中国地质大学地球化学全套.pptx

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1、 金属相中Fe、Ni、Co、Pt等元素共生；陨石中 硅酸盐相中主要是Si、O、Al、Mg、Fe元素组合；硫化物相中有S、Fe、Cu、Ni、Co、Zn等元素。超基性，基性岩 地壳中 酸性岩 元素组合差别很大 碱性岩 1.为什么不同岩石、矿物中的元素组合千差万别呢？2.为什么有些元素总是相伴出现，而另外一些元素彼此很少共生呢？第二个基本课题第二个基本课题:自然界元素共生结合规律自然界元素共生结合规律 眼前的事实眼前的事实!提出的问题提出的问题?答答案案第二个基本课题第二个基本课题:自然界元素共生结合规律自然界元素共生结合规律第1页/共22页自然界元素结合主要有两种化学键：1.同种或性质相似元素结合

2、 非极性键，一般形成共价键；2.异种元素结合 极性键，一般形成离子键。自然界元素结合特点：1.多键性和过渡性；2.自然界形成的化合物（矿物）都是不纯的，每一种矿物都构成一个成分复杂、含量变化的混合物系列。第2页/共22页1.能量：衡量元素结合的能量参数有 电负性（X）、电离势（I）、电子亲和能（E）、晶格能（U）;2.空间几何形式：半径（原子、离子）、配位数、原子和离子极化、最紧密堆积等。元素结合规律可从两个不同侧面来衡量：元素结合规律可从两个不同侧面来衡量：满足什么条满足什么条件可结合件可结合?第3页/共22页 1.元素的地球化学亲和性2.矿物晶体形成和变化过程的类质同像法则3.过渡元素地球

3、化学行为的控制-晶体场理论本章讨论本章讨论:自然界控制元素结合的主要规律自然界控制元素结合的主要规律过渡族元素过渡族元素常量元素常量元素微量元微量元素素第4页/共22页1 1 元素的地球化学亲和性元素的地球化学亲和性 第一讲第一讲自然体系中自然体系中*元素最普遍的结合方式是：元素最普遍的结合方式是：阳离子阳离子+阴离子。阴离子。*现状：现状：“阴阳失衡阴阳失衡”，阴离子阴离子 阳离子。阳离子。*结结果果：地地球球化化学学作作用用过过程程阳阳离离子子对对阴阴离离子子的的争争夺夺不不同同的的阳阳离子与不同的阴离子化合。离子与不同的阴离子化合。一、元素的地球化学亲和性一、元素的地球化学亲和性控制元素

4、在自然界相互组合的最基本规律控制元素在自然界相互组合的最基本规律自然界的：自然界的：趋势趋势-形势形势-现实现实第5页/共22页什么是地球化学亲和性？在自然体系中元素形成阳离子的在自然体系中元素形成阳离子的能力能力和所显示出有选择地与某种阴离子结合和所显示出有选择地与某种阴离子结合的的特性特性。为什么元素的表现出地球化学亲和性？1.元素本身性质(结构)；2.元素结合的物理化学条件.（宏观上：元素化合反应的能量效应）第6页/共22页*一部分元素一部分元素:只只“喜欢喜欢”与与氧氧结合形成氧化物和氧盐类。？结合形成氧化物和氧盐类。？*另一些元素另一些元素:“:“喜欢喜欢”与与硫硫结合形成硫化物。？

5、结合形成硫化物。？*还有一些元素：还有一些元素：“喜欢喜欢”“孤芳自赏孤芳自赏”，元素离子自身相互结合或与其，元素离子自身相互结合或与其 它它金属相互结合而形成金属单质或金属互化物？金属相互结合而形成金属单质或金属互化物？实际状况实际状况争夺阴离子争夺阴离子的能力很强的能力很强争夺阴离子争夺阴离子的能力较弱的能力较弱争夺阴离子争夺阴离子的能力较强的能力较强第7页/共22页上述现象最早是上述现象最早是戈尔德施密特戈尔德施密特发现：发现：观观察察欧欧洲洲曼曼斯斯费费尔尔德德铜铜矿矿石石冶冶炼炼过过程程中中注注意意到到，矿矿石石经经冶冶炼炼后后在在炉炉中中形形成成四四个个相相:金金属属相相、重重金金

6、属属硫硫化化物物、硅硅酸酸盐盐炉炉渣渣和和气气相相(CO(CO2 2，HH2 2OO）。）。戈戈尔尔德德施施密密特特把把冶冶炼炼过过程程和和陨陨石石中中所所观观察察到到的的铁铁陨陨石石、陨陨硫硫铁铁以以及及球球粒粒陨陨石石的的化化学学成成分分相相对对比比，并并结结合合地地质质作作用用中中的的矿矿物物组组合合和元素共生规律和元素共生规律,提提出出了了把把元元素素分分为为亲亲氧氧、亲亲硫硫、亲亲铁铁、亲亲气气和和亲亲生生物物的的分分类类。并推测地球内部的壳层结构也应有类似的化学成分的分异。并推测地球内部的壳层结构也应有类似的化学成分的分异。第8页/共22页在地球和地壳系统中，元素丰度值最高的阴离子

7、是在地球和地壳系统中，元素丰度值最高的阴离子是氧氧，其次是，其次是硫硫；在；在地球系统中能以自然金属形式存在的丰度最高的元素是地球系统中能以自然金属形式存在的丰度最高的元素是铁铁。因此，在。因此，在自然体系中元素的地球化学亲合性分类主要有：自然体系中元素的地球化学亲合性分类主要有：亲氧性、亲硫性和亲亲氧性、亲硫性和亲铁性铁性。元素相应的分为：元素相应的分为：亲氧性元素亲氧性元素（oxyphile element or lithophile oxyphile element or lithophile elementelement）、）、亲硫性元素亲硫性元素（sulfophile element

8、sulfophile element）和）和亲铁性元素亲铁性元素（Siderophile elementSiderophile element）。）。二、元素地球化学亲合性的分类第9页/共22页亲氧性元素亲氧性元素 特征是：离子半径较小，具有惰性气体型的电子层构型，电负性较小。特征是：离子半径较小，具有惰性气体型的电子层构型，电负性较小。如如K K、NaNa、CaCa、MgMg、NbNb、TaTa、ZrZr、HfHf、REEREE等；等；亲硫性元素亲硫性元素 特征是：离子半径较大，具有铜型的电子层构型，如特征是：离子半径较大，具有铜型的电子层构型，如CuCu、PbPb、ZnZn、AuAu、Ag

9、Ag等；等；IA,IIAIA,IIA主族及主族及其邻近其邻近IB,IIBIB,IIB副族及副族及其邻近其邻近第10页/共22页亲铁性元素亲铁性元素 特征是：电子层构型为特征是：电子层构型为1818或或18+218+2外层电子外层电子层结构，离子电离能较高，电负性中等，层结构，离子电离能较高，电负性中等，不不容易得和失电子容易得和失电子，在单质或金属互化物中共，在单质或金属互化物中共享自由电子。如享自由电子。如CuCu、AuAu、Ag Ag、FeFe、CoCo、NiNi和和PtPt族元素等。族元素等。细说之细说之第11页/共22页三、亲铁性三、亲铁性元素在自然界以元素在自然界以金属状态金属状态产

10、出的一种产出的一种倾向倾向。在自然界中，特别是在自然界中，特别是OO、S S丰度低的情丰度低的情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁共生，称之为常与铁共生，称之为亲铁元素亲铁元素。基本特征基本特征：不易与其他元素结合，因为它不易与其他元素结合，因为它们的价电子不易丢失（具有较高电离能）。们的价电子不易丢失（具有较高电离能）。例例第12页/共22页 I I1 1Au=9.2Au=9.2电子伏特，电子伏特，I I1 1Ag=7.5Ag=7.5电子伏特，电子伏特，I I1 1Cu=7.7Cu=7.7电子伏特电子伏特 另另外外,周周期期表表VIIIVI

11、II族族过过渡渡金金属属元元素素（铂铂族族元元素素）具具明明显显亲铁性：亲铁性：I I1 1Pt=8.88Pt=8.88电子伏特电子伏特 I I1 1Pd=8.30Pd=8.30电子伏特电子伏特 PtPt等元素在自然界往往等元素在自然界往往 I I1 1Ni=7.61Ni=7.61电子伏特电子伏特 以金属状态出现以金属状态出现。I I1 1Co=7.81Co=7.81电子伏特电子伏特 代表性的亲铁元素：代表性的亲铁元素：铂族铂族(Pt,Pd,Os,Ir,Ru,Rh)(Pt,Pd,Os,Ir,Ru,Rh)、CuCu、AgAg、AuAu、FeFe、CoCo、NiNi等等第13页/共22页四、亲氧性

12、和亲硫性（亲石性和亲铜性）四、亲氧性和亲硫性（亲石性和亲铜性）在地壳中，易于获得电子，成为阴离子，并与其他元素结合的元素中，丰度最高的为氧，其次是硫。两者的地球化学亲和性显著不同。原因是:O、S 本身的电子层结构差异，获取电子能力和方式不同；与之结合的阳离子自身的电子层结构。第14页/共22页1.1.氧和硫性质的差异氧和硫性质的差异 氧和硫某些化学性质参数氧和硫某些化学性质参数硫的电负性小于氧（硫的电负性小于氧（XsXoXs ）。这样，硫的外电子联系较弱，导）。这样，硫的外电子联系较弱，导致硫受极化致硫受极化 程度要比氧大得多。程度要比氧大得多。为此，硫倾向形成共价键（或配价键的给予体）为此，

13、硫倾向形成共价键（或配价键的给予体）氧倾向形成离子键（或部分共价键）氧倾向形成离子键（或部分共价键）与硫形成高度与硫形成高度共价键的元素，称共价键的元素，称亲硫元素亲硫元素（具亲硫性）（具亲硫性）;与氧形成高度离子键的元素称与氧形成高度离子键的元素称亲氧元素亲氧元素（具亲氧性）。（具亲氧性）。I1(ev)Y1 Y2 Y1+2 X R0 R 2-丰度（2S2P）氧 13.57 -1.47 +7.29 +5.82 3.5 0.66 1.32 47%（3S3P）硫 10.42 -2.08 +3.39 +1.32 2.5 1.04 1.74 0.047%第15页/共22页 2.2.与之结合的阳离子性质

14、与之结合的阳离子性质 以第四周期部分金属阳离子为例（电负性）第16页/共22页3.3.化学反应制动原理化学反应制动原理 在含有在含有K K、CaCa、MnMn、FeFe、CuCu、ZnZn及及OO、S S的体系中，的体系中，若若体系氧不足，亲氧性大于铁的元素（体系氧不足，亲氧性大于铁的元素（K K、CaCa、MnMn）优先与氧结合。）优先与氧结合。这些元素结合完毕后铁才与氧结合，并耗尽体系中所有的氧，剩这些元素结合完毕后铁才与氧结合，并耗尽体系中所有的氧，剩下的铁只能与硫结合或呈铁的单质，亲氧性小于铁的元素（下的铁只能与硫结合或呈铁的单质，亲氧性小于铁的元素（CuCu、ZnZn）则不可能有机会

15、与氧结合）则不可能有机会与氧结合 ，故铁起到了制动剂的作用。在与，故铁起到了制动剂的作用。在与硫结合时，铁一样可以起到这样的作用。硫结合时，铁一样可以起到这样的作用。这种现象称为化学反应制动原理。这种现象称为化学反应制动原理。当阴离子不足时，在自然体系中各阳离子将按亲和性强弱与当阴离子不足时，在自然体系中各阳离子将按亲和性强弱与阴离子反应，亲和性强的阳离子将抑制亲和性弱的阳离子的化学阴离子反应，亲和性强的阳离子将抑制亲和性弱的阳离子的化学反应（这是自然界的竞争机制）。反应（这是自然界的竞争机制）。第17页/共22页 在地壳中某体系内，阴离子（在地壳中某体系内，阴离子（S S2-2-）不足，地壳

16、中）不足，地壳中FeFe的丰度比的丰度比MnMn高出高出两个数量级，况且两个数量级，况且FeFe的亲硫性比的亲硫性比MnMn强。为此在这样的环境下，只能产生强。为此在这样的环境下，只能产生FeFe的的硫化物硫化物和和MnMn的的氧化物氧化物（硅酸盐）共生现象，绝对不会发生硫锰矿和铁（硅酸盐）共生现象，绝对不会发生硫锰矿和铁的氧化物共生的现象。这就是的氧化物共生的现象。这就是化学反应抑制原理化学反应抑制原理在起作用！在起作用！反应自由能：反应自由能：FeSiO3+MnS MnSiO3+FeS (Gr=-11.56 KJ,25)实例分析例分析第18页/共22页1.双重性和过渡性 自然界元素的亲和性不是绝对的，存在着双重性和过渡性。具亲铁性，以自然金属状态，具亲硫性，硫化物五、五、自然界元素亲和性的特点自然界元素亲和性的特点第19页/共22页2 2 同一元素不同价态的亲和性不同同一元素不同价态的亲和性不同 Fe2+，Mn2+低价具亲硫性,FeS2,MnS;Fe3+，Mn4+高价具亲氧性，Fe2O3,MnO2；Fe Mn第20页/共22页The end of this section第21页/共22页谢谢您的观看！第22页/共22页