結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)chap2

Chap.2

礦物的化學(xué)成分研討意義：①礦物的化學(xué)成分是區(qū)別不同礦物的重要根據(jù)；②礦物化學(xué)成分的變化特點(diǎn)常作為反映礦物構(gòu)成條件的標(biāo)志；③礦物化學(xué)成分是人類利用礦物資源的一個(gè)重要方面。一、元素克拉克值克拉克值〔clarke〕：各種化學(xué)元素在地殼中的平均含量(即元素在地殼中的豐度(abundance))之百分?jǐn)?shù)。§1地殼中化學(xué)元素的豐度表示：①質(zhì)量百分?jǐn)?shù)〔weightpercent〕——質(zhì)量克拉克值②原子百分?jǐn)?shù)〔atompercent〕——原子克拉克值二、地殼中化學(xué)元素的分布特征1〕元素分布的極不均勻性豐度最大者：O——46.6%豐度最小者：Rn——7×10-16%2〕地殼的主要化學(xué)組成為O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti等十種。前8種元素豐度最高，占地殼總分量的99%以上，是地殼中各類巖石的根本成分。含氧鹽和氧化物礦物分布最廣，其中硅酸鹽礦物占礦物總種數(shù)的24%，占地殼總分量的3/4；氧化物礦物占礦物種總數(shù)的14%，占地殼總分量的17%。地殼中分布最廣泛的八種元素元素質(zhì)量克拉克值（%）

原子克拉克值

（%）體積百分比

（%）O46.6062.5593.77Si27.7221.220.86Al8.136.470.47Fe5.001.920.43Ca3.631.941.03Na2.832.641.32K2.591.421.83Mg2.091.840.293〕聚集元素和分散元素礦物的構(gòu)成，取決于：①元素的豐度；②元素的地球化學(xué)性質(zhì)聚集元素(aggregatedelement)：豐度很低，但趨于集中，構(gòu)成獨(dú)立的礦物種，甚至富集成礦床。如Sb、Bi、Hg、Ag、Au等。分散元素(dispersedelement)：豐度遠(yuǎn)比聚集元素為高，但趨于分散，很少能構(gòu)成獨(dú)立的礦物種，而經(jīng)常作為微量的類質(zhì)同像混入物賦存于主要由其他元素所組成的礦物中。如Rb、Cs、Ga、In、Sc等。一、礦物的化學(xué)成分類型1．單質(zhì)：由同一種元素的原子自相結(jié)合而成的礦物。如自然元素礦物?！?礦物的化學(xué)成分2．化合物：由兩種或兩種以上元素組成的礦物。如含氧鹽、氧化物和氫氧化物、鹵化物、硫化物及其類似化合物礦物。二、礦物的化學(xué)計(jì)量性與非化學(xué)計(jì)量性1．概念1〕礦物的化學(xué)計(jì)量性〔stoichiometry〕少數(shù)礦物的化學(xué)成分相當(dāng)固定，其化學(xué)組成遵守物理化學(xué)分配定律——定比定律和倍比定律，各組分間具嚴(yán)厲的化合比，其化學(xué)組成可由理想化學(xué)式表示。如水晶〔SiO2〕。天然礦物并非理想化學(xué)純的物質(zhì)。由于環(huán)境的復(fù)雜性，大多數(shù)礦物因類質(zhì)同像替代致使其化學(xué)組成在一定范圍內(nèi)變化，但各晶格位置上成類質(zhì)同像關(guān)系的各組分?jǐn)?shù)量總和之間仍遵照定比定律。如橄欖石(Mg,Fe)2[SiO4]等。化學(xué)計(jì)量礦物：在各晶格位置上的組分之間遵守定比定律、具嚴(yán)厲化合比的礦物。2〕礦物的非化學(xué)計(jì)量性非化學(xué)計(jì)量礦物：某些含變價(jià)元素的礦物，因構(gòu)成過程中常處于不同的氧化復(fù)原條件下，其價(jià)態(tài)會(huì)發(fā)生變化。由于受化合物電中性的制約，其內(nèi)部必然存在某種晶格缺陷，致使其化學(xué)組成偏離理想化合比，不再遵照定比定律。留意：某些礦物，特別是在高溫條件下，相對(duì)地允許存在大量空位。如FeS化合物，可以高溫下經(jīng)過暴露在真空或高硫蒸氣壓下，極易改動(dòng)其化學(xué)計(jì)量性，而變?yōu)榇劈S鐵礦的成分〔Fe1-xS〕，高溫下x=0～0.125，其陽(yáng)離子空位隨機(jī)分布〔Putnis,A.,1992〕。2．研討意義礦物總是以成分非化學(xué)計(jì)量性顯示其標(biāo)型特征。如含金硫化物的偏離化學(xué)計(jì)量的元素比即具標(biāo)型性。二、礦物化學(xué)成分變化的緣由1．主要緣由1〕類質(zhì)同像替代2〕非化學(xué)計(jì)量性2．其他要素1〕陽(yáng)離子的可交換性2〕膠體的吸附作用3〕礦物中含水量的變化〔含沸石水或?qū)娱g水〕4〕以顯微包裹體方式存在的機(jī)械混入物等一、膠體礦物的概念1．膠體一種或多種物質(zhì)的微?！擦狡胀?～100nm〕分散在另一種物質(zhì)之中而構(gòu)成的不均勻的細(xì)分散系。前者稱分散相(分散質(zhì))，后者稱分散媒(分散劑)?！?膠體礦物及其化學(xué)成分特點(diǎn)留意：1〕膠體系兩相或多相物質(zhì)的混合物。2〕分散相和分散媒均可是固體、液體或氣體。3〕膠體：①膠溶體：分散媒遠(yuǎn)多于分散相②膠凝體：分散媒遠(yuǎn)少于分散相膠體微粒的性質(zhì)：①分散相與分散媒的量比不固定；②具極大的比外表積和很高的外表能；③外表的電荷未到達(dá)飽和，故具極強(qiáng)的吸附性?！材芪脚c其電荷相反的其他離子〕2．膠體礦物由以水為分散媒、以固相為分散相的水膠凝體而構(gòu)成的非晶質(zhì)或超顯微的隱晶質(zhì)礦物。嚴(yán)厲地說，它只是含吸附水的準(zhǔn)礦物。如蛋白石〔SiO2·nH2O〕、大多數(shù)粘土礦物。膠體礦物的特點(diǎn)：①多構(gòu)成于表生作用中，少數(shù)為熱液或火山成因。②主要構(gòu)成Fe、Mn、Al、Si、P質(zhì)等礦物。③為隱晶質(zhì)或非晶質(zhì)體，故呈現(xiàn)鮞狀、腎狀、鐘乳狀和葡萄狀等特殊形狀。④由于構(gòu)成時(shí)膠體的吸附作用，故成分變化大。⑤膠體礦物的化學(xué)成分具有不固定性和復(fù)雜性。二、膠體的老化膠體礦物不穩(wěn)定，具有吸附其他物質(zhì)和自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)的趨勢(shì)。膠體的老化：膠體礦物構(gòu)成后，隨著時(shí)間的推移或熱力學(xué)要素的改動(dòng)，膠粒會(huì)自發(fā)地凝聚，進(jìn)一步發(fā)生脫水作用，顆粒逐漸增大而成為隱晶質(zhì)，最終可轉(zhuǎn)變?yōu)轱@晶質(zhì)礦物。變膠體礦物：由膠體礦物老化構(gòu)成的隱晶質(zhì)或顯晶質(zhì)礦物，往往可保管原膠體礦物的外貌。如蛋白石經(jīng)老化成為玉髓。一、水的存在方式H2O、(OH)－、H+和(H3O)+§4礦物中的水二、“水〞的類型據(jù)“水〞在礦物中的存在方式及其在晶體構(gòu)造中的作用，主要分為吸附水、結(jié)晶水和構(gòu)造水三種根本類型，以及層間水和沸石水兩種過渡類型。水在礦物中的作用水的主要類型礦物和礦物集合體中水的種類不參加晶格吸附水（中性的H2O分子）汽態(tài)水濕存水液態(tài)水（薄膜水毛細(xì)管水）膠體水固態(tài)水參加晶格

結(jié)晶水（中性的H2O分子）結(jié)晶水化物的水

沸石水

層間水

結(jié)構(gòu)水（OH-,H+,H3O+離子）1．吸附水被機(jī)械地吸附于礦物顆粒的外表和裂隙中，或滲入礦物集合體中的中性水分子(H2O)。它不參與晶格，不屬于礦物的化學(xué)組成。留意：1〕吸附水含量不定，隨溫度和濕度而異。常壓下，溫度增至100～110℃時(shí)，礦物中吸附水即全部失去而不破壞晶格。2〕吸附水的一種特殊類型——膠體水，是膠體礦物本身的固有特征，應(yīng)列入礦物的化學(xué)式，如蛋白石：SiO2·nH2O。膠體水的失水溫度普通100～250℃。2．結(jié)晶水以H2O的構(gòu)成存在于礦物晶格中一定位置上的水，是礦物固有組分之一，水含量一定，其數(shù)目與其他組分的含量成簡(jiǎn)單的比例關(guān)系。留意：1〕結(jié)晶水出現(xiàn)于大半徑絡(luò)陰離子的含氧鹽礦物中。2〕結(jié)晶水的作用：經(jīng)過以一定的配位方式環(huán)繞小半徑的陽(yáng)離子構(gòu)成水化陽(yáng)離子，以增大陽(yáng)離子的體積而不改動(dòng)其電價(jià)，從而與大的絡(luò)陰離子組成穩(wěn)定的化合物，如石膏：Ca[SO4]·2H2O。3〕結(jié)晶水的失水溫度普通均在200～500℃，個(gè)別可高達(dá)600℃。4〕失水后，礦物晶格即完全被破壞、改造而成新的構(gòu)造。3．構(gòu)造水〔化合水〕以(OH)－、H+或(H3O)+離子方式存在于礦物晶格中一定位置上、并有確定的含量比的“水〞。留意：1〕尤以(OH)－最常見，主要存在于氫氧化物和層狀硅酸鹽等礦物中。如：水鎂石水鎂石Mg(OH)2，高嶺石高嶺石Al4[Si4O10](OH)8，天然堿Na3H[CO3]·2H2O，水云母(K,H3O)Al2[AlSi3O10](OH)2等。2〕構(gòu)造水的失水溫度普通約在600～1000℃。失水后構(gòu)造完全被破壞。4．層間水存在于某些層狀構(gòu)造硅酸鹽〔如粘土礦物〕晶格中構(gòu)造層之間構(gòu)造的H2O，其主要與層間陽(yáng)離子結(jié)合成水合離子。1〕構(gòu)造層外表存在過剩的負(fù)電荷，可吸附其他金屬陽(yáng)離子，后者再吸附H2O，從而在相鄰構(gòu)造層之間構(gòu)成水分子層，即層間水。其含量隨所吸附的陽(yáng)離子的種類、環(huán)境的溫度和濕度而異，可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，并可有確定的上限值。如多水高嶺石Al4[Si4O10](OH)8·4H2O等。2〕失水溫度普通100～250℃±。通常加熱至幾十度即開場(chǎng)脫水，常壓下至110℃±那么大量失水。3〕失水后，晶格并不被破壞，僅構(gòu)造層之間間隔縮短，晶胞參數(shù)c0減小，礦物的比重和折射率增大；且在潮濕的環(huán)境中又可重新吸水。如蒙脫石蒙脫石(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O具明顯的吸水膨脹的特性；而蛭石蛭石(Mg,Ca)0.5(Mg,Fe+,Al)3[(Si,Al)4O10](OH)2·4H2O那么表示出顯著的熱膨脹性。5．沸石水主要存在于沸石族礦物晶格中寬大的空腔和通道中的H2O，與其中的陽(yáng)離子結(jié)合成水合離子。絲光沸石構(gòu)造照相留意：1〕水的含量隨溫度和濕度而異，上限值與其他組分含量具簡(jiǎn)單比例關(guān)系。2〕失水普通從80℃開場(chǎng)，至400℃時(shí)沸石水可全部失去。3〕沸石水易失去也易復(fù)得，其得失不會(huì)破壞晶格，只是礦物的晶格常數(shù)和某些物理性質(zhì)稍有變化。失水后的沸石可重新吸水，并恢復(fù)到原來的含水限制，再現(xiàn)其原來的物理性質(zhì)。如鈉沸石Na2[(Al2Si3O10]·2H2O。需闡明：1〕單礦物的化學(xué)全分析數(shù)據(jù)中，H2O－稱負(fù)水，通常意指不參與晶格的吸附水，當(dāng)樣品烘干到110℃之前即全部逸去；而正水H2O+系指參與晶格的構(gòu)造水或結(jié)晶水，其失水溫度通常高于110℃。2〕有些參與晶格的層間水、沸石水及部分結(jié)晶水在低于110℃也可逸出晶格，故分析時(shí)應(yīng)以特殊方法處置樣品中的水。一、礦物的化學(xué)式1．概念礦物的化學(xué)式：以組成礦物的化學(xué)元素符號(hào)按一定原那么表示礦物的化學(xué)成分。是以單礦物的化學(xué)全分析所得的相對(duì)質(zhì)量百分含量為根底而計(jì)算出來的?！?礦物的化學(xué)式及其計(jì)算2．表示方法1〕實(shí)驗(yàn)式：僅表示礦物中各組分的種類及其數(shù)量比。如白云母H2KAl3Si3O12或K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O2〕構(gòu)造式：即晶體化學(xué)式。既能闡明礦物中各組分的種類及其數(shù)量比，又能反映出它們?cè)诰Ц裰械南嗷リP(guān)系及其存在方式。如白云母KAl2[(Si3Al)O10](OH)2礦物晶體構(gòu)造式的書寫原那么：①根本原那么是陽(yáng)離子在前，陰離子或絡(luò)陰離子在后。絡(luò)陰離子需用方括號(hào)括起來。如石英SiO2，方解石Ca[CO3]。②對(duì)復(fù)化合物，陽(yáng)離子按堿性由強(qiáng)→弱、價(jià)態(tài)從低→高陳列。如白云石CaMg[CO3]2，磁鐵礦FeFe2O4〔即Fe2+Fe3+2O4〕③附加陰離子通常寫在陰離子或絡(luò)陰離子之后，如氟磷灰石Ca5[PO4]3F，白云母KAl2[(Si3Al)O10](OH)2④礦物中的水分子寫在化學(xué)式的最末尾，并用圓點(diǎn)將其與其他組分隔開。假設(shè)含水量不定，那么常用nH2O或aq表示，如石膏Ca[SO4]·2H2O，蛋白石SiO2·nH2O或SiO2·aq。⑤成類質(zhì)同像替代關(guān)系的離子，用小括號(hào)括起來，并按含量由多→少陳列，中間用逗號(hào)分開。如鐵閃鋅礦(Zn,Fe)S，黃玉Al2[SiO4](F,OH)2。留意：在計(jì)算出礦物中各元素的離子數(shù)之后，書寫晶體化學(xué)式時(shí)，習(xí)慣上，將其詳細(xì)數(shù)值分別寫在各元素符號(hào)之右下角，同時(shí)成類質(zhì)同像替代關(guān)系的各元素之間無需再加逗號(hào)，并在小括號(hào)之后下角列出小括號(hào)內(nèi)各元素離子數(shù)之總和。如某單斜輝石(Ca0.960Na0.040)1.000(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030Mn0.020Ti0.020)1.000[(Si1.920Al0.080)2.000O6]二、礦物晶體化學(xué)式的計(jì)算〔一〕根據(jù)①