地球化学课件.ppt

1、第二章元素的组合与分布自然界中没有孤立的原子，但原子是以某种形式组合在一起的。例如，在陨石中，金属相是铁、镍、钴和铂的组合；硅酸盐相：硅、氧、铝、钙、镁和铁的组合；硫化物相：硫、铁、铜、锌、镍、钴、铂等的组合。例如，在地壳岩石中，酸性岩石是钾、钠、硅、铝、铍、钍和其他组合；基性岩：铁、镁和其他组合。此外，不同岩石和矿物中元素的组合方式是不断变化的，但同一类型岩石中特定元素总是一起出现，这反映了自然界元素的组合有一定的规律，对自然界元素的存在形式和迁移有重要影响。元素组合共生规律的研究也是地球化学研究的一个基本课题。要素组合的基本规律本章讨论的自然界中控制要素组合的主要规律如下：1 .元素的地球

2、化学亲和力。矿物晶体形成和变化过程的同构规律。晶体场控制理论1。地壳地球化学系统的特征1)与人工准备的条件相比，温度和压力的变化范围是有限的，例如，地壳和上地幔的温度变化范围为-801800，压力为0.05%。现代实验设备能够制备的温度极限范围可以从接近绝对零度(0.0000-1K)到超高温5104(等离子火焰)，甚至到10M(成核反应)；压力可以从真空到1.21011帕。2)大量化学成分共存，它们的浓度相差很大。任何地质过程都可以看作是一个包含92个元素的系统。C92，如果考虑同位素，可能有354种核素。92种元素根据它们各自的丰度决定的比率参与化学反应。这与实验室中观察到的化学反应大不相同

3、，实验室中的化学反应通常是由高纯度试剂根据理论比率设计的。3)开放系统，具有单向发展和多变性演化的特点。外来组分的加入可以彻底改变作用的性质和条件，地球化学具有阶段性时间演化的特征，如岩浆期后的溶液活动，由于围岩孔隙溶液的不断加入和成矿物质的淋溶，在后期变成具有后生侧分泌的溶液。4)作为一个自发的不可逆过程，反应的方向、速度和极限受到系统能量效应的限制。第二，天然产物的特点：1)天然稳定相矿物和各种流体相的总数有限，天然化合物种类不多；各种矿物的分布丰度差异很大：例如，根据矿物学统计，迄今发现的矿物总数约为3000种(不包括天然有机化合物)；矿物化合物只有7种，矿物组总数只有200个；相比之下

4、，实验室里有300，000种化合物和成千上万种动物和植物。显然，地球物理和化学条件的相对变化控制着矿物的总数和类型。2)元素被分组形成自然组合。如果按阴离子分类，地壳中只有含氧化合物、卤化物和天然元素，以及稀有矿物，如砷化物、硒和碲化物。3)阳离子与各种阴离子结合也构成了具有不同特征的共生元素组合。例如，铜、铅和锌主要形成硫化物，钾、钠、钙和镁主要形成硅酸盐(或氧化物)，铌、钽、锆、铪和稀土也倾向于形成硅酸盐(或含氧盐)，金、银和铂元素主要以简单物质和金属间化合物的形式存在。4)天然稳定相矿物不是纯化合物，每种矿物都是一系列成分复杂、含量多样的混合物质。5)在地壳的物理和化学条件下，相似的物质

5、组成会使天然产物的种类反复出现。例如，矿物根据一定的生成环境形成规则的共生组合。另一个例子是，岩石被分成大类，而沉积物是由根据类型的特征矿物组合组成的。这些事实表明，在由一定的物理和化学环境决定的自然相互作用系统中元素的地球化学亲和力元素的地球化学亲和力主要指在自然系统中阳离子与某些阴离子选择性结合的趋势。1.元素的地球化学亲和力在自然系统中，元素最常见的结合方式是阳离子和阴离子之间的结合。根据化学计量比，地球和地壳中阴离子/阳离子的总数不相等，系统中阴离子阳离子和元素丰度的特征导致地球化学过程中阳离子和阴离子之间的竞争，即元素之间的结合关系与元素形成阳离子的能力有关。元素在自然系统中形成阳离

6、子的能力以及与某些阴离子选择性结合的特性被称为元素的地球化学亲和力。这是控制自然界元素组合的最基本的法则。实际观察表明，有些元素只是“喜欢”与氧结合形成氧化物和氧盐，而其他元素首先与硫化物结合形成硫化物。因此，形成了以岩石形成元素为主体的众所周知的含氧矿物组合和以重金属元素为代表的硫化物组合。它们的成因和富集条件明显不同。还有一些元素对阴离子的竞争能力很弱，这些元素的离子相互结合形成金属或金属间化合物。戈德施密特首先发现了这一现象。在欧洲曼菲尔德观察铜矿石的冶炼过程时，他注意到在冶炼后，矿石在熔炉中形成四个相：金属铁相(浓缩铜和重金属硫化物)、硅酸盐渣和气相(H2O CO2)。戈德施密特比较了

7、铁陨石、陨石硫铁和球粒陨石在冶炼过程中观察到的化学成分，并根据地质过程中的矿物组合和元素共生规律，提出了元素分类为喜氧、喜硫、喜铁、喜气和喜生物。他还推测地球内部的地壳结构应该有类似的化学成分分化。地球和地壳系统元素地球化学亲和力分类(p52-54)，元素丰度值最高的阴离子是氧，其次是硫；铁是地球系统中最丰富的天然金属元素。因此，自然系统中元素的地球化学亲和力分类主要包括：氧亲和力、硫亲和力和铁亲和力。元素可分为：亲氧元素或锂元素、亲硫元素和亲铁元素。亲氧元素具有离子半径小、惰性气体的电子壳层结构和低电负性的特点。如钾、钠、钙、镁、铌、钽、锆、铪、稀土等。亲硫元素以大离子半径为特征，如铜、铅、

8、锌、金、银等。嗜铁元素特征在于具有18或18 2的外层电子壳层结构、高离子电离能、中等电负性、难以获得和损失电子以及在简单物质或金属间化合物中共享自由电子。例如铜、金、银、铁、钴、镍和铂族元素。氧和硫的性质表2.1氧和硫的一些化学参数，硫的电负性小于氧的电负性。这样，硫的外部电子与原子核的联系很弱，导致硫的极化程度远大于氧的极化程度。此外，硫倾向于形成共价键(或配位键的供体)，而氧倾向于形成离子键(或部分共价键)。只有能与硫形成高共价键的金属才会显示出硫亲和力；同样，只有那些能与氧形成化学键(主要是离子键)的金属才是喜氧元素。亲氧元素包括钾、钠、钙、镁、铌、钽、锆、铪、稀土等。具有离子半径小、

9、惰性气体的电子壳层结构和低电负性的特点。亲硫元素包括铜、铅、锌、金、银等。它们具有离子半径大、18或18 2外层电子壳层结构和高电负性的特点。元素电负性的差异可以为判断化学键的性质提供一个很好的尺度。根据金属离子与氧(电负性为3.5)或硫(电负性为2.5)的电负性差异，可以判断元素的氧亲和力或硫亲和力。下表列出了第四个循环中某些元素离子的电负性及其与O2-电负性和S2电负性的差异，反映了元素的氧亲和势或硫亲和势的渐变规律。电负性与元素亲和力的关系，化学键是判断元素地球化学亲和力的第一要素。在化学键类型相同的情况下，应考虑原子(离子)之间的几何关系，如离子半径小的喜氧元素和离子半径大的喜硫元素；

10、当元素通过共价键结合时，由于共价键的方向性和饱和性，元素的结合也受到配位多面体形式的限制。由喜氧元素和氧结合形成的氧化物和含氧盐等矿物是岩石圈的主要形式，因此喜氧元素也被称为石元素。由含硫元素和硫结合产生的硫化物和硫盐通常与硫化铜共存，含硫元素也称为喜铜元素。(3)亲铁元素亲铁元素是元素在自然界中以金属状态产生的趋势。在自然系统中，特别是在氧和硫含量低的情况下，一些金属元素不能形成阳离子，而只能以自然金属的形式存在。它们通常与金属铁共存，这些元素是亲铁的，属于亲铁元素。典型的亲铁元素有铂族、铜、银、金、铁、钴、镍等。这些元素的基本特征是原子的电子构型被D亚层填充或几乎被D亚层填充，18或18

11、2的外层电子壳层结构称为惰性金属型构型。从表2.3列出的电负性数据可以看出，铂族元素和第一、二亚组元素的电负性为x1.8-2.1，电负性中等，处于水平电负性变化的过渡带。在化学反应中，原子的电子不能被剥夺，同时，它们也不能捕获外部电子。在晶体(简单物质或金属间化合物)中，所有原子共享自由电子，因此它们保持电中性。亲铁元素的第一个离子的电离能通常很高，例如I1Au=9.2eV，I1Ag=7.5eV，I1Cu=7.7eV，I1Pt=8.88eV，I1Pd=8.3eV，I1Ni=7.61eV，I1Co=7.81eV.元素的亲缘关系不是绝对的。许多元素具有双重亲和力，亲和力之间存在一定的过渡。一方面，

12、它与系统中阴离子和阳离子以及不同阴离子的相对丰度有关，因为丰度限制了离子浓度，而反射取决于浓度；另一方面，它也与离子的价态有关。例如，在地球系统中，氧的元素丰度通常远远大于硫的元素丰度，大多数阳离子主要表现出氧亲和力，即氧化合物的种类比硫化合物多得多；然而，在富硫系统中，硫化合物的种类可能多于氧化合物。在富含硫的陨石中，可以发现许多硫化物，如CaS，这在地球系统中从未见过。例如，Fe:在富氧环境中表现出氧亲和力，在富硫环境中表现出硫亲和力；例如，亚铁同时具有氧亲和力和硫亲和力，而三价铁仅具有氧亲和力。当Fe2和Mn2处于低价态时，形成硫化物FeS2和MnS，Fe2和Mn2是亲硫的。然而，当Fe3和Mn4处于高价态时，形成Fe2O3和MnO2。此时，Fe3和Mn4具有氧亲和力。钼也有类似的性质：Mo4形成MoS2，MoS 2是含硫的；Mo6形成钼酸盐，对氧气友好。当金、银、铜和铂元素处于零价态(原子态)时，它们是亲铁的，以天然金属单质或金属间化合物的形式存在，但当这些元素处于正价态并以阳离子形式存在时，它们是硫代并形