第二章自然体系中元素共生结合规律ppt课件.ppt

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1、第二章自然体系中元素共生结合规律自然界元素结合的类型及特点元素的地球化学亲和性类质同象代换及微量元素共生结合规律晶体场理论在解释过渡族元素结合规律上的应用本章主要内容现象观察陨石或地球中Fe、Ni、Co和Pt等元素主要富集在金属相中，硅酸盐相主要富集Si、O、Al、K、Na和Ca等，而硫化物相中富集S、Fe、Cu、Ni、Co和Zn等元素；地壳岩石中超基性岩、酸性岩和碱性岩中不相容元素含量差别显著；在近地表自然界中矿物的相对比例为：硅酸盐25.8%，氧化物和氢氧化物2.7%,其它含氧盐25.4%，硫化物和硫酸盐24.7%,卤化物5.8%，自然元素4.3%，其它3.3%。问题思考：为

2、什么不同岩石、矿物中的元素组合千差万别？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？为什么在自然界多组分复杂的化学体系内，化合物(矿物)却按特定的比例构成？自然作用的产物特征有限的自然稳定相数量。自然界中虽然元素及其存在形式复杂多样，但差异悬殊的含量水平决定了有限的化学组合相(3000种天然矿物vs.30万种人工化合物)；有限的自然组合形式。地壳中元素的主要矿物形式为含氧盐、硫化物、卤化物、自然元素等，其它形式的矿物稀少或缺乏；规律的金属元素组合。元素Cu、Pb和Zn等主要存在于硫化物，常量元素K、Na、Ca、Mg和Mn等及微量元素Nb、Ta、Zr、Hf和REE等主要

3、存在于硅酸盐矿物，而元素Au、Ag和PGE可呈金属互化物形式的独立矿物；相同矿物具可变的化学组成—自然体系中复杂的元素比例关系所决定(请举例)；类似初始化学组合和环境形成的产物具有类似的化学特征。如不同岩类的化学组成(如过铝质花岗岩)、不同成因矿床矿物组成特征(如矽卡岩型矿床)及不同构造背景下岩浆岩(MORBvs.IAB)的元素特征。地球化学体系特征相对于实验室条件下的化学体系，地球化学体系(自然体系)具有以下特征：环境条件的变化范围(P、T等)及其变化的速率相对有限，尤其是地球的地壳和地幔部分；多组分复杂体系—任何化学过程均涉及到多种化学元素及其各种存在形式的参与，而与实验室条

4、件下可控组分的化学反应相区别；属开放体系行为—任何地球化学过程均存在其与环境在能量和物质上的交换；属不可逆过程—地球自太古宙以来的演化伴随了各层圈的化学分异和地球热状态的改变，显示出单方向演化的趋势。§1元素地球化学亲和性地球化学亲和性：a.阳离子在自然体系中趋向同某种阴离子化合的倾向。b.自然体系中元素形成阳离子的能力及其选择性地与某种阴离子结合的特性。决定元素地球化学亲和性的因素：1.元素本身性质，即原子结构；2.元素发生结合时的物理化学条件（如不同氧逸度条件下金属元素的离子价态）.元素产生地球化学亲合性现象的原因自然界中元素多以含氧盐、硫化物或卤化物等形式存在，即以阳离子与

5、阴离子结合而组成化合物。地球和地壳的元素丰度特征决定了在自然界中，按照化学计量，阳离子的数量（摩尔质量）大大多于阴离子。因此，“过量”阳离子与有限的阴离子间的结合将按照各阳离子对阴离子的亲合性序次发生，进而确定了自然界中元素间相互结合的“行为准则”。地球系统中丰度最高的阴离子分别为氧和硫，除与该两元素结合外，金属元素的另一重要存在形式为自然金属(及其)互化物，其中丰度最高的元素是Fe。因此，可根据结合形式将自然体系中的元素分为亲氧性元素、亲硫性元素和亲铁元素(Oxyphile/Lithophile,Sulfophile/Chalcophile,andSiderophileelem

6、ents)元素在自然界以金属状态产出的一种倾向。铁具有这种倾向，在自然界中，特别是当O、S丰度低的情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁呈金属键结合而共生，这类元素称之为亲铁元素。典型的元素包括PGE、Fe、Cu、Au、Ag、Co和Ni等。基本特征：不易与其他元素以离子键或共价键结合，因为它们的价电子不易丢失，即具有较高的电离能。一、亲铁性电离能：指从原子电子层中移去电子所需要的能量。电离能愈大，指示电子与原子核之间结合愈牢固。第一电离能：气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量叫做第一电离能(用I1表示)；第二电离能：从一价气态基态正离子中再

7、失去一个电子所需消耗的能量叫做第二电离能(用I2表示)。元素的一级电离能1电子伏特=1.60217646×10-19焦耳具亲铁性的部分元素的一级电离能I1Au=9.2电子伏特I1Ag=7.5电子伏特I1Cu=7.7电子伏特I1Pt=8.88电子伏特I1Pd=8.30电子伏特I1Ni=7.61电子伏特I1Co=7.81电子伏特较高的电离能使得其在自然界中常呈自然金属或互化物形式存在对比：I1Na=0.795电子伏特氧和硫元素的部分化学参数X：电负性分子中原子对成键电子吸引能力相对大