中国地质大学地球化学全套课件.ppt

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1、第 二 章 自 然 体 系 中 元 素 共 生 结 合 规 律 金属相金属相中中Fe、Ni、Co、Pt等元素共生；等元素共生；陨石中陨石中 硅酸盐相硅酸盐相中主要是中主要是Si、O、Al、Mg、Fe元素组合；元素组合；硫化物相硫化物相中有中有S、Fe、Cu、Ni、Co、Zn等元素。等元素。超基性，基性岩超基性，基性岩 地壳中地壳中 酸性岩酸性岩 元素组合差别很大元素组合差别很大 碱性岩碱性岩 1.为什么不同岩石、矿物中的为什么不同岩石、矿物中的元素组合千差万别元素组合千差万别呢？呢？2.为什么为什么有些元素总是相伴出现有些元素总是相伴出现，而另外一些元素彼此很少共生呢？，而另外一些元素彼此很少

2、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自然界元素结合主要有自然界元素结合主要有两种化学键两种化学键：1.同种或性质相似元素结合同种或性质相似元素结合 非极性键非极性键，一般形成，一般形成共共价键价键；2.异种元素结合异种元素结合 极性键极性键，一般形成，一般形成离子键离子键。自然界元素结合特点：自然界元素结合特点：1.多键性和过渡性；多键性和过渡性；2.自然界形成的自然界形成的化合物化合物（矿物矿物）都是不纯的，每一种）都是

3、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。矿物都构成一个成分复杂、含量变化的混合物系列。1.能量能量：衡量元素结合的能量参数有衡量元素结合的能量参数有 电负性（电负性（X）、）、电离势（电离势（I）、）、电子亲和能（电子亲和能（E）、）、晶格能（晶格能（U）;2.空间几何形式空间几何形式：半径（原子、离子）、配位数、原子和离子极化、半径（原子、离子）、配位数、原子和离子极化、最紧密堆积等。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?1.元素的元素的地球化学亲和性地球化学亲和性2.矿物晶体形成和变化

4、过程的矿物晶体形成和变化过程的类质同像类质同像法则法则3.过渡元素地球化学行为的控制过渡元素地球化学行为的控制-晶体场理论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离子与不同的阴离

5、子化合阳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-现实现实什么是地球化学亲和性？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和所显示出有选择地与某种阴离子结合的地与某种阴离子结合的特性特性。为什么元素的表现出地球化学亲和性？为什么元素的表现出地球化学亲和性？1.元素本身性质元素本身性质(结构结构)；2.元素结合的物理化学条件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宏观上：元素化合反

6、应的能量效应）*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。？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，元素离子自身相互结合或与其身相互结合或与其 它金属相互结合而形成金属单质或金属它金属相互结合而形成金属单质或金属互化物？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

7、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、重重金金属属硫硫化化物物、硅硅酸酸盐盐炉炉渣渣和和气气相相(COCO2 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

8、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。在地球和地壳系统中，元素丰度值最高的阴离子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；在地球系统中能以自然金属形式存在的丰；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度最高的元素是铁铁。因此，在自然体系中元素的地球。因此，在自然体系中元素的地球化学亲合性分类主要有：化学亲合性分类主要有：亲氧性、亲硫性和亲铁性亲氧性、亲硫性和亲铁性。元素相应的分为：元素相应的分为：亲氧性元素亲氧性元素（oxyphileoxyphile element element or or l

9、ithophilelithophile element element）、）、亲硫性元素亲硫性元素（sulfophilesulfophile elementelement）和和亲铁性元素亲铁性元素（SiderophileSiderophile element element）。）。二、元素地球化学亲合性的分类二、元素地球化学亲合性的分类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。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

10、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、AgAg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

11、和PtPt族元素等。族元素等。细说之细说之三、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丰度低的情况下，丰度低的情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁共一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁共生，称之为生，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，因为它们的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）。价电子不易丢失（具有较高电离能）。例例 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

12、，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VIIIVIII族族过过渡渡金金属属元元素素（铂铂族族元元素素）具具明明显显亲亲铁铁性：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,Pt,Pd,Os,Ir Ir,RuRu,RhRh)、CuC

13、u、AgAg、AuAu、FeFe、CoCo、NiNi等等四、亲氧性和亲硫性（亲石性和亲铜性）四、亲氧性和亲硫性（亲石性和亲铜性）在在地地壳壳中中，易易于于获获得得电电子子，成成为为阴阴离离子子，并并与与其其他他元元素素结结合合的的元元素素中中，丰丰度度最最高高的的为为氧氧，其其次次是硫。两者的地球化学亲和性显著不同。原因是是硫。两者的地球化学亲和性显著不同。原因是:O、S 本本身身的的电电子子层层结结构构差差异异，获获取取电电子子能能力力和和方式不同；方式不同；与之结合的与之结合的阳离子阳离子自身的电子层结构。自身的电子层结构。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

14、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，导致硫受）。这样，硫的外电子联系较弱，导致硫受极化极化 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，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）与硫形成高度共与硫形成高度共价键的元素，称价键的元素，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-丰度丰度（2S

15、2P）氧氧 13.57 -1.47 +7.29 +5.82 3.5 0.66 1.32 47%（3S3P）硫硫 10.42 -2.08 +3.39 +1.32 2.5 1.04 1.74 0.047%2.2.与之结合的阳离子性质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）以第四周期部分金属阳离子为例（电负性）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，若体系氧若体系氧不足，亲氧性大于铁的元素（不足，亲氧性大于铁的元素（K K、CaCa、MnMn）优先与氧结合。这些元素结优先与氧

16、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，剩下的铁只能与硫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（合或呈铁的单质，亲氧性小于铁的元素（CuCu、ZnZn）则不可能有机会与则不可能有机会与氧结合氧结合 ，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，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。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阴离子反当阴离子不足时，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

17、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）。界的竞争机制）。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，地壳中不足，地壳中FeFe的丰度比的丰度比MnMn高出两个数量级，况且高出两个数量级，况且FeFe的亲硫性比的亲硫性比MnMn强强。为此在这样的环境下，只能产生。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（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。这就是铁的氧化物共生的现象。这就是化

18、学反应抑制原理化学反应抑制原理在起在起作用！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1.双重性和过渡性双重性和过渡性 自然界元素的亲和性不是绝对的，存在着双自然界元素的亲和性不是绝对的，存在着双重性和过渡性。重性和过渡性。具亲铁性，以自然金属状态具亲铁性，以自然金属状态，具亲硫性，硫化物具亲硫性，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+低价具低价具亲硫性亲硫性,FeS2,MnS;Fe3+，Mn4+高价具高价具亲氧性，亲氧性，Fe2O3,MnO2；Fe MnThe end of this section