元素的性质和分类

上一篇 / 下一篇  2011-03-30 14:25:12

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  不相容元素 incompatible elements

  又称湿亲岩浆元素(hy-gromagmatophile elements),在岩浆或热液的矿物结晶过程中趋向于在液相中富集的某些微量元素(如Sn、Li、Rb、Sr、Cs、Be、Ba、Zr、Hf、Nb、 Ta、Th、u和稀土元素)。因其浓度低,不能形成独立矿物相。因受其离子半径、电荷和化合键所限,很难进入造岩矿物晶体结构中,而在残余岩浆或热液中相对富集。其固——液相分配系数近于零。元素的不相容性可因结晶条件的不同而改变。

  相容元素 compatible elements

  在岩浆或热液中的某些微量元素(如Cr、Ni、Co、V等)。在矿物结晶过程中趋向于在早期固相中富集。因其浓度低,不能形成独立矿物,但其离子半径、电荷、晶体场等晶体化学性质与构成结晶矿物的主要元素相似,故在固——液相反应或平衡中易于呈类质同象形式进入有关矿物相。其固——液相分配系数明显大于 1。元素的相容性可因结晶条件的不同而改变。

  高场强元素 high field-strength elments (HFSE)

  离子电价较高、半径较小、具有较高离子场强(为离子电价与半径之比)的元素,典型代表为Nb、Ta、zr、Hf、Th等。这些元素地球化学性质一般较稳定,不易受变质、蚀变和风化作用等的影响,因此常用来恢复遭后期变化岩石的原岩性质。

  指离子半径小、离子电荷大、离子电位(2/R)大于3的元素,如钍、铌、钽、磷、锆、铪、稀土元素等。

  亲石元素 lithophile elements

  与氧亲和力强,自然界主要以硅酸盐或其他含氧盐和氧化物集中于岩石圈中的元素。

  这些元素离子的最外层多具有8个电子层结构,氧化物的形成热大于氧化铁的形成热,包括周期表中二、三周期(除氮、硫外)、四至七周期中I、II族主族、 IV~VI族副族(除钼)与VII族中的锰等元素。其中离子半径大的亲石元素称为大离子亲石元素(large-ion lithophile element LILE),包括钾、铷、钙、锶、钡、铊等。

  主要富集于地壳及酸碱性岩中,也称为造岩元素(如O、Si、Al、K、Na、Ca、Mg、Li、Rb、Be、Sr、Ba等)。

  碱土金属与碱金属元素都属于亲石元素,主要为成岩元素,Li、Be产于伟晶岩中;Na、Mg、Al、Si、K、Ca一般岩石矿物的主要组成元素;Rb、 Cs、Sr、Ba、稀有金属可以形成独立矿物。一些放射性元素U、Th、Ra也主要与亲石元素共生,尤其是与碱性岩元素共生。一些稀有元素,Sc、Y、 Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、REE,一般形成氧化物,可以形成独立矿物或作为伴生微量元素出现。

  过渡元素 transition elements

  过渡元素是指元素周期表中d区的一系列金属元素,又称过渡金属。一般来说,这一区域包括3到12一共十个族的元素,但不包括f区的内过渡元素。

  “过渡元素”这一名词首先由门捷列夫提出,用于指代8、9、10三族元素。他认为从碱金属到锰族是一个“周期”,铜族到卤素又是一个,那么夹在两个周期之间的元素就一定有过渡的性质。这个词虽然还在使用,但已失去了原意。

  过渡金属元素的一个周期称为一个过渡系,第4、5、6周期的元素分别属于第一、二、三过渡系。

  性质

  过渡金属由于具有未充满的价层d轨道,基於十八電子規則,性质与其他元素有明显差别。

  由于这一区很多元素的电子构型中都有不少单电子(锰这一族尤为突出,d5构型),较容易失去,所以这些金属都有可变价态,有的(如铁)还有多种稳定存在的金属离子。过渡金属最高可以显+7(锰)、+8(锇)氧化态,前者由于单电子的存在,后者由于能级太高,价电子结合的较为松散。高氧化态存在于金属的酸根或酰基中(如:VO43−钒酸根,VO22+钒酰基)。

  对于第一过渡系,高氧化态经常是强氧化剂,并且它们都能形成有还原性的二价金属离子。对于二、三过渡系,由于原子半径大、价电子能量高的原因,低氧化态很难形成,其高氧化态也没有氧化性。同一族的二、三过渡系元素具有相仿的原子半径和相同的性质,这是由于镧系收缩造成的。

  由于空的d轨道的存在,过渡金属很容易形成配合物。金属元素采用杂化轨道接受电子以达到16或18电子的稳定状态。当配合物需要价层d轨道参与杂化时,d 轨道上的电子就会发生重排,有些元素重排后可以使电子完全成对,这类物质称为反磁性物质。相反,当价层d轨道不需要重排,或重排后还有单电子时,生成的配合物就是顺磁性的。反磁性的物质没有颜色,而顺磁性的物质有颜色,其颜色因物质而异,甚至两种异构体的颜色都是不同的。一些金属离子的颜色也是有单电子的缘故。

  大多数过渡金属都是以氧化物或硫化物的形式存在于地壳中,只有金、银等几种单质可以稳定存在。

  最典型的过渡金属是4-10族。铜一族能形成配合物,但由于d10构型太稳定,最高价只能达到+3。靠近主族的稀土金属只有很少可变价态。12族元素只有有可变价态,锌基本上就是主族金属。由于性质上的差异,有时铜、锌两族元素并不看作是过渡金属,这时铜锌两族合称ds区元素。


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