课程名称:地球化学 H2+1H→2He3 2He3+2He3→2He4+21H 在合成氦原子核的过程中不仅释放出能量,同时还释放出正电子,达就导致中子的形 成,后者又产生出电子。这种最初的过程是发生在一个主序恒星中( a Main Sequence Star) 由于有能量释放,星体的收缩就暂停下来,直到其中的氢核全部耗尽为止。然后,冷却了 的星体再次收缩、变热和膨胀而进入红巨星阶段,后者的核心由氦核组成,而温反达到 106K。进一步的核聚变(氦一聚变)发生了,结果形成一些稳定的和不稳定的原子核。例如: 32He4→6Cl2, 更多的氦核同这些碳核在一起发生聚变,就导致8O16、10Ne20、12Mg24的形成。继续冷却、 收缩和膨胀又引起上述刚形成的那些核类的聚变,这就可产生出原子序数达26(铁)的所 有元素的原子核。在这个阶段,某些元素不能形成,它们主要是Li、Be、B(在有质子参加 的热核反应环境中,它们迅速站交为2He)。到了这个时刻,恒星就已耗尽其内部的能量而 变得不稳定,即进入超新垦阶段。超新星可以发生强烈爆炸,将这些较重的元素抛入太阳 系或宇宙空间。太阳系或宇宙元素丰度的规律的重大意义现在就明显地显示出来了。 如果上述依次发生的乐件再完整地乐演一次,只不过现在考虑的初始物质是上述超新星抛出的质子和 原子序数达26的邡些元素混合组成的气体星云,那末这时就会发尘一系列不同的核反应,从而产生出丰度 小的元素。有这些过程在其中发的恒犀就叫敞第二世代恒星。在笫二世代主序恒星阶段中,质子再次发 生聚变而形成氮核,但是山于有碳的存在,这就有可能引起其他类型的许多核反应,结果产生出象。C1 13、O和aNe2这样一些不稳定的原子核。这些核同氮核发生作用,就放射出中子。有了中了的供 应,就能通过中子鹕获而形成新的原子核。于是在红巨星阶段(第…二世代恒星)就能形成堀于序数达83的 绝大多数元素,而在超新星阶授原子序数在83以后的元索同样可以通过中子捕获类型核反应而形成。我们 的太阳正是典型的第世代主序阶段的一颖恒星。 在两个恒星世代之间,存在着多元素的气态星云(质子在其中占优势),当星云凝聚形成恒星例如太 阳)时,较重的物质可以形成固态集合体。在该恒星活动的过程中,它能放出快质子,某些快质子可以轰 击者这些固态集合体。这种核碰擠就引起核聚变,其最终产物就是Li、Be和B的原子核。相对于其他低 原子序数的元素说 Be和B形成的数量是很少的,其原因就在于此。 最后,上述做小的固态集合体能够聚集起来形成不同成分的行星。到这时核反应已经几乎大部停止 而各种原子核将要吸引电子,于是化学反应终于能够进行了。 三、地球的结构和化学成分 由于缺乏直接研究地球深部物质的方法和手段,目前人们关于地球内部结构和物质成 分的观念都是依据间接资料建立起来的,因此,这些认识基本上还是属于假说性的,而且 存在的争论很多 1地球的结构和各圈层的组成: 地球具有圈层结构:地壳、地幔和地核 2.地球元素丰度研究方法 1)陨石类比法:直接利用陨石的化学成分,经算术平均求出地球的元素丰度 计算的假设条件:陨石在太阳系形成:陨石与小行星带的物质成分相同:陨石是已破碎了 的星体碎片:产生陨石的星体,其内部结构和成分与地球类似 采用单陨石类比法求出的地球化学成分铁的丰度明显偏低。 2)地球模型和陨石的类比法 在一定的地球模型的基础上求出各圈层的质量及比值,然后选择陨石类型或陨石相的化学 成分来代表各圈层的元素丰度,最后用质量加权平均法求整个地球的元素丰度 3)地球物理类比法,也称层壳模型物理类比法。采用的地球元素丰度尽可能立足于地球自 身的物质成分和物性模拟实验的基础上 3地球元素丰度及其规律: 地球物质的90%由Fe、O、Si、Mg四种元素组成;含量大于1%的元素还有Ni、Ca S、Na、K、Cr、Co、P、Mn和T的含量均在0.01%~1%范围:以上共15咔 大庆石油学院 地球科学学院
课程名称：地球化学 第 11 页 大庆石油学院 地球科学学院 1H2＋1H1→2He3 2He3＋2He3→2He4＋21H1 在合成氦原子核的过程中不仅释放出能量，同时还释放出正电子，达就导致中子的形 成，后者又产生出电子。这种最初的过程是发生在一个主序恒星中(a Main Sequence Star )。 由于有能量释放，星体的收缩就暂停下来，直到其中的氢核全部耗尽为止。然后，冷却了 的星体再次收缩、变热和膨胀而进入红巨星阶段，后者的核心由氦核组成，而温反达到 106K。进一步的核聚变(氦—聚变)发生了，结果形成一些稳定的和不稳定的原子核。例如： 32He4→6C 12， 更多的氦核同这些碳核在一起发生聚变，就导致 8O16、10Ne20、12Mg24 的形成。继续冷却、 收缩和膨胀又引起上述刚形成的那些核类的聚变，这就可产生出原子序数达 26（铁)的所 有元素的原子核。在这个阶段，某些元素不能形成，它们主要是 Li、Be、B(在有质子参加 的热核反应环境中，它们迅速站交为 2He4 )。到了这个时刻，恒星就已耗尽其内部的能量而 变得不稳定，即进入超新星阶段。超新星可以发生强烈爆炸，将这些较重的元素抛入太阳 系或宇宙空间。太阳系或宇宙元素丰度的规律的重大意义现在就明显地显示出来了。 三、地球的结构和化学成分 由于缺乏直接研究地球深部物质的方法和手段，目前人们关于地球内部结构和物质成 分的观念都是依据间接资料建立起来的，因此，这些认识基本上还是属于假说性的，而且 存在的争论很多。 1.地球的结构和各圈层的组成； 地球具有圈层结构：地壳、地幔和地核 2.地球元素丰度研究方法； 1) 陨石类比法：直接利用陨石的化学成分，经算术平均求出地球的元素丰度。 计算的假设条件：陨石在太阳系形成；陨石与小行星带的物质成分相同；陨石是已破碎了 的星体碎片；产生陨石的星体，其内部结构和成分与地球类似。 采用单陨石类比法求出的地球化学成分铁的丰度明显偏低。 2) 地球模型和陨石的类比法 在一定的地球模型的基础上求出各圈层的质量及比值，然后选择陨石类型或陨石相的化学 成分来代表各圈层的元素丰度，最后用质量加权平均法求整个地球的元素丰度。 3) 地球物理类比法，也称层壳模型物理类比法。采用的地球元素丰度尽可能立足于地球自 身的物质成分和物性模拟实验的基础上。 3.地球元素丰度及其规律： 地球物质的 90%由 Fe、O、Si、Mg 四种元素组成；含量大于 1％的元素还有 Ni、Ca、 Al；S、Na、K、Cr、Co、P、Mn 和 Ti 的含量均在 0.01％～1%范围；以上共 15 中
课程名称:地球化学 元素丰度递减规律:Fe>O>Si>Mg>N>Ca>Al>S>Co>Na 4地球的形成和早期分异(埃尔萨塞假说):原始地球形成经历一段时期后,在其内部大约 几百公里深度温度达到了金属铁的熔点,游离铁发生熔融并逐渐汇聚成液态铁层。由于液 态铁的密度大于硅酸盐,液态烃层就向地球的中心下沉,形成地核。在熔铁向中心不对称 沉时,导致较轻的硅酸盐发生不对称上升和遭受部分熔融,部分熔融的物质上升并形成 地壳。因此地壳是三大层圈中最年轻的成员(<42亿年)。 5、地壳的化学组成 地壳分为大陆地壳、大洋地壳。大陆占地球表面积的42%,大陆地壳的的质量占整个 地壳质量的79%。大陆地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的 大陆地壳由演化的、低密度的岩石组成,使大陆地壳高于海平面,大陆地壳的这种演 化的成分在太阳系是独一无二的,使陆地生物空前繁荣。另外,大陆地壳的化学组成和演 化机制是认识地球总体成分、分异演化和地球动力学过程的基本化学前提。再加之大陆地 壳是人类生活和获取资源的场所,为此大陆地壳化学组成的研究自地球化学学科诞生以来 直是研究的中心问题之一。 1)大陆地壳化学组成的研究方法 岩石平均化学组成法:用主体代表整体,他们的思路是在地壳上部16公里范围内(最 高的山脉和最深海洋深度接近16公里)分布着95%的岩浆岩,5%沉积岩(4%的页岩,0.75% 的砂岩,0.25%的灰岩),且沉积岩是岩浆岩派生的,因此认为岩浆岩的平均化学成分实际 上可以代表地壳的平均化学成分。具体做法 ①在世界各大洲和大洋岛屿采集了5159个不同岩浆岩样品和676件沉积岩样品 ②对53种元素进行了定量的化学分析 ③其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例 ④计算时用算术平均求出整个地壳的平均值 他们的工作具有重大的意义: ①开创性的工作,为地球化学发展打下了良好的基础; ②代表陆地区域岩石圈成分,其数据至今仍有参考价值。 2)其它方法:细粒碎屑沉积岩法:大陆地壳生长历史法;大陆地壳剖面法:区域大规模 取样和分析:火山岩中的深部地壳包体研究法;地球物理法 3)综合上述各种研究方法,根据目前对地壳的认识,显然具有以下的不足之处首先采用 的地壳的概念不统一,均未按照现代地壳结构模型来考虑:其次没有考虑岩石组成随深度 和构造单元的变化 4)大陆地壳的结构和组成 ①地壳中元素的丰度特征:地壳中元素的相对平均含量是极不均一的,丰度最大的元 素是O:47%,比丰度最小的元素Rn为6x10-16相差达1017倍。相差十分悬殊。 前九种元素: O Si Al Fe Ca na K mg ti 五种:82.58% 前九种:98.13% 前十五种元素占9961%,其余元素仅占039% 这表明:地壳中只有少数元素在数量上起决定作用,而大部分元素居从属地位 地壳、整个地球和太阳系元素丰度排序对比: 太阳系:H>He>O>C,N>Ne>Mg,Si>Fe>S 地球:FeO>Mg>Si>Ni>S>Ca>A|>Co>Na 地壳:O>Si>A>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H 与太阳系或宇宙相比,地壳和地球都明显地贫H,He,NeN等气体元素:而地壳与整 个地球相比,则明显贫Fe和Mg,同时富集Al,K和Na。这种差异说明什么呢? 由宇宙化学体系形成地球的演化(核化学)过程中必然伴随着气态元素的逃逸。而 大庆石油学院 地球科学学院
课程名称：地球化学 第 12 页 大庆石油学院 地球科学学院 元素丰度递减规律：Fe>O> Si > Mg >Ni> Ca > Al > S >Co>Na 4.地球的形成和早期分异（埃尔萨塞假说）：原始地球形成经历一段时期后，在其内部大约 几百公里深度温度达到了金属铁的熔点，游离铁发生熔融并逐渐汇聚成液态铁层。由于液 态铁的密度大于硅酸盐，液态烃层就向地球的中心下沉，形成地核。在熔铁向中心不对称 下沉时，导致较轻的硅酸盐发生不对称上升和遭受部分熔融，部分熔融的物质上升并形成 地壳。因此地壳是三大层圈中最年轻的成员（<42 亿年）。 5、地壳的化学组成 地壳分为大陆地壳、大洋地壳。大陆占地球表面积的 42%，大陆地壳的的质量占整个 地壳质量的 79%。大陆地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。 大陆地壳由演化的、低密度的岩石组成，使大陆地壳高于海平面，大陆地壳的这种演 化的成分在太阳系是独一无二的，使陆地生物空前繁荣。另外，大陆地壳的化学组成和演 化机制是认识地球总体成分、分异演化和地球动力学过程的基本化学前提。再加之大陆地 壳是人类生活和获取资源的场所，为此大陆地壳化学组成的研究自地球化学学科诞生以来 一直是研究的中心问题之一。 1) 大陆地壳化学组成的研究方法 岩石平均化学组成法：用主体代表整体，他们的思路是在地壳上部 16 公里范围内（最 高的山脉和最深海洋深度接近 16 公里）分布着 95%的岩浆岩，5%沉积岩（4%的页岩，0.75% 的砂岩，0.25%的灰岩），且沉积岩是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际 上可以代表地壳的平均化学成分。具体做法： ①在世界各大洲和大洋岛屿采集了 5159 个不同岩浆岩样品和 676 件沉积岩样品； ②对 53 种元素进行了定量的化学分析； ③其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例； ④计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。 他们的工作具有重大的意义： ①开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础； ②代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考价值。 2）其它方法：细粒碎屑沉积岩法；大陆地壳生长历史法；大陆地壳剖面法；区域大规模 取样和分析；火山岩中的深部地壳包体研究法；地球物理法。 3）综合上述各种研究方法，根据目前对地壳的认识，显然具有以下的不足之处:首先采用 的地壳的概念不统一，均未按照现代地壳结构模型来考虑；其次没有考虑岩石组成随深度 和构造单元的变化。 4) 大陆地壳的结构和组成 ①.地壳中元素的丰度特征：地壳中元素的相对平均含量是极不均一的，丰度最大的元 素是 O：47%，比丰度最小的元素 Rn 为 6x10-16 相差达 1017 倍。相差十分悬殊。 前九种元素：O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti 五种: 82.58% 前九种: 98.13% 前十五种元素占 99.61%， 其余元素仅占 0.39% 这表明：地壳中只有少数元素在数量上起决定作用，而大部分元素居从属地位。 地壳、整个地球和太阳系元素丰度排序对比： 太阳系：H>He>O> C, N > Ne > Mg, Si> Fe>S 地球： Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na 地壳： O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H 与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显地贫 H, He, Ne, N 等气体元素；而地壳与整 个地球相比，则明显贫 Fe 和 Mg，同时富集 Al, K 和 Na。 这种差异说明什么呢？ 由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着气态元素的逃逸。而
课程名称:地球化学 地球原始的化学演化(电子化学)具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表 层富集,而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中 ◆由此可见地壳元素得丰度取决于两个方面的原因:元素原子核的结构和稳定性;宇 宙物质形成地球得整个演化过程中物质得分异 ◆总之,现今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球、(地壳)的形成 和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果。 ②大陆地壳的结构特征 A大陆地壳的整体平均厚度为37km,上地壳平均厚度为12km,中地壳厚度为1lkm, 下地壳厚度为14km; B随温度增加,温度和压力增大、变质程度升高,不同深度的岩石对应不同的变质相 上地壳:绿片岩相和未变质的岩石(沉积岩和花岗岩) 中地壳:英云闪长一奥长花岗一花岗质片麻岩为主的角闪岩相岩石 下地壳:麻粒岩相岩石组成 C大陆地壳与原始地幔相比显示出明显地富集大离子亲石元素和轻稀土元素,明显地 亏损№b和T并显著富集Pb,具有岛孤岩浆岩的特征。 6地壳化学成分和元素克拉克值的地球化学意义 1)大陆地壳的化学组成对地幔分异的指示 大陆地壳是通过地幔部分熔融的岩浆向上侵入或喷出形成的,部分熔融形成地壳后残 余的地幔部分就是现在贫化或亏损的地幔。将大陆地壳的元素丰度对原始地幔标准化后的 比值可定量衡量元素的相容性。 2)地壳元素丰度在元素地球化学行为研究中的意义(详细) A控制元素的地球化学行为 元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度,从而支配元素的地 球化学行为 例如,地壳元素丰度高的K、Na,在天然水中高浓度,在某些特殊环境中,发生过饱 和作用而形成各种独立矿物(盐类矿床):而地壳元素丰度低的Rb、Cs,在天然水中极 低浓度,达不到饱和浓度,为此不能形成各种独立矿物而呈分散状态 B限定自然界的矿物种类及种属 实验室条件下,化合成数十万种化合物。自然界中却只有3000多种矿物。矿物种属 有限(硅酸盐25.5%;氧化物、氢氧化物127%:其他氧酸234%;硫化物、硫酸盐24.7%; 卤化物58%;自然元素4.3%:其它3.3%)。 为什么酸性岩浆岩的造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主?因为地壳中O,Si, Al,Fe,K,Na,Ca等元素丰度最高,浓度大,容易达到形成独立矿物的条件。 C可以为阐明地球化学省(场)特征提供标准: 例如在东秦岭地区进行区域地球化学研究表明:东秦岭是一个富Mo贫Cu的地球化学 省,Mo元素区域丰度比地壳克拉克值高23倍,而Cu元素则低于地壳克拉克值,这样的 区域地球化学背景,有利于形成Mo成矿带。Mo地壳丰度1×10°,东秦岭Mo区域丰度 2.3×106,Mo的地球化学省。 又如:克山病病区中土壤有效Mo、饮水Mo含量、主食中Mo含量普遍低于地壳背景, 导致人体Mo低水平 D限制了自然体系的状态和对元素亲氧性和亲硫性的限定 实验室条件下可以对体系赋予不同物理化学状态,而自然界体系的状态受到限制, 其中的一个重要的因素就是元素丰度的影响。例如,酸碱度PH值在自然界的变化范围比 在实验室要窄很多,氧化还原电位也是如此 在实验室条件下,化合物组成的剂量可以任意调配。在自然条件下,情况就不同了: 在地壳O丰度高,S丰度低环境下,Ca元素显然是亲氧的:在地幔,陨石缺O富S环境, 大庆石油学院 地球科学学院
课程名称：地球化学 第 13 页 大庆石油学院 地球科学学院 地球原始的化学演化（电子化学）具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表 层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。 由此可见地壳元素得丰度取决于两个方面的原因: 元素原子核的结构和稳定性；宇 宙物质形成地球得整个演化过程中物质得分异。 总之，现今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球、（地壳）的形成 和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果。 ②大陆地壳的结构特征： A 大陆地壳的整体平均厚度为 37km，上地壳平均厚度为 12km，中地壳厚度为 11km， 下地壳厚度为 14km； B 随温度增加，温度和压力增大、变质程度升高，不同深度的岩石对应不同的变质相， 上地壳：绿片岩相和未变质的岩石（沉积岩和花岗岩）； 中地壳：英云闪长－奥长花岗－花岗质片麻岩为主的角闪岩相岩石 下地壳：麻粒岩相岩石组成 C 大陆地壳与原始地幔相比显示出明显地富集大离子亲石元素和轻稀土元素，明显地 亏损 Nb 和 Ti 并显著富集 Pb，具有岛孤岩浆岩的特征。 6.地壳化学成分和元素克拉克值的地球化学意义： 1) 大陆地壳的化学组成对地幔分异的指示 大陆地壳是通过地幔部分熔融的岩浆向上侵入或喷出形成的，部分熔融形成地壳后残 余的地幔部分就是现在贫化或亏损的地幔。将大陆地壳的元素丰度对原始地幔标准化后的 比值可定量衡量元素的相容性。 2) 地壳元素丰度在元素地球化学行为研究中的意义（详细） A 控制元素的地球化学行为 元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而支配元素的地 球化学行为。 例如，地壳元素丰度高的 K、Na，在天然水中高浓度，在某些特殊环境中，发生过饱 和作用而形成各种独立矿物（盐类矿床）；而地壳元素丰度低的 Rb、 Cs，在天然水中极 低浓度，达不到饱和浓度，为此不能形成各种独立矿物而呈分散状态。 B 限定自然界的矿物种类及种属 实验室条件下，化合成数十万种化合物。自然界中却只有 3000 多种矿物。矿物种属 有限（硅酸盐 25.5%；氧化物、氢氧化物 12.7%；其他氧酸 23.4%；硫化物、硫酸盐 24.7%； 卤化物 5.8%；自然元素 4.3%；其它 3.3% ）。 为什么酸性岩浆岩的造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主？因为地壳中 O, Si, Al, Fe, K, Na, Ca 等元素丰度最高，浓度大，容易达到形成独立矿物的条件。 C 可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准： 例如在东秦岭地区进行区域地球化学研究表明：东秦岭是一个富 Mo 贫 Cu 的地球化学 省，Mo 元素区域丰度比地壳克拉克值高 2.3 倍，而 Cu 元素则低于地壳克拉克值，这样的 区域地球化学背景，有利于形成 Mo 成矿带。 Mo 地壳丰度 1×10-6，东秦岭 Mo 区域丰度 2.3×10-6， Mo 的地球化学省。 又如：克山病病区中土壤有效 Mo、饮水 Mo 含量、主食中 Mo 含量普遍低于地壳背景， 导致人体 Mo 低水平。 D 限制了自然体系的状态和对元素亲氧性和亲硫性的限定 实验室条件下可以对体系赋予不同物理化学状态，而自然界体系的状态受到限制， 其中的一个重要的因素就是元素丰度的影响。例如，酸碱度 PH 值在自然界的变化范围比 在实验室要窄很多，氧化还原电位也是如此。 在实验室条件下，化合物组成的剂量可以任意调配。在自然条件下，情况就不同了： 在地壳 O 丰度高，S 丰度低环境下，Ca 元素显然是亲氧的；在地幔，陨石缺 O 富 S 环境
课程名称:地球化学 能形成CaS(褐硫钙石 E浓度克拉克值和浓集系数 浓度克拉克值=某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值 浓度克拉克值>1意味该元素在地质体中集中了 浓度克拉克值<1意味该元素在地质体中分散了 区域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体中平均含量/某区域元素的丰度值 浓集系数=某元素最低可采品位/某元素的克拉克值,反映了元素在地壳中倾向于集 的能力,Sb锑和Hg浓集系数分别为2500和14000Fe的浓集系数为6,这说明 Fe成矿时只要克拉克值富集6倍即可。 大庆石油学院 地球科学学院
课程名称：地球化学 第 14 页 大庆石油学院 地球科学学院 能形成 CaS（褐硫钙石） E 浓度克拉克值和浓集系数 浓度克拉克值 = 某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值 浓度克拉克值＞1 意味该元素在地质体中集中了 浓度克拉克值＜1 意味该元素在地质体中分散了 区域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体中平均含量/某区域元素的丰度值 浓集系数=某元素最低可采品位/某元素的克拉克值，反映了元素在地壳中倾向于集 的能力，Sb 锑和 Hg 浓集系数分别为 25000 和 14000，Fe 的浓集系数为 6，这说明 Fe 成矿时只要克拉克值富集 6 倍即可
课程名称:地球化学 第二章元素的结合规律与赋存形式 从前一章的论述中,我们已经了解到各类陨石、陨石中的主要相(镍一铁相、硫化物 和硅酸盐相)、各类岩石、矿石和矿物等都具备不同的化学成分,它们反映出自然界各元素 的共生组合规律。在这样的基础上必然会提出以下诸问题:为什么在不同的自然对象中会 出现各自独特的元素组合?为什么某些元素倾向集中于硅酸盐相中,而另外的元素则倾向富 集于硫化物相或镍一铁相中?以及为什么某些元素总是互相紧密共生,而另外一些元素则 很少彼此相伴出现呢?这些都涉及到元素在自然条件下的结合规律问题,并同元素及由元素 组成的分子和晶体的性质紧密相关。此外还与元素的丰度有关,因为丰度约東了浓度,而 化学反应又受制于浓度,元素的结合规律与赋存形式又受制于丰度。 21元素的结合规律和自然体系及自然作用产物的特征 1地球化学体系的特征 1)温度、压力等条件的变化幅度有限 -80~1800摄氏度0.0n~10Pa(十万个大气压),在实验室条件下可从0K到5× 104,压力可从真空到120万个大气压 2)多组分的复杂体系92种元素和354种核素,但浓度(丰度)相差悬殊,而化学反 应受制于浓度,因此制约了某些化学反应的发生:此外∑阴离子<∑阳离子,制约了某些 元素的结合方式 3)体系是开放的,体系不断进行物质与能量交换,地球化学作用具有分阶段单向演化 的特征:化学反应受动力学和热力学控制,自然作用过程具有不可逆性和不彻底性 2.自然过程产物的特征 1)自然稳定的化合物和单质的种类有限:矿物总数大约7大类、200族数、3000多种 2)元素形成自然分类组合的化合物系列,形成特征各异的有规律的共生元素组合 3)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。 3.元素结合规律的微观控制因素 (1)体系的组成(系统的元素丰度):体系中各元素间存在丰度的差异,使元素间的结合 有一定的倾向性 (2)体系状态的稳定性:体系的能量愈低体系的状态愈稳定。元素结合的电负性(X)、 电离势(Ⅰ)、电子亲和能(E)、晶格能(U)等能量参数决定了元素结合的可能性和形成 化合物的稳定性 元素本身性质(结构):从能量的侧面(衡量元素结合的能量参数) a电负性(X):用它来表示原于在分子中吸引电子的能力大小,或中性原子得失电子的难 易程度。一般说来,非金属的原子夺取电子的本领大于金属元素的原子。由表2.3列出了 元素的相对电负性,以X1=10和XF=40:金属的电负性一般在20以下,非金属的电负 性一般在20以上。电负性越大的原子,吸引电子的本领越大。 b电离能(D:原子的第一电离能I就是气态原子失去一个电子成为气态一价阳离子所需 的能量。第二电离能就是一价阳离子再失去一个电子而成为二价阳离子所需的能量,其余 类推。电离能是原子核吸引电子牢固程度或原子丢失电子难易的度量。 在周期表中,第一电离能I,在同一周期内一般随原子序数增加而逐步增大;在同 主族元素中则是由上往下逐个降低 电离能在很大程度上决定着元素的金属性和非金 属性。一般规律是,电离能愈低,元素的金属性愈强,非金届性愈弱:反之亦然。 c电子亲和能(E):与电离能恰好相反,元素原子的第一电子亲和能是指一个基态的气态 原子得到一个电子形成气态阴离子所释放的能量。元素原子的第一电子亲合能一般都为负 值,因为电子落人中性原子的核场里势能降低,体系能量减少。唯希有气体原子(nsnp°) 大庆石油学院 地球科学学院
课程名称：地球化学 第 15 页 大庆石油学院 地球科学学院 第二章 元素的结合规律与赋存形式 从前一章的论述中，我们已经了解到各类陨石、陨石中的主要相(镍一铁相、硫化物 和硅酸盐相)、各类岩石、矿石和矿物等都具备不同的化学成分，它们反映出自然界各元素 的共生组合规律。在这样的基础上必然会提出以下诸问题：为什么在不同的自然对象中会 出现各自独特的元素组合?为什么某些元素倾向集中于硅酸盐相中，而另外的元素则倾向富 集于硫化物相或镍一铁相中？以及为什么某些元素总是互相紧密共生，而另外一些元素则 很少彼此相伴出现呢?这些都涉及到元素在自然条件下的结合规律问题，并同元素及由元素 组成的分子和晶体的性质紧密相关。此外还与元素的丰度有关，因为丰度约束了浓度，而 化学反应又受制于浓度，元素的结合规律与赋存形式又受制于丰度。 2.1 元素的结合规律和自然体系及自然作用产物的特征 1.地球化学体系的特征 1) 温度、压力等条件的变化幅度有限 -80～1800 摄氏度 0.0n～1010Pa（十万个大气压），在实验室条件下可从 0 K 到 5× 104，压力可从真空到 120 万个大气压。 2) 多组分的复杂体系 92 种元素和 354 种核素，但浓度（丰度）相差悬殊，而化学反 应受制于浓度，因此制约了某些化学反应的发生；此外∑阴离子＜∑阳离子，制约了某些 元素的结合方式。 3) 体系是开放的，体系不断进行物质与能量交换，地球化学作用具有分阶段单向演化 的特征；化学反应受动力学和热力学控制，自然作用过程具有不可逆性和不彻底性。 2. 自然过程产物的特征 1) 自然稳定的化合物和单质的种类有限；矿物总数大约 7 大类、200 族数、3000 多种。 2) 元素形成自然分类组合的化合物系列，形成特征各异的有规律的共生元素组合； 3) 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。 3.元素结合规律的微观控制因素： （1）体系的组成（系统的元素丰度）：体系中各元素间存在丰度的差异，使元素间的结合 有一定的倾向性。 （2）体系状态的稳定性：体系的能量愈低体系的状态愈稳定。元素结合的电负性（X）、 电离势（I）、电子亲和能（E）、晶格能（U）等能量参数决定了元素结合的可能性和形成 化合物的稳定性。 元素本身性质（结构）：从能量的侧面（衡量元素结合的能量参数）： a 电负性（X）：用它来表示原于在分子中吸引电子的能力大小，或中性原子得失电子的难 易程度。一般说来，非金属的原子夺取电子的本领大于金属元素的原子。由表 2.3 列出了 元素的相对电负性，以 Xli＝1.0 和 XF＝4.0；金属的电负性一般在 2.0 以下，非金属的电负 性一般在 2.0 以上。电负性越大的原子，吸引电子的本领越大。 b 电离能（I）：原子的第一电离能 I1 就是气态原子失去一个电子成为气态一价阳离子所需 的能量。第二电离能就是一价阳离子再失去一个电子而成为二价阳离子所需的能量，其余 类推。电离能是原子核吸引电子牢固程度或原子丢失电子难易的度量。 在周期表中，第一电离能 I1，在同一周期内一般随原子序数增加而逐步增大；在同一 主族元素中则是由上往下逐个降低。 电离能在很大程度上决定着元素的金属性和非金 属性。一般规律是，电离能愈低，元素的金属性愈强，非金届性愈弱；反之亦然。 c 电子亲和能（E)：与电离能恰好相反，元素原子的第一电子亲和能是指一个基态的气态 原子得到一个电子形成气态阴离子所释放的能量。元素原子的第一电子亲合能一般都为负 值，因为电子落人中性原子的核场里势能降低，体系能量减少。唯希有气体原子(ns2np6 )