元素的结合规律与赋存方式
2-元素结合规律与赋存形式-2
类质同象Isomorphism
⑥ 标型元素组合 有些矿物中有大量类质同象混入,但同一矿物在特定 成因下往往只富含某些特征的类质同象元素组合,据 此可以判断矿物的形成环境,故可以将有成因意义的 元素组合成为“指纹元素组合”或“标型元素组合”。 例如磁铁矿包含两个类质同像系列,其矿物通式为: Fe2+Fe3+2O4 Fe2+可由Mg2+、Zn2+、 Co2+、Ni2+、Cu2+ (r= 0.78-0.91Å)代换; Fe3+可由 Al3+、Cr3+、 V3+、 Mn3+、 In 3+、Ga3+、 4+( r= 0.50-0.76Å )置换。 Ti4+ 、 Ge 19 河南理工大学-机械与动力学院 19
河南理工大学-机械与动力学院 5 5
类质同象Isomorphism
根据林伍德法则,Mg2+和 Fe2+电负性较低,优先进入 晶格组成镁铁硅酸盐,但是 Zn2+电负性较大, 化合时共 价键性较强,很难类质同象 进入Fe2+和Mg2+结晶矿物中 电负性
Zn2+ 857.7 KJ/mol
Fe2+ 774 KJ/mol Mg2+ 732 KJ/mol
4价:Zr-Hf-Th-U;
亲硫元素:1价:Cu-Ag-Tl;2价:Zn-Ca;3价:As-Sb-Bi.
阴离子 :卤素元素 Cl-Br-I;2价:S-Se;Se-Te; 河南理工大学 -机械与动力学院
8 8
类质同象Isomorphism
4.类质同象类型及其规律
异价类质同象:异 价类质同象要求元 素间电价平衡,同 时要求类质同象间 的半径差更小一些。 在周期表左方,位 于对角线上的亲氧 元素间半径相似, 易于产生类质同象, 即对角线法则。
元素结合规律与赋存状态2
静电引力吸引。由于电子云球
形对称,离子键无方向性和饱
和性,配位数较大-极性键。
▪ 离子键结合晶体为离子晶体,
硬度中等、比重和熔点高,极
性分子溶剂中易溶解。
Na和Cl形成氯化钠化学键。钠原子外电子层1个电子转移到1个氯原 子的外电子层,钠变为阳离子,氯变为阴离子。
带负电荷的离子(获得电子)称为阴离子 Negatively charged ions (gain of electron) are called anions.
岩石-Rock
一种天然产出的矿物或类矿物组成 的固结混合物
A naturally occurring consolidated mixture of minerals or mineral-like substances
第2章 元素结合规律与赋存状态
2.3 元素结合的微观控制因素
自然体系中元素结合规律受体系中元素种类和相 对丰度控制,但是元素的结合归根到底是一种化 学行为,任何条件下元素的结合都与原子内部结 构(原子电子层结构)有关。如果生成结晶化合物, 元素结合还与晶体结构有关。
控制元素结合的微观因素包括原子(离子)半经、 配位数、原子和离子极化、最紧密堆积等。还受 体系性质和热力学规律影响,受体系化学组成、 温度、压力、氧化还原电位等宏观因素影响。
矿物物理和化学性质最重要的因素。硬度、解理、 熔点、电导性和热导性、热膨胀系数等直接与键 力大小有关。
▪ 平均键力越强,晶体硬度越大、熔点越高、热膨
胀系数越小。
两种原子模型-模型中的粒 子大小不成比例.电子很小. 质量为质子质量1/1837。 核与电子层壳之间的空间 比图示大的多
电子轨道模型-玻尔模型 由质子和中子组成的原子 核(核直经仅占原子直经的 1/1万)和核外高速旋转电 子构成
元素结合规律与赋存状态4
晶体场--带负电荷配位体对中心离子产生的静电场.
将一个过渡金属离子放到正八面体配位晶体中,据最小能量原理,
原子中电子充填先从能量最低的1s开始,s轨道最多充填2个电子, 电子云呈球形对称。p电子层有3个自旋成对p轨道: px, py,pz,电子云
呈哑铃形,分别和x,y,z轴方向相一致。
d电子轨道 几何形态
正八面体场中配位体处于直 角坐标三个垂直轴方向。阳 离子的d电子有5个轨道: dx2-dy2, dz2, dyz, dxy, dxz.电 子云呈花瓣状。 dx2-dy2,dz2延伸方向与x,y,z轴 一致。dyz,dxy,dxz沿二轴间 坐标平分线延伸。 沿轴延伸的dx2-dy2, dz2电子 云瓣指向配位体,造成dx2dy2,dz2轨道电子斥力>沿轴对 角线延伸的dyz, dxy, dxz轨道
1. d-电子层未充满元素,包括3d,4d,5d未充满元素: 第一过渡系列:Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu 第二过渡系列:Y,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Ag 第三过渡系列:Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au 2. 镧系或4f电子未充满元素,15个稀土元素 3. 锕系或5f电子未充满元素 约占地壳元素一半(包括惰性元素), 金属元素大
Geochemistry: Applications of Quantum Mechanics in the Earth and Mineral Sciences. Oxford University Press.1992
第二章 元素的结合规律与赋存形式(R)
② 吸附相杂质:不参加主矿物晶格,在矿
物表面、裂隙面等呈吸附状态; ③ 超显微非结构混入物:(<0.001mm)
它不占主矿物晶格位置,但又不能形成可以 进行矿物学 研究的颗粒(其成分和性质不清, 下图);
地 球 化 学
第5页/共52页
一、自然界元素结合的类型及特点
元素赋存形式的研究方法: 矿物学观察及X射线衍射法 电子探针 萃取法(偏提取法)
第6页/共52页
元素结合规律可从两个不同侧面来衡量:
地
从能量的侧面:衡量元素结合的能量参数:
球
电负性(X)、电离势(I)、电子亲和能(Y)、晶
化 格能(U); 从空间几何形式的侧面:半径(原子、离子)、配
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(一)亲铁性
地
元素在自然界以金属状态产出的一种倾向。
球
铁具有这种倾向,在自然界中,特别是O,S丰度低
化 的情况下,一些元素往往以自然金属状态存在,常常与
学 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)。
代表元素:铂族、Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni等。
FeSiO3+MnS→MnSiO3+FeS (25℃时:Gr=-11.56 KJ<0,反应向右进行)
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(三)自然界元素亲和性的特点
地 1. 双重性和过渡性:
球
自然界元素的亲和性不是绝对的,存在着双重性和
过渡性。
化
学
地 球 化 学
2. 不同价态元素亲和性
第17页/共52页
元素的赋存形态
元素赋存状态
元素赋存状态是指元素在其地球化学迁移历史的某个阶段所处的物理化学状态及与共生元素的结合特征。
包括该元素所处的物态、形成化合物的种类和形式、价态、键态、配位位置等多方面的物理化学特征。
元素赋存状态是化学反应的结果,与作用条件有关。
已观测到的元素在自然固结相中的赋存状态,大多能反映其形成的物理化学条件。
因此,元素赋存状态有地质成因意义。
元素的主要赋存状态有:①元素的集中状态。
元素形成独立矿物的能力与其丰度有关。
常量元素在地壳中主要以独立矿物形式存在。
②类质同象状态。
元素以离子或原子置换形式进入其他元素的晶格,构成固溶体。
是元素的分散状态。
③超显微包体。
元素呈极细小颗粒(粒径小于0.001毫米)的独立化合物或其原子和分子存在。
又称超显微非结构混入物。
主要特征是不进入主要矿物晶格,但又不形成可以进行矿物学研究的颗粒化合物。
④吸附状态。
元素以离子或化合物分子形式被胶体颗粒表面、矿物晶面、解理面所吸附,是一种非独立化合物形式。
⑤与有机质结合的形式。
主要有金属有机化合物、金属有机络合物或螯合物、以及有机胶体吸附态离子等。
以上为元素在凝固相中的赋存状态。
当元素处于流体相迁移时,其活动形式有气体状态、溶解状态、熔融状态、各种胶体态、悬浮态等。
第2章 元素的结合规律与赋存形式1
量子力学的基本方程之一:薛定谔方程
②薛定谔模型
Erwin Scrōdinger(1926)新原子模型波动方程 电子被描述成波函数,将在任意给定 时间t和地点x找到电子的概率同该时 间和地点上粒子的质量和势能联系起 来。普通表达式为一偏微分方程:
Ψ叫波函数。在不同条件下可解出不 同的E和Ψ,这里所说的条件要用三 个叫量子数的整数来表示。或者说, 只有引用了三个量子数,才能解出有 意义的结果来(确定电子的三维空间
第二章 元素的结合规律与赋存形式
一、自然体系及自然作用产物 二、元素的基本性质 三、球体最紧密堆积和配位数 四、元素的地球化学亲和性及其分类 五、类质同象 六、晶体场稳定能及其对过渡金属行为的影响 七、元素结合规律的微观控制因素 八、元素的地球化学分类 九、元素的赋存形式
一、自然体系及自然作用产物
3.电离能(势)变化规律 基态原子(离子)丢掉一个电子所需要的能量. 叫电离能(电离势)。 基态原子丢掉第一个电子所需要的能量叫第一电 离能。丢掉第二个电子所需要的能量叫第二电 离能…以此类推。
电离能(I )很大程度上决定元素的金属性和非金属性 ,一般地,电离能越低,元素金属性越强,越易失去 电子成为阳离子。 第一电离能在同一周期内随原子序数增大、原子半径 缩小而增大;在同一族内,由上到下,随原子序数增 加原子半径增大而降低。 电离能低的原子主要位于周期表左侧,具强碱性,化 学性质活泼。Li、Na、K、Rb、Cs 电离能相近的原子,其化学性质也相似,常紧密共生 ,共同迁移或富集。K(102)-Rb(98), Zr(160)-Hf(161) 第二电离能大于第一电离能,第三电离能大于第二电 离能…
Au、Ag、PGE
--主要单质或金属互化物
2.自然过程产物的特征
元素结合规律与赋存状态3
经验类质同像
(萨乌科夫,1958)
上述规律可用与温度和压力改变有关的结晶物质
内部结构的改变来解释。因为温度压力的改变造 成或者被研究元素之间有效半径相对差别的减小, 或者相反造成这种差别的增加。前者类质同像广 泛,后者类质同像减少。这可为同质多晶现象所 证实。外部条件(主要是温度)的改变促成了晶体 无论是内部结构还是外部结构的变化。
极性类质同象规律:
异价类质同象常沿周期表左上方对角线方向进行, 电荷高的离子置换电荷低的离子: Mg2+Sc3+,Ca2+Ce3+
同价类质同象经常是位于周期表左上方上部的较 小半经和较大晶格能的元素置换下面的元素。
4.内潜同晶:
如果两种元素含量相当,且每种元素能形成自己 晶格时的类质同象置换为“正常类质同象”。而 当两种元素含量差异很大时,一种元素以分散量 进入另一元素晶格,前者为伴生(附属)元素,后 者为主导(寄主)元素。主导和伴生元素地球化学 行为相近,伴生元素隐藏在主导元素晶格中--称 为内潜同晶。
类质同象讨论元素在晶体中占位即分布情况,是 元素共生的主要形式之一,也是元素间结合的基
类质同象-isomorph 某种物质在一定的外界条件
下结晶时,晶体中的部分构造位置被介质中的其 它质点(原子、离子、络离子、分子)所占据, 结果只引起晶格常数的微小变化,而状态
2.4 元素的类质同象规律
自然界矿物极少是纯净化合物,常“掺杂”其它 组分。矿物化学成分可在一定范围内变化,实质 是一种离子或离子团对另一种离子或离子团的置 换。
地球系统各个体系中的微量元素(<0.1%)多不形成 自己的独立矿物,而是分散在其它元素矿物晶格 中,其分配和相互结合,基本受类质同象或固溶 体规律控制。
元素规律和赋存形式
二、查瓦里茨基分类1)、以展开式周期表为基础2)、分类依据和参数:01.外层电子数02.电子层数03.原子半径和离子半径3)、查瓦里茨基分类01.氢族02.惰性气体族03.造岩元素族(岩石主要元素族)04.矿化剂或挥发元素族(岩浆射气元素族)05.铁族元素06.稀有稀土元素族07.放射性元素族08.钨钼族09.硫化矿床成矿元素族10.铂族元素11.半金属和重矿化剂12.重卤素族4、优点:较好地反映了元素在成矿和成岩作用中的意义。
5、不足:01.稀有元素作为一个分类范围不够准确,目前对稀有元素的理解和划分很不一致02.造岩元素的性质和行为比较笼统03.重卤素族和钨、钼族作为单独一族又嫌太窄04.Cu 、Ag、Au 在自然界中既可呈自然金属产出、又可以与Se、Te形成化合物,兼具铂族元素和硫化物成矿元素两族性质,但查氏却把它们分开了。
4)费尔斯曼分类(普通场、硫化物场、酸性场)5)北大分类(强调元素的化学特性)6)涂先生关于矿产元素分类(元素的活动性)7)微量元素地球化学分类地球化学中常用的元素分类名称01.主量元素和微量元素02.造岩元素03.稀土元素04.高温成矿元素05.第一过渡族06.金属成矿元素07.阴离子族08.放射性元素09.地球挥发份键参数及其地球化学意义1、键是在晶体中各种原子及离子间相互作用的结合力,而所谓键参数也就是用以表示这种结合力的一些参数,在地球化学中常碰到的键参数有以下几类:01.半径02.化学键03.电离和电价04.电离能与电子亲合能05.电负性06.离子电位半径(原子或离子的半径)1、半径的概念、分类2、半径的计算方法3、影响半径的因素4、周期表中半径的变化规律01.镧系和锕系收缩原子或离子的半径:原子或离子在晶格中形成一个有一定范围的电磁场,即电子云的分布范围,其半径即称为原子或离子的半径分类:01.绝对半径02.有效半径有效半径又包括(原子半径、共价半径、离子半径)绝对半径:单纯根据原子的内部结构,不考虑外界环境影响而计算出的半径有效半径:为原子或离子在晶格中的半径,即受到周围原子或离子的相互影响而表现出来的真正范围。
元素结合规律与赋存状态5
消光。
镁橄榄石(Fo)
Nm c 001
111 021
O.A.120 110
铁橄榄石(Fa)
固溶体的晶格常数随化合物 成分的改变发生线性变化。 橄榄石晶格常数的变化可以 图和下式表示:
橄榄石晶格常数与固溶体 成分的关系-类质同象
c=0.579+0.1x
c为晶胞中c轴长度,单位 为nm。
x=w(Fe)
完全类质同象(隐蔽型)相当于图2.9(b),形成均一 的近似于理想的固体溶液。有限类质同象作用相 当于图2.9(c),其发育程度受两离子间性质差别、 温度条件、相对浓度(溶解度)控制。
在给定的自然体系内元素的两种赋存状态(两个平 衡共生相)之间的分配,也是环境物理化学条件的 函数。具有地球化学意义。
有限类质 同像区
不混溶区
完全类质同象区
长石族中Or-Ab-An体系有限类质同象 A区-完全类质同象区;B区-有限类质同象区-高温下稳定,低温
地球化学中常见实验方法可以测定的赋存形式如 下:
2.6.1 地壳中元素主要的赋存形式
1. 独立矿物
形成能够进行肉眼或显微镜下进行矿物学研究的 颗粒(粒径>0.001mm),且可用机械或物理方法分 离出单矿物样品来。 石英
方铅矿
库里南1号-520克拉。是1905年发 现于南非普列米尔矿山重3106.75 克拉(621.2克)(还有96颗小钻石)
有时元素在一种地质体中可呈多种赋存状态,它 们之间常有一定联系,处于某种平衡。
如花岗岩中类质同象态Pb与微细分散状Pb之间处 于某种平衡,受岩浆中fS2控制。一定条件下可以 进行定量计算。在一些复杂地质体系中一个元素 的多种存在形式可能受多次作用叠加或多种因素 影响,如矿床围岩蚀变可以观察到几次叠加形成 的Pb,土壤中的Pb也是多种赋存状态共存。
元素的赋存形式
元素的赋存形式咱来说说元素的赋存形式哈。
你看啊,这元素就像是生活中的各种宝贝,它们在自然界里可不是随便乱放的哟!有的元素就像个独行侠,自己一个人在那呆着。
比如说金元素吧,它常常就自己在那闪闪发光,等着人们去发现它呢。
这不就像是那些很有个性,喜欢独来独往的人嘛。
还有些元素喜欢结伴而行。
就像氧和氢,它们俩老是凑在一起,组成了水这种我们生活中离不开的东西。
这多像咱生活中的好朋友呀,两个人成天形影不离的。
然后呢,有些元素还特别会隐藏自己。
比如说一些微量元素,它们藏在各种矿石里,要是不仔细找,还真发现不了它们呢。
这就跟有些人一样,很低调,不声不响的,但其实有着大本事。
再说说那些在大气中飘着的元素吧,像氮气呀。
它们就像一群自由自在的小鸟,在广阔的天空中飞来飞去。
咱呼吸的时候,就把它们也吸进身体里啦。
元素的赋存形式多有意思呀!想想看,如果没有这些不同的赋存形式,我们的世界会变成啥样呢?那肯定会缺少很多精彩呀!没有了水,我们怎么生活?没有了那些金属,我们哪来的工具和漂亮的装饰品?咱生活的这个地球呀,就像是一个大宝藏,里面藏着各种各样的元素,它们以不同的形式存在着,等待着我们去探索,去发现它们的奇妙之处。
这不就跟我们的人生一样吗?每个人都有着自己独特的存在方式,都有着自己的价值和意义。
我们得学会去欣赏这些元素的赋存形式,就像我们要学会欣赏每个人的独特之处一样。
它们共同构成了这个丰富多彩的世界,不是吗?我们在这个世界里生活,享受着元素带来的种种好处,同时也要保护好它们,让它们能一直以各种美妙的形式存在下去。
所以啊,我们要好好珍惜这些元素,好好利用它们,让我们的生活变得更加美好。
别小看了这些小小的元素,它们可有着大大的能量呢!难道不是吗?。
5第二章元素的结合规律与赋存形式1.
第二章 元素的结合规律与赋存形 式Part1
9
2.现象:
造岩矿物种类——氧化物和含氧盐类比较
多;矿床的矿石矿物,如Pb、Zn、Cu、Fe等 重金属形成硫化物组合。 一些元素倾向于与氧结合形成氧化物或含 氧盐,而另一些元素则首先与硫化合形成硫 化物。 这就形成了地质学熟知的以造岩元素为主 体的含氧盐矿物类组合和以重金属元素为代 表的硫化物矿物类组合
2018/12/10
第二章 元素的结合规律与赋存形 式Part1
3
2.1
自然体系及自然作用产物
地球化学体系的特征 自然过程产物的特征 自然界元素结合的基本规律
2.1.1 2.1.2 2.1.3
2018/12/10
第二章 元素的结合规律与赋存形 式Part1
4
2.1.1
地球化学体系的特征
1、自然作用体系温度、压力等条件的变化 幅度与人为制备的条件相比是有限的。 2、自然作用体系是多组分的复杂体系。 3、自然作用体系是开放体系。 4、自然作用体系为自发进行的不可逆过程。
2018/12/10
第二章 元素的结合规律与赋存形 式Part1
5
2.1.2
自然过程产物的特征
1.自然稳定相(Minerals)和各种
流体相的总数有限, 2.元素成组分类自然组合, 3.自然产物的稳定相一般都是不纯 4.在地壳物理化学条件下,相似的物质
组成和类似的作用过程会使自然作用产物 的类型重复出现
亲 铁 元 素
亲 铜 元 素
亲 气 元 素
① 亲石元素 ;② 亲铜元素 ; ③亲铁元素 ;④ 亲气元 素 ;⑤ 亲生物元素
2018/12/10
第二章 元素的结合规律与赋存形 式Part1
元素的赋存状态及其研究方法
2、类质同象形式
也称结构混入物,由于参加主要元 素矿物晶格,用机械的或化学的方法不 易使二者分离,欲使其分离,只有破坏 原矿物的晶格。 独立矿物或类质同像都属于元素牢 固的结合形式。
3、超显微非结构混入物
也称超显微包体或机械混入物等,颗 粒小于0.001mm,其主要物征是不占据矿 物的晶位置,因此是独立化合物,但又 不形成可以进行矿物学研究的颗粒。其 成因和性质具有介于独立矿物和类质同 象之间,该种存在形式可以通过化学处 理的方法进行分离和研究。
一、地壳中元素主要存在形式
1、独立矿物 指形成能够用肉眼或显微镜下进行矿物学 研究的颗粒,粒径大于0.001mm,并且可以用 机械的或物理的方法分离出单矿物。 形成独立矿物与元素的丰度有关,常量元 素在地壳中主要以独立矿物形式存在,而微量 元素及稀有元素只有极少部分能形成独立矿物, 绝大多数处于分散状态。
元素的赋存状态及其研究方法
元素的赋存状态也称元素的存在形式,指元 素在其迁移历史的某个阶段所处的物理化学状态 及其共生元素的结合性质。 赋存状态包括元素所处的相态(气、液、 固)、化合物种类和形式、键型、价态及晶体构 造中的配位位置等多方面的物理化学特征。因此, 元素的赋存状态是化学作用的产物,是体系各种 条件的函数。研究元素的存在形式对揭示元素的 迁移历史,探索地球化学作用条件具有重要意义。
Ilm
3
Qtz (b)
Chl
2
Pl
1
Pl
(a)
0.2 mm
(b)
60 m
捕虏晶显微照片和背体 颗粒表面、矿物晶面、解理面所吸附, 这利种元素存在形式为一种非独立化合 物形式。元素以离子或单独分子存在, 又不参加寄主矿物的晶格构造,是一种 结合力较弱的、易于交换和分离的赋存 状态(活性赋存形式)
第二章 元素的结合规律与赋存形式
第2章 元素的结合规律与赋存形式一、元素的赋存状态① 形成独立矿物;指形成能够用肉眼或仪器进行矿物学研究的颗粒(粒径一般大于0.001毫米)。
元素形成独立矿物的能力与其丰度有关。
常量元素在地壳中主要以独立矿物形式存在,而微量元素如稀有元素只有总量的极少部分形成独立矿物,而绝大部分处于各种形式的分散状态。
元素形成矿物的数目(N)与其原子克拉克值(K)呈正相关关系。
② 呈类质同像状态,由于元素与矿物中主要元素地球化学性质相近,加入矿物晶格。
类质同象是矿物结晶时,其晶体结构中一种位置被两种或两种以上的不同元素(或基团)占据而形成混晶的现象。
③ 以超显微的微粒包体,又称超显微非结构混入物。
元素呈极细小颗粒(粒径<0.001毫米)的独立化合物或其原子和分子存在。
主要特征是不进入主要矿物晶格,但又不形成可以进行研究的颗粒的化合物。
具有独立的化学性质,一般可应用化学处理的方法使之分离和进行研究。
元素的超显微包体形式可有不同的地质成因,如在岩浆岩特别是喷发岩中呈微细分散的成矿元素的硫化物或氧化物,如铀、钍的氧化物,以及呈原子分散状态存在的金、银等。
其他如中的共沉淀物质、土壤中的微细次生矿物、中的交代残余包体等都属此类④ 呈离子附吸状态,元素以离子或离子团被胶体颗粒表面吸附,为一种非独立化合物形式。
元素以离子态或单独分子存在,又不参加寄主矿物的晶格构造,因此是一种结合力较弱的、易于交换和分离的赋存状态,亦称活性状态。
粘土矿物、土壤和其他胶体物质对元素的吸附作用最常见,对元素的迁移和富集有重要影响。
⑤ 与有机质结合,形成金属有机化合物,络合物或螯合物以及有机胶体吸附态离子等。
生物和各种有机质除集中了亲生物元素,如碳、氢、氧、氮、硫、磷、钙等外,还吸收大量金属和非金属元素,构成其次要的或微量的元素组分。
这些元素在有机质体系中的存在,无论对有机质的性质和它们的生物功能,以及对元素本身的迁移活动和富集分散都有极重要的影响。
第二章 自然体系中元素共生结合规律
15
一、自然体系特征
第三种情况:离子电位居中(π:2.5~8)的一些阳离子,它们往
往是一些两性元素(Be2+、Ti3+、Cr3+、Al3+、Fe3+、V3+ ……),在水中 的形式随溶液中酸碱度不同而变化:
在碱性溶液中:(OH)-浓度大,H+浓度小,才能与O2-结合成含氧酸
[BeO4]6- ; 在酸性溶液中: H+ 浓度大大高于 (OH)- 浓度,则呈氢氧化物分子
17
一、自然体系特征
(二)自然体系中元素的赋存形式
3、元素赋存形式的研究方法
(1)元素含量测定;(2)显微镜法;(3)萃取法(偏提取法); (4)晶格常数测定;X光衍射法(5)电子显微镜扫描;
18
一、自然体系特征
(二)自然体系中元素的赋存形式
4、元素赋存形式的研究意义 元素结合形式不同,具有不同的化学活动性。 如酸性环境下,H+将和重金属离子争夺粘土矿物表面的可交换位臵, 使被吸附在粘土矿物表面的部分重金属离子释放出来。
(1)亲石元素
(5)亲生物元素
4
(3)亲铁元素
(2)亲铜元素
23
一、自然体系特征
(三)元素的地球化学分类 1、戈尔德施密特的元素地球化学分类
(1)亲石元素
离子最外层具有8电子(s2p6)稳定结构,氧化物 的形成热大于FeO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。 离子最外层具有18电子(s2p6d10)铜型结构,氧 化物的形成热小于FeO的形成热,与硫的亲和力 强,易熔于硫化铁熔体,主要集中于硫化物-氧 化物过渡圈。
1
自然元素之间的结合并不是任意的,而是 有一定规律的!
元素的赋存形态
元素的赋存形态元素是构成物质的基本单位,它们以不同的形态存在于自然界中。
元素的赋存形态指的是元素在自然界中所呈现的不同物质形态和状态。
这些赋存形态的差异,对我们了解元素的性质和应用具有重要意义。
首先,元素可以以自由形态存在。
自由元素是指元素以单质形式存在,不与其他元素形成化合物。
例如,氧气和氮气就是自由元素的典型代表。
氧气以O2的形式存在于空气中,是我们呼吸的必需气体。
氮气以N2的形式存在于空气中,是植物和动物体内重要的成分。
其次,元素可以以化合物的形态存在。
化合物是由两种或多种不同元素通过化学反应结合而成的物质。
在自然界中,元素与其他元素形成化合物的形态非常普遍。
例如,氧气与氢气反应生成水,这是氧的一种赋存形态。
氧化铁是由铁与氧气反应形成的化合物,是自然界中常见的铁矿石。
化合物的形态不仅帮助我们了解元素之间的相互作用,还为我们提供了利用元素的途径。
另外,元素还可以以离子的形态存在。
离子是带电的原子或原子团,它们形成的化合物被称为离子化合物。
离子化合物包括金属离子化合物和非金属离子化合物。
金属离子化合物是由金属元素和非金属元素通过电子转移形成的化合物,例如氯化钠。
非金属离子化合物是由两种或多种非金属元素通过共价键结合形成的化合物,例如二氧化碳。
离子的形态在化学反应中起着重要的作用,也是化学反应能够进行的基础。
此外,元素还可以以同素异形体的形态存在。
同素异形体是指同一种元素在结构上存在不同的形式。
这种形态的存在使得元素在化学反应中具有不同的性质。
例如,碳可以以钻石和石墨的形式存在,它们的结构和性质都不相同。
同素异形体的存在丰富了元素的化学性质,也为我们的生活和工业应用提供了更多的选择。
总结起来,元素的赋存形态包括自由形态、化合物形态、离子形态和同素异形体。
这些形态的存在使得元素在自然界中展现出丰富多样的性质和应用价值。
通过深入了解和研究元素的赋存形态,我们能够更好地利用元素的特性,推动科学技术的发展,并为人类的生活带来更多的福祉。
元素每层排布规律
元素每层排布规律引言:元素是组成物质的基本单位,根据元素的特性和性质,科学家们将元素按照一定的规律排布在元素周期表中。
这个周期表不仅展示了元素的物理和化学性质,还揭示了元素之间的关系和规律。
本文将从周期表的结构、元素的排布规律以及周期表的应用等方面进行介绍。
一、周期表的结构周期表是由化学家门捷列夫于1869年提出的,根据元素的原子序数和电子排布规律,将元素排列成一张表格。
周期表分为横行和竖列,横行称为周期,竖列称为族或组。
二、周期表的排布规律1. 原子序数的增加规律元素按照原子序数的增加顺序排列在周期表中。
原子序数是指元素原子核中质子的数量,也是元素的标识符。
原子序数的增加规律是从左到右,从上到下逐渐增加。
2. 周期的划分规律周期表中的周期是根据元素的电子排布规律划分的。
每个周期对应着元素电子层的增加。
第1周期只有1个电子层,第2周期有2个电子层,以此类推。
同时,周期表中的每个周期都以最外层电子的主量子数为标识。
3. 族的划分规律周期表中的族或组是根据元素的电子构型和化学性质划分的。
具有相同外层电子配置的元素属于同一族。
例如,第1族元素都只有1个外层电子,第2族元素都有2个外层电子,以此类推。
4. 元素周期性规律周期表中,元素的性质和周期有关,具有周期性规律。
元素周期性规律是指元素性质随着原子序数的增加而周期性地变化。
例如,原子半径、离子半径、电负性、第一电离能等性质都呈现出周期性的变化。
三、周期表的应用周期表是化学研究和应用的重要工具,具有广泛的应用价值。
1. 预测元素性质周期表可以帮助科学家们预测元素的性质。
根据元素在周期表中的位置,可以推测元素的化学性质、物理性质以及反应活性等信息,为新材料的研发和应用提供指导。
2. 分析元素关系周期表展示了元素之间的关系和规律。
通过对周期表的分析和比较,可以发现元素之间的相似性和差异性。
这些信息对于研究元素之间的化学反应、元素的变态和元素的转化等过程非常重要。
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(4) 有利的矿物晶体构造
矿物的晶体构造愈复杂、松弛(偏离最紧密堆积愈远), 其中发生类质同象的可能性愈大。 例:沸石类矿物海绵状晶格中:
2K+ Ba2+ , 2K+ Ca2+ , 2Na+ Ca2+
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(5) 代换的能量角度
KAlSi3O8(491.4KJ/mo l)
NaAlSi3O8 (247.8KJ/mol)
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2 亲氧性元素(亲石元素)
只有能与氧以离子键性结合的金属; 亲氧元素:K、Na、Ca、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf、 REE等; 易熔于硅酸盐熔体,主要集中在岩石圈。
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3 亲硫性元素(亲铜元素)
只有能与硫结合形成高度共价键性质的金属; 亲硫元素:Cu、Pb、Zn、Au、Ag等; 易熔于硫化铁熔体。主要集中于硫化物—素
(1) 化学键性——首要条件
Cu+(0.96Å) 和 Na+(0.98Å) Hg2+(1.12Å) 和 Ca2+ (1.06Å)
电价相同,半径相似
但在硅酸盐造岩矿物中很少有Cu+、Hg 2+的存在; 在硫化物(Cu、Hg)矿物中也不易发现Na+、 Ca2+ 为什么?
CaAl2Si2O8 (256.2KJ/mol)
KCl晶格中K被Rb置换
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1)类质同象和固溶体
(1) 概念
类质同象:某些物质晶体中
的部分构造位置随机地被介质 中地其他质点(原子、离子、 配离子、分子)所占据,结果 只引起晶格常数的微小变化, 晶体的构造类型、化学键类型 等保持不变,这一现象称类质 同象。
类质同象混入物 固溶体
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(2) 完全类质同象与有限类质同象 晶体化学性质相近的元素之间可以充分置 换,形成任意比例的固溶体,称完全类质 同象。 晶体化学性质相差较大的离子间的置换受 晶格构造的限制,形成有限类质同象。
注意与“同质多象”区分
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(3) 类质同象概念的理解 不同于交代作用。 性质相似的元素发生替代,说明类质同象是 有条件的。 起到性质相同的作用,能决定矿物亚种 。 混入物按概率占据相同的位置 。 固溶体的晶格常数变化,但变化不大。
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(4) 类质同象置换条件
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晶体化学条件
原子或离子半径相近(离子电价和离子类型相同的离子 键化合物)
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(四)自然界元素亲和性的特点
1. 双重性和过渡性:
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2. 不同价态元素亲和性
Fe, Mn
Fe2+, Mn2+低价具亲硫性,如FeS2 , MnS; Fe3+, Mn4+高价具亲氧性,如Fe2O3 , MnO2
举出类似的元素?
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(二)类质同象
地球系统各体系中 含量低(<0.1%)的 元素常不能形成自 己的独立矿物,而 是分散在其它元素 构成的矿物晶格中。
元素的结合规律与赋存方式
自然界元素结合分两种:
非极性键,一般形成共价键; 极性键,一般形成离子键。
自然界元素结合特点:
多键性和过渡性
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自然元素结合的基本规律:
元素的地球化学亲和性 类质同象 晶体场理论对过渡族元素行为的控制
(一)元素的地球化学亲和性
1 概念
在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出 的有选择地与某种阴离子结合的特性,称元素的 地球化学亲和性。
元素地球化学亲和性的原因: 元素本身性质; 元素结合的物理化学条件
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元素地球化学亲和性的理解
① 丰度因素:
Fe的化学制动原理
②元素性质:电离能、电负性等 ③ 反应的能量效应:
当发生化学反应时,反应朝自由能减小的方向进行
CaCO3+FeS ↔ FeCO3+CaS ΔG=80.7kJ
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例1:
在地壳中某体系内,阴离子S2-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。
I1(ev) Y1
Y2 Y1+2
氧 13.57 -1.47 +7.29 +5.82
硫 10.42 -2.08 +3.39 +1.32
X
R0 R 2-
3.5 0.66Å 1.32Å 2.5 1.04Å 1.74Å
丰度
47% 0.047%
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)
4 控制亲氧、亲硫性元素的性质
电负性及离子的键性;电价及其离子半径。
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(三)亲铁性元素
1 亲铁性
元素在自然界中以金属状态产出的一种倾向性;
2 亲铁性元素
基本特征:晶体中所有原子共享自由电子,保持 电中性。 代表性亲铁元素:铂族、Cu、Ag、Au、Fe、Co、 Ni 与氧及硫的亲和力均弱,易熔于熔铁;主要集中 于铁镍核。
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(2) 原子(离子)结合时的几何关系
离子键化合物——原子和离子半径相似是重要条件。 共价键化合物——键长相似是类质同象置换的重要条件。
(3) 化合物的电中性原则——电价补偿类质同象
置换
质点数目不等的置换,如云母中3Mg2+→2Al3+ 高电价质点和低电价质点配合置换中等电价质点 离子成对置换,如钾长石中Pb2+ +Al3+→K+ + Si4+ 正负离子配合置换,如磷灰石中∑Ce3+ +O2-→Ca2+ + F-
半代 径换 差能 别力 增下 大降
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物理化学条件
组份浓度 —“补偿类质同象”: 一种熔体或溶液中如 果缺乏某种组份,当从中晶出包含此种组份的矿物时, 熔体或溶液中性质与之相似的其他元素就可以类质同象 代换的方式加以补充。如磷灰石Ca[F(PO4)3]的结晶
氧化还原电位 还原内生条件: Fe2+(0.83Å), Mn2+ (0.91Å) 亲密共生 氧化表生条件: Fe3+( 0.76Å), Mn4+ (0.52Å) 彼此分离
FeSiO3+MnS→MnSiO3+FeS (25℃时:Gr=-11.56 KJ<0,反应向右进行)
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2 元素的地球化学亲和性分类 在自然体系中,元素的地球化学亲和性分类主 要包括:亲氧性元素、亲硫性元素和亲铁性元 素三大类型。
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(二)亲氧性元素、亲硫性元素
1 氧和硫的性质
氧和硫某些化学性质参数