Alteraciones Hidrotermales Capítulo 2: Naturaleza de las soluciones acuosas - Naturaleza de las soluciones acuosas - Termodinámica de las soluciones acuosas - Fuentes de origen de las soluciones hidrotermales
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Naturaleza de las soluciones acuosas
Dos átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno por medio de dos enlaces covalentes.
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Naturaleza de las soluciones acuosas
Dos átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno por medio de dos enlaces covalentes.
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La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo de aproximadamente de 105º entre los enlaces. 3
El oxígeno (más electronegativo que el hidrógeno), atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace, resultando con una carga negativa y los núcleos de hidrógeno con una carga positiva, lo que 4la convierte en una molécula polar.
Atracción electrostática del oxígeno con hidrógenos de otras moléculas en forma de puentes de hidrógeno.
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Propiedades físico-químicas especiales: -
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Gran acción disolvente. Alto rango de temperatura de estabilidad en estado líquido. Alta fuerza de cohesión. Alto calor específico Alto calor de vaporización.
- Gran acción disolvente.
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- Alto rango de temperatura de estabilidad en estado lìquido. Sistema Unitario Agua
P (atm)
Estado super crítico
D 218
C
Líquido 1
Sólido 0,006
B Gaseoso A -2
8
0,0098
100
374 Tc
T (ºC)
- Alta fuerza de cohesión.
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Autoprotólisis del agua pura se da en muy baja intensidad y genera un ión hidronio y un oxidrilo.
H2O
+
H2O
↔
H3O+
Hidronio
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+
OHOxidrilo
H+1 Carga +1 Radio 0,0001 Å
Na+1 Carga +1 Radio 1 Å
Los protones (núcleo de H +) presentan elevadísima densidad de carga lo cual los hace tremendamente reactivos. 11
H2O
+
H2O
↔
H3O+
Hidronio
+
OHOxidrilo
Pero recordemos que en el agua pura un protón es transferido de una molécula de agua a otra formando un ion hidronio y no hay protones libres que generarían un carácter muy reactivo. 12
La constante termodinámica de equilibrio de autoprotólisis es la siguiente: aH+ . aOH- = aH2O
K=
[H+].[OH-]
K=
γ+ . γ-
aH2O
[H+]
=
γ+.
[OH-] γaH2O
Kw
(γ+γ-) aH2O
a
= Actividad
Kw
= [H+][OH-] = Coeficiente del producto iónico del agua
γ+ γ- =
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Coeficientes de actividad de H+ y OH-
K
=
(γ+γ-) aH2O
Kw
En agua pura y en soluciones muy diluidas: aH2O ~ 1
y
γ+
~
γ-
~ 1
En consecuencia: Para agua pura y soluciones muy diluidas: K = Constante termodinámica de equilibrio igual al coeficiente del producto iónico del agua. 14
Kw
Constante termodinámica de equilibrio (K), como toda constante termodinámica, depende solo de la temperatura, aumentando ligeramente con ella y en forma independiente a la presencia de solutos a cualquier concentración.
Coeficiente del producto iónico ( Kw), en cambio, varía no solo con la temperatura sino también con la presencia y concentración de solutos.
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A una determinada temperatura y en función a las concentraciones relativas de H+ y OH-, la solución tendrá un comportamiento ácido, neutro o básico. a) [H+] > [OH-]
(pH < 7)
Propiedades ácidas
b) [H+] = [OH-]
(pH = 7)
Propiedades neutras
c) [H+] < [OH-]
(pH > 7)
Propiedades básicas.
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En conclusión: -
El agua presenta propiedades físico-químicas especiales: -
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Gran acción disolvente Alta fuerza de cohesión Alto calor específico Alto calor de vaporización.
En conclusión: -
A mayor temperatura y mayor presencia de solutos, la solución acuosa se hace más reactiva y en función a la concentración de H + tendrá un comportamiento ácido, neutro o básico, favoreciendo así la disolución o precipitación selectiva de minerales.
- La presencia de iones oxidrilo favorece la formación de muchos minerales típicos de alteración como anfíboles, micas y arcillas. 18
Termodinámica de las soluciones acuosas
Las moléculas de los líquidos presentan cierta movilidad, menor que la de los gases pero suficiente para que el líquido adopte la forma del depósito que lo contiene. 19
Baja T: Baja Ecinética
Aumenta T: Aumenta Ecinética
Alta T: Alta Ecinética
(movilidad moléculas)
(evaporación)
Conforme aumenta la temperatura los líquidos adquieren mayor energía cinética y sus moléculas se movilizan más rápidamente, al punto que tienden a abandonar al resto de la masa y pasar al estado gaseoso. 20
Mayor T: Mayor Ecinética (mayor movilidad de moléculas)
Si P correspondiente a E cinética del líquido es menor que P del medio (Plíq < Pgas), entonces: el líquido permanecerá en estado líquido.
Si Plíq > Pgas: Evaporación.
La presión de las moléculas del gas existente sobre la interfase contrarresta a la presión de las moléculas del líquido que tienden a pasar a estado gaseoso, y con ello dificulta la evaporación. 21
Evaporación
Ebullición
La ebullición, a diferencia de la evaporación, es la separación de burbujas de gas desde toda la masa del líquido, la cual se da a una determinada combinación de presión y temperatura propias para cada solución. 22
P (atm) Estado super crítico
D 218
C
Líquido 1
Sólido 0,006
B Gaseoso A -2
0,0098
100
374 Tc
T (ºC)
Diagrama de fases PT del sistema unitario H 2O. AB BD BC 23
= = =
Curva de sublimación / sublimación inversa. Curva de fusión / solidificación. Curva de vaporización / condensación (o curva de ebullición).
P (atm) Estado super crítico
D 218
C
Líquido 1
Sólido 0,006
B Gaseoso A -2
0,0098
100
374 Tc
T (ºC)
A mayor presión del sistema, se necesita mayor temperatura del líquido para alcanzar la ebullición y viceversa. La presión y temperatura de ebullición son variables dependientes entre sí. 24
P (atm) Estado super crítico
D 218
C
Líquido X
P1
Y
Sólido 0,006
B
Gaseoso
A -2
0,0098
T0
T1
374 Tc
T (ºC)
A P1T0 (punto inicial X) el agua pura se mantiene en estado líquido. Si la temperatura aumenta de T 0 a T1 (punto final Y) la energía cinética aumentará hasta separarse burbujas de vapor de agua del resto del líquido (ebullición). 25
P (atm) Estado super crítico
D 218
X
P0
C
Líquido P2
Y Sólido
0,006
B
Gaseoso
A -2
0,0098
T2
374 Tc
T (ºC)
A P0T2 (punto inicial X) el agua pura se mantiene en estado líquido. Si la presión disminuye de P 0 a P2 (punto final Y) se alcanzan condiciones de ebullición. 26
Agua pura
P
Solución salina
Líquido
Gaseoso Agua pura
Solución salina
T
La presencia de sales disueltas disminuye la energía cinética de las moléculas de agua, en consecuencia soluciones acuosas salinas requieren de mayor temperatura o menor presión para alcanzar las condiciones de ebullición que el agua pura. 27
Agua pura
P
Solución salina
Líquido
Gaseoso Agua pura
Solución salina
T
La presencia de solutos (NaCl por ejemplo) en solución acuosa desplaza la curva de ebullición hacia el lado de mayor temperatura.
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Agua pura
P
Solución salina
Líquido
Gaseoso Agua pura
Solución salina
T
Los solutos sólidos aglutinan moléculas de agua en torno suyo dificultando sus movimientos, lo cual implica disminución de la energía cinética y, en consecuencia, se requerirá de mayor calor para alcanzar la temperatura de ebullición que en el caso del agua pura. 29
La presencia de gases disueltos en soluciones acuosas aumenta la energía cinética, en consecuencia soluciones acuosas con contenidos gaseosos requieren de menor temperatura o mayor presión para alcanzar las condiciones de ebullición que el agua pura. 30
La presencia de solutos gaseosos (CO2 por ejemplo) en solución acuosa, desplaza la curva de ebullición hacia el lado de mayor presión.
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Entonces: - La solubilidad de soluciones acuosas con solutos sólidos aumenta con la temperatura. Se requiere de mayor temperatura para disociar agua salada que agua pura. - La solubilidad de soluciones acuosas con solutos gaseosos disminuye con la temperatura. Se requiere de menor temperatura para disociar agua con CO2 que agua pura.
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Fuentes de las soluciones hidrotermales
Soluciones hidrotermales provienen de diferentes fuentes y cada una presenta características propias de pH, salinidad, composición y firma isotópica y pueden dar origen a diversos tipos de yacimientos.
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Fluidos originales
Reacción Agua-Roca
Fluidos “evolucionado”
Fluidos salinos tiende a acidificarse. Fluidos ácidos tiende a neutralizarse.
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Aguameteórica
Mar Aguamarinadeinfiltración
Agua meteórica
Aguade compactación Aguade cristalización (CH4,CO2,H2S)
Subsidencia 35
- Agua meteórica de infiltración. - Agua marina de infiltración. - Agua connata.
- Moléculas de agua que toman parte en la constitución de un cristal y que son expulsadas de la red cristalina durante cambios metamórficos.
Hornblenda (Na,Ca)2-3(Mg,Fe,Al)5(Al,Si)8O22(OH)2 36
Diópsido CaMgSi2O6
- Agua juvenil procedente de las cámaras magmáticas.
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60
) 50 q e l C a 40 N % t 30 w ( d a 20 d i n i l a S 10
Liquido magmático secundario
Aguas fósiles
Fluido magmático primario
Fluidos metamórficos
Vapor magmática secundaria
100
200
300
400
500
Temperatura (°C) 38
600
800
900
