Ciencias de la Tierra (plan 2011) 2016-1

Cuarto Semestre, Geoquímica

Lic. Eduardo Becerra Torres

bahbecerra@ciencias.unam.mx

bfq8591@yahoo.com.mx

https://sites.google.com/site/geoquimicafciencias/

Ayudante: Lic. Mónica Guadalupe Ramírez Calderón

monicald@ciencias.unam.mx

La geoquímica es una materia que se sustenta en la transdisciplina, característica base en la formación de la Licenciatura en Ciencias de la Tierra, debido a que ocupa las herramientas de la química para poder entender fenómenos de los sistemas terrestres. El curso busca indicar y explicar los fundamentos de la geoquímica, los cuales en algunos puntos son centrales para el desarrollo de ciertas ramas de las Ciencias de la Tierra, y por tanto primordiales en diversas areas que se abordarán en las distintas orientaciones de la Licenciatura.

"Geoquímica, como el nombre lo sugiere, es el puente entre la geología y la química, esto en esencia comprende el estudio de todos los aspectos químicos de la Tierra y su interpretación utilizando los principios químicos" Rankama y Sahama (1950)

EVALUACIÓN

Exámenes parciales, 3. 75%, Exposición 25%, Examen final lo presentan todos los que no hayan aprobado los 3 exámenes parciales

Evaluación cualitativa; corresponde a las participaciones en clase, entregas de tareas y participación en los exámenes grupales. Esto ayuda a poder subir/redondear las calificaciones que poseen cifras decimales

Si se tiene alguna calificación registrada en el semestre, no se podra colocar NP.

Posible proyecto extra: tener la oportunidad de una estancia durante el semestre en algun laboratorio de la UNAM, donde se realice alguna técnica geoquímica, al final del semestre sera obligatorio entregar un reporte de las actividades realizadas. Si se obtiene un 10 se tendra el equivalente a un punto extra, de no entregarse se perdera un punto final.

Temario

1. Introducción (2 clases)

1.1 Importancia de la geoquímica

1.2 Elementos, átomos y enlaces químicos

1.2.1 El átomo

1.2.2 Configuración electrónica de los elementos

1.2.3 La tabla periódica de los elementos

1.2.4 Propiedades de los elementos (potencial de ionización, electronegatividad, valencia)

1.2.5 Enlace iónico, covalente, metálico, interacciones de Van der Waals, enlace hidrógeno

1.3 La Tierra

1.3.1 Estructura

1.3.2 Fuentes de energía

1.3.3 Teoría de la tectónica de placas

1.3.4 Materiales terrestres (silicatos, minerales no silicatados)

2. Fundamentos de termodinámica (1 clase)

2.1 Sistemas termodinámicos y equilibrio

2.1.1 El equilibrio termodinámico

2.1.2 Clasificación de los sistemas termodinámicos

2.1.3 Contenido de un sistema termodinámico: componentes, fases, especies

2.1.4 Estado de un sistema termodinámico: variables intensivas, extensivas, de estado

2.1.5 Ecuaciones de estado de los sistemas termodinámicos

2.1.6 Regla de las fases de Gibbs

2.2 Principios de termodinámica

2.2.1 Temperatura y principio cero de la termodinámica

2.2.2 Energía y primera ley de la termodinámica

2.2.3 Entropía y segunda ley de la termodinámica

2.2.4 Cero absoluto y tercera ley de la termodinámica

2.3 Funciones termodinámicas auxiliares

2.3.1 Entalpía, y sus variaciones en las reacciones químicas

2.3.2 Energía libre de Gibbs, y sus variaciones en las reacciones químicas

3. Termodinámica de las soluciones (2 clases)

3.1 El potencial químico

3.1.1 Propiedades molares parciales

3.1.2 Definición de potencial químico y su relación con la energía libre de Gibbs

3.1.3 Criterios para definir el equilibrio y la espontaneidad de las transformaciones entre fases de composición variable

3.1.4 La ecuación de Gibbs-Duhem

3.2 Potencial químico en soluciones gaseosas, o que involucren fases condensadas

3.2.1 Soluciones ideales (fracción molar, presión parcial, Ley de Raoult)

3.2.2 Soluciones reales (actividad, fugacidad)

3.3 Soluciones electrolíticas y actividad de sus componentes

3.3.1 Características de las soluciones electrolíticas

3.3.2 Interacciones agua-electrolitos

3.3.3 Cálculo del coeficiente de actividad de los electrolitos (ecuación de Debye-Hückel)

3.4 Soluciones sólidas y actividad de sus componentes

3.4.1 Características de las soluciones sólidas

3.4.2 Cálculo de la actividad de sus constituyentes (modelo de mezcla en sitios)

3.5 El equilibrio químico

3.5.1 Constante de equilibrio: definición y derivación

3.5.2 La ley de acción de masa y el principio de Le Chatelier

3.5.3 Relación entre la constante de equilibrio y la energía libre de Gibbs de reacción

4. Reacciones que involucran soluciones acuosas (3 clases)

4.1 Reacciones ácido-base

4.1.1 Disociación de ácidos y bases

4.1.2 Solubilidad, producto de solubilidad, y concepto de saturación

4.1.3 La disociación del ácido carbónico: el sistema CO₂-H₂O

4.2 Disolución y precipitación del carbonato de calcio

4.2.1 Equilibrios en el sistema CaCO₃-CO₂-H₂O

4.2.2 Factores que afectan la solubilidad de la calcita

4.3 Alteración química de los silicatos

4.3.1 Mecanismos de alteración química

4.3.2 Solubilidad de la sílice

4.3.3 Equilibrios en el sistema K₂O-Al₂O₃-SiO₂-H₂O

4.4 Reacciones de óxido-reducción

4.4.1 Definiciones

4.4.2 Celdas voltaicas

4.4.3 El potencial electroquímico

4.4.4 La variable pε

4.4.5 Diagramas de estabilidad pε-pH

4.5 Interacción entre las arcillas y las soluciones acuosas

4.5.1 Clasificación mineralógica de las arcillas

4.5.2 Propiedades de intercambio iónico de las arcillas

4.5.3 Interacción entre la superficie de las arcillas y las soluciones acuosas: adsorción

4.5.4 Desarrollo de carga superficial y la doble capa eléctrica

4.5.5. Carga superficial y tipos de intercambio iónico

5. Los elementos traza en los procesos ígneos (3 clases)

5.1 Los elementos traza

5.1.1 Definición

5.1.2 Importancia

5.2 Comportamiento de los elementos

5.2.1 La clasificación de Goldschmidt

5.2.2 La tabla periódica de la geoquímica, y los principales grupos de elementos

5.3 Distribución de los elementos traza entre fases coexistentes

5.3.1 El coeficiente de partición: elementos traza compatibles e incompatibles

5.3.2 Factores que gobiernan el coeficiente de partición de los elementos traza

5.3.3 Coeficientes de partición de los elementos traza en sistemas máficos y ultramáficos

5.4 Distribución de los elementos traza durante la fusión y la cristalización

5.4.1 Procesos de fusión por lotes y fusión fraccionada

5.4.2 Modelos realistas de fusión del manto

5.4.3 Procesos de cristalización en equilibrio y fraccionada

6. Geoquímica de los isótopos radiogénicos (2 clases)

6.1 Nucleidos, isótopos y radiactividad

6.2 El decaimiento radiactivo

6.2.1 Mecanismos de decaimiento radiactivo

6.2.2 Teoría del decaimiento radiactivo

6.2.3 Ecuación fundamental de los sistemas isotópicos

6.2 Bases de geocronología

6.3 Los principales sistemas de decaimiento y sus aplicaciones

6.3.1 Rb-Sr

6.3.2 Sm-Nd

6.3.3 U-Th-Pb

7. Geoquímica de los isótopos estables ligeros (1 clase)

7.1 El fraccionamiento de los isótopos estables ligeros

7.1.1 Causas del fraccionamiento isotópico

7.1.2 El factor de fraccionamiento y la notación delta

7.1.3 Fraccionamiento en equilibrio y fraccionamiento cinético

7.1.4 El fraccionamiento isotópico y su dependencia de la temperatura

7.1.5 El fraccionamiento Rayleigh en el sistema hidrológico

7.2 Aplicaciones de la geoquímica de los isótopos estables ligeros a la geología

7.2.1 Paleoclimatología

7.2.2 Estudios petrogenéticos

8. Cosmoquímica (1 clase)

8.1 Introducción: fundamentos de astronomía y cosmoquímica

8.1.1 El origen del Universo: la teoría del Big Bang

8.1.2 Los procesos de nucleosíntesis

8.1.3 Abundancia de los elementos en el Sistema Solar

8.2 El Sistema Solar

8.2.1 Origen: la hipótesis de la nebulosa primitiva

8.2.2 Condensación, acreción, y la formación de los planetas

8.2.3 La diferenciación del planeta Tierra

8.3 Los meteoritos, clave del pasado

8.3.1 Clasificación de los meteoritos en primitivos (condritas) y diferenciados (acondritas, rocosos-metálicos, metálicos)

8.3.2 Las condritas: composición y significado geológico

8.3.3 Los meteoritos diferenciados: composición y significado geológico

9. Geoquímica de la Tierra sólida (4 clases)

9.1 El manto

9.1.1 Estructura

9.1.2 Composición química y mineralógica

9.2 El concepto de manto primitivo y la composición global de la Tierra silicatada

9.3 La formación del núcleo metálico

9.4 Los reservorios geoquímicos del manto

9.4.1 Basaltos oceánicos como testigos de la heterogeneidad química del manto

9.4.2 El manto empobrecido: composición y evolución química

9.4.3 Los reservorios de las plumas del manto: composición y evolución química

9.4.4 El manto litosférico sub-continental

9.5 La corteza oceánica

9.5.1 Estructura y procesos de formación

9.5.2 Variaciones locales y regionales en la composición química y en las características físicas de la corteza oceánica

9.6 La corteza continental

9.6.1 Composición de la corteza continental superior, media e inferior

9.6.2 Mecanismos de formación de la corteza continental

9.6.3 Magmatismo en zonas de subducción y su importancia para la génesis de la corteza continental

9.6.4 El problema geoquímico-petrogenético de los continentes andesíticos

10. Geoquímica orgánica (2 clases)

10.1 Introducción: fundamentos biológicos, compuestos orgánicos, biomoléculas

10.2 Materia orgánica en el agua y el suelo

10.3 Materia orgánica sedimentaria

10.3.1 Formación del carbón

10.3.2 Formación del petróleo

10.4 Composición isotópica en los hidrocarburos

11. Métodos de análisis geoquímico (2 clases)

11.1 El muestreo: condiciones y representatividad del material colectado

11.2 Métodos de análisis geoquímico: fundamentos, ventajas y desventajas, aplicaciones

11.2.1 Fluorescencia de rayos X

11.2.2 Espectroscopía de absorción atómica

11.2.3 Espectrometría de emisión óptica por plasma acoplado por inducción (ICP-OES)

11.2.4 Espectrometría de masas por plasma acoplado por inducción (ICP-MS)

11.2.5 Espectrometría de masas por ionización térmica (TIMS)

11.2.6 Difracción de rayos X

11.2.7 Microsonda electrónica y microscopio electrónico de barrido

Bibliografía recomendada

• Andrews, Brimblecombe, Jickells, Liss, Reid, 2004. An introduction to environmental chemistry (2nd edition). Blackwell.
• Castellan, 1998. Fisicoquímica (2a edición). Longman.
• Dickin, 2005. Radiogenic isotope geology (2nd edition). Cambridge University Press.
• Faure, 1998. Principles and applications of geochemistry (2nd edition). Prentice Hall.
• Faure, Mensing, 2004. Isotopes: principles and applications (3rd edition). John Wiley & Sons.
• Fletcher, 1993. Chemical thermodynamics for Earth scientists. Longman.
• Gill, 1996. Chemical fundamentals of geology (2nd edition). Chapman & Hall.
• Gill, 2010. Igneous rocks and processes: a practical guide. Wiley-Blackwell.
• Hoefs, 2004. Stable isotope geochemistry (5th edition). Springer.
• Krauskopf, 1994. Introduction to geochemistry (3rd edition). McGraw-Hill.
• Manahan, 2000. Environmental chemistry. CRC Press.
• Manahan, 2001. Fundamentals of environmental chemistry (2nd edition). CRC Press.
• McSween, Richardson, Uhle, 2003. Geochemistry: pathways and processes (2nd edition). Columbia University Press.
• Misra, 2012. Introduction to geochemistry: principles and applications. Wiley-Blackwell.
• Nordstrom, Munoz, 2006. Geochemical thermodynamics (2nd edition). The Blackburn Press.
• Walther, 2009. Essentials of geochemistry (2nd edition). Jones and Bartlett.
• White, 2013. Geochemistry. Wiley-Blackwell.