2025年大学《地球化学》专业题库- 地球化学物相相互作用研究

2025年大学《地球化学》专业题库——地球化学物相相互作用研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内。）1.在一个开放的地球化学体系中，下列哪项描述是正确的？A.物相数量可以无限增加B.体系中所有物相的总自由能为零C.自发反应总是导致体系熵变为负D.系统在恒温恒压下达到平衡时，吉布斯自由能最小2.对于一个简单的沉淀-溶解平衡，如AX(s)⇌A⁺(aq)+X⁻(aq)，当向溶液中加入与X⁻同族的离子Y⁻时，根据沉淀-溶解平衡原理，下列预测正确的是？A.溶度积常数Ksp会增大B.沉淀物的溶解度会增大C.沉淀物的溶解度会减小D.溶度积常数Ksp会减小，但溶解度不一定变化3.标准电极电位E°是指：A.电极在非标准状态下发生的电位差B.电极与标准氢电极构成原电池时的电位差C.电极本身的热力学稳定性度量D.电极参与反应时释放的总能量4.在一个包含Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的体系中，增大体系pH值，通常会使：A.Fe³⁺的氧化能力增强B.Fe²⁺的还原性增强C.标准电极电位E°(Fe³⁺/Fe²⁺)升高D.氧化还原平衡向右移动（生成更多Fe³⁺）5.固溶体中，离子发生类质同象置换的主要限制因素是：A.溶度积常数KspB.离子间的半径比和电荷比C.溶液pH值D.温度6.根据能斯特方程，当反应物和产物浓度均处于标准状态时，电对的电极电位：A.等于其标准电极电位B.比其标准电极电位高C.比其标准电极电位低D.无法确定7.活度系数γ的值通常：A.总是等于1B.小于1，表示离子间存在排斥力C.大于1，表示离子间存在吸引力D.随离子强度增大而单调变化8.地球化学中的“稳定场”通常指的是：A.某种矿物能够稳定存在的温度-压力范围B.溶液中某种离子能够稳定存在的pH范围C.某个氧化还原体系能够稳定存在的Eh范围D.地球内部某区域稳定存在的化学成分9.分配系数Kd的物理意义是：A.沉淀反应平衡常数B.溶质在两相间分配达到平衡时的摩尔比C.溶质从一相转移到另一相的速率常数D.溶度积常数的温度系数10.下列哪种现象主要是由表面吸附引起的？A.矿物在溶液中的溶解度随离子强度的变化B.溶液pH值对矿物沉淀的影响C.矿物颗粒表面电性的变化D.氧化还原电位对矿物稳定性的影响二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上。）1.根据相律，一个包含C个组分、P个相的体系，在恒温恒压条件下，自由度F=。2.某矿物AB的溶度积常数Ksp=10⁻¹⁸，则该矿物在纯水中的饱和浓度c(A⁺)=。3.能斯特方程描述了电极电位与之间的关系。4.在Fe-H₂O体系中，当Eh升高时，Fe²⁺相对于Fe³⁺的稳定性。5.理想固溶体遵循定律，其混合吉布斯自由能变ΔGmix=。6.影响矿物溶解度的因素包括温度、压力、以及。7.活度a的定义是a=γ·c，其中c代表。8.稳定场图通常用于判别体系在特定T-P或T-Eh条件下可能存在的。9.当Eh=0时，对于Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对，其电化学平衡常数K=。10.离子交换吸附是一种交换过程。三、简答题（每小题5分，共20分。）1.简述吉布斯自由能变ΔG与化学反应自发性的关系。2.解释什么是活度系数，并简述影响活度系数的主要因素。3.简述矿物在溶液中沉淀的条件。4.比较氧化还原电位(Eh)和标准电极电位(E°)的区别。四、计算题（每小题10分，共30分。）1.在25°C时，反应2H₂O(l)⇌2H⁺(aq)+O₂(g)的标准吉布斯自由能变ΔG°=474.5kJ/mol。计算该反应的标准平衡常数K和水中H⁺的平衡浓度（假设O₂分压为0.21atm，水的离子积Kw=10⁻¹⁴）。2.对于矿物AgI(s)⇌Ag⁺(aq)+I⁻(aq)，其溶度积常数Ksp=8.5×10⁻¹⁷。计算：a.AgI在纯水中的溶解度（以mol/L表示）。b.若向饱和溶液中添加0.01mol/L的NaI，AgI是否会沉淀？3.在25°C的Fe-H₂O体系中，已知反应Fe²⁺(aq)+½O₂(g)+2H⁺(aq)⇌Fe³⁺(aq)+H₂O(l)的标准平衡常数为K=1.6×10¹¹。计算：a.当溶液pH=3时，该反应的平衡电位Eh是多少？b.若要使Fe³⁺开始沉淀为Fe(OH)₃（假设Fe(OH)₃的Ksp已知，但此处不必计算），大致的Eh和pH条件应如何？五、论述题（10分。）试结合具体实例，论述物相相互作用（以矿物-流体相互作用为例）在斑岩铜矿成矿过程中所起的作用，并说明如何利用地球化学原理预测成矿流体性质。试卷答案一、选择题1.D2.C3.B4.B5.B6.A7.B8.A9.B10.C二、填空题1.C-P+12.1×10⁻⁹mol/L3.电极电位与反应物/产物活度（或浓度）的对数4.降低5.理想混合；RTln(x₁x₂...)（或RTx₁lnx₁+RTx₂lnx₂...）6.溶液化学成分（离子种类和浓度）7.溶液相的摩尔浓度（或质量摩尔浓度）8.主要矿物相9.110.阳离子三、简答题1.当ΔG<0时，反应自发进行；当ΔG=0时，反应处于平衡状态；当ΔG>0时，反应非自发（正向不能进行，逆向自发）。2.活度系数γ是离子在溶液中的实际活度a与理想稀溶液中假设的活度c（或浓度）的比值（a=γc）。主要影响因素包括离子强度（增大使γ通常减小）、温度、离子电荷和半径。3.矿物溶解需要满足热力学条件，即反应的吉布斯自由能变ΔG≤0。通常需要溶液中某种组分（如H⁺、OH⁻或某种络合离子）的浓度超过矿物在该条件下的溶解平衡浓度。4.标准电极电位E°是指在标准状态下（所有反应物和产物浓度均为1mol/L或气体的分压为1atm，溶液pH=0或水为纯水等）电对的电极电位，是一个强度性质，与温度有关。Eh是指电对在非标准状态下，其实际电位，是状态函数，与温度、反应物和产物实际浓度/分压以及pH值有关。Eh=E°+(RT/nF)ln(Q)，其中Q为反应商。四、计算题1.a.K=exp(-ΔG°/RT)=exp(-474500/(8.314×298.15))≈2.1×10⁻⁸⁰b.c(H⁺)²×P(O₂)/P(H₂O)⁴=K×(P/1)⁴/P(H₂O)⁴(假设H₂O为纯水，P=1atm)c(H⁺)²×0.21/1⁴=2.1×10⁻⁸⁰c(H⁺)≈√(2.1×10⁻⁸⁰/0.21)≈9.5×10⁻²⁸mol/L(极小值，实际受水自电离限制)由Kw=c(H⁺)c(OH⁻)=10⁻¹⁴，c(OH⁻)≈1.1×10¹¹⁰mol/L实际c(H⁺)≈[Kw/c(OH⁻)]^0.5≈[10⁻¹⁴/(9.5×10⁻²⁸)]^0.5≈3.5×10⁻³mol/L（注：此处计算因ΔG°极大，平衡浓度极小，受水自电离限制，实际计算需更严谨处理，但按题目要求给出主要步骤）2.a.Ksp=c(Ag⁺)×c(I⁻)c(Ag⁺)=c(I⁻)=xx²=8.5×10⁻¹⁷x=√(8.5×10⁻¹⁷)≈9.2×10⁻⁹mol/L溶解度=9.2×10⁻⁹mol/Lb.在0.01mol/LNaI中，c(I⁻)=0.01mol/L。设AgI在此溶液中的溶解度为x'。Ksp=c(Ag⁺)×c(I⁻)=x'×0.01x'=Ksp/0.01=8.5×10⁻¹⁷/0.01=8.5×10⁻¹⁵mol/L由于x'≈8.5×10⁻¹⁵mol/L远小于9.2×10⁻⁹mol/L（纯水中溶解度），因此AgI会沉淀。3.a.Q=[c(Fe³⁺)/c(Fe²⁺)]×[c(H⁺)²]×[P(O₂)/P(H₂O)]平衡时，Q=K=1.6×10¹¹c(Fe³⁺)/c(Fe²⁺)=K/[c(H⁺)²×(P(O₂)/P(H₂O))]代入标准大气压下P(O₂)=0.21atm,P(H₂O)=1atm：c(Fe³⁺)/c(Fe²⁺)=1.6×10¹¹/[c(H⁺)²×0.21]根据能斯特方程，Eh=E°(Fe³⁺/Fe²⁺)+(RT/nF)ln(c(Fe³⁺)/c(Fe²⁺))E°(Fe³⁺/Fe²⁺)+(0.05916/n)log(c(Fe³⁺)/c(Fe²⁺))=EhEh=E°(Fe³⁺/Fe²⁺)+(0.05916/n)log(K/(c(H⁺)²×0.21))对于Fe³⁺/Fe²⁺(n=1)，E°≈0.77VEh=0.77+0.05916log(1.6×10¹¹/(c(H⁺)²×0.21))当pH=3,c(H⁺)=10⁻³mol/LEh=0.77+0.05916log(1.6×10¹¹/(10⁻⁶×0.21))Eh=0.77+0.05916log(7.6×10¹⁷)Eh≈0.77+0.05916×17.88Eh≈0.77+1.06Eh≈1.83Vb.Fe(OH)₃(s)⇌Fe³⁺(aq)+3OH⁻(aq)Ksp(Fe(OH)₃)沉淀条件：Q=c(Fe³⁺)×c(OH⁻)³≥Ksp(Fe(OH)₃)要使Fe³⁺沉淀，需c(OH⁻)=[Ksp(Fe(OH)₃)/c(Fe³⁺)]^(1/3)（假设c(Fe³⁺)已知或可估计）c(OH⁻)=Ksp(Fe(OH)₃)^(1/3)/c(Fe³⁺)^(1/3)pOH=-log(c(OH⁻))=-[1/3log(Ksp(Fe(OH)₃))-1/3log(c(Fe³⁺))]pH=14-pOHpH=14+1/3log(c(Fe³⁺))-1/3log(Ksp(Fe(OH)₃))同时，Fe³⁺的氧化态稳定也需要一定的Eh（通常Eh>E°(Fe³⁺/Fe²⁺)≈0.77V）。因此，沉淀Fe(OH)₃需要较低的pH和较高的Eh（或较高的c(Fe³⁺)）。五、论述题矿物-流体相互作用是斑岩铜矿成矿的关键过程。斑岩铜矿化通常发生在中低温热液环境下，成矿流体（常为富含H₂S、Cu、Fe、酸性组分的热水溶液）从深部岩浆房或地幔源区向上运移，与围岩（通常是中酸性侵入岩和围岩）发生交代作用。1.成矿元素迁移与富集：在岩浆活动后期或岩浆期后热液中，Cu、Fe、Mo等成矿元素以络合离子（如Cu(SO₄)₃³⁻,FeCl₄⁻）或分子形式（如H₂S）在流体中迁移。流体与围岩的矿物发生反应，如硫化物（黄铁矿、方铅矿）的沉淀，可以消耗流体中的H⁺、S²⁻和Cu²⁺，促使Cu从早期的不稳定矿物（如斑岩中的黑云母、角闪石）中溶出，并迁移到更浅的部位。2.沉淀与成矿：当成矿流体运移到近地表的构造裂隙或蚀变带中，由于压力降低、稀释、pH升高、温度降低或与其他流体的混合作用，流体化学条件发生改变。此时，流体中的Cu、Fe、S等组分达到饱和，发生沉淀。Cu主要沉淀为斑岩铜矿（黄铜矿），同时伴随Fe硫化物（如斑岩铜矿中的黄铁矿、方铅矿、闪锌矿）和少量贵金属（如金、银）的沉淀。这些矿物在构造控制的通道中富集成矿体。3.地球化学原理的应用：可以利