元素结合规律与赋存状态2

人工制造 铸铁
纤维素
Fig. 2.1
矿物中的重要离子
anions charge
O
-2
cations
Si K Ca Na Al Mg Fe
charge
+4 +1 +2 +1 +3 +2 +2 or +3
2.3.1 决定元素结合的基本规律
2.3.1.1 原子间结合方式-化学键类型 ▪ 晶体中原子或离子之间的成键类型和强度是影响
原子结构
原子由原子核和核外电子构成，原子核由质子 和中子组成，由于核外电子质量极小，约为质 子质量的1/1836.1，故原子质量几乎全部集中 于原子核内。
元素的化学特征主要由原子的质子数目和核外 电子所决定。
质子数(P) = 原子序数(A)
中子数目 (N) + A(P) = 原子质量(Z)
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
L K
质子 中子
离子
一个由失去(给别的原子)或从其它原子获 得电子的原子组成从而带有电荷的粒子 .An electrically charged particle composed of an atom that has either lost orቤተ መጻሕፍቲ ባይዱgained electron(s) to or from another atom.
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。
最多电子 2n2
2个 8个 18个 32个 50个 72个
电子壳层数目
族：外层电子数目
原子轨道相对能级示意图。箭头代表占据轨道两个自旋方向相反的 电子。右侧数字为亚层字母所属的壳层。4s轨道能级低于3d，5s能 级低于4d，6s能级低于4f和5d，7s能级低于5f。
周期表元素自然分类： 主族、过渡族和内过渡 族金属等。主族下方表 示最外层电子轨道及其 中的电子数。
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
矿物-Mineral
一种天然产出的具有有序内部结构 和特定化学组成的无机固体
A naturally occurring, inorganic solid with an ordered internal structure and a narrow range of chemical composition
离子
当一个原子失去或获得一个电子时就变为离子 When an atom loses or gains an electron it is called an ion.
带正电荷的离子(失去电子)称为阳离子 Positively charged ions (loss of electron) are called cations.
球形电子云(能级层壳) 模型-薛定谔模型
石墨和金刚石的成分都是C，二者结构差异玄殊。 金刚石是自然界中最硬的物质，原因就是联系碳 原子的键力非常强。
方镁石(MgO)和石盐(NaCl)属于同结构型，但前者 熔点为2820℃，后者只有801℃。原因也在与它们 离子之间的键性存在差异。
晶体中，原子间或分子间存在5种键性：
12C-质子、中子各6个
核外电子轨道围绕原子
12 C
核呈不同的层壳旋转
Electrons orbit
around the
nucleus in
discrete shells.
Fig. 2.2a
电子能级 特别能级电子所占据的空间
主能级 电子壳层 亚能级 (主量子数n)(角量子数l)
• 第1能级 (K) 1s • 第2能级 (L) 2s 2p • 第3能级 (M) 3s 3p 3d • 第4能级 (N) 4s 4p 4d 4f • 第5能级 (O) 5s 5p 5d 5f • 第6能级 (P) 6s 6p 6d
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。
从宏观和微观两方面考察元素结合规律。主要控 制因素：
(1) 体系组成(元素丰度)：体系元素之间存在丰度 差异，使元素间结合有一定倾向性。
(2) 体系状态的稳定性：能量最低原理。元素电负 性、电离能、电子亲和能、晶格能等能量参数决 定元素结合的可能性和形成化合物的稳定性。
(3) 晶体结构的稳定性：是保持晶体结构稳定的微 观因素。包括化学键方向性和离子间最紧密堆积 等。宏观上是有利晶体结构稳定的热力学条件。
离子键，共价键，金属键，分子键， 氢键
所有原子都有产生惰性 气体电子构型,即外层电 子轨道完全充满的趋势
▪
离子键：一个原子将其外层电子轨
道上一个或多个电子转移到另一个 电子外层电子轨道，达到惰性气体
构型(ns2np6)而形成的化学键。
离 子 键 ▪ 失去或得到电子分别变为阳离
子和阴离子，异号离子间通过