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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第 二 章,自 然 体 系 中 元 素 共 生 结 合 规 律,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: 自然界元素共生结合规律,眼前的事实!,提出的问题?,答案,第二个基本课题: 自然界元素共生结合规律,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,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。,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）;,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：,满足什么条件可结合?,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.,过渡元素地球化学行为的控制-,晶体场理论,本章讨论:,自然界控制元素结合的主要规律,过渡族元素,常量元素,微量元素,1 元素的地球化学亲和性,第一讲,自然体系中,* 元素最普遍的结合方式是：,阳离子+阴离子。,* 现状：,“阴阳失衡”，,阴离子, ,阳离子。,* 结果：,地球化学作用过程阳离子对阴离子的争夺,不同的阳离子与不同的阴离子化合。,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,自然界的：,趋势-形势-现实,什么是地球化学亲和性？,在自然体系中元素形成阳离子的,能力,和所显示出有选择地与某种阴离子结合的,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,）,*,一部分元素:只“喜欢”与,氧,结合形成氧化物和氧盐类。？,*,另一些元素: “喜欢”与,硫,结合形成硫化物。？,*,还有一些元素： “喜欢”,“孤芳自赏”,，元素离子自身相互结合或与其 它金属相互结合而形成金属单质或金属互化物？,实际状况,争夺阴离子的能力很强,争夺阴离子的能力较弱,争夺阴离子的能力较强,上述现象最早是,戈尔德施密特,发现：,观察欧洲曼斯费尔德铜矿石冶炼过程中注意到，矿石经冶炼后在炉中形成四个相:,金属相,、,重金属硫化物,、,硅酸盐炉渣,和,气相,(CO,2,，H,2,O）。,戈尔德施密特把冶炼过程和,陨石,中所观察到的铁陨石、陨硫铁以及球粒陨石的化学成分,相对比,，并结合地质作用中的矿物组合和元素共生规律,提出了把元素分为,亲氧、亲硫、亲铁、亲气和亲生物,的分类。,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。,在地球和地壳系统中，元素丰度值最高的阴离子是,氧,，其次是,硫,；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,铁,。因此，在自然体系中元素的地球化学亲合性分类主要有：,亲氧性、亲硫性和亲铁性,。,元素相应的分为：,亲氧性元素,（oxyphile element or lithophile element）、,亲硫性元素,（sulfophile element）和,亲铁性元素,（Siderophile element）。,二、元素地球化学亲合性的分类,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。 如K、Na、Ca、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf、REE等；,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Cu、Pb、Zn、Au、Ag等；,IA,IIA主族及其邻近,IB,IIB副族及其邻近,亲铁性元素,特征是：电子层构型为18或18+2外层电子层结构，离子电离能较高，电负性中等，,不容易得和失电子,，在单质或金属互化物中共享自由电子。如Cu、Au、Ag 、Fe、Co、Ni和Pt族元素等。,细说之,三、亲铁性,元素在自然界以,金属状态,产出的一种,倾向,。,在自然界中，特别是O、S丰度低的情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁共生，称之为,亲铁元素,。,基本特征,：,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）。,例,I,1,Au=9.2电子伏特， I,1,Ag=7.5电子伏特，,I,1,另外,周期表VIII族过渡金属元素（铂族元素）具明显亲铁性：,I,1,Pt = 8.88电子伏特,I,1,Pd = 8.30电子伏特 Pt等元素在自然界往往,I,1,Ni = 7.61电子伏特,以金属状态出现,。,I,1,Co = 7.81电子伏特,代表性的亲铁元素：,铂族(Pt,Pd,Os,Ir,Ru,Rh) 、Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni等,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。,1. 氧和硫性质的差异,氧和硫某些化学性质参数,硫的电负性小于氧（Xs ）。这样，硫的外电子联系较弱，导致硫受极化 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） 氧倾向形成离子键（或部分共价键） 与硫形成高度共价键的元素，称,亲硫元素,（具亲硫性）;,与氧形成高度离子键的元素称,亲氧元素,（具亲氧性）。,I,1,(ev) Y,1,Y,2,Y,1+2,X R,0,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%,2. 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）,3. 化学反应制动原理,在含有K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn及O、S的体系中， 若体系氧不足，亲氧性大于铁的元素（K、Ca、Mn）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，剩下的铁只能与硫结合或呈铁的单质，亲氧性小于铁的元素（Cu、Zn）则不可能有机会与氧结合 ，故铁起到了制动剂的作用。在与硫结合时，铁一样可以起到这样的作用。,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）。,在地壳中某体系内，阴离子（S,2-,）不足，地壳中Fe的丰度比Mn高出两个数量级，况且Fe的亲硫性比Mn强。为此在这样的环境下，只能产生Fe的,硫化物,和Mn的,氧化物,（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,化学反应抑制原理,在起作用！,反应自由能：,FeSiO,3,+MnS,MnSiO,3,+FeS (,Gr=-11.56 KJ, 25),实,例分析,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、 自然界元素亲和性的特点,2 同一元素不同价态的亲和性不同,Fe,2+,，Mn,2+,低价具,亲硫性, FeS,2, MnS;,Fe,3+，,Mn,4+,高价具,亲氧性，,Fe,2,O,3, MnO,2,；,Fe Mn,The end of this section,
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