元素的地球化学亲和性

元素的地球化学亲和性第一页，共六十六页，2022年，8月28日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，每一种矿物都构成一个成分复杂、含量变化的混合物系列。第二页，共六十六页，2022年，8月28日GeochemicalAffinity•IntheclassificationschemeofGoldschmidt,elementsaredividedaccordingtohowtheypartitionbetweencoexistingsilicateliquid,sulfideliquid,metallicliquid,andgasphase…definedbyexaminingoresmeltingslagsandmeteoritesSilicateLiquidSulfideLiquidMetallicLiquidGasPhaseSiderophileChalcophileLithophileAtmophileH,He,N,NoblegasesAlkalis,AlkalineEarths,Halogens,B,O,Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Y,Zr,Nb,Lanthanides,Hf,Ta,Th,UCu,Zn,Ga,Ag,Cd,In,Hg,Tl,As,S,Sb,Se,Pb,Bi,TeFe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Mo,Re,Au,C,P,Ge,Sn••Meltingachondritegives3immiscible(不能混合的)liquidsplusvapor:第三页，共六十六页，2022年，8月28日

Tofirstorder,thedistributionofelementsbetweencoreandmantleresemblesequilibriumpartitioningbetweenmetalliquidandsilicates…confirmedbyironandachondritemeteorites(butathighP,noseparatesulfidephase)achondrite[ei'kɔndrait]n.不含球粒陨石第四页，共六十六页，2022年，8月28日第五页，共六十六页，2022年，8月28日Behaviorofelements:Goldschmidt’sclassificationElementsdividedintofourbroadcategories:LithophilegenerallyfoundwithincrustandmantleConcentrateinsilica-richmelts第六页，共六十六页，2022年，8月28日SiderophileGenerallyconcentrateiniron-richmeltChalcophileGenerallyoccurswithsulfurAtmophileGenerallyfoundintheatmosphere第七页，共六十六页，2022年，8月28日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）、第八页，共六十六页，2022年，8月28日电负性第九页，共六十六页，2022年，8月28日IonizationEnergy（电离能/势）Firstionizationenergy(IE1)

Theminimumamountofenergyrequiredtoremovethemostlooselyboundelectronfromanisolatedgaseousatomtoforma1+ion.atom(g)+energyion+(g)+e-第十页，共六十六页，2022年，8月28日IonizationEnergiesinkJ/mol第十一页，共六十六页，2022年，8月28日ElectronAffinity(电子亲和能）Electronaffinityistheamountofenergyabsorbedwhenanelectronisaddedtoanisolatedgaseousatomtoformanionwitha-1charge.

Electronaffinityisameasureofanatom’sabilitytoformnegativeions.atom(g)+e-+EAion-(g)第十二页，共六十六页，2022年，8月28日ElectronAffinitiesofMainGroupElements第十三页，共六十六页，2022年，8月28日电负性＝电离势＋电子亲和能

相对值第十四页，共六十六页，2022年，8月28日Electronegativity电负性Electronegativityisameasureoftherelativetendencyofanatomtoattractelectronstoitselfwhenchemicallycombinedwithanotherelement.Fluorineisthemostelectronegativeelement.Cesiumandfrancium

钫aretheleastelectronegativeelements.第十五页，共六十六页，2022年，8月28日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).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.4电负性(

electronegativity)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.第十六页，共六十六页，2022年，8月28日

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!◎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.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.第十七页，共六十六页，2022年，8月28日电负性变化的形象表示第十八页，共六十六页，2022年，8月28日GeochemicalsignificanceofelectronegatvityPairsofatomswithverydifferentelectronegativityachievegreateststabilitybytradingelectronscompletelyandformingionicbonds.Thisisthedominantbondingenvironmentinnearlyallminerals.Elementswithveryhighorlowelectronegativitythereforetendtobelithophile.NaCl,ionicCCl4,covalentCr,metallicDelocalizedconductionelectrons第十九页，共六十六页，2022年，8月28日Pairsofatomswithnearlyequalelectronegativityshareelectronsincovalentbonds(共价键).Thisisthedominantbondingprocessinorganiccompounds,sulfides,andcompoundanions(CO32-,SO42-,etc.).Elementswithintermediateelectronegativityandfulloremptyd-shellsarehappiestincovalentbondswithSandarethereforechalcophile.Elementswithintermediateelectronegativityand~4to~8delectronsarestabilizedinneutralmetallicbondingenvironmentsandtendtobesiderophile.第二十页，共六十六页，2022年，8月28日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。第二十一页，共六十六页，2022年，8月28日Atomicradiiinpicometersofmaingroupelements第二十二页，共六十六页，2022年，8月28日AtomicRadii

inAo第二十三页，共六十六页，2022年，8月28日第二十四页，共六十六页，2022年，8月28日第二十五页，共六十六页，2022年，8月28日第二十六页，共六十六页，2022年，8月28日p.244第二十七页，共六十六页，2022年，8月28日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◆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共价半径(covalentradius)◆适用金属元素◆固体中测定两个最邻近原子的核间距一半金属半径(metallicradius)第二十八页，共六十六页，2022年，8月28日Ionic(andIonic-Covalent)StructuresR-cation/R-anion Coordination(#anions(阴离子)/cation（阳离子）1 12(CCP,HCP)O.732-1.0 8(BCC)0.414-0.732 6(Rutile)0.225-0.414 4(SiO2)0.155-0.225 3(Calcite)<0.155 2第二十九页，共六十六页，2022年，8月28日

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）第三十页，共六十六页，2022年，8月28日（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）。第三十一页，共六十六页，2022年，8月28日第32页/共52页第三十二页，共六十六页，2022年，8月28日（二）亲氧性和亲硫性

（亲石性和亲铜性）地壳内易于获得电子，成为阴离子，而与其他元素结合，丰度最高的为氧，其次是硫。地壳中与O、S不同的地球化学亲和性的原因:①O、S本身的电子层结构差异，获取电子能力和方式不同；②与之结合的阳离子自身的电子层结构。第三十三页，共六十六页，2022年，8月28日

硫的电负性小于氧（Xs<Xo），而硫的原子半径大于氧（Rso>Roo）。这样，硫的外电子联系较弱，导致硫受极化程度要比氧大得多。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;与氧形成高度离子键的元素，称亲氧元素。1、氧、硫性质的差异

氧和硫某些化学性质参数第三十四页，共六十六页，2022年，8月28日2、与之结合的阳离子性质

以第四周期部分金属阳离子为例（电负性）第三十五页，共六十六页，2022年，8月28日3、化学反应制动原理

当阴离子不足时，在自然体系中各阳离子将按亲和性强弱与阴离子反应，亲和性强的阳离子将抑制亲和性弱的化学反应（这是自然界的竞争机制）。第三十六页，共六十六页，2022年，8月28日例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！反应自由能：FeSiO3+MnSMnSiO3+FeS(Gr=-11.56KJ,250oC)

第三十七页，共六十六页，2022年，8月28日具亲硫性，以硫化物状态具亲铁性，以自然金属状态

（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。

第三十八页，共六十六页，2022年，8月28日2不同价态元素亲和性：

Fe2+,Mn2+

低价具亲硫性，如FeS2,MnS;Fe3+,Mn4+高价具亲氧性，如Fe2O3,MnO2.Fe,Mn第三十九页，共六十六页，2022年，8月28日

二、类质同像代换及微量元素

共生结合规律自然界的矿物一般都不是按某种化学式所组成的纯净的化合物，而往往混有杂质，这种杂质按其聚集和赋存状态可分为五种状态：

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；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）；

第四十页，共六十六页，2022年，8月28日

矿物内杂质聚集和赋存状态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；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。

第四十一页，共六十六页，2022年，8月28日研究意义：类质同像代换是自然界化合物中一种十分普遍的现象，地球化学性质相似的一些元素之间常常出现这种代换关系。它对于元素的共生组合有着重要的影响，特别是对微量元素的地球化学行为起着重要的支配作用。

第四十二页，共六十六页，2022年，8月28日（一）决定元素类质同像代换的基本条件内因-晶体化学条件；外因-物理化学条件

1、晶体化学条件①

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）

第四十三页，共六十六页，2022年，8月28日②化学键类型相同或相似

自然界中：

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+、Hg2+的存在在硫化物（Cu、Hg）矿物中也不易发现Na+、Ca2+为什么?第四十四页，共六十六页，2022年，8月28日键性不同，彼此不能置换

Cu,Hg是亲硫元素，倾向于形成共价键Na,Ca是亲氧元素，倾向于形成离子键

代换中，不同键性的相对关系接近，是代换的一个重要条件。自然界中:Si(Si4+,0.39Å),Al(Al3+,0.57Å)代换十分普遍

铝硅酸盐

Si↓↓++

Si↓

↓

↓+

Si

Al↓

↓+

Al

如何代换？

架状：

Al↓

↓+Si↓

↓++

链状：

Al

↓

↓+Si↓

↓

↓+岛状：

Si↓

↓

↓

↓Si与Al不能代

换（

↓

共价电子对，+自由电子）Al-O(1.7Å)与Si-O（1.61Å）其键长相差6%，两者间易发生代换。

第四十五页，共六十六页，2022年，8月28日③代换前后总电价平衡

“电价补偿”：对于离子化合物来说，类质同像代换前后，正负离子电荷保持平衡，否则将引起晶格的破坏。这对于异价类质同像代换有重要意义。

1）

数目不等的代换：3Mg2+2Al3+(云母)

2）

高+低

中等离子：

Ce3++Na+2Ca2+(磷灰石)3）成对离子代换：Pb2++Al3+K++Si4+(钾长石)4）正负离子同时代换:Ce3++O2-Ca2++F-(磷灰石)第四十六页，共六十六页，2022年，8月28日④被代换的矿物晶体构造特征

被代换的矿物晶体构造愈复杂、松弛（偏离最紧密堆积愈远），类质同像的可能性愈大。因为这样的晶格，一种离子代换引起的电荷或体积的差异，容易由另外一种离子来进行补偿，甚至在某些铝硅酸盐中由于有较大的空间（10Å-1000Å层间空腔），一些元素可以完全不顾体积补偿，而进行代换。例：沸石类矿物海绵状晶格中：

2K+Ba2+,2K+Ca2+,2Na+Ca2+.第四十七页，共六十六页，2022年，8月28日⑤

代换的能量角度

代换前后的能量（生成热）应当相似。例如：斜长石系列与碱性长石中的钠长石、钾长石之间的代换关系KAlSi3O8(491.4KJ/mol)NaAlSi3O8(247.8KJ/mol)CaAl2Si2O8(256.2KJ/mol)

钠、钙长石之间能量相似，可以形成斜长石完全类质同像系列；

而碱性长石中钾、钠长石为高温类质同像混熔，低温固熔体分解（条纹长石）A：完全类质同像区；B：高温时可类质同像区；C：不混熔区第四十八页，共六十六页，2022年，8月28日2、物理化学条件

①

组份浓度

---“补偿类质同像”

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像代换的方式加以补充。Ca5[F(PO4)3]磷灰岩

熔浆中结晶

(Ca与P浓度成比例)

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像代换形式进入磷灰石晶格。

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+(0.87Å),Mn4+(0.52Å)彼此分离

第四十九页，共六十六页，2022年，8月28日（二）类质同像规律1.Goldschmist类质同像法则：

1）隐蔽法则：两个离子具有相近的半径和相同的电荷，则它们将按丰度的比例，决定它们的行为，丰度高的主量元素形成独立矿物，丰度低的微量元素进入矿物晶格，为主量元素所“隐蔽”。K+(1.33Å)主量元素在形成钾长石、石榴石等矿物中，Rb+(1.49Å)以类质同像形式为K所“隐蔽”。

第五十页，共六十六页，2022年，8月28日2）两种离子电价相同，半径有别，半径小的离子集中于较早的矿物中，而半径较大的离子（化学键弱）将在晚阶段矿物中富集。

Mg2+Fe2+Mn2+0.78Å0.83Å0.91Å

橄榄石等早期矿物

角闪石,黑云母第五十一页，共六十六页，2022年，8月28日3)

如果两个离子半径相近，而电荷不同，较高价的电荷离子优先进入较早结晶的矿物晶体中，称“捕获”（capture），低价的电荷离子“允许”(admit)进入晚期矿物.第五十二页，共六十六页，2022年，8月28日Valence（化合价）,ionicradii,andGoldschmidt’srules•Exceptintherarecaseofcompletemelting,geochemicalbehaviorofelementsisusuallyrelatedtowhetherthey“fit”inthestructureofsolidminerals.•Whichmineralsarepresentiscontrolledbythemajorelements,whichwediscussinLecture4.•Thebehaviorofminorandtraceelementsisthencontrolledbywhethertheycansubstituteforamajorconstituentofamineral.Theeaseof（解除）substitutionobeysGoldschmidt’srules:第五十三页，共六十六页，2022年，8月28日Ionswhoseradiidifferbylessthan15%readilysubstituteeachotherIonswhosechargedifferbyoneunitcansubstituteifcoupledtoasuitablecharge-balancingsubstitution;ionsdifferingbymorethanonechargedonotsubstituteextensively.Inanysubstitutiontheionwiththehigherionicpotential(charge/radius)formsastrongerbondandamorestablemineralIonswithverydifferentelectronegativitywillnotsubstitutemuchevenifchargeandradiusmatch第五十四页，共六十六页，2022年，8月28日微量元素根据戈氏法则3：

高价的Sc3+

被早期辉石、角闪石等铁镁矿物所“捕获”(Li+仍在熔浆中)。Sc在基性,超基性岩中富集。低价的Li+被晚期黑云母、电气石等铁镁矿物所“允许”。所以，酸性岩、伟晶岩中Li富集.Sc3+(0.83Å)

Li+(0.78Å)

熔体中

Fe2+(0.83Å)Mg2+(0.78Å)主量元素

例：第五十五页，共六十六页，2022年，8月28日2.Ringwood法则:

事实：Zn2+(0.83Å)与Mg2+(0.78Å),Fe2+(0.83Å)离子性质很相似,按戈氏法则能进入铁镁硅酸盐晶格。

事实上,在硅酸盐熔体中往往形成ZnSiO4(硅锌矿),Zn4[Si2O7][OH]2·2H2O(异极矿)。

第五十六页，共六十六页，2022年，8月28日A·E林伍得提出对戈氏法则的补充：

对于二个价数和离子半径相似的阳离子，具有较低电负性者将优先被结合，因为它们形成一种较强的离子键成分较多的化学键。

Zn2+857.7KJ/mol

Fe2+774KJ/molMg2+732KJ/mol

电负性高的Zn2+晚期

形成自身的硅酸盐矿物

电负性低的Fe2+、Mg2+

将优先进入铁、镁硅酸盐晶格。第五十七页，共六十六页，2022年，8月28日（三）研究元素类质同像代换的

地球化学意义类质同像是支配地壳中元素共生组合的一个重要因素，特别是对一些微量元素，是决定它们在自然界活动状况的主要因素。活动状况指的是微量元素的分布、分配、集中、分散及迁移的规律。（理论和实践意义）。元素的共生组合：同时、同种成因处于同一空间所形成的元素组合。第五十八页，共六十六页，2022年，8月28日1.阐明微量元素在各类岩浆岩中的分布以及微量元素

在矿物中分配的实际规律

岩浆结晶过程中常量元素演化的顺序：

不连续系列：MgFeMnCa

连续系列：

CaNaK同时Si,Al挥发分

（水）的含量↑第五十九页，共六十六页，2022年，8月28日微量元素地球化学行为？

一种倾向是选择与自身晶体化学性质相似的造岩元素以类质同像代换方式进入它们的晶格，呈分散状态--称“晶体化学分散”。

另一种倾向是那些与造岩元素差别大的微量元素不利于类质同像代换，而在残余熔体中聚积。在某一阶段形成独立矿物（副矿物）或转入到岩浆期后热水溶液中富集成矿--称“残余富集”。例：碱性岩体

Be丰度7-9*10-6,酸性花岗岩岩体Be丰度为3-5*10-6,在酸性花岗岩中的伟晶岩脉中,形成

Be3Al2Si6O18(绿柱石)

为什么呢?第六十页，共六十六页，2022年，8月28日

例：首先从Be2+的地球化学性质来分析：

Be2+,R2+=0.35Å,电负性1.5，离子电位()=5.71,属两性元素.在硅酸熔体中，与Be2+最接近的常量元素是Si4+,是以[BeO4]6-的形式对[SiO4]4-进行代换，实行这种代换需要具备两个条件：第一，介质呈碱性，Be2+两性元素，介质必须在碱性条件下才能以酸根的形式存在;

第二，具有高价阳离子，以补偿[BeO4]6-的类质同像代换[SiO4]4-时,电价和能量的差异。第六十一页，共六十六页，2022年，8月28日

其次，分析一下碱性岩浆的条件，富Na,富K,介质是碱性，Be2+呈铍酸根的形式