元素的地球化学亲和性分析

电负性
Ionization Energy（电离能/势）
First ionization energy (IE1)
The minimum amount of energy required to remove the most loosely bound electron from an isolated gaseous atom to form a 1+ ion.
共价半径(covalent radius) ◆ 适用非金属元素 ◆ 测定单质分子中两个相邻 原子的 核间距 一半 金属半径(metallic radius ) ◆ 适用金属元素 ◆ 固体中测定两个最邻 近原子 的核间 距一半
Ionic (and Ionic-Covalent) Structures
atom(g) + e- + EA ion-(g)
Electron Affinities of Main Group Elements

电负性＝电离势＋电子亲和能 相对值
Electronegativity电负性
Electronegativity is a measure of the relative tendency of an atom to attract electrons to itself when chemically combined with another element.
2.从空间几何形式的角度 半径（原子、离子）、 配位数、 原子和离子极化、 最紧密堆积等。
Atomic radii in picometers of main group elements
Atomic Radii
o in A
原子半径一般分为三种： 共价半径：同种元素的原子以共价键相结合时的间距； 金属半径：金属单质晶体中的两原子间距； 范氏半径：两个原子间无化学键相连，只靠分子间力相接 近时两原子间距离的一半。 一般来说同一元素：范氏半径 > 金属半径 > 共价半径
Behavior of elements: Goldschmidt’s classification Elements divided into four broad categories:
Lithophile
generally found within crust and mantle Concentrate in silica-rich melts
低的情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常 常与铁共生，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）。
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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 = 8.88 电子伏特 I1Pd = 8.30 电子伏特 Pt 等元素在自然界往往 I1Ni = 7.61 电子伏特 以金属状态出现。 I1Co = 7.81 电子伏特
Cr3+
Cr3+
Cr3+
Cr3+
Cl– Cl– Cl– Cl–
NaCl, ionic
Cr3+
Cr3+
Cr3+
CCl4, covalent
Cr, metallic
Pairs of atoms with nearly equal electronegativity share electrons in covalent bonds(共价键). This is the dominant bonding process in organic compounds, sulfides, and compound anions (CO32-, SO42-, etc.). Elements with intermediate electronegativity and full or empty d-shells are happiest in covalent bonds with S and are therefore chalcophile. Elements with intermediate electronegativity and ~4 to ~8 d electrons are stabilized in neutral metallic bonding environments and tend to be siderophile.
说明
电负性在化学上有多种定义,每个定义都有相应的一 套数据. 讨论同一个问题时, 引用的数据要一致.
电负性大的元素通常是那些电子亲和能绝对值大的元素 (非金属性强的元素),电负性小的元素通常是那些电离能小的 元素(金属性强的元素).电负性与电离能和电子亲和能之间的 确存在某种联系, 但并不意味着可以混用!
一、元素的地球化学亲和性
所谓地球化学亲和性：
主要指阳离子在自然体系中趋向同某种阴离 子化合的倾向。
元素的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）
（一）亲铁性
元素在自然界以金属状态产出的一种倾向。 亲铁性具有如下倾向：在自然界中，特别是O，S丰度
Sulfide Liquid
Metallic Liquid
•
Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, Re, Au, C, P, Ge, Sn
To first order, the distribution of elements between core and mantle resembles equilibrium partitioning between metal liquid and silicates…confirmed by iron and achondrite meteorites (but at high P, no separate sulfide phase) achondrite [ei'kɔndrait] n. 不含球粒陨石
Cl– Cl– Cl– Cl–
N a+ N a+ N a+
Delocalized conduction electrons
Cl– Cl– Cl– Cl–
N a+ N a+ N a+
Cl
Cr3+ Cr3+ Cr3+ Cr3+
Cl– Cl– Cl– Cl–
N a+ N a+ N a+
Cl
C Cl
Cl
Cr3+
第二章 自然体系中元素共生结合规律
一、元素的地球化学亲和性 二、类质同像代换及微量元素共生结合 规律 三、晶体场理论在解释过渡族元素结合 规律上的应用
自然界的元素结合类型及特点
自然界元素结合分两种：
同种或性质相似元素结合 -- 非极性键，一般形成
共价键；
异种元素结合--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； 自然界形成的化合物（矿物）都是不纯的，每一

R-cation/R-anion Coordination (# anions( 阴离 子)/cation（阳离子）



1 O.732-1.0 0.414-0.732 0.225-0.414 0.155-0.225 < 0.155
12 (CCP, HCP) 8 (BCC) 6 (Rutile) 4 (SiO2) 3 (Calcite) 2
Gas Phase • Melting a chondrite gives 3 immiscible(不能混合的) liquids plus vapor: Atmophile H, He, N, Noble gases
Silicate Liquid
Lithophile Chalcophile Siderophile
– Fluorine is the most electronegative element. – Cesium and francium 钫 are the least electronegative elements.
4 电负性( electronegativity)
元素的电负性：处于化合物中的该元素原子对电子 对的吸引能力. 1、 F的电负性最大,电负性大的元素集中在周期表的右 上角; Cs(Fr) 的电负性最小,电负性小的元素集中在周 期表的左下角. 2 、如果原子吸引电子的趋势相对较强 , 元素在该化合 物中显示电负性 (electronegative);如果原子吸引电子的 趋势相对较弱,元素在该化合物中则显示电正性 (electropositive). 3、 电负性有不同的标度，因而会看到不同的数据表 . 例如 Mulliken 电负性标度， Pauling 电负性标度 ( 以热 化学为基础)和 Allred- Rochow 电负性标度.
种矿物都构成一个成分复杂、含量变化的混合物 系列。
Geochemical Affinity
• In the classification scheme of Goldschmidt, elements are divided according to how they partition between coexisting silicate liquid, sulfide liquid, metallic liquid, and gas phase…defined by examining ore smelting slags and meteorites
◎电离能和电子亲和能用来讨论离子化合物形成 过程中的能量关系,例如热化学循环; ◎电负性概念则用于讨论共价化合物的性质,例 如对共价键极性的讨论.
电负性变化的形象表示
Geochemical significance of electronegatvity • Pairs of atoms with very different electronegativity achieve greatest stability by trading electrons completely and forming ionic bonds. This is the dominant bonding environment in nearly all minerals. Elements with very high or low electronegativity therefore tend to be lithophile.
Alkalis, Alkaline Earths, Halogens, B, O, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Lanthanides, Hf, Ta, Th, U Cu, Zn, Ga, Ag, Cd, In, Hg, Tl, As, S, Sb, Se, Pb, Bi, Te
Siderophile
Generally concentrate in ironrich melt
Chalcophile
Generally occurs with sulfur
Atmophile
Generally found in the atmosphere
元素结合规律可从两个角度来衡量
1.从能量的角度 电负性（X） (Electronegativity): 原子在其外层吸引其他电子的能力 电离势（I） 电子亲和能（E）、
atom(g) + energy ion+(g) + e-
Ionization Energies in kJ/mol
Electron Affinity(电子亲和能）
Electron affinity is the amount of energy absorbed when an electron is added to an isolated gaseous atom to form an ion with a -1 charge. Electron affinity is a measure of an atom’s ability to form negative ions.