矿物的结构和化学成分课件

1、第二部分第二部分 矿物的化学成分和内部结构矿物的化学成分和内部结构矿物的矿物的化学成分化学成分和和内部晶体结构内部晶体结构矿物的矿物的物理性质物理性质和和化学性质化学性质矿物中矿物中离子、分子离子、分子或或原子原子在晶体内的在晶体内的分布规律分布规律人们一直想了解地壳中元素的分布情况各人们一直想了解地壳中元素的分布情况各种元素占的比例。美国科学克拉克根据采自全球种元素占的比例。美国科学克拉克根据采自全球地地51595159个样品分析结果计算出了个样品分析结果计算出了16km16km厚地壳内厚地壳内5050种元素的平均质量百分含量，以克拉克值来表种元素的平均质量百分含量，以克拉克值来表示。示。

2、克拉克值克拉克值元素在地壳中的平均质量的百分元素在地壳中的平均质量的百分比（元素的丰度）。比（元素的丰度）。 46.30Na2.63前两位前两位74.45i28.15K2.09前四位前四位88.31Al8.23Mg2.33前十位前十位99.96Fe5.63Ti0.57 Ca4.15H0.15 地壳中元素的丰度反映的是地壳的平均化学成分，地壳中元素的丰度反映的是地壳的平均化学成分，决定着地壳中各种地质作用过程的总的地质背景。元素决定着地壳中各种地质作用过程的总的地质背景。元素的丰度在一定意义上影响着元素在成岩成矿作用中的浓的丰度在一定意义上影响着元素在成岩成矿作用中的浓度，从而支配着矿物的生成。

3、度，从而支配着矿物的生成。1.地质作用各种元素的浓度受丰度的限制。地质作用各种元素的浓度受丰度的限制。2.丰度值高的元素形成矿物种类也多。丰度值高的元素形成矿物种类也多。O O、SiSi、AlAl、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg八种元素占地球总八种元素占地球总质量的质量的98.59%98.59%，它们构成的矿物种占已知矿物种数，它们构成的矿物种占已知矿物种数的绝大部分。的绝大部分。二、元素的离子半径及离子类型二、元素的离子半径及离子类型1 1、离子半径的几个规律、离子半径的几个规律阴离子半径一般较大，阳离子一般较小在周期表上，同一族元素的离子半径自上而下，随周期数增加而加大核外

4、电子数不变，同一周期，自左向右，半径迅速变小La系（LaLu）收缩现象。 惰性气体型离子惰性气体型离子 （ns2np6，1s2） 铜型离子铜型离子 （ns2np6nd10） 过渡型离子过渡型离子（ns2np6nd1-9）2 2、元素的离子类型、元素的离子类型 惰性气体型离子惰性气体型离子 （ns2np6，1s2）1、哪些属于此类型？（在周期表中的分布）2、特点：、特点：外电子层轨道满（外电子层轨道满（ns2np6，1s2），），不易变价不易变价；元素的电负性元素的电负性小，趋于形成离子键；小，趋于形成离子键；常形成卤化物、氧化物或含氧盐；常形成卤化物、氧化物或含氧盐；萤石（萤石（CaF2)石英

5、（石英（SiO2)方解石（方解石（CaCO3)钾长石（钾长石（KAlSi3O8) 铜型离子铜型离子 （以以Cu为代表为代表）1、哪些属于此类型？（在周期表中的分布）2、特点：、特点：外电子层轨道满（外电子层轨道满（ ns2np6nd10 ； ns2np6nd10 （n+1）s2），），不易变价不易变价；元素的电负性元素的电负性较大，趋于形成共价键；较大，趋于形成共价键；常形成硫化物或含硫盐，常形成硫化物或含硫盐，辉铜矿（辉铜矿（Cu2S)方铅矿（方铅矿（PbS)闪锌矿（闪锌矿（ZnS） 过渡型离子过渡型离子（ns2np6nd1-9）1、哪些属于此类型？（在周期表中的分布）2、特点：、特点：外电

6、子层轨道不满，外电子层轨道不满，易变价易变价；（；（Fe2+和和Fe3+)电负性电负性介于以上二者之间，键性趋于过渡；介于以上二者之间，键性趋于过渡；元素最外层电子接近元素最外层电子接近8的，易与氧结合，即亲氧性强，的，易与氧结合，即亲氧性强，元素最外层电子接近元素最外层电子接近18的，易与硫结合，即亲硫性强；的，易与硫结合，即亲硫性强；此种离子构成的化合物常呈现一定的颜色，此种离子构成的化合物常呈现一定的颜色，故称其为故称其为色素离子色素离子或或致色离子致色离子(如如Cr3使使红宝红宝石石致致红色红色，翡翠翡翠致致绿色绿色等）等）不同价态的同种元素可能分属不同的离子类型不同价态的同种元素可能

7、分属不同的离子类型 过渡型离子过渡型离子过渡元素离子过渡元素离子注意注意三、矿物的化学键、晶格类型及性质三、矿物的化学键、晶格类型及性质键型离子键离子键共价键共价键 金属键金属键分子键分子键晶格类型离子晶格原子晶格 金属晶格分子晶格常见实例石盐萤石方解石金刚石自然铜自然金自然硫雄黄质点间结合力一般较强很强中等（由自由电子联结）较弱矿物性质硬度中高透明，玻璃光泽硬度高透明，金刚光泽低中，延展性强；不透明，金属光泽很低不透明半透明，玻璃光泽四、晶体结构的紧密堆积原理四、晶体结构的紧密堆积原理球体的最紧密堆积球体的最紧密堆积晶体结构晶体结构球体堆积球体堆积Why ? 具有一定有效半径的离子或原子具有

8、一定有效半径的离子或原子 刚性小球刚性小球 金属键和离子键都金属键和离子键都没有方向性和饱和性没有方向性和饱和性 晶体中原子或离子的化合遵循内能最小的原则晶体中原子或离子的化合遵循内能最小的原则单元素晶体 等大球体等大球体 化合物 不等大球体不等大球体1、等大球体的最紧密堆积（方式一）AB注意：注意：第三层球的堆积位第三层球的堆积位置有两种（置有两种（A A或或B B）第一种方式是第三层球的位置重复第一层球的位第一种方式是第三层球的位置重复第一层球的位置；即按置；即按ABABABAB两层重复一次的规律重复堆积。两层重复一次的规律重复堆积。此时球体在空间的分布恰好与空间格子中的六方此时球体在空间

9、的分布恰好与空间格子中的六方格子一致，故这种方式的堆积称之为格子一致，故这种方式的堆积称之为六方最紧密六方最紧密堆积。堆积。两层重复两层重复ABABAB.ABABAB.最紧密堆积最紧密堆积面（面（00010001）六方最紧密堆积六方最紧密堆积1、等大球体的最紧密堆积（方式二）AB注意：注意：第三层球的堆积位第三层球的堆积位置有两种（置有两种（B B）第二种则是第三层球堆积在既不重复第一层也不重第二种则是第三层球堆积在既不重复第一层也不重复第二层球的位置上。即按复第二层球的位置上。即按ABCABCABCABC三层重复一三层重复一次的规律重复堆积。次的规律重复堆积。则球体在空间的分布与空间格子中的

10、立方面心格子则球体在空间的分布与空间格子中的立方面心格子一致。此种方式的堆积称之为一致。此种方式的堆积称之为立方最紧密堆积立方最紧密堆积。三层重复三层重复 ABCABCABC.ABCABCABC.最紧密堆积面（最紧密堆积面（111111）立方最紧密堆积立方最紧密堆积X八面体空隙八面体空隙四面体空隙四面体空隙最紧密堆积最紧密堆积 空隙率空隙率25.95%当当n个球做最紧密堆积时个球做最紧密堆积时四面体空隙数四面体空隙数=2n八面体空隙数八面体空隙数=n空隙的类型和数目空隙的类型和数目A空隙空隙B空隙空隙2 2、不等大球体的最紧密堆积、不等大球体的最紧密堆积阴离子作最紧密堆积阴离子作最紧密堆积阳离

11、子充填其阳离子充填其空隙空隙最紧密堆积原理可适用于许多晶体结构，最紧密堆积原理可适用于许多晶体结构，特别是特别是金属晶格金属晶格和和离子晶格离子晶格 配位数配位数 ( (coordination number C.N.coordination number C.N.) 每个原子或离子周围与之呈配位关系的原子每个原子或离子周围与之呈配位关系的原子或或异号离子异号离子的数目的数目 配位多面体配位多面体(coordination polyhedroncoordination polyhedron)以任一原子或离子为中心，将其周围与之呈以任一原子或离子为中心，将其周围与之呈配位关系的原子或异号离子的中

12、心联线所形配位关系的原子或异号离子的中心联线所形成的成的几何图形几何图形影响配位数的因素影响配位数的因素质点的相对大小，堆积的紧密程度及质点质点的相对大小，堆积的紧密程度及质点间化学键的性质间化学键的性质3 3 配位数和配位多面体配位数和配位多面体配位数配位数由金属键由金属键 离子键离子键 共价键共价键 降低降低 金属键金属键且做最紧密堆积时具最高配位数且做最紧密堆积时具最高配位数（1212） 典型典型共价键共价键或以共价键为主的单质或化合物都或以共价键为主的单质或化合物都 具有最低的配位数具有最低的配位数（CN=3,4)CN=3,4) 离子化合物晶体离子化合物晶体，配位数大小主要取决于阴、阳

13、，配位数大小主要取决于阴、阳 离子半径的比值离子半径的比值r1r2=0.414r1阳离子半径阳离子半径r2阴离子半径阴离子半径当环境当环境温度升高温度升高时，晶体结构紧密度降低，容纳时，晶体结构紧密度降低，容纳离子的空隙变大，为保证异号离子间能接触，阳离子的空隙变大，为保证异号离子间能接触，阳离子通常转入离子通常转入低配位低配位空隙中。空隙中。反之，在反之，在压力大压力大的环境中配位数会的环境中配位数会增高增高。温度增高温度增高 配位数减小配位数减小压力增大压力增大 配位数增高。配位数增高。影响配位数的外因：影响配位数的外因：如夕线石（高温）Al3的配位数为4; 蓝晶石（高压） Al3的配位数

14、为6；配位多面体的自我调整配位多面体的自我调整常见阳离子的配位数及配位多面体常见阳离子的配位数及配位多面体配位数及配位多面体的形状配位数及配位多面体的形状配位多面体的连接方式配位多面体的连接方式晶体结构可视为由配位多面体相互联结而成的体系五、同质多象五、同质多象1、概念、概念同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件下，形成不同结构的晶体的现象下，形成不同结构的晶体的现象 石墨和金刚石结构及物性对比石墨和金刚石结构及物性对比 金刚石金刚石石墨石墨晶系晶系等轴晶系等轴晶系六方晶系六方晶系配位数配位数43原子间距原子间距0.154nm层内层内0.142nm,

15、层间层间0.340nm键性键性共价键共价键层内共价键，层间分子键层内共价键，层间分子键形态形态八面体八面体六方片状六方片状颜色颜色无色或浅色无色或浅色黑色黑色透明度透明度透明透明不透明不透明光泽光泽金刚光泽金刚光泽金属光泽金属光泽解理解理111中等中等0001完全完全硬度硬度101相对密度相对密度3.522.25导电性导电性不良导体不良导体良导体良导体附加说明附加说明 同质多象的每一种变体都是矿物学中独立同质多象的每一种变体都是矿物学中独立的矿物种的矿物种 单独命名单独命名 同种物质的同质多象变体根据它们的形成温同种物质的同质多象变体根据它们的形成温度度从低到高从低到高在其名称或成分之前冠以在

16、其名称或成分之前冠以 -, -, -, -, - -等希腊字母等希腊字母 2 2、 同质多象变体的转变同质多象变体的转变地质温压计地质温压计 可逆转变可逆转变 - -石英石英- -石英石英 573不可逆转变不可逆转变 文石文石 方解石方解石 石墨石墨 金刚石金刚石 - -石英石英 柯石英柯石英700700，2.8GPa2.8GPa副像副像现象：一种变体继承了另一种变体之现象：一种变体继承了另一种变体之晶形晶形的现象的现象 - -石英石英 - -石英石英 2- -鳞石英鳞石英 - -方石英方石英5735738708701470147017201720熔体熔体六六 类质同象类质同象1 1 概念概念

17、晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）被其他晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）被其他类似的质点所代替，仅晶格常数发生不大的变化，类似的质点所代替，仅晶格常数发生不大的变化，而结构型式并不改变的这种现象而结构型式并不改变的这种现象MgCO3(Mg,Fe)CO3(Fe,Mg)CO3FeCO3 菱镁矿菱镁矿 含铁的菱镁矿含铁的菱镁矿 含镁的菱铁矿含镁的菱铁矿 菱铁矿菱铁矿ZnS(Zn,Fe)S Fe Zn26% 共同结晶成均一的、呈单一相的混合晶体（类质同像混晶）共同结晶成均一的、呈单一相的混合晶体（类质同像混晶）白云石(CaMgCO3)?2 分类分类 完全的类质同象：完全的类质同象：两种质点可

18、以任意比例相互取代两种质点可以任意比例相互取代 有限类质同象：有限类质同象：两种质点的相互代替局限在一个有限两种质点的相互代替局限在一个有限 的范围内的范围内 异价的类质同象异价的类质同象 Na+Ca2+ Al3+Si4+ 等价的类质同象等价的类质同象 Fe2+Mg2+ Fe2+Zn2+ +根据不同组分在晶格中的替代范围根据晶格中的相互替代的离子电价是否相等（保持晶格的电中性）（保持晶格的电中性）3 3 类质同象的形成条件类质同象的形成条件内因内因 原子和离子半径(r1 - r2 ) 15%15%时时, ,完全的完全的类质同象类质同象r2(r1 - r2 ) 15-30%30%30%时时, ,

19、高温有限类质同象高温有限类质同象低温低温不形成不形成类质同象类质同象r2（大小尽可能接近） 离子电价不同的方式不同的方式( (如下）如下）总电价平衡总电价平衡简单的代替简单的代替 橄榄石橄榄石 Mg2+Fe2+ 成对的代替成对的代替不等量的代替不等量的代替 云母中云母中 2Al3+3Mg2+ 3Mg2+2Al3+ 斜长石斜长石 Na+Si4+Ca2+Al3+磷灰石磷灰石 Ce3+Na+2Ca2+萤石萤石 Ca2+Y3+F- 绿柱石绿柱石Li+Cs+Be2+ 离子类型和化学键离子类型和化学键离子类型相同，化学键相近离子类型相同，化学键相近Ca2+(0.100nm) Hg2+(0.102nm)Al

20、3+(0.026nm) Si4+(0.039nm) Si-O(0.161nm) Al-O(0.176nm)外因外因 温度增高有利于类质同象的产生，而温度降低则温度增高有利于类质同象的产生，而温度降低则 将限制类质同象的范围并促使离溶将限制类质同象的范围并促使离溶 压力增大将限制类质同象代替的范围并促使其离溶压力增大将限制类质同象代替的范围并促使其离溶 组分浓度组分浓度 满足矿物组分之间的量比满足矿物组分之间的量比 4 4、研究类质同象的意义、研究类质同象的意义有助于阐明矿物床中元素赋存状态、寻找稀有分散元素、进行矿床的综合评价 有助于了解成矿环境。 类质同象代替所引起的矿物化学成分的规律变化，

21、必然会导致矿物的一系列物理性质（如颜色、光泽、条痕、折光率、比重、硬度、熔点等等）的规律变化，系统地研究这些规律变化的相互关系就可以使我们根据矿物物性的测定来确定矿物组分的变化 七、水在矿物中的存在形式七、水在矿物中的存在形式根据水是否参加矿物晶格而把水分为三类根据水是否参加矿物晶格而把水分为三类不参加矿物晶格的水：不参加矿物晶格的水：吸附水吸附水参加矿物晶格的水：参加矿物晶格的水：结晶水和结构水结晶水和结构水过渡类型的水：过渡类型的水：层间水和沸石水层间水和沸石水中性水，不带电荷，不进入矿物晶体结构，存在于矿物的表面、裂隙中，失水温度很低（0-110之间）。含量不固定，随环境温度和湿度而变，

22、不计入化学式(胶体水除外)。吸附水的存在不影响矿物的结构 吸附水吸附水以中性水分子的形式存在于晶体结构中，有固定的位置和配位数，有固定的含量，失水温度高（200-500），失水后不再获得，并影响矿物的结构和性质。结晶水多出现于具有大半径络阴离子的含氧盐矿物中，有一个或几个固定的脱水温度 ，如Cu SO4 5H2OCu SO4 3H2OCuSO4 H2OCuSO4胆矾 三水胆矾 泼水胆矾 铜锭石30 C100 C400 C结晶水结晶水结构水结构水以H+, H3O+, (OH)-形式存在于晶体结构中。有固定的位置和确定的含量比 ，失水温度高（500/600-1200），失水后，很难重新得到。失水后

23、，离子发生重新排列，变为另一种矿物.矿物中结构水的作用（1）平衡晶体中多余的电荷（2）充填结构空隙 高岭石 Al4Si4O10(OH)8 层间水和沸石水层间水和沸石水以中性水分子的形式存在于层状硅酸盐结构单元层之间（层间水）或架状结构硅酸盐沸石族矿物结构的孔隙和空洞中（沸石水）。参与晶格但含量与吸附阳离子的种类以及环境的温度和湿度有关，介于结晶水和吸附水之间。 有一定的配位数，失水后，矿物结构基本不变，只是矿物的物理化学性质发生一些变化，失水温度低，失水后可以重新获得 八、矿物的化学式八、矿物的化学式1 1、矿物化学式的表示方法矿物化学式的表示方法实验式实验式：表示组成矿物的元素种类及其原子数之比表示组成矿物的元素种类及其原子数之比 仅表示出组成矿物的元素种类及其原子数之比仅表示出组成矿物的元素种类及其原子数之比 忽