第二章元素的结合规律和赋存形式(教案)

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1、第二章元素的结合规律和赋存形式第一节地球化学系统地球化学系统的定义白然体系屮元素间的互相作用与人为控制的化学反应不同，因为白然体系的组成和物理化学条件不可能人为设定。地壳和地球范围内的自然体系和自然过程有以下特点：(1)温度、压力等条件的变化幅度为实验条件相比是相对有限的，如地壳和上地幔的温度变化幅度为-80〜1800°C,压力由0.On〜1010Pa(

2、-万大气压)。(2)是多纟R分的复杂体系。(3)体系是开放的。(4)自发进行的不可逆过程。AdiabaticSystemJso/uru/"st川■ZClosedSystemOpenSystemFigure2；l.S

3、ystemsinrelationshiptothoirstir-rotincinigs.Theballrepresentsmassexchange,thearrowrepresentsenorgyexchange-第二节地球化学亲和性和规律地球化学亲和性（geochemicalaffinity）:在自然体系中，阳离子有选择性地与某阴离子化合（结合）的倾向性。（1）、亲和性的由来和概念：V.M.Goldschmidt（1932）观察Mansfeld含铜板岩冶炼过程时发现有金属铁、富铁铜硫化物、硅酸盐炉渣和气孔。与陨石类型（铁陨石、陨硫铁、石陨石）有可比性，与元素在不同

4、圈层中富集规律有可比性。从而提出亲氧（石）、亲硫（铜）、亲铁和亲气元索的概念。如何理解自然体系中地球化学亲和性？①丰度因素②元素性质③反应的能量效应①之所以在H然体系中强调地球化学亲和性，而在实验室条件下不强调亲和性，是因为，根据克拉克值估算，在地売体系屮电负性人的阴离了总数（摩尔数）等与或人于阳离了总数，按理说，所有的阳离了均有与阴离了化合的机会，但有些阴离了具有挥发性趋于地球表层富集,故在深部有些阳离了就没有机会与阴离了结合，考虑地幔层或用地球总体丰度计算，则阴离了总量大大不足。由于阴离了总数不足，使自然体系屮的阳离了部分与氧、硫结合形成氧（硫）化物，部分呈单质

5、（自然金属）形式存在。地壳中氧的丰度高，故形成氧的化合物授多，硫的化合物次Z。一方面，在深部阳离了总数多于阴离了总数，形成阳离了冇选择地与阴离了结合，即所谓地球化学亲和性。另一方面，阳离子中铁的丰度高，起到了制动剂的作用。Fe在地球体系占32%,在地壳体系中占5.8%,同时铁具有多重亲和性（有亲氧性、亲硫性和亲铁性）（见例）。例：（动画）在K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、0和S体系屮，当体系中氧不足时，亲氧性人于铁的元素（K,Ca,Mn）优先与氧结合，然后才是铁与氧结合，它耗丿&了体系屮所有的氧。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,Zii）

6、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，铁一样可以起这样的作用。别列尔曼（A.I/IEepejibmah,1965）把这种现彖称Z为化学反应制动原理。②在体系屮其它因索相同的情况F，元索的亲和性取决于元索自身的性质（电离能、电负性等），所以，町以用元素与氧、硫的电负性差值判断其易形成什么样的化学键，亦即知道它具冇什么样的亲和性。表2・2第四周期元素的电负性与亲和性K2+Ca2+Sc2+

7、Ti2+V3+Mn2+)Fe2+Co2+

8、ni2+Cu2+

9、zn2+相对电负性X0.81.01.31.61.41.41.41.71.71.82.01.5△X金属

10、与氧2.72.52.21.92.12.12.11.81.81.71.52.0AX金属与硫1.71.51.20.91.11.11.10.80.80.70.51.0元素的地球化学亲和性亲氧、无亲硫倾向性一一有亲硫倾向性氧倾向性减弱（离了键成分减少）亲硫倾向性增强（共价键成分增多）注：相対电负性——将Li的电负性定义为1,F的电负性定义为4,其他元素的相对电负性通过与Li、F电负性的大小来确定。①根据口由能减小原理，当发生化学反应吋，反应朝自由能减小的方向进行。所以可以根据元素形成氧化物、硫化物的形成口由能大小或反应的口由能大小判断反应进行的方向（判断亲氧（硫）性大小）N

11、a2SiO;+FeS<->FoSiO+Na2SAG二87.9kJNa2C0,+FeS<—>FeC03+Na2SAG二154.8kJCaSiO3+FeSFeSiO3+CaSAG=95.7kJCaCO+FeSFcCO.+CaSAG二80.7kJMnSiO3+FeS<—>FeSiO3+MnSAG=45.48kJ（1）亲石元索：离子的最外电子层具有8电子（s'pb）稳定结构，氧化物的形成热人于FoO的形成热，与氧的亲和力强，易熔于硅酸盐熔体，主要集中在岩石圈。(2)亲铜元素：离子的最外电子层具有18电子(s2p6d10)的铜型结构，氧化物的形成热小于FeO的形成热，与硫