地球化学(马振东)3自然体系中元素共生结合规律
中外《地球化学》教科书内容体系的对比与启示
中外《地球化学》教科书内容体系的对比与启示张德会【摘要】本文将张德会和赵仑山主编的《地球化学》教科书与过去20年间国外8本和国内1本同类教科书内容体系进行对比,力图找出差距,获得启示,扬长补短,推进本科生教科书水平的提升,适应现代地球科学快速发展对地球化学教科书的时代要求.通过与国外地球化学教科书内容体系的对比,获得了许多有益的启示,在此基础上,讨论和总结了新编《地球化学》教科书的特色、优势以及有待改进之处.【期刊名称】《中国地质教育》【年(卷),期】2015(024)002【总页数】6页(P81-86)【关键词】地球化学;教科书;内容体系;中外比较【作者】张德会【作者单位】中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】G64220世纪初，地球科学大家庭中诞生了一个新的成员，称为“地球化学”。
历经一个世纪的发展，在相关化学基础学科和地球科学快速发展的推动下，作为将化学原理应用于地球科学的地球化学，研究领域有了深广的拓展，真正到了170年前瑞士化学家Schonbein提出“地球化学”这一名称时所预言的“一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学”的时代。
随着地球科学的飞速发展，地球化学在地球科学领域将日益重要和不可或缺。
“地球化学”是中国地质大学（北京）地球科学与资源学院地质类和资源勘查工程专业一门专业基础和必修课，“地球化学导论”则是向全校所有专业本科生开设的一门全校公选课程。
两门课程的开设对地质类院校本科生理解地球科学精髓和培育自然科学素养十分必要。
在此基础上，我校地球化学教研室8位教师，用5年时间编著的《地球化学》教科书（以下简称“新编教科书"）在2013年正式出版。
为了对新编教科书内容体系进行深入全面的研究，以便在再版或修编时将教科书提升到一个新的水平，笔者对国内外，特别是国外20世纪90年代以来地球化学教科书内容体系进行了对比研究，力图从中找出差距和获得启示，以扬长补短，推进本科生教材建设，提高国际化水平，以适应地球科学快速发展对地球化学教科书的时代要求。
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
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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。
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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
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第二章 元素的结合规律与赋存形 式Part1
地球化学元素共生组合关系及结合规律
Geochemistry
College of geological science & engineering,
Shandong university of science & technology
3、与各种阴离子结合的阳离子也组成特征各异
的共生元素组合various paragenetic
计算方法：以氟电负性（最大）为4.0，根据热化学键和分
子键能计算其相对值，无绝对值。
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规律：（1）同周期，从左至右，电负性递增。
（2）同主族，从上至下，电负性递减。
（3）过渡元素，d轨道存在空轨道，电负性变化不大。
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应用：
（1）判断元素金属性和非金属性。
（1）元素电子亲和能：气态原子获取一个电子成为-1价离子所释
放的能量。
M(g)+e-→M-(g)
其意义：衡量元素非金属性，电子亲和能越大，越易获得电
子，非金属性越强。
（2）元素电负性：元素的第一电离能和电子亲和能之和。用χ表
示。
意义：原子在化合物中吸引价电子的能力，元素电负性大，
吸引电子能力强，易形成阴离子；电负性小，吸收电子能力越弱。
地球化学课件7第2章元素的结合规律与赋存形式七九
主要集中于硫化物-氧化物过渡圈（在地壳中 常产于硫化物矿床中）
（3）亲铁元素（主要第VIII簇元素,另Mo、Tc、Re、C 、P）：
离子最外层电子具有8-18电子的过渡结构（原子外电 子层有18或18+2的构型—惰性金属型构型）
相互结合键性主要为金属键
大； ③周期表中左上方到右下方的对角线，离子半径相近或相等； ④镧系元素（稀土元素）的离子半径从La 3+的0.103nm到Lu 3+
的0.086nm逐渐缩小；镧系收缩.进而影响到镧系之后的V
、VI两周期的同簇元素离子半径相似或相等。 ⑤同一元素阳离子的离子半径小于原子半径，高正电荷的离子
半径较小，阴离子的半径大于原子半径，负电荷增加离子半 径增大，因此同一元素阴离子的半径远大于阳离子的半径。
惰性气体型离子（最外电子层s2p6)、铜型离子（ s2p6d10）、过渡型离子（最外电子层8-18电子）、 惰性气体型原子（原子最外电子层8电子） 原子容积＊
元素的化学亲和力
有些元素与O、F、Cl亲和力强，一些元素与S亲和 力强，有些元素与Fe、C、P等亲和力强 元素的磁性：
顺磁性（Li、Be、B、O等)、逆磁性(Cu、Au、Ag 等，磁化方向与外磁场相反)和铁磁性(Fe、Co等)
(二)查瓦里茨基元素地球化学分类
8.钼钨族：Mo、W、Re 、Tc。 Mo、W离子半 径和电负性基本相同，但两者地化性质不同 ， Mo亲硫，几乎只以MoS2形式存在，而 W 具很强亲氧性； Re 以类质同象形式分散于辉 钼矿中（因此常选辉钼矿测铼锇同位素
9.铂族: Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt：电离能高 ，电负性中等，主要呈自然元素存在。有时 呈硫化物或碲化物出现，和Fe、Co、Ni相似 ，主要富集于基性、超基性岩中
地球化学中元素地球化学亲和性举例类比讲解初探
地球化学中元素地球化学亲和性举例类比讲解初探作者：黄鑫曹瀚升黄超蒲晓强来源：《教育教学论坛》2020年第24期[摘要] 通过举例类比的方法来讲解地球化学亲和性的内容，促使学生更好地理解和学习地球化学亲和性的内容和本质，为学生学习好本内容提供一个有趣且容易理解的方法，也为之后地球化学内容的学习打下良好的基础。
[关键词] 地球化学;亲和性;举例类比地球化学是研究地球及其子系统（含部分宇宙体）的化学组成、化学机制和化学演化的科学[1，2]。
地球化学课程是地质类学科本科教育的基础核心课程[3-5]，元素地球化学亲和性是地球化学课程中最为重要的章节之一，地球化学亲和性章节是地球化学之后地球化学元素迁移、微量元素地球化学以及同位素地球化学等章节学习的基础。
地球化学亲和性的学习，对于地球化学课程学习有着至关重要的作用。
一、地球化学亲和性的主要内容1.地球化学亲和性概念。
元素地球化学亲和性指阳离子在自然体系中有选择的与某种阴离子化合的倾向性[1，2]。
从概念里可以看出，地球化学亲和性是阳离子所拥有的性质，阳离子是地球化学亲和性这个性质的拥有者，阴离子是这个性质作用的对象。
2.地球化学亲和性分类。
地球化学亲和性可以分为三类：亲氧性、亲硫性和亲铁性[1，2]。
亲氧性是指自然界中阳离子倾向于与氧结合形成高度离子键的一种倾向性[1，2]。
这类阳离子一般具有易失去最外层电子、与氧形成高度离子键的特点，以Li、Na、K等碱金属和碱土金属为代表。
亲硫性是指自然界中阳离子倾向于与硫结合形成高度共价键的一种倾向性[1，2]。
这类阳离子一般具有18或18+2的外电子層结构，电负性较高，常与硫形成高度共价键的特点，以Cu、Pb、Zn等过渡族元素为代表。
亲铁性是元素在自然界以金属状态产出的一种倾向性[1，2]。
在自然体系中，特别是在氧和硫丰度低的情况下，一些金属元素不能形成阳离子，只能以自然金属形式存在，它们常常与金属铁共生，因此称之为亲铁性，这类元素往往不容易失去价电子，不易于阴离子结合，以Au、Ag、Cu等贵金属为代表。
第二章 元素的结合规律与赋存方式-1
5 在地壳的物理化学条件下，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 3
（三）自然元素结合的基本规律
1元素的地球化学亲和性 2 矿物晶体形成或变化过程的类质同象规律 3 晶体场理论对过渡族元素行为的控制
4
二、元素的地球化学亲和性及其地球化学分类 （一）元素的地球化学亲和性 （二）亲氧性元素、亲硫性元素
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。例如：如果熔体中Ca和P比例失调, P浓度较大 而Ca含量不足时,与Ca2+相似的离子将以类质同象代换形式进 入磷灰石晶格。 磷灰石Ca5[F(PO4 )3 ] 熔浆中结晶（Ca与P浓度成比例）
② 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
28
2)捕获允许法则：如果两个离子半径相近，而电荷不同，较
高价离子优先进入较早结晶的矿物晶体中，称“捕获” （capture），低价离子“允许”(admit)进入晚期矿物。 如熔体中微量元素 Sc3+ (0.83Å)， Li+ (0.78Å) 主量元素：Fe2+ (0.83Å)， Mg2+(0.78Å) 高价的Sc3+ 被早期辉石、角闪石等铁镁矿物所“捕
2K+ Ba 2+ , 2K+ Ca 2+ , 2Na + Ca 2+
26
5 代换的能量角度
代换前后的能量（生成热）应当相似。
KAlSi3O8(491.4KJ/mol)
NaAlSi3O8
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
2 第二章 自然体系中元素共生结合规律
元素的地球化学分类：在元素周期表的基础上，结合元素的自然 组合及各种地球化学特征，作出能够说明原子结构与元素在自然 作用过程中行为、自然组合之间联系的分类。称为元素的地球化 学分类。是对元素自然组合的最基本的划分。
例如：亲和性相同的元素具有相近的地球化学性质表现出紧密共 生和共同迁移，按元素的地球化学亲和性就可以对元素进行地球 化学分类
4 位于本族中间的Fe，则既可生成氧化物，又可生成硫化物， 表现了亲石和亲铜的双重性格。
第二章 元素的结合规律和赋存形式
6．稀有稀土元素族 本族包括原子序数Y、Zr、Nb、Mo、Tc（锝）（39—43）诸 元素、稀土元素(镧系57—71）及Hf、Ta（钽）、W、Re（铼） 72—75号元素。这些元素常依各种比例相伴出现在某些稀有元 素矿物中，既可为其主要组分，又可呈类质同像混入物存在。 7．放射性元素族 本族元素位于地球化学表之下方，以Ra、Th和U为主。四价的 U4＋和Th4+生成于内力作用中，既可成独立矿物(硅酸盐、氧化物) 存在，又可呈类质同像混入物出现。六价铀形成于外力作用， 主要呈氧盐类矿物出现。
12、重卤素族
本族位于地球化学表之最后方，包括Br、I和At。 查瓦里茨基地球化学分类是目前最详细反映地壳中元素自然组合的分类， 它较好地说明了元素地球化学性质与原子电子层结构的关系。特别是反映了
元素在成岩成矿过程中的作用和组合关系
第二章 元素的结合规律和赋存形式
然而查瓦里斯基和戈尔德施密特这两个分类都存在某些缺点： 戈尔德施密特的分类：对元素的地球化学亲和性和地球演化中 各圈层间元素的分异具有指导意义，但对深入把握元素在复杂 地质作用中的地球化学性质却显得不够细致。 查瓦里斯基的分类：较好的反映了元素在成矿好成岩和成矿作 用中的意义，但对造岩元素的性质和行为的概括的比较笼统 例如: 两个分类中都把Cu、Ag、Au划分在亲硫元素中，并把Cu当 作典型，称为铜型结构，最外电子层具有18电子(s2p6dl0)，但 是: 在自然界中Au、Ag和部分Cu常呈自然元素形式或形成金属 硫化物以及与As、Se、Te形成化合物，因此在某些方面它们是 与Co，Ni和Pt族元素类似。 铜在自然界更多地是呈Cu2＋离子形式出现，而Cu2＋离子的 外电子层中已非18而是17个电子，是含有平行自旋
2自然体系中元素共生结合规律
以及球粒陨石的化学成分相对比，并结合地质作用中的矿物组合 和元素共生规律,
→提出了把元素分为亲氧、亲硫、亲铁、亲气和亲生物的分类。 →并推测地球内部的壳层结构也应有类似的化学成分的分异。
二、元素地球化学亲合性的分类
在地球和地壳系统中，元素丰度值最高的阴离子是氧， 其次是硫；在地球系统中能以自然金属形式存在的丰 度最高的元素是铁。因此，在自然体系中元素的地球 化学亲合性分类主要有：亲氧性、亲硫性和亲铁性。
1. 机械分散物：（固相、流体相），是成分不同于 主矿物的细小独立矿物或固熔体分离结构； 星光红（蓝）宝石
条纹长石
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；
电性质
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）； 岩浆岩中Au,Ag,Pb,Bi
五、 自然界元素亲和性的特点
1. 双重性和过渡性： 自然界元素的亲和性不是绝对的，存在着双
重性和过渡性。
具亲铁性，以自然金属状 态， 具亲硫性，硫化物
2 不同价态元素亲和性
Fe Mn
Fe2+ ，Mn2+ 低价具亲硫性, FeS2 , MnS; Fe3+，Mn4+高价具亲氧性， Fe2O3 , MnO2；
4.与有机质结合的形式：金属有机化合物、金 属有机络合物、有机胶体吸附； 血Fe、骨Ca、脑P
5. 类质同像：以原子、离子、络离子或分子为 单位取代矿物晶格构造位置中的相应质点。 类质同像的结果：只引起晶格常数的微小 改变，晶格构造类型、化学键类型、离子正 负电荷的平衡保持不变或相近。 准确概念
地球化学复习题汇总
地球化学赵伦山张本仁韩吟文马振东等P1: 地球化学基本问题）P 5: 克拉克值，地球化学发展简史（几个发展阶段）P31: 元素丰度，表示单位元素在地壳平均化学丰度------ 确定方法，克拉克值,P37: 元素克拉克值的地球化学意义P68: 类质同象和固溶作用P81: 元素的赋存状态一一1，5种P88: 元素迁移P 123: 相律P169: 衰变定律P181:痕量元素地球化学，稀土元素的研究方法和意义（痕量元素=微量元素）复习内容及答案汇总一、地球化学研究的基本问题、学科特点及其在地球科学中的地位（P1-）地球化学是研究地球及相关宇宙体的化学组成、化学作用和化学演化的科学，在地球化学发展历史中曾经历了较长时间的资料积累过程，随后基于克拉克、戈尔施密特、维尔纳茨基、费尔斯曼等科学家的出色工作，地球化学由分散的资料描述逐渐发展为有系统理论和独立研究方法的学科。
目前地球化学已发展成为地球科学领域的重要分支学科之一，与岩石学、构造地质学等相邻学科相互渗透与补充，极大地丰富了地球科学研究内容，在地质作用过程定量化研究中已不可或缺。
地球化学的研究思路和学科特点是：（1）通过分析常量、微量元素和同位素组成的变化，元素相互组合和赋存状态变化等追索地球演化历史；（2）利用热力学等现代科学理论解释自然体系化学变化的原因和条件，探讨自然作用的机制；（3）将地球化学问题置于地球和其子系统（岩石圈、地壳、地幔、地核等）中进行分析，以个系统的组成和状态约束作用过程的特征和元素的行为。
围绕原子在自然环境中的变化及其意义，地球化学研究主要涉及四个基本问题：（1）研究地球和动质体中元素和同位素的组成；（2）研究元素的共生组合和赋存形式；（3）研究元素的迁移和循环；（4）研究元素和同位素迁移历史和地球的组成、演化历史、地球化学作用过程。
、简述痕量元素地球化学研究解决的主要问题痕量元素地球化学理论使许多地质难题迎刃而解，其可解决的主要问题有:（1）使元素分配的研究进入定量和动态研究阶段；（2）为确定地质一地球化学过程的物理化学条件提供了新的研究途径；（3）开辟了根据固态岩石和矿物中痕量元素丰度数据，探讨岩浆、热液和古沉积盆地水介质化学成分，源区特征及发展演化历史的重要途径；（4）为鉴别各类岩石和矿床成因，提供了定量化的指示信息；（5）为分析微量元素在地壳中的分散和集中，尤其是浓集成矿的机制问题提供了依据三、试举例说明稀土元素地球化学在地学研究中的作用（P190-）稀土元素稀土元素指原子序数57 （La）—71 （Lu）的16个元素，由于他们的电子构型非常接近，所以它们具有十分相近的化学和物理性质。
第二章 自然体系中元素共生结合规律
地球化学体系特征
• 1)温度、压力等条件变化有限; 1)温度、压力等条件变化有限; 温度 • 2)大量组分共存 、浓度相差悬殊; 2)大量组分共存 浓度相差悬殊; • 3)开放体系; 3)开放体系; 开放体系 • 4)自发不可逆过程. 4)自发不可逆过程. 自发不可逆过程
自然作用的产物特征
• 1)有限的自然稳定相数量; 1)有限的自然稳定相数量; 有限的自然稳定相数量 • 2)有限的自然组合形式，多键性和过渡性； 2)有限的自然组合形式，多键性和过渡性； 有限的自然组合形式 • 3) 矿物按形成环境有规律的共生组合. 矿物按形成环境有规律的共生组合. • 4)相同矿物具可变的化学组成（矿物不纯）; 4)相同矿物具可变的化学组成（矿物不纯） 相同矿物具可变的化学组成 • 5)类似初始化学组合和环境形成的产物具有 5)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。 类似的化学特征。
硫 的 电 负 性 小 于 氧 （ Xs<Xo ） ， 而 硫 的 原 子 半 径 大 于 氧 o 这样，硫的外电子联系较弱， （ Rso>Ro ） 。 这样 ， 硫的外电子联系较弱 ， 导致硫受极化程度要 比氧大得多。 比氧大得多。 为此，硫倾向形成共价键（或配价键的给予体） 为此，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） 氧倾向形成离子键（或部分共价键） 与硫形成高度共价键的元素， 亲硫元素（具亲硫性） 与硫形成高度共价键的元素，称亲硫元素（具亲硫性）; 与氧形成高度离子键的元素称亲氧元素（具亲氧性） 与氧形成高度离子键的元素称亲氧元素（具亲氧性）。 亲氧元素
我国华南不同时期花岗岩中元素含量特征成岩时期雪峰四堡期加里东期海西期燕山期研究岩体数6114362272sio69370537123727629386436474nb15212135taree208209152256wo287279516li675896rb190214358成岩时期雪峰四研究岩体数6114362272161654cs161615257267921388sn15152542cu28271838pb33373654cr129614628875116co1046由上表可以清楚看出华南花岗岩的形成时代由老到新岩石中sioo的含量越来越高相应的不相容元素nbyareewsnbelirbpbfcu等含量越来越高巴尔科特把岩浆岩演化的这种规律总结为极性演化即酸性岩越来越酸性基性岩越来越基性
地球化学课件5第2章元素的结合规律与赋存形式一四谢财富
3.自然界元素结合的基本规律
三大规律 元素的地球化学亲合性（如何分类聚集） 类质同像（同类元素在同一矿物占位的关系） 晶体场理论对过渡族元素行为的控制(特殊元 素）
★元素结合规律决定因素： 元素化学和晶体化学性质、物化条件、丰度（浓度）
蓝球队、足球队；主力、替补
第二章 元素的结合规律与赋存形式
二、元素的基本性质
第二电离能大于第一电离能，第三电离能大于第二电 离能…
第一电离能与 电子层结构的关系
二、元素的基本性质
4.电子亲和能 原子得到电子所放出的能量（E)叫电子亲和能。 E越大，表示越容易得到电子成为负离子.
二、元素的基本性质
5.电负性变化规律 中性原子得失电子的难易程度。或者说原子在
分子中吸引价电子的能力叫电负性。表示为: X=I+E (X：电负性；I：电离能；E：电子亲和
位置Ψ和系统的总能量E ）
三个量子数和它们可取数值、物理意义：
主量子数（n，决定电子云大小，是电子与原子核距离的 函数，决定电子的能级)，n可取1,2,3,4…(分别对应 K,L,M,N…等不同电子壳层)
副（角）量子数（l，描述电子云形状，也影响电子能量),
l=0,1,2…,n-1, 分别对应s,p,d,f…亚电子层（l=2为d亚 电子层）。
实验室:
T: 10-5 K ~5ⅹ104 ℃（甚至 1百万℃）
P:真空 ~ 1.2ⅹ1011Pa
1.地球化学体系的特征
(2) 多组分复杂体系。元素92种，同位素354种，但 浓度相差很大，以其各自的丰度决定参加化学反 应的量比和方式。此外，地球和地壳阴离子总数 ＜＜阳离子总数，也制约元素结合方式。
1.元素的地球化学亲和性
阴、阳结合是自然界的普遍规律。由于地球中阴离子总量远小 于阳离子，导致地球化学作用过程中阳离子对阴离子的争夺。争 夺需要能力并体现喜好。
第二章 自然界中元素结合规律 地球化学
二）决定类质同象置换的基本条件
象
象
象
15
半径差异大，只发生部分高温类质同象， 如，Na+、K+半径差异大，只发生部分高温类质同象， +（0.98）与Ca2+（1.06）半径相似，可发生广泛类质同象置换 Na ） ）半径相似，
②化学键类型相同或相近
键性相近是首要条件
16
②化学键类型相同或相近
键性相近是首要条件
S
34
Cl
35
Ar
36
K
37
Ca
38
Sc
39
Ti
40
V
41
Cr
42
Mn
43
Fe
44
Co
45
Ni
46
Cu
47
Zn
48
Ga
49
Ge
50
As
51
Se
52
Br
53
Kr
54
Rb
55Sr56Y源自57 La 89Zr
72
Nb
73
Mo Tc
74 75
Ru
76
Rh
77
Pd
78
Ag
79
Cd
80
In
81
Sn
82
Sb
83
Te
41
42
红
一）晶体场基本理论
43
一）晶体场基本理论
44
一）晶体场基本理论 当过渡元素离子处于无外场环境，或处于球形 对称的场环境时，5个d亚层轨道的能量相等，称 为5重简并，呈球状对称； 如离子处于非球状对称的、不同结构的阴离子 配位体中时，5个轨道的能量状态会发生分裂 。 能级分裂的结果可使离子在能量上增加或降低稳 定性。
地球化学 元素共生组合关系及结合规律
（2）判断元素在化合物中正负价，电负性小为正价，电负性大为 负价。
如SO2(S 2.5; O 3.5); CO2( C 2.5 O 3.5); CH4 (C 2.5 H 2.1)
总之，元素在自然界中存在某种特殊的结合 规律及赋存状态。
Geochemistry
College of geological science & engineering, Shandong university of science & technology
二、元素地球化学亲和性 1.元素的地球化学亲和性Geochemical Coherence of Element (1)定义: 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 子结合的特性称为元素的地球化学亲和性。
第一节 元素基本性质
1869年，俄罗斯科学家门捷列夫发现了元素周期表，周期表很好总结了元素基本性质变 化规律。
1、原子或离子半径变化规律（受核内质子数和电子层数影响） （1）同周期，原子序数增大，原子半径减小。 （2）同主族，原子序数增加，原子半径增大。 （3）左上方至右下方原子和离子半径相似。 （4）镧系收缩。 （5）正电价越高，半径越小，负电价越高，半径越大。
一些元素彼此很少共生？
为什么在自然界多组份复杂的化学体系
Geochemistry
内，化合物（矿物）却按特定的比例构成？
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矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
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——多媒体课件
geochem@ 地球科学学院地球化学教研室
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自然元素之间的结合并不是任意的，而是有一 定规律的！
地 球 化 学
为什么不同岩石、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，而另外一些元素很少共生呢？
中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2020年8月27日更新
地
自然界元素结合分两种：
球 同种或性质相似元素的结合--非极性键，一般形成共 价键；
化
异种元素结合--极性键，一般形成离子键。
学
自然界元素结合特点：
多键性和过渡性；
自然界形成的化合物（矿物）都是不纯的，每一种矿
物都构成一个成分复杂、含量变化的混合物系列。
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FeSiO3+MnS→MnSiO3+FeS (25℃时：Gr=-11.56 KJ<0,反应向右进行）
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地 球 化 学
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（三）自然界元素亲和性的特点
1. 双重性和过渡性： 自然界元素的亲和性不是绝对的，存在着双重性和过渡性。
为此，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）
与硫形成高度共价键的元素，称亲硫元素（具亲硫性），
与氧形成高度离子键的元素，称亲氧元素（具亲氧性）。
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2. 与之结合的阳离子性质
地
以第四周期部分金属阳离子为例（电负性）
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第二章 自然体系中元 素 共 生 结 合
规律
地
本章内容
球 自然界元素结合的类型及特点
化 元素的地球化学亲和性
学 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
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一、自然界元素结合的类型及特点
不易丢失（具有较高电离能）。
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地 球 化 学
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I1Au=9.2电子伏特， I1Ag=7.5电子伏特， I1Cu=7.7电子伏特 另外,周期表VIII族过渡金属元素（铂族元素）具明显
亲铁性：
I1Pt = 8.885ev I1Pd = 8.305ev I1Ni = 7.615ev I1Co =7.815ev
方式不同；
2. 与之结合的阳离子自身的电子层结构。
3. 结合时体系的物理化学条件 。
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地 球 化 学
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1 . 氧、硫性质的差异
氧和硫某些化学性质参数
I1(ev) Y1
Y2
Y1+2
（2S2P）氧 13.57 -1.47 +7.29 +5.82
球
化
学
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3. 体系的物理化学条件—化学反应制动原理
地
球
当体系中阴离子不足时，在自然体系中各阳离子将
化 按亲和性强弱与阴离子反应，亲和性强的阳离子将抑
学
制亲和性弱的化学反应（这是自然界的竞争机制）。
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二、元素的地球化学亲和性
地 球 化 学
地球化学亲和性：主要指阳离子在自然体系中趋向同某种阴离 子的倾向。
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（宏观上：元素化合反应的能量效应） 元素地球化学亲和性分类： 在地球系统中，丰度最高的阴离子是氧，其次是硫； 能以自然 金形式存在的丰度最高的元素是铁。因此，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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地 球 化 学
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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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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
学 位数、原子和离子极化、最紧密堆积等。
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例1：
地
在地壳中某体系内，阴离子S2-不足，地壳中Fe的丰度
球 比Mn高出两个数量级，况且Fe的亲硫性比Mn强。为此在 化 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
学 生的现象。这就是化学反应抑制原理在起作用。
反应自由能：
Pt 等元素在自然界 往往以金属状态出现
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（二）亲氧性和亲硫性（亲石性和亲铜性）
地
球
地壳内易于获得电子成为阴离子、易与其他元素 结合的元素，丰度最高的为氧，其次是硫。
化
地壳中元素与O、S不同的地球化学亲和性的原因:
学
1. O、S 本身的电子层结构差异，获取电子能力和
（3S3P）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 的 电 负 性 小 于 氧 （ Xs<Xo ） ， 而 硫 的 原 子 半 径 大 于 氧 （Rso>Roo）。这样，硫对外电子联系较弱，导致硫受极化程度 要比氧大得多。
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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
பைடு நூலகம்
铁具有这种倾向，在自然界中，特别是O，S丰度低的
化 情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁
学 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