si spostano verso

l’esterno si raffreddano e riemettono energia; le stelle hanno un’atmosfera attorno = una parte esterna

dove sono presenti gli stessi elementi dell’interno, ma ad una temperatura inferiore : questi elementi

nella parte esterna assorbono le radiazioni dell’elemento fratello all’interno es: H-H, He-He e le

riemettono ad un’energia minore quello che noi vediamo con lo spettrografo è uno spettro di



emissione continua solcato da bande nere, ovvero lo spettro di assorbimento della stella.

SPETTRO DI EMISSIONE: quando un fascio di luce bianca attraversa un prima di vetro si scompone a

causa della rifrazione e si disperde a ventaglio in una serie di radiazioni continue di diverso colore, che

vengono raccolte su uno schermo, originando lo spettro.

SPETTRO DI EMISSIONE CONTINUO: scomponendo con un prisma la radiazione ottenuta scaldando

un corpo nero. Continuo contiene tutte le onde elettromagnetiche. Il corpo nero è un gas, un liquido,



o un solido ad alta densità e pressione. Portato ad incandescenza : l’energia emessa e l’intensità sono

.

proporzionali alla temperatura 1

SPETTRO DI ASSORBIMENTO: quando la luce continua passa attraverso una sostanza gassosa a

bassa pressione e meno calda della sorgente. Il gas assorbe alcune radiazioni emesse dalla sorgente;

questa radiazione viene poi rifratta e si ottiene uno spettro colorato con bande scure in corrispondenza

delle radiazioni assorbite di una certa lunghezza d’onda. Le radiazioni che il gas assorbe sono le stesse

che emette quando viene scaldato ed eccitato lo spettro di assorbimento è il negativo di quello di



emissione e consente di determinare la natura chimica della sostanza allo stato gassoso interposta tra

la sorgente e l’osservatore.

Lo spettrografo dunque raccoglie un raggio di luce proveniente dalle stelle e separa mediante prisma le

radiazioni che vengono focalizzate da una lente su lastra fotografica sulla quale viene impresso lo

spettro. La lettura di tale spettro ci permette di dire QUALI sono i materiali che lo compongono, ma

non QUANTI! La quantitativa non la possiamo fare, ma possiamo orientativamente dire che quanto più e

annerita la banda di una determinata lunghezza d’onda tanto maggiore è la quantità di elemento

presente che assorbe quella radiazione ( è una semi-quantitativa ), anche se l’intensità delle linee di

assorbimento dipendono non solo dalla quantità di elemento presente, ma dalla temperatura, dalla

pressione e dall’efficienza con cui un particolare elemento assorbe la luce.

SPETTRO DI ASSORBIMENTO DEL SOLE: le abbondanze degli elementi nel Sole vengono determinate

dalle righe degli spettri di assorbimento prodotte quando la luce proveniente dalla superficie visibile

del sole attraversa gli strati sottili e freddi soprastanti.

Le righe dell’ He non si vedono, perché He stà nell’ultravioletto. Al di là dell’atmosfera possiamo vedere

l’ultravioletto.

H > He > Ne > O > N > Ca > Ar > Si > Fe > Mg

*

Sono gli elementi presenti nelle stelle. Nel sole il Neon non è così abbondante perché il sole si ferma all’

Elio avendo una temperatura inferiore. Le stelle più grandi hanno tutte il Ne abbondante.

SISTEMA SOLARE

SOLE : E’ una stella media

 70% H

 28% He

 2% elementi più pesanti

 2

Genera calore e luce convertendo l’Idrogeno in Elio nelle profondità del suo interno



VENERE ( pianeta gemello ):

Atmosfera di CO H O, H SO e HCl

 2, 2 2 4

T di 500 °C

 Crateri

 Massa e densità di poco più piccole della terra, ma ha rotazione retrograda ( avviene in senso

 opposto al senso di rivoluzione di tutti i pianeti attorno al sole ) e lenta

TERRA: 3

Densità media di 5,5 / cm , la più elevata di qualsiasi altro pianeta

 Insolita atmosfera di azoto e ossigeno con grandi massa di acqua liquida

 Assenza di crateri da impatto per attività geologica superficiale intensa



MERCURIO:

Pianeta più vicino al Sole

 Piccolo e densità di poco inferiore alla terra



La maggior parte della massa si trova nel SOLE : la massa del sole è 740 volte maggiore di quella di

tutti i pianeti messi insieme.

I moti dei pianeti attorno al Sole contribuiscono al 99,5% del momento angolare anche se il sole

possiede la maggior parte della massa.

Marcata differenza di composizione media tra i pianeti terrestri ( Mercurio, Venere, Terra e Marte ) e

i pianeti maggiori ( Giove, Saturno, Urano, Nettuno ).

Nel Sistema Solare tra pianeti interni ed esterni esistono delle regolarità:

BODE : studia le distanze dei pianeti dal sole, cercando una sequenzialità.

n

a = 4 + 3 x 2 3

∞

cambiando n se n = - abbiamo la distanza di Mercurio ( a = 4 ), se n = 0 abbiamo la distanza di



Venere ( a = 7 ). La Terra ha n = 1 ovvero a = 10 e così via.

Nettuno e Plutone sono gli ultimi calcolabili.

3

Tra Marte e Giove dove a= 4 + 3 x 2 = 28 ci dovrebbe essere un pianeta, ma invece non c’è!!!!!!!!!

Abbiamo però l’anello degli asteroidi :

C’è chi dice sia un pianeta frantumatosi

 C’è chi dice che il pianeta non si sia mai formato



I pianeti si formano per ACCREZIONE.

Pianeti interni: interni a fascia degli asteroidi.

Pianeti esterni: esterni a fascia degli asteroidi.

METEORITI : porzione di materia extraterrestre che sopravvive al passaggio

attraverso l’atmosfera terrestre ed atterra sulla superficie.

Vengono dall’anello degli asteroidi: le orbite degli asteroidi entrano nell’atmosfera terrestre. Gli

asteroidi collidono tra loro e i meteoriti entrano nell’ atmosfera terrestre se hanno il giusto angolo di

entrata, mentre altri rimbalzano : METEORITI SONO PARTE DEL SISTEMA SOLARE. Parte del

meteorite si distrugge, se completamente viene chiamata METEORA ( STELLA CADENTE ) altrimenti

se arriva all’impatto con la superficie terrestre viene propriamente detto METEORITE.

I meteoriti hanno un ruolo fondamentale, in quanto si ritiene che essi rappresentino stadi diversi del

processo di accrezione dei pianeti, cioè che siano FOSSILI del Sistema solare primitivo in evoluzione.

Si pensa che la composizione di alcuni meteoriti sia equivalente alla composizione della TERRA, a meno

di modifiche dovute alla perdita di elementi.

FERRI METEORICI SIDERITI

 

- 90% di Nichel e Ferro sottoforma di lega metallica

Sono i più facili da riconoscere, perché la lega delle Sideriti contiene più Ni della lega

terrestre.

PIETRE METEORICHE AEROLITI

 

a) Minerali silicatici, sono le più comuni e abbondanti sulla Terra *

a) Condriti : sono le più comuni e sono meteoriti indifferenziati . 4

Hanno condruli ovvero piccole sfere della stessa composizione della matrice nella quale

sono inseriti. Essi hanno acquistato la loro forma quasi sferica per il fatto di essere

stati fusi prima di essere incorporati nella matrice.

CONDRULI: IPOTESI 1: condensazione diretta di un vapore

IPOTESI 2: fusione da impatto dei grani o di piccoli planetesimi: questo

processo sarebbe avvenuto nel corso delle prime fasi di accrezione del

materiale della nebulosa solare per formare i corpi di origine dei meteoriti!

Condriti carbonacee:

 sono le meno differenziate, infatti contengono ancora i composti VOLATILI del

Carbonio pur avendo perso gli elementi di numero atomico più basso ( sono le più

antiche ).

b) Acondriti : non contengono condruli.

BRECCE – PIETRE FERRO METEORICHE SIDEROLITI

 

½ ½

b) metalli, silicati

CRATERI: l’energia da impatto del meteorite diventa energia calorica ed arriviamo alla temperatura di

fusione del ferro!!!!! non troviamo più il meteorite: ecco perché i meteoriti sono per lo più SIDERITI



Le pietre meteoriche sono più difficili da riconoscere in quanto mostrano vetro ( silice ) fuso,

nonostante contengano più elementi delle normali rocce silicatiche terrestri ( > % iridio, palladio ecc… )

METEORITI DIFFERENZIATI: evidenze di una fusione o altri processi successivi alla fase di

accrezione, che devono aver portato a una marcata segregazione degli elementi.

*

METEORITI INDIFFERENZIATI: non hanno subito la fusione e sono quindi molto più vicini alla

composizione originale del materiale dal quale si formarono i corpi che li hanno generati e l’intero

Sistema solare.

I DATI DELLE ANALISI DELLE CONDRITI CARBONACEE E QUELLE RELATIVE ALLA

COMPOSIZIONE INTERNA DELLA TERRA ( * vd dopo = tramite studio Densità elementi,

Temperature di fusione , Pressioni, Profondità ecc… ) SONO STATI COMBINATI CON QUELLI

OTTENUTI DAGLI SPETTRI STELLARI PER COSTRUIRE L’ANDAMENTO DELLE ABBONDANZE

COSMICHE!!!!!!

Con i dati ottenuti possiamo fare una tabella delle quantità dall’andamento delle abbondanze degli

elementi NORMALIZZATI: ovvero le quantità degli elementi sono normalizzate alla quantità presunta

8

del Si, la cui abbondanza è posta uguale a 10 atomi. Quindi gli altri elementi li misuriamo rispetto al

silicio sono abbondanze RELATIVE degli elementi nell’universo ( o per lo meno nel nostro Sistema



solare, NON REALI!!!!!

Cosa viene fuori? Se noi rettifichiamo, viene fuori un esponenziale! 5

Stabiliamo le LEGGI che regolano l’abbondanza degli elementi nell’universo, in quanto dall’esame dei

dati contenuti nella tabella, vengono fuori alcune regolarità:

a) PRIMA LEGGE DELLA GEOCHIMICA : L’abbondanza degli elementi decresce al

crescere del numero atomico.

Gli elementi a numero atomico minore saranno dunque i più abbondanti, come risulta dal fatto che H ed

He sono gli elementi più abbondanti.

Passando da un elemento Z ad un elemento Z + 1 l’abbondanza decresce di un fattore 1,2-1,3; quindi un

83

elemento con Z = 83 sarà ( 1,2 ) volte meno abbondante dell’elemento più leggero Z= 1 ossia di un

7

fattore 10 .

ECCEZIONI ALLA LEGGE:

Li, Be, B, F presentano un valore delle abbondanze relativamente basso perché si

 3 4 5 9

formano ma sono instabili a quelle temperature; infatti si formano per lo più per

distruzione di nuclei e non per combustione ( vedi nucleosintesi *) .

Ni, Sn, W, Pb presentano un valore delle abbondanze relativamente alto.

 28 50 74 82

26 Fe è più abbondante del suo numero atomico perché nella nucleosintesi tutto si ferma al

 ferro ( è l’ultimo processo normale ).

U, T sono notevolmente più abbondanti dei loro vicini.

 92 90

b) SECONDA LEGGE DELLA GEOCHIMICA ( legge di Oddo Harkins ):

Gli elementi aventi numero atomico PARI sono più abbondanti degli elementi a numero

atomico DISPARI contigui.

Gli elementi i cui pesi atomici sono divisibili per 4 formano la maggior parte ( 86,5% ) della crosta

terrestre ( *per via del processo di nucleosintesi : vedi dopo * ). 6

Su 447 meteoriti i 7 elementi principali sono Fe O Mg Si Ni S Ca e sono tutti elementi di numero

atomico PARI e costituiscono il 98.6% in peso delle meteoriti. In generale gli elementi pari sono da 10

a 50 volte più abbondanti di quelli vicini.

ABBONDANZA DEI NUCLIDI

L’abbondanza degli elementi dipende dunque strettamente dal loro numero atomico, cioè dal numero di

protoni contenuti nel nucleo: le relazioni di abbondanza degli elementi sono connesse con la struttura

del nucleo. +

NUCLEONI: particelle elementari che costituiscono il nucleo ( p e n )

NUCLIDI : specie nucleare che è caratterizzata dal numero di protoni Z e dal numero di neutroni N.

A numero di massa Z numero atomico : numero protoni = numero elettroni

 

A = Z + N

Nuclidi aventi lo stesso numero di protoni Z e diverso numero di neutroni N ( quindi diverso A )

 si dicono ISOTOPI sono lo stesso elemento perché hanno lo stesso numero atomico.



12 13 14

Es C C C : sono lo stesso elemento perché la specie atomica ( vedi sotto ) è definita dal

, , 12

suo numero atomico ( numero protoni = Z ). L’isotopo più abbondante è C ( numero atomico più

14 13

piccolo dei 3,pari ), il meno abbondante è il C ( numero atomico più grande dei 3, pari ). C ha

a a

un’abbondanza intermedia ( numero atomico intermedio fra i 3, dispari ) : seguono la 1 e la 2

legge delle abbondanze.

Nuclidi aventi lo stesso numero di neutroni N ma diverso numero di protoni Z si dicono

 ISOTONI sono elementi diversi.



Nuclidi aventi lo stesso numero di massa A ( somma Z + N ) si dicono ISOBARI hanno N e

 

Z diversi.

SPECIE NUCLEARE ( nuclide ) SPECIE ATOMICA

≠

Specie atomica: è caratterizzata solo dal valore del numero di protoni presenti nel nucleo:

 L’insieme dei diversi isotopi che fanno parte di una specie atomica si chiama COMPLESSO

ISOTOPICO. Le quantità relative ( percentuali ) degli isotopi di ciascun elemento si dicono

ABBONDANZE ISOTOPICHE.

Nuclidi naturali si dicono quelli che sono presenti nella crosta terrestre: una parte di essi sono

STABILI, altri INSTABILI ( RADIOATTIVI ). 7

REGOLE ottenute dall’esame dei dati contenuti nella tabella degli isotopi e

dall’ispezione della carta dei nuclidi :

a) I nuclidi aventi sia Z sia N PARI sono di gran lunga i più abbondanti ( nuclei p-p );

quelli con N PARI e Z DISPARI ( nuclei p-d ) hanno un’abbondanza all’incirca uguale a quelli con N

DISPARI e Z PARI ( nuclei d-p ); quelli aventi sia Z sia N DISPARI ( nuclei d-d ) sono i meno

abbondanti.

b) Per nuclidi leggeri ( fino a Z = 20 ) il numero di neutroni è circa uguale al numero dei protoni ovvero:

+

con Z 20 Z N ossia p n

≤ ≅ ≅



Questo fatto sta ad indicare che per nuclidi leggeri le interazioni che si esercitano nel nucleo tra

protoni e neutroni sono più forti che non le interazioni protoni-protoni e neutroni–neutroni:

+ + +

p -n n-n e p -p

>

+

Senza le interazioni p -n i nuclei stabili sarebbero costituiti solo da protoni o solo da neutroni.

c) Per nuclidi con Z 20 abbiamo che il numero di neutroni è in eccesso rispetto al numero di protoni;

>

la linea di stabilità ( linea dove sono allineati i nuclidi stabili ) si allontana dalla retta Z N

=

scostandosi verso l’alto ( Z ascissa, N ordinata ). L’eccesso di neutroni cresce al crescere si Z.

+

con Z 20 N Z ossia n p

> ≫ ≫



Già a partire da nuclei con A ( Z + N ) 16 si può notare che non esiste mai uno stato stabile con

>

numero dispari sia di protoni sia di neutroni ( nuclei di tipo d-d ).

Questo fatto sta ad indicare che per i nuclei più pesanti l’interazione p-n è meno importante di quella

p-p e n-n ovvero meno importante di quella tra nucleoni della stessa specie. In altre parole vi è una 8

tendenza alla formazione di nuclei stabili per addizioni successive di nucleoni in modo da procedere al

completamento di coppie protone-protone e neutrone-neutrone.

Nuclei di questo tipo saranno più stabili e quindi i più abbondanti: ad essi appartengono esclusivamente i

nuclidi aventi Z pari.

In generale avremo: Zp-Np Zp-Nd Zd-Np Zd-Nd

> > >

In questo risiede la spiegazione della legge di Oddo – Harkins.

:

ECCEZIONI H dispari è più abbondante di He pari perché H è il combustibile di tutto ( *vedi



1 2 1

nucleosintesi ).

??? DOMANDA: come fanno a coesistere nel nucleo, quindi a distanza molto ravvicinata,

particelle con carica simile come i protoni??????? quando la distanza tra 2 particelle raggiunge e



-13

supera quella di 10 cm ( distanza nucleare ) le particelle invece di respingersi si attraggono (

repulsione negativa ). Ciò è quanto si verifica in una regione che corrisponde al nucleo atomico.

COME SI FORMANO GLI ELEMENTI? E DOVE?? si formano a



partire dall’ idrogeno, nelle stelle: TEORIA DELLA

*NUCLEOSINTESI!

Come possiamo avere elementi con elevato numero atomico? Per le elevate temperature al centro delle

-13

stelle dovute a reazioni termonucleari ( a 10 cm le cariche si attraggono invece di respingersi ).

Il punto di partenza è l’Idrogeno perché è il più semplice e abbondante degli elementi.

A molti mi