结晶学与矿物学：矿物的化学成分.ppt

Chap.11 矿物矿物的的化学成分化学成分 研究意义研究意义： ➊➊￿ ￿矿物矿物的化学成分化学成分是区别区别不同不同矿物矿物 的重要依据重要依据；； ➋➋￿ ￿矿物化学成分矿物化学成分的变化特点变化特点常作为 反映反映矿物矿物形成条件形成条件的标志标志；； ➌➌￿ ￿矿物化学成分矿物化学成分是人类利用利用矿物资源矿物资源 的一个重要方面重要方面 一一、元素克拉克值元素克拉克值 克拉克值克拉克值( (clarkeclarke) )：各种化学元素化学元素在地壳地壳中的 平均含量平均含量(即元素元素在地壳地壳中的丰度丰度)之百分数百分数 注注： 质量克拉克值质量克拉克值： 以以质量百分数质量百分数质量百分数质量百分数表示表示 原子克拉克值原子克拉克值： 以以原子百分数原子百分数原子百分数原子百分数表示表示§1 地壳中化学元素的丰度地壳中化学元素的丰度  二、地壳中化学元素的分布特征二、地壳中化学元素的分布特征 1））元素分布的极不均匀性元素分布的极不均匀性 丰度丰度最大最大者： O ———— 46.6% 丰度丰度最小最小者： Rn ———— 7×10 -16% 2））地壳地壳的主要化学组成主要化学组成为O、、Si、、Al、、 Fe、、Ca、、Na、、K、、Mg、、H、、Ti 等10种种。

前前8种种元素元素丰度最高丰度最高，，占地壳地壳总重量总重量的 99%以上以上，，是地壳地壳中各类岩石各类岩石的基本成分基本成分 The The 8 8 Most Common Elements in the Earth's Crust Most Common Elements in the Earth's Crust( (B.MasonB.Mason, ,19661966) )ElementElementWeight Weight percentpercent ( (%%) )Atom Atom percentpercent ( (%%) )Volume Volume percentpercent ( (%%) )Ionic Ionic radiusradius( (Ǻ Ǻ) )Mineral Mineral speciesspeciesOO46.6046.6062.5562.5593.7793.771.401.4012211221SiSi27.7227.7221.2221.220.860.860.420.42377377AlAl8.138.136.476.470.470.470.510.51268268FeFe5.005.001.921.920.430.430.740.74170170CaCa3.633.631.941.941.031.030.990.99194194NaNa2.832.832.642.641.321.320.970.97100100KK2.592.591.421.421.831.831.331.334343MgMg2.092.091.841.840.290.290.660.66105105 3））聚集元素聚集元素和分散元素分散元素 矿物矿物的形成形成，，取决于： ➊➊ 元素元素的丰度丰度；； ➋➋ 元素元素的地球化学性质地球化学性质 聚集元素聚集元素(concentrator elements)： 丰度丰度很低很低，，但趋于集中集中，，形成独立的矿物种矿物种，， 甚至富集富集成矿床矿床。

分散元素分散元素(dispersed elements)： 丰度丰度丰度丰度远比聚集元素远比聚集元素远比聚集元素远比聚集元素为为高高高高，，但趋于但趋于分散分散分散分散，，很少很少很少很少能形成能形成 独立的矿物种矿物种，而常常作为微量微量的类质同像混入物类质同像混入物 赋存于主要由其他元素其他元素所组成的矿物矿物中 三三、离子类型离子类型 1．惰性气体型离子惰性气体型离子 (inert-gas type ions) 2．铜型离子铜型离子 (chalcophile type ions) 3．过渡型离子过渡型离子 (siderophile type ions) 一一、矿物的化学成分类型矿物的化学成分类型 1．单质单质(single elements)： 由同一种同一种元素元素的原子原子自相结合而成的矿物矿物 2．化合物化合物(chemical compounds)： 由2种种或2种以上种以上元素元素组成的矿物矿物§2 矿物的化学成分矿物的化学成分 二二、矿物的化学计量性与非化学计量性矿物的化学计量性与非化学计量性 1．矿物的矿物的化学计量性化学计量性(stoichiometry) 少数矿物少数矿物的化学成分化学成分相当固定相当固定，， 其化学组成化学组成遵守物理化学分配定律物理化学分配定律 ————定比定律定比定律和倍比定律倍比定律，，各组分间组分间 具严格严格的化合比化合比，，其化学组成化学组成可由 理想理想化学式化学式表示。

 天然矿物天然矿物并非非理想化学纯理想化学纯的物质物质 由于环境环境的复杂性复杂性，，大多数矿物大多数矿物因类质同像替代类质同像替代 致使其化学组成化学组成在一定范围内变化一定范围内变化，， 但各晶格位置晶格位置上成类质同像关系类质同像关系的 各组分数量总和组分数量总和之间仍遵循定比定律定比定律 化学计量矿物化学计量矿物(stoichiometric minerals)： 在各晶格位置晶格位置上的组分组分之间遵守定比定律定比定律、、 具严格化合比严格化合比的矿物矿物  2．矿物矿物的非化学计量性非化学计量性(nonstoichiometry) 非化学计量矿物非化学计量矿物( (nonnonstoichiometric mineralsstoichiometric minerals) )： 某些含变价变价元素元素的矿物矿物，，因形成过程形成过程中常处于 不同不同的氧化还原条件氧化还原条件下，，其价态价态会发生变化变化 由于受化合物化合物电中性电中性的制约，，其内部内部必然存在 某种晶格缺陷晶格缺陷，，致使其化学组成化学组成偏离偏离理想化合比理想化合比，， 不再遵循定比定律不再遵循定比定律。

注意注意：某些矿物某些矿物，特别是在高温高温条件下， 相对地容许存在大量大量空位空位 研究意义研究意义： 矿物矿物总是以成分成分非化学计量性非化学计量性 显示其标型特征标型特征 PyPy的的Fe/Fe/( ( ( (S+AsS+As) ) ) )非化学计量标型非化学计量标型非化学计量标型非化学计量标型Fe/Fe/( ( ( (S+AsS+As) ) ) )值值值值形成深度形成深度形成深度形成深度明显＞明显＞明显＞明显＞0.5000.500浅部浅部浅部浅部＜＜＜＜或或略＞略＞略＞略＞0.5000.500深部深部深部深部 三三、矿物化学成分变化的原因矿物化学成分变化的原因 1．主要原因主要原因 ➊➊ 类质同像替代类质同像替代 ➋➋ 非化学计量性非化学计量性 2．其他因素其他因素 ➊➊ 阳离子阳离子的可交换性可交换性 ➋➋ 胶体胶体的吸附作用吸附作用 ➌➌ 矿物矿物中含水量含水量的变化变化(含沸石水沸石水或层间水层间水) ➍➍ 以显微包裹体显微包裹体形式存在的机械混入物机械混入物… 一一、胶体矿物的概念胶体矿物的概念 1．胶体胶体(colloid) 一种一种或多种物质多种物质的微粒微粒(粒径粒径一般1～100nm) 分散分散分散分散在在另一种物质另一种物质另一种物质另一种物质之中而形成的之中而形成的不均匀不均匀不均匀不均匀的的细分散系细分散系细分散系细分散系。

前者称分散相分散相(分散质分散质)，，后者称分散媒分散媒(分散剂分散剂) 注意注意： 1））胶体胶体系2相相或多相多相物质物质的混合物混合物 2））分散相分散相和分散媒分散媒均可是固体固体、液体液体或气体气体 3））胶体胶体： ➊➊￿ ￿胶溶体胶溶体：分散媒分散媒远多于远多于分散相分散相 ➋➋￿ ￿胶凝体胶凝体：分散媒分散媒远少于远少于分散相分散相§3 胶体矿物及其化学成分特点胶体矿物及其化学成分特点 胶体微粒胶体微粒的性质性质： ➊➊￿ ￿分散相分散相与分散媒分散媒的量比量比不固定不固定；； ➋➋￿ ￿具极大极大的比表面积比表面积和很高很高的表面能表面能；； ➌➌￿ ￿表面表面的电荷电荷未达到饱和未达到饱和，， 故具极强极强的吸附性吸附性 (能吸附吸附与其电荷相反电荷相反 的其他离子其他离子) 2．胶体矿物胶体矿物(colloidal minerals) 由以水水为分散媒分散媒、、以固相固相为分散相分散相的水胶凝体水胶凝体 而形成的非晶质非晶质或超显微超显微的隐晶质隐晶质矿物矿物。

严格地说，，它只是含吸附水含吸附水的准矿物准矿物AgAg+ +BrBr- -被吸附被吸附被吸附被吸附的的阳离子阳离子阳离子阳离子HH2 2OO分子分子分子分子 二二、胶体矿物胶体矿物的特点特点 ➊➊￿ ￿多形成于多形成于表生作用表生作用表生作用表生作用中中，，少数为少数为热液热液热液热液或或火山成因火山成因火山成因火山成因 ➋➋￿ ￿主要形成Fe、、Mn、、Al、、Si、、P质质等矿物矿物 ➌➌￿ ￿为隐晶质隐晶质或非晶质体非晶质体，， 故呈现鲕状鲕状、、肾状肾状、、钟乳状钟乳状 和葡萄状葡萄状等特殊形态 ➍➍￿ ￿由于形成时胶体胶体的 吸附作用吸附作用，，故成分成分变化大变化大 ➎➎￿ ￿胶体矿物胶体矿物的化学成分化学成分 具有不固定性不固定性和复杂性复杂性 三三、胶体的老化胶体的老化 胶体胶体的老化老化( (ageingageing) )：胶体矿物胶体矿物形成后，， 随着时间时间的推移推移或热力学因素热力学因素的改变改变，，胶粒胶粒会 自发地自发地自发地自发地凝聚凝聚凝聚凝聚，，进一步发生进一步发生脱水脱水脱水脱水作用作用作用作用，，颗粒颗粒颗粒颗粒逐渐逐渐增大增大增大增大 而成为隐晶质隐晶质，，最终可转变为显晶质显晶质矿物矿物。

变胶体矿物变胶体矿物(metacolloidal minerals)： 由胶体矿物胶体矿物老化老化形成的隐晶质隐晶质或显晶质显晶质矿物矿物，， 往往可保留原原胶体矿物胶体矿物的外貌外貌 一一、水的存在形式水的存在形式 H2O、、(OH)(OH)－－－－、、HH+ + 和和 (H(H3 3O)O)+ + 二二、“水水”的类型的类型 据““水水””在矿物矿物中的存在形式存在形式及其在 晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构中的中的作用作用作用作用，，主要分为主要分为 吸附水吸附水、、结晶水结晶水和结构水结构水 3种基本类型种基本类型，，以及 层间水层间水和沸石水沸石水2种种 过渡类型过渡类型§4 矿物中的水矿物中的水 1．吸附水吸附水(hydroscopic water) 被机械地吸附于吸附于矿物颗粒矿物颗粒的表面表面和裂隙裂隙中，， 或渗入渗入矿物集合体矿物集合体中的中性水分子中性水分子(H2O) 它不参加晶格不参加晶格，，不属于矿物不属于矿物的化学组成化学组成 注意注意：➊➊￿ ￿吸附水吸附水含量不定含量不定，，随温度温度和湿度湿度而异。

常压常压常压常压下下，，温度温度温度温度增至增至100100～～110110℃℃时时，，矿物矿物矿物矿物中中吸附水吸附水吸附水吸附水 即全部失去全部失去而不破坏晶格不破坏晶格 ➋➋￿ ￿吸附水吸附水的一种特殊类型——胶体水胶体水，， 是是胶体矿物胶体矿物胶体矿物胶体矿物本身的本身的固有特征固有特征固有特征固有特征，，应列入应列入矿物矿物矿物矿物的的化学式化学式化学式化学式 胶体水胶体水的失水温度失水温度一般100～250℃ 2．结晶水结晶水(crystallization water) 以H2O的形式存在于矿物晶格矿物晶格中一定位置一定位置上的水水，， 是矿物固有组分矿物固有组分之一，，水含量水含量一定一定，，其数目数目 与其他组分其他组分的含量含量成简单简单的比例关系比例关系 注意注意：➊➊➊➊￿ ￿ ￿ ￿结晶水结晶水结晶水结晶水出现于出现于大半径大半径大半径大半径络阴离子络阴离子络阴离子络阴离子的的含氧盐含氧盐含氧盐含氧盐矿物矿物矿物矿物中中 ➋➋➋➋￿ ￿ ￿ ￿结晶水结晶水结晶水结晶水的的作用作用作用作用：通过以：通过以一定一定一定一定的的配位形式配位形式配位形式配位形式 环绕环绕小半径小半径的阳离子阳离子形成水化阳离子水化阳离子，，以增大增大 阳离子阳离子阳离子阳离子的的体积体积体积体积而而不改变不改变不改变不改变其其电价电价电价电价，，从而与从而与大大大大的的络阴离子络阴离子络阴离子络阴离子 组成组成稳定稳定稳定稳定的的化合物化合物化合物化合物。

➌➌➌➌￿ ￿ ￿ ￿结晶水结晶水结晶水结晶水的的失水温度失水温度失水温度失水温度一般均在一般均在200200～～500500℃℃，， 个别个别个别个别可高达可高达600600℃℃ ➍➍➍➍￿ ￿ ￿ ￿失水后失水后失水后失水后，，矿物晶格矿物晶格矿物晶格矿物晶格即即完全被破坏完全被破坏完全被破坏完全被破坏、、改造改造改造改造 而成而成新的结构新的结构新的结构新的结构 3．结构水结构水(constitution water)(化合水化合水) 以(OH)－－、H+或(H3O)+离子形式 存在于矿物晶格矿物晶格中一定位置一定位置上、、 并有确定确定的含量比含量比的“水水” 注意注意： ➊➊￿ ￿尤以(OH)－－最常见最常见，，主要存在于 氢氧化物氢氧化物和层状硅酸盐层状硅酸盐等矿物矿物中 ➋➋￿ ￿结构水结构水的失水温度失水温度一般约在600～1000℃ 失水后结构完全被破坏失水后结构完全被破坏。

 4．层间水层间水(interlayer water) 存在于某些存在于某些层状结构硅酸盐层状结构硅酸盐层状结构硅酸盐层状结构硅酸盐( (如：如：粘土矿物粘土矿物粘土矿物粘土矿物) )晶格晶格晶格晶格中中 结构层之间结构层之间的H2O，，其主要与层间阳离子层间阳离子 结合成水合离子水合离子 注意注意：➊➊￿ ￿结构层结构层表面表面存在过剩过剩的负电荷负电荷，， 可吸附吸附其他金属阳离子金属阳离子，，后者再吸附吸附H2O，， 从而在相邻相邻结构层之间结构层之间形成水分子层水分子层，，即层间水层间水 其含量含量随所吸附的阳离子阳离子的种类种类、、环境环境的 温度温度和湿度湿度而异，，可在相当大相当大的范围内范围内变化变化，， 并可有确定确定的上限值上限值 ➋➋￿ ￿失水温度失水温度一般100～250℃±通常 加热至几十度几十度即开始脱水开始脱水，，常压常压下至110℃± 则大量失水大量失水 ➌➌￿ ￿失水后失水后，，晶格晶格并不被破坏不被破坏，， 仅结构层之间距离结构层之间距离缩短缩短，，晶胞参数晶胞参数c0减小减小，， 矿物矿物的相对密度相对密度和折射率折射率增大增大；； 且在潮湿潮湿的环境环境中又可重新吸水重新吸水。

 5．沸石水沸石水(zeolitic water) 主要存在于主要存在于沸石族沸石族沸石族沸石族矿物晶格矿物晶格矿物晶格矿物晶格中中宽大宽大宽大宽大的的空腔空腔空腔空腔和和通道通道通道通道中中 的H2O，，与其中的阳离子阳离子结合成水合离子水合离子 注意注意：➊➊￿ ￿水水的含量含量随温度温度和湿度湿度而异，， 上限值上限值与其他组分含量其他组分含量具简单比例关系简单比例关系 ➋➋￿ ￿失水失水一般从80℃开始，，至400℃时 沸石水沸石水可全部失去全部失去 ➌➌￿ ￿沸石水沸石水易失去易失去也易复得易复得，，其得失不会得失不会 破坏晶格破坏晶格，，只是矿物矿物的晶格常数晶格常数和某些某些物理性质物理性质 稍有变化稍有变化失水后失水后的沸石沸石可重新吸水重新吸水，，并恢复恢复到 原来的含水限度含水限度，，再现再现其原来的物理性质物理性质 说明说明： ➊➊￿ ￿单矿物单矿物的化学全分析数据化学全分析数据中，， H2O－－称负水负水，，通常意指不参加晶格不参加晶格的吸附水吸附水，， 当样品烘干到110℃之前之前即全部逸去全部逸去；； 而正水正水H2O+ 系指参加晶格参加晶格的结构水结构水或结晶水结晶水，， 其失水温度失水温度通常＞＞110℃。

➋➋ 有些参加晶格参加晶格的层间水层间水、、沸石水沸石水及 部分结晶水结晶水在＜＜110℃也可逸出晶格逸出晶格，， 故分析时应以特殊方法处理样品特殊方法处理样品中的水水 一一、矿物的化学式矿物的化学式 1．概念概念 矿物矿物的化学式化学式(chemical formulas)： 以组成矿物矿物的化学元素符号化学元素符号按一定原则一定原则 表示矿物矿物的化学成分化学成分是以单矿物单矿物的 化学全分析化学全分析所得的相对质量百分含量相对质量百分含量 为基础而计算出来的§5 矿物的化学式及其计算矿物的化学式及其计算 2．表示方法表示方法 1））矿物矿物的实验式实验式(empirical formulas)： 仅表示矿物矿物中各组分组分的种类种类及其数量比数量比 2））矿物矿物的结构式结构式 (structural formulas) (晶体化学式晶体化学式，crystallochemical formulas)： 既能表明矿物矿物中各组分组分的种类种类及其数量比数量比，， 又能反映出又能反映出它们它们它们它们在在晶格晶格晶格晶格中的中的相互关系相互关系相互关系相互关系及其及其存在形式存在形式存在形式存在形式。

 二二、矿物晶体化学式矿物晶体化学式的书写原则书写原则 ➊➊ 基本原则基本原则是阳离子阳离子在前在前，，阴离子阴离子或 络阴离子络阴离子在后在后络阴离子络阴离子需用““[ ]””括起来 ➋➋ 对复化合物复化合物，，阳离子阳离子按碱性碱性由强强 弱弱、、 价态价态从低低 高高排列 ➌➌ 附加阴离子附加阴离子通常写在阴离子阴离子或络阴离子络阴离子之后之后 ➍➍ 矿物矿物中的水分子水分子写在化学式化学式的最末尾最末尾，， 并用““ · ””将其与其他组分其他组分隔开 若含水量不定含水量不定，，则常用nH2O或aq表示 ➎➎ 成类质同像替代类质同像替代关系关系的离子离子，， 用““( )( )””括起来，，并按含量含量由多多 少少排列，， 中间中间用““，，””分分开 注意注意： 在计算出矿物矿物中各元素元素的离子数离子数之后，， 书写书写晶体化学式晶体化学式时，，习惯上，，将其具体数值具体数值 分别写在各元素符号元素符号之右下角右下角，，同时 成类质同像替代类质同像替代关系关系的各元素之间各元素之间 无需无需再加““，””，，并在““( )( )””之后下角后下角 列出““( )( )””内各元素离子数元素离子数之总和总和。

e.g.：某单斜辉石单斜辉石 (Ca0.960Na0.040)1.000(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030 Mn0.020Ti0.020)1.000[(Si1.920Al0.080)2.000O6] 三三、矿物晶体化学式的计算矿物晶体化学式的计算 （一）依据依据 ➊➊ 单矿物单矿物的化学全分析数据化学全分析数据；； ➋➋ 晶体化学理论晶体化学理论及晶体结构知识晶体结构知识，， 对矿物矿物中各元素元素的存在形式存在形式作出合理合理的判断判断，， 并按照电价平衡原则电价平衡原则，，将其分配到 适当的晶格位置晶格位置上；； ➌➌ x射线结构分析资料射线结构分析资料 注意注意：单矿物单矿物的化学全分析化学全分析的结果结果，，其一般 允许误差允许误差≤1%，，即矿物矿物中的各元素元素或氧化物氧化物 的质量百分含量质量百分含量(WB%)之总和总和应在99～101%  （二）方法方法 1．成分较简单成分较简单的矿物化学式计算矿物化学式计算 步骤步骤： ➊➊ 检查检查矿物矿物化学分析结果化学分析结果是否符合是否符合精度要求精度要求。

➋➋ ➌➌ 将各组分组分的摩尔数摩尔数化为简单简单的整数整数 ➍➍ 写出矿物矿物的化学式化学式 2．成分复杂成分复杂的矿物化学式计算矿物化学式计算 计算原则计算原则： ➊➊ 尽量使占位占位的离子离子数目数目保持合理合理；； ➋➋ 尽量使正负电荷正负电荷总数总数保持平衡平衡 计算前提计算前提： ➊➊ 必须有矿物矿物的化学全分析数据化学全分析数据；； ➋➋ 必须已知矿物矿物的化学通式化学通式 计算方法计算方法： ➊➊ 阴离子法阴离子法 ➋➋ 阳离子法阳离子法 XY[ZXY[Z2 2OO6 6] ] XY[ZXY[Z2 2OO6 6] ] 小结小结： 1．重点．重点： 元素元素克拉克值克拉克值；；地壳地壳中化学元素化学元素的分布特征分布特征；； 聚集元素聚集元素；；分散元素分散元素；；离子类型离子类型；；化学计量矿物化学计量矿物；； 非化学计量矿物非化学计量矿物非化学计量矿物非化学计量矿物及及研究意义研究意义研究意义研究意义；；矿物化学成分矿物化学成分矿物化学成分矿物化学成分变化变化变化变化的的原因原因原因原因；； 胶体矿物胶体矿物胶体矿物胶体矿物；；矿物中水矿物中水矿物中水矿物中水的的类型类型类型类型及及特点特点特点特点；；矿物晶体化学式矿物晶体化学式矿物晶体化学式矿物晶体化学式 的书写原则书写原则 2．难点．难点： 矿物矿物的非化学计量性非化学计量性及其意义意义；；矿物矿物中的水水。