等，由于其与氧极强的结合作用，使带电荷的阴离子之间产生排斥，因而又可被溶解在水溶液中进行提取。
冶金过程不只限于提取，还包括富集、纯化、精炼等。按照溶解度不同，冶金方法大致可以被分为两类，即湿法冶金和火法冶金。按离子势原则，图1对比了地球化学和冶金学在硬阳离子方面的相似性。在图2中，我们标出了更多元素的阳离子离子势，并考虑了相同元素的不同价态。例如，KMnO4中的锰（Mn）的化合价是 7、离子势为8~16，而MnO中的Mn的价态是 2、离子势为2~4，因此前者是一种复杂阴离子，而后者是简单阳离子。
在图2中，虚线斜率的倒数为离子势，它可以表示离子与氧的结合能力。基于图1所示的趋势，离子势很低或很高时，离子的水溶性较高，而离子势越趋于中间，离子水溶性越差。低离子势的阳离子，与氧的结合能力较弱，在水溶液中以简单阳离子形式游离存在；高离子势的阳离子，与氧的结合能力极强，可单独束缚多个氧离子，形成复杂阴离子，也溶解在水中；而中等离子势的阳离子（离子势2~8）由于与氧的结合能力适中，所以多个离子与多个氧离子共同结合，形成难溶于水的氧化物矿物，如前面提到的铍石、刚玉、金红石、斜锆石。相应地，针对这些氧化物矿物的湿法提取方法所需要的条件往往极为苛刻。例如，拜耳法就是通过极高的碱浓度和极高的温度实现铝土矿的浸出。
图2 带有不同电荷的元素的离子势及其规律图
以上规律可概括为：当离子与氧结合能力较弱时，形成的氧化物可以在水溶液中实现分离；当结合能力有所增强时，对应元素的提取则变得困难；当结合能力极强时，由复杂阴离子形成的化合物又会因阴离子的排斥作用而使溶解度增加。基于这种规律和实际案例，火法冶金法针对的对象多集中于离子势中间的位置，而湿法冶金法针对的对象则分布于低离子势和高离子势两端。
锂（Li）是21世纪的一种能源金属，目前大多数锂来自于锂云母或锂辉石。事实上，Li 作为一种低离子势的离子，其水溶性较好。锂资源更多地分布于多个盐湖，单个盐湖中的平均锂储量为1.45 Mt，远超过单个锂矿中的平均锂储量（0.11 Mt）。盐湖中的锂资源（21.6 Mt，分布于阿根廷、玻利维亚、智利和中国）占据全球锂资源（31.1 Mt）的70%左右。因此，未来锂冶金技术将从火法焙烧锂矿石转向湿法提取盐湖锂，这也说明了元素地球化学正在影响着锂冶金技术的发展。
四、
元素亲和性的冶金解度
1922年，Goldschmidt通过研究陨石和冶金熔炼产物后，首次提出了元素亲和性这一概念，他将元素分成了亲石元素、亲铜/硫元素、亲铁元素、亲气元素四个类别。Railsback的研究（图3）大体上继承了Goldschmidt这一划分。Railsback在周期表中将Cu2 /Cu 、Ag 、Hg /Hg2 、Tl 、Pb2 、Bi2 、Sb3 和As3 都用“S”进行标识，表示容易形成硫化矿物的元素。然而，巧合的是，在Goldschmidt的分类中，这些元素也都在亲铜/硫元素区域。但是，同一种元素往往存在不同价态，其亲和性也存在差异，所以Railsback以离子进行分类的周期表似乎更准确。例如，As3 非常亲铜/硫，而氧化后的As5 显示出亲石性；Mo4 以辉钼矿MoS2展示出亲铜/硫性，而Mo6 却以钼酸盐
的形式展现出亲石性。因此，Railsback的周期表考虑了元素的多价态，且更具有实用性。
图3 地学周期表中常见元素的地球化学亲和性
氧化与还原反应是冶金过程中常用的方法。在很多情况下，元素化合价的改变往往伴随着亲和性的改变，并且元素会从一个相转移到另一个相，实现富集或提取。研究地球化学过程中元素不同价态的亲和性，有助于理解其在冶金过程中相间的转移行为。复杂多样的地球环境可提供一系列地球化学实例。因此，虽然 Goldschmidt的分类表未包含元素的离子状态，但其对元素的总结分类仍非常有意义，尤其对火法冶金。按照 4种分类具体来说（图4）：
①亲石元素对应冶金炉渣，如高炉渣、转炉渣、精炼炉渣等，这些炉渣往往包括Al2O3、SiO2、FeO、MgO、CaO中的两种以上；
②亲铜/硫元素对应冶金过程中的“锍”，通常是铜锍或镍/ 钴锍（如Cu2S、Ni3S2、CoS）；
③亲铁元素对应亲金属或合金；
④亲气元素对应冶金过程中的气相（如H、C、N、 O以及很容易以CO、CO2、H2O、SO2、N2、Ar等形式进入气相的惰性气体）。
以下列举3个典型的案例：
图4 地质学和冶金学中的元素亲和性。高炉炼铁、转炉炼钢、诺兰达造锍、转炉炼铜
如图3所示，在Goldschmidt的分类表中，磷（P）是一种亲铁元素，其依据虽然难以考究，但很可能源于冶金学的知识。因为在高温碳还原过程中，矿物中的绝大部分P会被还原并溶解到铁水中。而钢中含P会产生冷脆问题，因此炼钢过程中的一个重要任务就是除P。转炉炼钢过程主要涉及两个相，即熔渣相（Al2O3-SiO2-CaO-FeO）和金属相（Fe）。与高炉炼铁过程中P的走向不同，在转炉炼钢过程中，随着吹氧过程产生的氧化，铁（钢）水中的P会进入渣相。这个例子说明，P在高炉中是亲铁元素，而在转炉中随着氧化， P从亲铁元素P0转化为亲石元素P5 ，即P从铁水进入渣相完成了除P过程（图5）。
