地球化学作业习题(含标准答案)

地球化学作业习题

1、为什么硅酸盐矿物中 K 的配位数经常比 Na的配位数大？

答： K 和 Na都属于碱性元素，其离子半径分别为： 1.38A 和 1.02A(Krauskopf et

al,1995) 或

1.59 和 1.24A(Gill,1996) 。以与阴离子 O2-结合为例， O2-离子半径 1.40A(Krauskopf et

al,1995)

+ 2- + 2-

或 1.32(Gill,1996), 根据阳离子与氧离子半径比值与配位数关系，K+/O2-＝ 0.9857, Na+/O2-

=0.7286 ，

由于等大球周围有 12 个球，而在离子晶体中，随阳离子半径的较小，为达到紧密接触，因此配位数也要减少，因此，在硅酸盐矿物中 K 的配位数经常比 Na的配位数大，前者与氧的配位数为

8， 12，

而后者为 6,8 。

2、Zn2+和 Mg2+的离子半径相近，但在天然矿物中，前者经常呈四面体配位，后者则常呈八面体配位，为什么？

答：这是由于二者地球化学亲和性差异造成的， Mg2+离子半径 0.72A ，Zn2+离子半径≈

0.70A ，

二者离子半径相近，但是前者的电负性为 1.2, 后者电负性为 1.7 ，在与氧形成的化学键中，前者 71% 为离子键成分，后者离子键成分仅为 63%。前者易于亲氧，后者则是典型的亲硫元素。根据确定配

位数的原则， Zn2+/S2-＝0.41(Krauskopf et al,1995) ，因此闪锌矿形成典型的四面体配位，而后者

2+ 2-

Mg2+/O2-=0.51 ，因此呈八面体配位。

林伍德电负性法则 - 具有较低电负性的离子优先进入晶格当阳离子的离子键成分不同时，电负性较低的离子形成较高离子键成分 ( 键强较高 ) 的键，它们优先被结合进入矿物晶格，而电负性较高的离子则晚进入矿物晶格。例如，Zn2+的电负性为2+ 2+

857.7kJ/mol ，Fe2+的电负性为 774 kJ/mol ，而 Mg2+的电负性为 732 kJ/mol ，用林伍德法则判断，三个元素中 Mg2+和 Fe2+优先进入晶格组成镁铁硅酸盐， Zn2+则很难进入早期结晶的硅酸盐晶格，这与地质事实十分吻合。电负性决定了元素之间相互化合时的化学键性，因此可以用电负性

大小来衡量离子键的强弱，由此判断元素进入矿物晶格的先后顺序。 Zn2+(0.083nm) 与

Mg2+(0.078nm) 、Fe2+(0.083nm) 的离子性质很相似，若按戈氏法则从相互置换质点间的电价和半经的角度进行判断，Zn2+应于早期进

入铁镁硅酸盐晶格。由于 Zn2+的电负性较大，化合时共价键性较强，难于以类质同象方式进入

Fe2+

和 Mg2+结晶矿物中， Zn2+往往在硅酸盐熔体晚期结晶形成ZnSiO4(硅锌矿 ) 和 Zn4[Si 2O7][OH]

2.2H2O)( 异

极矿 ) 等矿物。林伍德电负性法则更适合于非离子键性的化合物。

3、指出下列微量元素经常会类质同象替代硅酸盐矿物结构中的哪种主要元素：

(1)Rb,(2)Sr,(3)Ga,(4)Ti,(5)Li,(6)Ba,(7)Ge,(8)REE,(9)Pb,(10)Ni,(11)Mn. 答：

(1)K,(2)Ca,(3)Al,(4)Mg,Fe,Al,(5)Mg,(6)K,(7)Si,(8)Ca,(9)K,(10)Mg,(11)Mg,Fe.

4.下列矿物键的类型是什么 ?(1) 所有键都是离子键 ;(2) 所有键都是共价

键;(3) 部分键为离子键 ,部分为共价键 :(a) 磷灰石 ;(b) 黄铜矿 ;(c) 萤石 ;(d) 自然

砷 ;(e) 尖晶石

(a) 离子键，共价键； (b) 共价键； (c) 离子键； (d) 共价键； (e) 离子键。

讨论题

1、为什么碱性长石 (钠长石、正长石、微斜长石 ) 之间可以形成共生结构 ( 条纹长石

或反条纹长石 ) ，而在斜长石中却不能？

答：这与 K和 Na的化学性质有关。二者的离子半径分别为： 1.38A 和

1.02A(Krauskopf et

al,1995) ，因此离子半径差 >15%，因此二者的类质同象替代为高温下形成完全类质同象,

低温时形成

不完全类质同象 , 固溶体发生分解。实验表明 (Krauskopf et al,1995) ，二者的溶离线

临界温度约为 700℃，在此温度之上， KAlSi 3O8与 NaAlSi 3O8二者呈完全类质同象，形成

完全的固溶体系列，一旦温度降低至溶离线临界温度之下，类质同象混合物发生分离－出

溶，形成熟知的富 K 和富 Na长石的条纹或反条纹长石，条纹长石以钾长石为主含有少量

钠长石的条纹，反条纹长石则以钠长石为主含有少量钾长石的条纹。而斜长石可以认为是

一种异价类质同象的连续系列，因此不会形成交生结构。

2、为什么结构与硅酸盐类似的碳酸盐没有形成种类复杂的碳酸盐矿物？( Krauskopf et

al.,1995 )

答：构成硅酸盐的主要元素 Si 是一种非金属元素它组成 SiO44-四面体，如形成橄榄石

Mg2SiO4，其特征更由 Mg2+和 CO32－组成的菱镁矿，这样看，其结构化学并不比硫酸盐中的

S、磷酸盐中的 P和碳酸盐中的 C更复杂。那么为什么这种特殊的非金属元素形成的矿物种数达800 余种，

而碳酸盐矿物只有 80余种？要点： (1) 虽然 Si 是非金属元素，但其性质确处在非金属和金属之间。如同 Al 、Mg等元素一样， Si 也可以与 O离子连接在一起，形成石英等矿物，又如同C和 S等非金属元素形成由自身构成的挥发组分的氧化物， Si 不能形成挥发组分化合物，但它确实具有非金属的行为，以简单阳离子的形式进入橄榄石的晶格。 Si 的这种双重性可以说明自然界硅酸盐结构的多样性。 (2) 从 Si 元素化学性质上分析。 Si 4+的大小处在最小的金属离子Ti 4+和 Al 3+和最大的多价态非金属离子 (P5+和 S6+) 之间。如果 Si 离子小，能够更有效极化氧离子使其变形并绕其紧密接触，形成含自身元素的分子或阴离子。如果 Si 更大，对氧的吸引力减弱，在金属氧化物晶体的格架中形成各自独立的单元。这种中间大小的特征使得Si 在晶体结构中具有履行任何功能的作用。 (3) 在硅酸盐中 Si 离子总是被四面体角顶的氧离子包围，这种四面体可以是独立的阴离子，也可以以各种方式联系在一起。这种联系就意味着在特定四面体中一个或多个氧也是邻近四面体的组成部分，由这种连接就构成了多种多样可能的硅酸盐结构。包括：独立四面体结构－岛状硅酸盐－如橄榄石，多四面体结构矿物。 2～ 6 个四面体连接在一起形成大的独立阴离子－双岛状硅酸盐矿物，如异极矿－

Zn4Si 2O7(OH)2H2O等，环状硅酸盐矿物－绿拄石等，链状硅酸盐－单链和双链硅酸盐矿物，层状硅酸盐、架状硅酸盐等等。

1、据研究， 23.5 亿年前的新太古代 - 古元古代，大气几乎完全由 CO2构成， P CO2≤ 1bar 。

试根据自然水中 CO2的电离平衡计算当时雨水的 pH值。?设当时p CO2＝1, 可以计算得雨水的pH=3.95。

2、夏天和冬天相比，河水中的 pH 值是升高还是降低？为什么？白天和夜晚相比，湖水的pH 值是升高

还是降低？为什么？ (6 分) 答：夏天植物的光合作用比冬天更强，据化学反应方程: H2O+CO2 H2CO3 HCO3- +H+, 溶解在水中的 CO2被植物吸收，导致水中 H＋离子浓度降低，因此夏天水中 pH 值升高。白天植物的光合作用吸收CO2，使得水中的 pH 值增大，而在夜晚植物和动物的呼吸产

生 CO2，CO2因此夜晚湖水中的 pH值减小 (Krauskopf et al.,1995) 。