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GL42A-Primavera 2007, MReich

Cinética química en sistemas geológicos: introducción
1. Introducción

Físico Química
Escala Campos de Estudio Termodinámica Clásica Termodinámica Química Termodinámica Irreversible Macroscópica Dinámica de Fluidos Estado Transiente Fenómenos de transporte Organización del Sistema Estado de Equilibrio Estado Estacionario

Microscópica Atómica

CinéticaQuímica Mecánica Cuántica

Mecánica Estadística

Cinética química: es la rama de la físicoquímica que estudia los procesos físicos y químicos tomando en cuenta la perspectiva temporal. A diferencia de la termodinámica, que estudia estado iniciales y finales y se formula a partir del concepto de equilibrio, la cinética química incorpora la variable tiempo. Las escalas de tiempo involucradas en elestudio de la cinética de procesos geológicos están comprendidas entre 10-12 segundos (movimiento molecular) y 1015 segundos (100 millones de años, escalas de tiempo relevantes para la tectónica de placas). Existen, entre ambos extremos, 27 órdenes de magnitud, dentro del cual podemos distinguir procesos geoquímicos tales como: • Formación de complejos moleculares

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Fenómenos de adsorción de complejos en superficies minerales Reacción en las superficies Flujo de masa Fraccionamiento isotópico Desintegración radiactiva Nucleación y crecimiento cristalino Oxidación, reducción Diagénesis Generación de magmas Ciclos geoquímicas Subducción Convención del manto Erosión, etc.

La Cinética Química se ocupa, a diferencia de latermodinámica, del camino y los estados intermedios que sigue un sistema para llegar al estado de equilibrio

enfoque microscópico y fenomenológico
se requiere un conocimiento de la estructura molecular o atómica

permite monitorear la evolución de los sistemas y llegar estimar propiedades macroscópicas observables (composición, T, P, V y tiempo)

Debido a la naturaleza temporal de los procesosgeológicos y la dificultad de determinar el equilibrio en sistemas naturales, la cinética es más “realista” que la termodinámica

Termodinámica = cuán estable?

Cinética= cuánto tiempo?

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Termodinámica: permite predecir el estado de equilibrio de un sistema Cinética: nos permite predecir cómo y cuán rápido el sistema logrará el equilibrio

A diferencia delenfoque macroscópico de la Termodinámica Clásica, y debido al hecho que la cinética química se preocupa de los caminos que el sistema toma para llegar al equilibrio (lo que llamaremos “mecanismos de reacción”), la perspectiva microscópica se hace esencial en el estudio de la cinética de reacciones químicas.

Regla intuitiva general 1: cinética y temperatura - la cinética (= velocidad) de lasreacciones químicas es generalmente lenta a bajas temperaturas y aumenta con el aumento de temperatura
Ejemplo cotidiano - El azúcar se disuelve más rápido en agua tibia o caliente que en agua fría

Debido a esta dependencia entre la cinética (velocidad) y la temperatura, los procesos geoquímicos de baja temperatura (ej. zona crítica) están generalmente fuera de equilibrio, ya que a bajastemperaturas la velocidad de reacción es más lenta, y el estado de equilibrio no ha sido alcanzado. Esto nos lleva a enunciar una segunda regla intuitiva general:

Regla intuitiva general 2: temperatura y equilibrio - en general, sólo los procesos geoquímicos que ocurren a altas temperaturas (ej. temperaturas magmáticas o metamórficas, T>500700º C) pueden considerarse que lograron probablemente elequilibrio. Sin embargo , esto no se cumple siempre.
Esto nos lleva a concluir que la Termodinámica, por sí sola, es sólo aplicable a campos de la geología como las Petrologías Ígnea y Metamórfica.

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Ejemplos geológicos de sistemas en desequilibrio (bajas T):

- Sedimentos clásticos: los sedimentos están formados por varias fases minerales (ej. cuarzo,...