中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球化學(xué)全套課件

1、第 二 章 自 然 體 系 中 元 素 共 生 結(jié) 合 規(guī) 律,金屬相中Fe、Ni、 Co、 Pt等元素共生；隕石中 硅酸鹽相中主要是Si、O、Al、Mg、Fe元素組合； 硫化物相中有S、Fe、Cu、Ni、Co、Zn等元素。 超基性，基性巖 地殼中 酸性巖 元

2、素組合差別很大 堿性巖 1. 為什么不同巖石、礦物中的元素組合千差萬別呢？2. 為什么有些元素總是相伴出現(xiàn)，而另外一些元素彼此很少共生呢？ 第二個(gè)基本課題: 自然界元素共生結(jié)合規(guī)律,,,,眼前的事實(shí)!,提出的問題?,答案,第二個(gè)基本課題: 自然界元素共生結(jié)合規(guī)律,自然界元素結(jié)合主要有兩種化學(xué)鍵：1. 同種或性質(zhì)相似元素結(jié)合→ 非極性鍵，一般形成共價(jià)鍵；2.

3、 異種元素結(jié)合→ 極性鍵，一般形成離子鍵。自然界元素結(jié)合特點(diǎn)：1. 多鍵性和過渡性；2. 自然界形成的化合物（礦物）都是不純的，每一種礦物都構(gòu)成一個(gè)成分復(fù)雜、含量變化的混合物系列。,能量： 衡量元素結(jié)合的能量參數(shù)有 電負(fù)性（X）、電離勢(shì)（I）、電子親和能（E）、晶格能（U）;空間幾何形式： 半徑（原子、離子）、配位數(shù)、原子和離子極化、最緊密堆積等。,元素結(jié)合規(guī)律可從兩個(gè)不

4、同側(cè)面來衡量：,滿足什么條件可結(jié)合?,1. 元素的地球化學(xué)親和性2. 礦物晶體形成和變化過程的類質(zhì)同像法則3. 過渡元素地球化學(xué)行為的控制-晶體場(chǎng)理論,本章討論:自然界控制元素結(jié)合的主要規(guī)律,過渡族元素,常量元素,微量元素,§1 元素的地球化學(xué)親和性,,第一講,自然體系中** 元素最普遍的結(jié)合方式是：陽離子+陰離子。** 現(xiàn)狀：“陰陽失衡”，?陰離子?? ?陽離子。** 結(jié)果：地球化學(xué)作用過程陽離子對(duì)陰離子

5、的爭(zhēng)奪→不同的陽離子與不同的陰離子化合。,一、元素的地球化學(xué)親和性—控制元素在自然界相互組合的最基本規(guī)律,自然界的：趨勢(shì)-形勢(shì)-現(xiàn)實(shí),什么是地球化學(xué)親和性？ 在自然體系中元素形成陽離子的能力和所顯示出有選擇地與某種陰離子結(jié)合的特性。 為什么元素的表現(xiàn)出地球化學(xué)親和性？1. 元素本身性質(zhì)(結(jié)構(gòu))；2. 元素結(jié)合的物理化學(xué)條件.（宏觀上：元素化合反應(yīng)的能量效應(yīng)）,**一部分元素:只“喜歡”與氧結(jié)合形成氧化物和氧

6、鹽類。？？**另一些元素: “喜歡”與硫結(jié)合形成硫化物。？？**還有一些元素： “喜歡”“孤芳自賞” ，元素離子自身相互結(jié)合或與其 它金屬相互結(jié)合而形成金屬單質(zhì)或金屬互化物？？,實(shí)際狀況,爭(zhēng)奪陰離子的能力很強(qiáng),爭(zhēng)奪陰離子的能力較弱,爭(zhēng)奪陰離子的能力較強(qiáng),上述現(xiàn)象最早是戈?duì)柕率┟芴匕l(fā)現(xiàn)： 觀察歐洲曼斯費(fèi)爾德銅礦石冶煉過程中注意到，礦石經(jīng)冶煉后在爐中形成四個(gè)相:金屬相、重金屬硫化物、硅酸鹽爐渣和氣相(CO2，H2O）?！?duì)柕?/p>

7、施密特把冶煉過程和隕石中所觀察到的鐵隕石、隕硫鐵以及球粒隕石的化學(xué)成分相對(duì)比，并結(jié)合地質(zhì)作用中的礦物組合和元素共生規(guī)律,→提出了把元素分為親氧、親硫、親鐵、親氣和親生物的分類。 →并推測(cè)地球內(nèi)部的殼層結(jié)構(gòu)也應(yīng)有類似的化學(xué)成分的分異。,在地球和地殼系統(tǒng)中，元素豐度值最高的陰離子是氧，其次是硫；在地球系統(tǒng)中能以自然金屬形式存在的豐度最高的元素是鐵。因此，在自然體系中元素的地球化學(xué)親合性分類主要有：親氧性、親硫性和親鐵性。元素相應(yīng)的分為

8、：親氧性元素（oxyphile element or lithophile element）、親硫性元素（sulfophile element）和親鐵性元素（Siderophile element）。,二、元素地球化學(xué)親合性的分類,親氧性元素 特征是：離子半徑較小，具有惰性氣體型的電子層構(gòu)型，電負(fù)性較小。 如K、Na、Ca、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf、REE等；親硫性元素 特征是：離子半徑較大，

9、具有銅型的電子層構(gòu)型，如Cu、Pb、Zn、Au、Ag等；,IA,IIA主族及其鄰近,IB,IIB副族及其鄰近,親鐵性元素 特征是：電子層構(gòu)型為18或18+2外層電子層結(jié)構(gòu)，離子電離能較高，電負(fù)性中等，不容易得和失電子，在單質(zhì)或金屬互化物中共享自由電子。如Cu、Au、Ag 、Fe、Co、Ni和Pt族元素等。,細(xì)說之,三、親鐵性,元素在自然界以金屬狀態(tài)產(chǎn)出的一種傾向。 在自然界中，特別是O、S豐度低的情況

10、下，一些元素往往以自然金屬狀態(tài)存在，常常與鐵共生，稱之為親鐵元素。 基本特征：不易與其他元素結(jié)合，因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)電子不易丟失（具有較高電離能）。,例,I1Au=9.2電子伏特， I1Ag=7.5電子伏特， I1Cu=7.7電子伏特 另外,周期表VIII族過渡金屬元素（鉑族元素）具明顯親鐵性：I1Pt = 8.88電子伏特 I1Pd = 8.30電子伏特 Pt等元素在自然界往往

11、 I1Ni = 7.61電子伏特 以金屬狀態(tài)出現(xiàn)。 I1Co = 7.81電子伏特 代表性的親鐵元素：鉑族(Pt,Pd,Os,Ir,Ru,Rh) 、Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni等,,四、親氧性和親硫性（親石性和親銅性）,在地殼中，易于獲得電子，成為陰離子，并與其他元素結(jié)合的元素中，豐度最高的為氧，其次是硫。兩者的地球化學(xué)親和性顯著不同。原因是: ① O、S 本身的電子層結(jié)構(gòu)差異，獲取電子能力和方式不同

12、； ②與之結(jié)合的陽離子自身的電子層結(jié)構(gòu)。,1. 氧和硫性質(zhì)的差異 氧和硫某些化學(xué)性質(zhì)參數(shù),硫的電負(fù)性小于氧（Xs ）。這樣，硫的外電子聯(lián)系較弱，導(dǎo)致硫受極化 程度要比氧大得多。 為此，硫傾向形成共價(jià)鍵（或配價(jià)鍵的給予體） 氧傾向形成離子鍵（或部分共價(jià)鍵） 與硫形成高度共價(jià)鍵的元素，稱親硫元素（具親硫性）; 與氧形成高度離子鍵的元素

13、稱親氧元素（具親氧性）。,2. 與之結(jié)合的陽離子性質(zhì) 以第四周期部分金屬陽離子為例（電負(fù)性）,,3. 化學(xué)反應(yīng)制動(dòng)原理 在含有K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn及O、S的體系中， 若體系氧不足，親氧性大于鐵的元素（K、Ca、Mn）優(yōu)先與氧結(jié)合。這些元素結(jié)合完畢后鐵才與氧結(jié)合，并耗盡體系中所有的氧，剩下的鐵只能與硫結(jié)合或呈鐵的單質(zhì)，親氧性小于鐵的元素（Cu、Zn）則不可能有機(jī)會(huì)與氧結(jié)合 ，故鐵起到了制動(dòng)劑的作用。在與

14、硫結(jié)合時(shí)，鐵一樣可以起到這樣的作用。 這種現(xiàn)象稱為化學(xué)反應(yīng)制動(dòng)原理。 當(dāng)陰離子不足時(shí)，在自然體系中各陽離子將按親和性強(qiáng)弱與陰離子反應(yīng)，親和性強(qiáng)的陽離子將抑制親和性弱的陽離子的化學(xué)反應(yīng)（這是自然界的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制）。,在地殼中某體系內(nèi)，陰離子（S2-）不足，地殼中Fe的豐度比Mn高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，況且Fe的親硫性比Mn強(qiáng)。為此在這樣的環(huán)境下，只能產(chǎn)生Fe的硫化物和Mn的氧化物（硅酸鹽）共生現(xiàn)象，絕對(duì)不會(huì)發(fā)生硫

15、錳礦和鐵的氧化物共生的現(xiàn)象。這就是化學(xué)反應(yīng)抑制原理在起作用！ 反應(yīng)自由能：FeSiO3+MnS → MnSiO3+FeS (?Gr=-11.56 KJ, 25℃),實(shí)例分析,1. 雙重性和過渡性 自然界元素的親和性不是絕對(duì)的，存在著雙重性和過渡性。,具親鐵性，以自然金屬狀態(tài)，具親硫性，硫化物,五、 自然界元素親和性的特點(diǎn),2 同一元素不同價(jià)態(tài)的親和性不同 F