Планетарната еволюция на

Първият вариант на Периодичната система, който ще разгледаме, е представен на фиг. 7.1. Спектърът на цветовете съответства на количеството на химичните елементи в литосферата. Той е твърде широк - обхваща десет порядъка (от n10¹ до n10^-8 тегл.%), без да се броят изклю­чи­телно слабо разпространените елементи като радий, проактиний и др. Най-разпространения елемент - кислородът, изгражда почти 47% от ма­са­та на литосферата, а реният - само 7 стомилионни части от процента, или на един грам рений в литосферата съответстват около 800 тона кислород. Следователно химичните елементи са разпространени в литосферата изключително неравномерно. Първите три елемента (кисло­род, силиций и алуминий) изграждат 82,4% от масата на литосферата, пър­ви­те осем - 98,9%, първите дванадесет - 99,79%, а на останалите елементи се падат само 0,21%. Количествените съотношения на елементите са пока­зани в обобщен вид на кръгови диаграми (фиг. 7.2.).

Нека видим има ли някякви закономерности в изключително нерав­но­мер­ното съдържание на химичните елементи. Периодичната система от фиг. 7.1. може да се раздели на три полета. В горната част преобладават червените и жълти цветове, съответстващи на най-високите съдържания - от няколко десетки процента до стотни от процента. Долната част от Периодичната система включва по-слабо разпространени елементи. В лявото поле съдържанията са от порядъка n10^-2 - n10^-4, а в дясното - от порядъка n10^-5 - n10^-7, т.е. в него са съсредоточени най-слабо раз­про­стра­не­ни­те елементи на литосферата. Съществува още една закономерност, известна като правило на Одо-Харкинс - обикновено елементите с четен пореден номер са по-разпространени от своите съседи с нечетен пореден номер. Тя може да се проследи на фиг. 7.1. и по-детайлно - на фиг. 7.3. Отбелязаните закономерности се формулират по следния начин:

1) Леките елементи, с малък ядрен заряд, са по-разпространени от тези с голям заряд.

2) Eлементи с четен пореден номер, т.е. с четен брой протони, са по-разпространени от съседите си с нечетен номер.

3) Тежките елементи от лявата част на Периодичната система са по-разпространени от тези в дясната част.

Първите две закономерности са свързани с ядрените свойства на атомите и с процесите на космичен ядрен синтез (произхода на еле­мен­ти­те). Както е известно, ядрата на атомите се състоят от положително заредени частици (протони), между които освен ядрените сили на сцеп­ле­ние, зависещи от дефекта на масата, съществуват и електростатични сили на отблъскване поради едноименния заряд. Колкото повече протони има ядрото, толкова по-нестабилен е атомът. Като противодействие на отблъскването в ядрото нараства броят на неутроните. Неутроните нямат електрически заряд и между тях съществуват само сили на сцеп­ле­ние. Отношението между протоните и неутроните се изменя от 1:1 при ато­мите от началото на Периодичната система до 1:1,5 при тези от края на системата. Неустойчивостта на ядрата с голям заряд е двойно препятствие за тяхното разпространение. От една страна такива ядра се синтезират много трудно и от друга - те са склонни да се разпадат само­про­изволно и изчезват, превръщайки се в ядра с по-малък заряд. Саморазпадащите се, т.е. естествено радиоактивни елементи са най-чести именно в долната част на Периодичната система, където са най-слабо разпространените елементи. Всички елементи след номер 83 имат само радиоактивни изотопи и ако Земята можеше да просъществува достатъчно дълго, земната Периодична система би завършвала не с урана, а с оловото и бисмута. Радиоактивните ядра с малък период на полуразпадане вече са успели да изчезнат напълно от нашата планета. Например на Земята е съществувал изотоп на йода I¹²⁹, който за четирите и половина милиарда години от възникването на планетата до сега се е разрушил напълно, превръщайки се в благородния газ Xе¹²⁹. Представа за трудностите, с които се сблъсква самият синтез на тежки ядра, осъществяващ се при свръхвисоките температури и налягания на звездните взривове, дава отбе­ля­заният в гл.3 факт, че в нашата Галактика, съдържаща около 150 ми­лиар­да звезди, се взривяват годишно 25 нови, а свръхновите са само три на хи­ля­да години. Сред леките елементи единствено литият, берилият и борът не се подчиняват на посочената закономерност. Техният дефицит е свързан с активното им консумиране при реакциите на синтез на хелий от водород в ядрата на звездите.

Голямата разпространеност на четните елементи вироятно е свър­за­на с вътрешния строеж на ядрото. То се състои от отделни слоеве, които са особено устойчиви при запълване с определен оптимален брой частици. Най-разпространени и устойчиви са елементите, в които броят на ядрените частици отговаря на т.нар. магически числа - 2, 8, 14, 20, 28, 50 и 82 за протоните и 2, 8, 14, 20, 28, 50 82 и 126 за неутроните. Сле­до­ва­тел­но особено благоприятен фактор е четното масово число, обусловено от че­тен брой протони и неутрони.

Връзката между разпространението на елементите и величината и четността на техния заряд е илюстрирана на логаритмичните криви от фиг.7.3. Повечето от елементите се разполагат около една средна линия, която показва закономерното понижение на разпространението с нараст­ва­не­то на ядрения заряд. Двете криви - на четните и нечетни елементи са закономерно отместени една спрямо друга, показвайки по-голямото раз­про­стра­нение на четните елементи. На фона на общата тенденция се наб­лю­да­ват елементи, които силно се отклоняват нагоре и надолу т.е. явяват се в излишък или недостиг в сравнение със средното ниво на разпространение. Ясно се проследява връзката между максимумите на разпространение и ма­ги­ческите числа. Подчертаният дефицит на благородните газове се обяснява със загубата им по време на формиране на планетата. Грави­та­цион­ното поле на Земята се е оказало недостатъчно и под влияние на потока от корпускулярни частици(т.нар. слънчев вятър) благородните га­зо­ве са мигрирали в областта на гигантските планети на Слънчевата сис­тема.

Ферсман отделя изключително голямо внимание на проблема за чет­ността на елементите и нейните геохимични следствия, но трябва да се помни, че ядрените свойства са фактори, обуславящи преди всичко кос­мич­ното разпространение на елементите. Разпространението на химич­ни­те елементи в Земята и особено в литосферата се влияе от редица допъл­ни­телни фактори - от процесите на диференциация на космично вещество при формирането на Слънчевата система (какъвто е случаят с благородните газове) и от по-късното преразпределение на химичните еле­мен­ти в термодинамичното поле на Земята. Например третата от отбе­ля­заните по-горе закономерности е свързана с топенето и дегазацията на горната мантия и формирането на външните геосфери, включително пре­ра­бот­ването на първичната кора. В литосферата се натрупват елементите с подчертано сродство към кислорода и алумосиликатните кислородни радикали. Това са т.нар. литофилни елементи (по терминологията на Голдшмидт), които се разполагат в лявата част на Периодичната сис­тема. Диспропорцията в разпределението на тежките елементи от лявото и дясното поле на Периодичната система е планетарно явление, обусловено от миграцията на елементите и зависи всъщност не от ядрените , а от елек­тронните свойства.

Всички елементи са от началните периоди на системата и се ха­рак­те­ризират с малък ядрен заряд (8-26) и електронни обвивки с два до четири слоя. Изолирането и групирането на клетките на петрогенните елементи в Пе­рио­дичната система отразява закономерни различия и сходства в електрон­ната конфигурация на атомите им. От своя страна електронната конфигурация определя различията и общността в свойствата на елементите.

а) Група на натрия, калия, магнезия и калция. Най-съществените особености на атомния строеж на тези елементи са наличието на един или два s-електрона със сферична симетрия на орбиталата във външния слой, стабилната конфигурация тип благороден газ ns²np⁶ на предпоследния слой, отличаваща се със силен екраниращ ефект и минималният ядрен заряд, в сравнение с останалите елементи, разполагащи се в същия период. Тези особености обуславят възможните степени на окисление (+1 при Na и K и +2 при Mg и Ca) и сравнително слабото взаимодействие на външните електрони с ядрото, откъдето произтичат ниските йонизационни потенциали I_n и слабото сродство към електроните в химичните съединения (т.нар. електроотрицателност ЕО). Ниската електро­отри­ца­тел­ност на разглежданите елементи обуславя тяхната склонност към йонен тип връзки и техния силно изразен метален характер. Размерите на йонните радиуси закономерно нарастват във вертикална посока при прехода Na-K и Mg-Ca поради увеличението на броя на електронните слоеве и също така закономерно се понижават в хоризонтална посока при прехода Na-Mg и K-Ca. Поради наслагането на две противоположни тенденции, елементи­те, разположени по диагоналите на Периодичната система - нат­рий и кал­ций, се оказват с практически еднакви йонни радиуси и близки стойности на ЕО. Тази особеност, за първи път отбелязана от Ферсман като правило на диагоналите, има изключително важни за геохимията следствия.

б) Желязо. Атомът на желязото се характеризира с три типа орбитали – сферични s, изтеглени в една посока – p и изтеглени в две посоки – d. Електронната му конфигурация е 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Желязото при­над­лежи към т.нар. преходни или d-елементи, при които става запълване на d-орбиталите на предпоследния слой. Наличието на d-електрони със слаб екра­ни­ращ ефект засилва взаимодействието на външните електрони с ядрения зяряд. Това обуславя сравнително високите йонизационни потен­циали и спо­собността на желязото да образува както йонни, така и кова­лентни връзки и да се среща в самородно състояние. Поради сравнителната устойчивост на групата 3d⁵ максималната природна степен на окисление на желязото е +3 (с валентни електрони 4s²3d¹ ). Много типично е двува­лентното със­тоя­ние. Желязото за разлика от останалите петрогенни еле­мен­ти, не образува йони тип благороден газ. При йонизация до дву- или тривалентно състояние във външния слой остават съответно 14 или 13 електрона, вместо 8. Наличието на d-електрони обуславя способността на желязото да оцветява химичните съединения и феромагнитните му свойства. Всички тези особености са причина за специфичното положение на желязото по отношение на групата натрий, калий, магнезий и калций. При определени усло­вия желязото е пълен аналог на тези елементи и се понася като типи­чен катион, заемайки октаедричните празнини на сили­кат­ните структури заед­но с магнезия. Обаче в други условия поведението му е напълно самостоя­телно, например в сулфидните находища или в металното ядро на планетата.

в) Група на силиция и алуминия. Атомите на силиция и алуминия се характеризират с два типа орбитали на външните електрони - сферични s и изтеглени в една посока p. Предпоследният слой има конфигурация тип благороден газ. Йонизационните потенциали на Al и Si са значително по-високи от тези на алкалните и алкалоземни метали, а закономерното понижение на йонните радиуси се илюстрира от редицата Na⁺-Mg²⁺-Al³⁺-

Si⁴⁺(табл. 7.1.). Посочените в таблицата йонизационни потенциали на Si и Al са твърде високи в сравнение с реалните енергетични ефекти на химичните реакции. Откъсването на външните електрони на Si и Al е възможно само при някои физични процеси. В химията символите Si⁴⁺ и Al³⁺ означават всъщност условните степени на окисление. Самостоятелни йони Si⁴⁺ и Al³⁺ не съществуват нито в топилките и водните разтвори, нито в кристалните решетки. Вместо механизма на йонизация и електростатично взаимодействие на противоположно заредени йони, при алуминия и силиция се осъществява принципно друг тип енергетично взаимодействие, състоящо се в трансформация на външните електронни орбитали на атомите в молекулни орбитали с друга пространствена ориентация, симетрия и енергия, при което електронната плътност се размазва в пространството между няколко ядра едновременно. В конкретния случай особено важни са многоядрените системи SiO₄^4- и AlO₄^5-, представляващи кислородни тет­раед­ри с алуминиеви и силициеви атоми в центъра. Силиций-кислородните и алуминий-кислородните тетраедри се понасят като неделими частици, което означава, че понятието йонен радиус, също както и I_n, е лишено от смисъл - то представлява условна част от фактически неделимо между­яд­рено разстояние Si-O и Al-O. Алуминий-кислородните тетраедри не могат да съществуват самостоятелно, а само в комбинация със силиций-кисло­родните тетраедри. Те са особено типични за скелетните структури. Друга особеност на алуминия е неговата способност да заема октаед­рич­ните празнини в силикатите, където играе ролята на катион, особено близък по геохимични отнасяния до Fe^3+.. Октаедричната координация на алуминия се облекчава от OH-групи, заемащи два от шестте върха на октаедъра.

г) Група на кислорода и водорода. Кислородът е най-силно електро­отри­цателният елемент в групата на петрогенните елементи. Електрон­ната му формула е 1s²2s²2p⁴. Следователно, с пресъединяването на два електрона той може да придобие стабилна конфигурация от тип благороден газ. В действителност символът О^-2 означава само условната степен на окисление на кислорода. В химичните съединения степентта на йонност на връзката на кислорода с останалите елементи корелира с нейната дроб­ност. Например в оливина магнезият е окръжен октаедрично от 6 кисло­род­ни атома, т.е. на всеки от кислородните атоми в октаедъра се подат по 2/6 т.е. 1/3 от валентната връзка. Обаче всеки кислороден атом има по три най-близки съседа - магнезиеви атоми, така че общо за цялата структура валентната компенсация е пълна. Най-йонна е връзката К-О в биотита, където на всеки кислороден атом от координационния полиедър се пада по 1/12 от валентната връзка на калия. Високата координация е много благоприятна за йонно електростатично взаимодействие.

В многоядрените молекулни системи на кислорода разпределението

Таблица 7.1.

Свойства на петрогенните елементи,

свързани с процесите на йонизация на атомите

Еле-	w	ri	EO	Йонизационни потенциали eV
Менти			eV	I1	I2	I3	I4
Na	1+	0,98	5,2	5,138
K	1+	1,33	4,3	4,339
Ca	2+	1,04	5,9	6,111	11,87
	2+	0,80	8,0	7,90	16,18	30,64
Al	3+	0,57	9,5	5,984	18,82	28,44
Si	4+	0,39	11,3	8,149	16,34	33,46	45,13
O	2-	1,36	23,0	13,614	35,15	54,93	77,39

w-валентност, ЕО-електроотрицателност, r_i-йонен радиус

на електронната плътност е принципно различно. Нейните максимуми са по осите, свързващи атомните ядра (σ-връзки) или във взаимно перпенди­ку­ляр­ните равнини, пресичащи се в съответната ос (π-връзки). Кислородът образува двуядрени системи (например CO), а също системи, в които централният атом е окръжен от 2, 3 или 4 кислородни атома - например CO₂, CO₃^2-, SiO₄^4-. За геохимията на литосферата огромно значение имат силиций-кислородните и алуминий-кислородните тетраедри.

Едно от най-мащабните явления на нашата планета, с изключително важни последствия, е това, че трите елемента кислород, силиций и алу­ми­ний, които заедно представляват повече от 80% от масата на литос­ферата, в същото време са толкова тясно и неизбежно свързани един с друг. Тази връзка е предопределена от устройството на атомите им. Зако­ни­те на квантовата физика ги принуждават да обединяват своите електро­ни в единни устойчиви постройки - силиций-кислородни и алуминий-кислород­ни тетраедри, кондензирани в различна степен. Асоциацията кислород-силиций-алуминий претърпява многократни структурни и количествени трансформации, тя закономерно еволюира, но остава неразривна в гран­диоз­ните процеси на генериране и кристализация на магмата. Тя се съпро­тив­ля­ва на екзогенните сили, които в редки случаи разделят силиция и алуминия и отново се възтановява след попадането на екзогенните продукти в зем­ни­те дълбини, в условията на високи температури и налягания.

Водородът обикновенно не се причислява към главните (петрогенни) елементи на литосферата поради груба методична грешка - използването на тегловни, вместо атомни проценти на относителното му съдържание. При въвеждането на метода на еквивалентните количества, който е задължителен при интерпретацията на на химичните съединения и химичните процеси във фундаменталната химия, водородът заема своето логично и законно място сред петрогенните елементи. Неговият атомен процент е от порядъка n.10^о. В кристалното вещество водородът участва предимно под формата на OH-групи, които по размери и електрични свойства са кристалохимични аналози на кислородните аниони. В седи­мент­ни­те системи на литосферата наред с OH-групите много съществено е участието на кристална вода.
7.1.2. Второстепенни елементи
Общият закон за крайно неравномерното разпределение на химичните елементи в литосферата е преди всичко закон на микрохимията на нашата планета. Сред редките елементи, които сумарно изграждат една нищожна част от масата на литосферата (около 1%), разликите в средните съдържания достигат стотици милиони пъти, без да се броят изключително слабо разпространените елементи. Много нагледен способ за сравняване на разпространението на химичните елементи е разделянето им на групи в зависимост от порядъка на съдържанията - т.нар. декади по Вернадски. На табл. 7.2. редките елементи са систематизирани според данните за средното им съдържание в литосферата. Във всяка декада елементите са разположени по реда на постепенното намаляване на съдържанията, означени като индекс. На елементи със съдържания от порядъка n.10-1, n.10-2 и n.10-3 се падат съответно 66,6 , 29,0 и 4,1 или общо 99,7% от тегловното количество на всички редки елементи в литосферата. Кръговата диаграма (фиг. 7.2.б.) е сходна с тази на петрогенните елементи. Тя подчертава доминиращото положение на титана, представляващ почти половината от общото количество на редките елементи.

Решаващо значение за разпространението и асоциирането на редките елементи в литосферата има тяхното сходство с петрогенните елементи, наличието или отсъствието на петрогенни елементи-аналози (двойници). Свойствата по които най-често се оценява това сходство са кристало­химични - валентност, йонене радиус, поляризиращи свойства и т.н. Обаче кристалохимичните свойства са външен израз на взаимодействието между ядрения заряд и електронната обвивка на атома, т.е. по същество те са енергетични. Те изразяват способността на електронните обвивки да откъсват или пресъединяват електрони, да се свиват или деформират под влиянието на собствения или чужд ядрен заряд. Най-важните качества на електронната конфигурация, с помощта на които може да се оцени сход­ството и различието на химичните елементи са:

а) типът на конфигурационна основа, т.е. на устойчивата комбинация от електрони, неучаствощи в химичните взаимодействия;

б) броят и видът на електроните в излишък спрямо конфигу­ра­цион­ната основа, от които зависи степента на окисление.

Разграничават се следните принципни групи:

1. Редки елементи с конфигурационна основа тип благороден газ (1s², ns²np⁶), при които оптималната степен на окисление е единствена или много типична в природни условия:

а) s-елементи - Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Be²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Ra²⁺;

б) p-елементи - B³⁺, C⁴⁺, N⁵⁺, P⁵⁺;

в) d-елементи - Sc³⁺, Y³⁺, TR³⁺, Ac³⁺, Th⁴⁺, Ti⁴⁺, Zr⁴⁺, Hf⁴⁺, Nb⁵⁺, Ta⁺⁵⁺, U⁶⁺, W⁶⁺.

Сравнително редки са оптималните степени на окисление при d-елементи като V⁵⁺, Cr⁶⁺, Mo⁶⁺, Re⁷⁺.

2. Редки елементи с конфигурационна основа преходен тип, съдържаща в допълнение към комбинацията ns²np⁶ вариращ брой d-електрони, по-малък от 10, за които е характерна понижена, включително нулева степен на окисление:

Таблица 7.2.

по данни на Беус (Беус, Григорян, 1975, с.11-14)

а) d-елементи от лявата половина на d-полето - V³⁺, V⁴⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Mn⁴⁺, Mo⁴⁺, W⁴⁺, U⁴⁺, Re⁴⁺.

Сравнително по-редки са Ti³⁺, Cr²⁺, Mn³⁺.

б) d-елементи от дясната половина на d-полето - Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Pt⁰, Au⁰.

Сравнително по-редки са Co³⁺, Pt⁴⁺, Au³⁺.

3. Редки елементи с конфигурационна основа тип цинк (ns²np⁶np¹⁰), при които оптималната степен на окисление е единствена или много типична в природни условия - Zn²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Ga³⁺ In³⁺, Ge⁴⁺, Sn⁴⁺.

Сравнител*но по-редки са As⁵⁺, Sb⁵⁺ и изключително редки - Tl³⁺, Pb⁴⁺, Se⁶⁺, Te⁶⁺.

Специфичен е случаят с Cu⁺ и Ag⁺, при който конфигурационната основа ns²np⁶np¹⁰ не съответства на оптималната степен на окисление.

4. Редки елементи от дясната половина на Периодичната система с понижена степен на окисление и конфигурационна основа ns² - Tl⁺, Pb²⁺, Sn²⁺ Bi³⁺, As³⁺, Sb³⁺. C²⁺, N³⁺.

Сравнително по-редки са P³⁺, Se⁴⁺ , Te⁴⁺, I⁵⁺, Hg⁰.

5. Силно електроотрицателни редки елементи с единствена или пре­об­ла­даваща отрицателна степен на окисление - F^-, Cl^-, Br^-, I^- S^2-, Se^2-, Te^2- As^3-.

Сравнително по-редки са Sb^3-, Bi^3-.

Цифрата с знак + или – означава формалната валентност (степен на окисление) на редките елементи, която се има предвид при съставянето на химични формули и уравнения. В действителност, както беше отбелязано при петрогенните елементи, тя не означава реално откъсване и присъе­ди­ня­ване на електрони и образуване на самостоятелни катиони и аниони със съответния заряд. Във водните разтвори съществува само крайно ог­ра­ни­чен брой катиони, отличаващи се с минимален заряд и големи размери-Rb⁺, Cs⁺, Sr²⁺. Ba²⁺, Ra²⁺в допълнение на петрогенните Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и още по-малко прости аниони, например Cl^-.

Атомите с висока положителна степен на окисление като правило образуват общи многоядрени системи - радикали, които не са способни да дисоциират на съставящите ги части, подобно на вече разгледаните групи SiO₄^4- . Такива са: VO₄^3-, CrO₄^2-, MoO₄^2-, WO₄^2-, BO₃^3-, CO₃^2-, NO₄^-, PO₄^3-, SO₄^2-, AsO₄^3-, SeO₃^2-, TeO₃^2-, IO₃^-, и крайно редкия ReO₄^-. Активна роля в образуването на молекулните връзки имат не само електроните в излишък спрямо конфигурационната основа, както е при BO₃^3-, но и празните места в електронната структура на външния слой и в някои случаи - на d-подслоя. Така при бора и галия, подобно на случая с алуминия, е възможно образуването на тетраедрични групи с кислорода, в който една от че­тирите σ-орбитали от собствена (неподелена) двойка електрони на кис­ло­ро­да. При BeO₄^6-,с такива електронни двойки се заемат две от σ-ор­би­талите, докато германия образува кислородни тетраедри, аналогично по структура на силициевите.

Други много важни молекулярни системи са сулфосолните радикали, в които S^2-, се комбинира с арсен, антимон, бисмут, калай, германий в тях­на­та оптимална степен на окисление. Забележителна е аналогията с кисло­род­ните радикали, например при AsS₄^3-,и AsO₄^3-.

Освен радикали елементите със силно електрично поле образуват ком­плек­си. Към комплексообразуващите елементи се отнасят елементите с много малки размери на електричното поле, независимо от степента на окисление, например членовете на II период с конфигурационна основа 1s² литий, берилий и бор, образуващи с флуора комплекси от типа [LiF₄]^3-, [BeF₄]^2-, [BF₄]^- . При елементите от следващия период особено типични са комплексите [AlF₆]^3- и [SiF₆]^2-. Много силни комплексообразуватели са d-елементите. Елементите от лявата част на d-полето образуват комплекси с флуора и различни кислородни радикали, например [YF₆]^3-, [Ce(CO₃)₃]^3-, а елементите от дясната част - с хлора и сярата, например [FeCl₆]^3-. Особено типична е връзката със сярата и хлора при елементите с конфигурационна основа тип цинк, образуващи комплекси като [AgCl₂]^-, [PbCl₄]^2-, [PbS₂]^2- и др. Специфична за тези елементи е сравнително ниската координация при комбинирането на една s- и една p- орбитала в две σ-орбитали, ориентирани на 180⁰.

Всички комплекси се стабилизират от алкални катиони, разполагащи се на периферията на комплекса например Na₂[BeF₄], (K,Cs)[BF₄] и др. Особено важна роля като стабилизатор има натрият.

Елементите с конфигурационна основа тип цинк образуват кристални системи с предимно ковалентни връзки. Това ограничава координационното им число. Например в структурата на сфалерита цинкът се огражда тетраедрично от 4 атома сяра. Валентните електрони на цинка са само два, следователно две от σ-орбиталите се запълват от собствени (неподелени) електронни двойки на сярата. Обаче енергетичната изгодност от разпределението на електронната плътност между няколко ядра е толкова голяма, че всъщност четирите връзки насочени към върховете на тетраедъра са напълно равностойни. Това е още един пример за условност­та на понятието степен на окисление при интерпретацията на химичните взаимодействия. Независимо от това, че цинкът е формално двувалентен, той образува четири връзки (общи орбитали) със серни атоми, т.е. празните места в електронната структура имат същата роля както и не­сдвое­ните електрони. Общата електронна плътност при молекулните орбитали води до скъсяване на междуядреното разстояние.

Между елементите с конфигурационна основа тип благороден газ и тип цинк съществува принципна разлика в сродството към най-важните електроотрицателни елементи. Първите предпочитат връзката с кисло­рода и флуора, а вторите - с хлора и сярата. Елементите със сродство към кислорода и флуора са известни под названието оксифилни, литофилни, флуорофилни, а тези със сродство към сярата и хлора като сулфурофилни, халкофилни или хлорофилни. Много полезна информация за химичното срод­ство на елементите дават диаграмите, приведени на фиг. 7.5 и 6.12.

Енергетичните взаимодействия на атомите на редките елементи, обус­ловени от тяхната електронна конфигурация, са теоретична основа за обяснението на тенденциите към концентрация и разсейване в природните процеси и системи. Ролята на разпространените елементи в геохимичната съдба на техните по-слабо разпространени аналози може да се илюстрира със следните примери.

Рубидият е елемент с подчертано сродство към кислорода. Неговите химични отнасяния и свойствата на йона му са изключително близки до тези на калия. Това води до пълно разсейване на рубидия в калиевите минерали. В природата не съществува нито едно собствено съединение на рубидия, въпреки, че рубидият е един от най-разпространените редки елементи. Неговото съдържание в литосферата е 10 пъти по-голямо от съдържанието на оловото.

Оловото също е аналог на калия и се разсейва в калиевите минерали на силикатните магмени скали. Обаче неговият атом има някои същест­ве­ни различия - на предпоследния електронен слой оловото има 18 електрона, а калият - само осем. Това обуславя по-високия йонизационен потенциал на оловото и неговата склонност към ковалентни връзки със сярата. В присъствие на сяроводород пътищата на оловото и калия се разделят и оловото образува собствен минерал - галенит PbS. В това отношение оловото е принципно различно от рубидия, който е аналог на калия при всички условия. Галенитът е един от най-разпространените и типични сулфидни минерали. Коефициентът на концентрация на оловото в него, в сравнение със средното съдържание на елемента в литосферата, е 40 000. В хидротермалния процес оловото има напълно самостоятелно поведение и не само образува собствен минерал, но увлича след себе си някои други редки елементи - сребро, антимон, бисмут, талий и др. Самостоятелното поведение на оловото се благоприятства от обстоятелството, че главните елементи на хидротермалния процес - желязото, цинкът и медта, имат по-малки ковалентни радиуси и не могат да включват в плътните решетки на своите съединения едрите оловни атоми.

Галият, подобно на оловото, също има двойствен характер. В магмените процеси той се свързва с кислорода, а в хидротермалните проя­вя­ва склоност към ковалантни връзки със сярата. Обаче и в двата случая той среща аналози сред по-разпространените елементи. В алумосиликатите галият се разсейва, заемайки мястото на алуминия, а в сулфидите - място­то на цинка в главното цинково съединение сфалерит ZnS. Собственият минерал на галия галит CuGaS₂ e изключително рядък, въпреки, че галият е също толкова разпространен, колкото и оловото.