Γιγαντιαία μεταφορά μάζας σιδήρου στην πρώιμη ιστορία της Γης/Άρη:Υδατικό σύμπλεγμα βορικού σιδήρου ως βασικός παράγοντας στους πρωτόγονους ωκεανούς Γης/Άρη;

Ο σίδηρος είναι το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της Γης. Υπήρχαν τεράστιες μετακινήσεις σιδήρου στους πρωτόγονους ωκεανούς στην πρώιμη ιστορία της Γης μας, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό εντυπωσιακών κοιτασμάτων σιδήρου που ονομάζονται Banded Iron Formations (BIF) στη γεωλογία. Ο σημερινός πολιτισμός μας βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στη χρήση τέτοιων κοιτασμάτων σιδήρου. Στην πρώιμη ατμόσφαιρα της Γης, η μερική πίεση του οξυγόνου, P_O2 , ήταν χαμηλότερη από 10 atm. Κάτω από τέτοιες αναγωγικές συνθήκες, ο διαλυμένος σίδηρος υπήρχε ως δισθενής σίδηρος στους πρωτόγονους ωκεανούς.

Ωστόσο, οι ερευνητές εδώ και καιρό ενδιαφέρονται για το τι παίζει ρόλο στη μαζική μεταφορά σιδήρου στους πρωτόγονους ωκεανούς. Η εύλογη απάντηση μπορεί να είναι ότι το υδατικό σύμπλοκο βορικού σιδήρου, FeB(OH)₄ , μπορεί να έπαιξε σημαντικό ρόλο στη μαζική μεταφορά σιδήρου στην πρώιμη ιστορία της Γης.

Σε πρόσφατη έρευνα που διεξήχθη από τους ερευνητές στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia (Xiong et al., 2018), οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι ο σίδηρος σίδηρος, Fe, σχηματίζει ένα σχετικά ισχυρό σύμπλοκο με βορικά, με στοιχειομετρία FeB(OH)₄ . Η σταθερά σχηματισμού (log₁₀ ß₁ ) για FeB(OH)₄ , το οποίο ήταν άγνωστο πριν, όπως εκφράζεται στην ακόλουθη αντίδραση,

Fe + B(OH)₄ – ⇌ FeB(OH)₄

προσδιορίζεται ως 3,70 ± 0,10 (2σ) στους 25C. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η ισχύς αυτού του υδατικού συμπλέγματος αναμένεται να γίνει ισχυρότερη, πράγμα που σημαίνει ότι η σταθερά σχηματισμού θα είναι υψηλότερη και, επομένως, περισσότερο Fe(II) θα συμπλέκεται ως FeB(OH)₄ .

Κάτω από τις συνθήκες pH των πρωτόγονων ωκεανών που ήταν κοντά στο ουδέτερο, αλλά ελαφρώς αλκαλικό, FeB(OH)₄ μπορεί να ήταν σημαντικό για τη μεταφορά σιδήρου στην επιφάνεια της πρωτόγονης Γης, καθώς τα βορικά άλατα αναμένεται να είναι παρόντα στους πρωτόγονους ωκεανούς σε σημαντικές συγκεντρώσεις και να έχουν σχηματίσει πρόδρομους βορικούς εξατμιστικούς (π.χ. Grew et al., 2011).

Το Σχήμα 1 απεικονίζει την ειδογένεση του Fe(II) ως συνάρτηση του pH στους 25C από σχεδόν ουδέτερο έως ελαφρώς αλκαλικό pH. Το σχήμα 1 δείχνει ότι FeB(OH)₄ είναι το κυρίαρχο είδος εκτός από τον Fe. Άλλα είδη όπως FeCl, FeOH, FeHCO₃ και FeCO₃ (aq) δεν μπορεί να ανταγωνιστεί το FeB(OH)₄ . Σημειώστε ότι οι παραπάνω υπολογισμοί γίνονται στους 25C. Καθώς οι επιφανειακές θερμοκρασίες για την πρώιμη ιστορία της Γης υπολογίστηκαν ότι ήταν 70 ± 15 C (Knauth and Lowe, 2003) και καθώς οι συγκεντρώσεις βορικών αλάτων στους πρωτόγονους ωκεανούς μπορεί να ήταν υψηλότερες, η ισχύς του FeB(OH) ₄ αναμένεται να ήταν πολύ ισχυρότερο σε ελαφρώς αλκαλικό pH στους πρωτόγονους ωκεανούς.

Η ισχυρή εξάρτηση του FeB(OH)₄ στο pH παρέχει επίσης έναν βιώσιμο μηχανισμό για την εναπόθεση σιδήρου στην πρώιμη ιστορία της Γης. Είναι πιθανό ότι ο σίδηρος μεταφέρθηκε εκτός περιοχής με ελαφρώς αλκαλικό pH. Όταν ο σίδηρος έφτασε στην περιοχή με σχεδόν ουδέτερο pH, ο σίδηρος μεταφέρθηκε ως FeB(OH)₄ κατατέθηκε, επειδή FeB(OH)₄ γίνεται πιο αδύναμο είδος σε σχεδόν ουδέτερο pH, με αποτέλεσμα τον υπερκορεσμό σε σχέση με τη φάση του σιδήρου.

Έχει αναφερθεί πρόσφατα ότι υπάρχουν εξατμιστικοί σχηματισμοί που περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις βορικού στον Άρη (Gasda et al., 2017). Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι FeB(OH)₄ θα μπορούσε να έπαιξε παρόμοιο ρόλο στη μαζική μεταφορά μάζας σιδήρου στην πρώιμη ιστορία του Άρη.

Στον τομέα της διαχείρισης πυρηνικών αποβλήτων, FeB(OH)₄ αναμένεται επίσης να παίξει ρόλο. Πρώτα απ 'όλα, το βορικό μπορεί να σχηματίσει υδατικά σύμπλοκα με το Nd(III) (Borkowski et al., 2010), ανάλογα για ακτινίδες σε κατάσταση οξείδωσης +III, όπως το Am(III). Εάν το βορικό άλας πρόκειται να σχηματίσει ένα υδατικό σύμπλοκο με το Am(III) σε μια γεωλογική αποθήκη, η συμπλοκοποίηση με βορικό θα συμβάλει στην κινητικότητα του Am(III). Η συμπλοκοποίηση του Am(III) με βορικό θα αύξανε επίσης τη διαλυτότητα του Am(III).

Σε γεωλογικούς χώρους αποθήκευσης για διάθεση πυρηνικών αποβλήτων, ο σίδηρος υπάρχει σε αποθήκες ως δοχεία απορριμμάτων και απόβλητα, και οι συγκεντρώσεις βορικών από τους γεωλογικούς σχηματισμούς και η αποδόμηση των μορφών βοριοπυριτικών αποβλήτων για πυρηνικά απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας (HLW) μπορεί να είναι σημαντικές. Επομένως, ο σχηματισμός FeB(OH)₄ θα μπορούσε να μειώσει τις ποσότητες διαλυτών βορικών που είναι διαθέσιμες για συμπλοκοποίηση με Am(III). Ωστόσο, η παρουσία βορικού θα μπορούσε επίσης να ενισχύσει τη διάβρωση των δοχείων με βάση το σίδηρο.

Ευχαριστίες

Το Sandia National Laboratories είναι ένα εργαστήριο πολλαπλών αποστολών που λειτουργεί από την National Technology and Engineering Solutions της Sandia, LLC., θυγατρική εξ ολοκλήρου της Honeywell International, Inc., για την Εθνική Διοίκηση Πυρηνικής Ασφάλειας του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ βάσει σύμβασης DE-NA-0003525 . SAND2019-2424 W.

Αναφορές

1. Borkowski, M., Richmann, M., Reed, D.T. and Xiong, Y., 2010. Συμπλοκοποίηση του Nd (III) με τετραβορικό ιόν και η επίδρασή του στη διαλυτότητα της ακτινίδης (III) σε άλμη WIPP. Radiochimica Acta Διεθνές περιοδικό για τις χημικές πτυχές της πυρηνικής επιστήμης και τεχνολογίας, 98(9-11), σσ.577-582.
2. Gasda, P.J., Haldeman, E.B., Wiens, R.C., Rapin, W., Bristow, T.F., Bridges, J.C., Schwenzer, S.P., Clark, B., Herkenhoff, K., Frydenvang, J. and Lanza, N.L. , 2017. In situ ανίχνευση βορίου από την ChemCam στον Άρη. Geophysical Research Letters, 44(17), σσ.8739-8748.
3. Grew, E.S., Bada, J.L. and Hazen, R.M., 2011. Βορικά ορυκτά και προέλευση του κόσμου του RNA. Origins of Life and Evolution of Biospheres, 41(4), σσ.307-316.
4. Knauth, L.P., Lowe, D.R., 2003. Υψηλή Archean κλιματική θερμοκρασία που συνάγεται από τη γεωχημεία ισοτόπων οξυγόνου των cherts στο 3.5 Ga Swaziland Supergroup, Νότια Αφρική. Geol Soc Am Bull 115:566–580.
5. Nordstrom, D.K., et al., 1979, Σύγκριση υπολογιστών χημικών μοντέλων για υπολογισμούς ισορροπίας σε υδατικά συστήματα, στο Jenne, E.A., εκδότης, Chemical Modeling in Aqueous Systems, ACS Symposium Series, v. 93, American Chemical Society , Ουάσιγκτον, DC, σελ. 857-892.
6. Xiong, Y., Kirkes, L., Knox, J., Marrs, C. and Burton, H., 2018. Πειραματικός προσδιορισμός της σταθεράς σταθερότητας του συμπλόκου βορικού σιδήρου σιδήρου [FeB(OH)4+] στους 25 ° C από μετρήσεις διαλυτότητας:Επιπτώσεις για τη μεταφορά σιδήρου σε αναγωγικά περιβάλλοντα. Chemical Geology, 493, σσ.16-23.