(理学)中国地质大学 2012春 地球化学课件第2章

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1、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的结合规律受体系中元素种类和相对丰度控制;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主要包括原子(离子)半径、配位数、原子和离子的极化、最紧密堆积等。元素的结合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。元素结合规律的主要控制因素有以下几方面(宏观和微观)：体系组成(系统的元素丰度)：体系各元素之间存在丰度差异，使元素间结合有一定倾向性。体系状态的稳定性：能量愈低体系状态愈稳定。元素

2、电负性、电离能、电子亲和能、晶格能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；晶体结构稳定性：微观上是保持晶体结构稳定的因素，包括化学键的方向性和离子间的最紧密堆积等。宏观上是有利晶体结构稳定的热力学条件。晶体中原子或离子之间的成键类型和强度是影响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、或热膨胀系数等直接与键力大小有关。一般来说：平均键力越强，晶体硬度越大，熔点越高，热膨胀系数越小。2.3.1.1原子间结合方式—化学键类型2.3.1决定元素结合的基本规律石墨和金刚石的成分都是C，二者结构差异悬殊。金刚石是自然界中最硬的物质，原因就是联系碳原子

3、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:离子键、共价键、金属键、分子键、氢键成键原子能量示意图原子A和B，红色圆球示价电子，阴影区表示价电子云，根据它们的电负性吸引电子，(a)不成键原子的分离；(b)A和B电负性相近，电子之间形成共价键；(d)A和B电负性差值较大，形成完全离子键，A为阴离子，B为阳离子；(c)A和B电负性差值中等(XA>XB)形成部分离子键，部分共价键，A带部分负电荷，B带部分正电荷；注意因电负性差异价电子位置的变化(电子云

4、分布)；:::2.3.1.2元素成键规律1.元素的电负性(X)及其意义原子本身是一个微观物理化学体系,它与环境，如化合物晶格，进行物质和能量的交换，并自发调整其内部结构和电子运动状态，力求与所处环境达到平衡。原子的这种性质可以理解为原子在化合反应中表现的“自恰性”(Self-Consistency).可以用多种物理化学参数度量每一原子适应外界条件变化的应变能力，最常用的是元素的电负性。电负性在地球化学中的意义1).说明元素的地球化学性质和行为根据周期表各族元素电负性与氢的电负性比较,可以划分元素在化学反应中的酸碱性特征。元素的电负性包含着其在自然反应中表现酸碱度的标度，从而

5、作为基本性质决定其迁移性质和赋存形式。表2.6元素电负性表F电负性最高(X＝3.9),Cs最低(X＝0.7)，氟是最强的氧化剂，具有最高电离能和电子亲和能，保持本身电子能力最强，还有很强的从其它原子夺取电子的能力，为强电负性元素，酸性也最强，Cs既不能夺取电子，电离能很低还极易失去电子，为强电正性元素，碱性也最强。H、B、Si、As、Te到Po、At为一条X=1.8-2.1的对角线，是金属与非金属的分界线，他们同氧化合时与氧争夺电子的能力与氢相同，表现为两性，构成元素酸碱性的分界线。X<2的元素给出电子，呈简单碱性阳离子存在。X>2的元素与氧共用电子形成酸根配离子，显酸性；因此

6、电负性能够反映元素在化学反应中表现出的原子电子层结构特征，包含着元素在天然结合习性中有重要意义的亲和性(键性)和酸碱性；周期表由左到右X值增大,与同一周期元素从碱到酸的变化一致；铂族元素为明显的化学惰性，电离能很高，属于电正性元素，即不能夺取电子。反映了长周期元素电子构型为充满或接近充满的d亚层的基本特征；.周期表右半部从H、B、Si、As、Te到Po，At为一条X＝1.8－2.1的对角线，是金属与非金属的分界线，这些元素同氧化合时与氧争夺电子的能力与氢相同，化学上表现为两性，构成元素酸碱性的分界线；X>2的元素与氧共用电子形成酸根配离子,显酸性，X<2的元素给出电子,呈简单碱

7、性阳离子形式存在；2).判断化学键类型的法则由于化学键类型主要取决于电子云的偏离和重叠程度,因此可以用相互结合原子间的电负性差异来判断化学键类型.鲍林(Pauling1960)指出互相化合两个原子间形成化合键性质与其电负性差有关,并归纳出应用电负性差值△X估计化合物键性离子-共价键比例的经验公式和曲线,将给定化合物阴阳离子电负性差值△X投点于图2.9曲线可求出化合物离子键成分百分比i。P为化学键中离子键成分的百分数戴安娜(1981)提出判断化学键类型的新准则；如已知相互结合原子间的电负性差值