为什么地壳(和海洋)中的钙比其他地方丰富得多?(相对而言…)

Question

在整个地球内部，在我们的太阳系和银河系中，镁的原子数量至少是钙的14倍(或更多)。

但是，在地壳和海洋中，钙的原子含量至少和镁一样多....

为什么会这样?钙密度更大/更重....它们都是2族....

Answer 1

这里需要考虑两个因素。镁离子更小，因此形成更紧凑的配方单位，它们也经常与铁离子混合，这使得配方单位的重量比你想象的要重。与含钙较多的岩石(即使是基性岩石)相比，富含镁的基性岩石也含有铁和致密离子，确实会增加重量，而且往往会更深地沉入地壳和地幔。

虚假交易

镁可以形成比钙更轻的原子，但它也可以形成更小的原子——尤其是当金属形成阳离子时，就像在最常见的矿物质中，金属与氧结合。所以镁化合物的分子式重量更小但体积也更小。如果我们比较相应的钙和镁化合物的密度，我们会发现这些影响几乎抵消了。这些例子的数据来自维基百科:

${曹}$ \文本：3.34 g / cm³

${分别}$ \文本：3.6 g / cm³

$ {Ca} _2 \ \文本文本{SiO} _4 $：3.28 - -3.33 g / cm³(斜硅钙石)

$ {Mg} _2 \ \文本文本{SiO} _4 $：3.21 - -3.33 g / cm³(镁橄榄石)

因此，在一个镁质岩石不含铁的世界里，总体上只有很小的密度差异。啊，但是他们有。

绿色环保，但行李沉重

为什么翡翠通常是绿色的?最常见的玉石矿物是软玉它主要是一种微水合的钙镁硅酸盐，其中混合了少量铁，至少在铁含量低的情况下，才会出现绿色。的这种矿物的配方很拗口:$ {Ca} _2 \ \文本颜色{绿}{\文本{(毫克、铁)}}{Si} _8 _5 \文本文本\ {O} _ {22} {(OH)}美元_2 \文本。正如文中用合适的绿色表示的那样，铁与镁混合在一起，而不是与钙混合在一起。同样的道理也适用于更简单的，也是绿色的，橄榄石，${(毫克、铁)}\文本文本_2 \ {SiO} _ {4} $不过橄榄石比软玉含有更多的铁。

镁和钙都属于第2族，都形成带+2电荷的离子。但单凭这一点并不意味着它们在矿物结构中是混合的。为了很好地适应精确的、紧密排列的固相，离子不仅必须在晶格位置上具有一致的电荷，它们还必须具有一致的尺寸。钙离子，离子半径为114pm(离子半径数据来自维基百科)，它们太大了，不适合半径为8pm的镁离子。在高自旋状态下带+2电荷的铁(过渡金属的氧化物通常有高自旋离子)在下午92点进入，虽然不完美，但与镁的电荷/尺寸相似得多。绿玉中的软玉只有少量的铁，而橄榄石可以从橄榄石中获得全方位的铁/镁比($ {Mg} _2 \ \文本文本{SiO} _4 $)到黑暗的恶魔$ \文本{菲}{SiO} _4 $ _2 \文本,要匹配的密度范围很广——从3.2到4.5 g/cm³。这个范围超过了我们之前在没有铁的情况下看到的钙和镁化合物之间的微小差异。

因此，铁和镁常见的小离子尺寸与铁相对较重的原子量相结合，使富镁岩石的铁含量足够高，并且排列紧密，从而使它们的重量下降。钙从自身的离子中增加了额外的体积，并在矿物晶格的晶格位置保留了游离的铁，因此含钙矿物密度较低，倾向于漂浮到地壳(甚至大陆地壳)中。

地球上的精华

这个答案可以和那个答案相比较在这里关于火星地壳在那里，我们发现镁相对于钙更多。虽然上面描述的钙与镁/铁的分异发生在那里，但缺乏特定的大陆地壳意味着分异较少。因此，与地球地壳相比，火星地壳的组成更接近富含镁和铁的地幔。