第十三章矿物的化学成分

1、第十三章第十三章 矿物的化学成分矿物的化学成分 前言前言 任何矿物均具有一定的化学组成。它不但是任何矿物均具有一定的化学组成。它不但是区别区别不同矿不同矿物的重要标志，而且也是人们利用矿物作为物的重要标志，而且也是人们利用矿物作为工业原料工业原料的一的一个重要方面。个重要方面。此外，由于此外，由于矿物是岩石的构成单位矿物是岩石的构成单位，其物理化学性质决定，其物理化学性质决定了了矿石及其岩石矿石及其岩石的物理化学性质。的物理化学性质。因此，矿物的化学成分和化学性质理论和实践上都是矿物因此，矿物的化学成分和化学性质理论和实践上都是矿物学研究的重要课题之一。学研究的重要课题之一。重点讲解内容重点讲

2、解内容1.地壳化学元素丰度地壳化学元素丰度2.元素的离子类型元素的离子类型3.矿物化学式的书写和计算矿物化学式的书写和计算4.胶体矿物化学组成特征胶体矿物化学组成特征5.矿物中水的类型划分矿物中水的类型划分第一节、地壳的化学成分及元素的地球化学特第一节、地壳的化学成分及元素的地球化学特征征一）地壳的化学成分一）地壳的化学成分 矿物是地壳中矿物是地壳中各种地质作用的产物各种地质作用的产物，是地壳中，是地壳中各种各种化学成分分散、聚集、迁移、结合化学成分分散、聚集、迁移、结合的结果。的结果。 地壳的化学成分是形成各种矿物的地壳的化学成分是形成各种矿物的物质前提物质前提，矿物，矿物的化学成分是地壳中

3、化学成分的一种体现。的化学成分是地壳中化学成分的一种体现。 1 1地壳中化学元素的丰度地壳中化学元素的丰度 周期表中的绝大多数元素在地壳中都可以找到，但周期表中的绝大多数元素在地壳中都可以找到，但是是各种元素在地壳中的含量却有很大的差异各种元素在地壳中的含量却有很大的差异。 美国学者美国学者克拉克克拉克(FWclark)从从1882年起，对地年起，对地壳中主要的、分布最广的元素进行了系统的计算。壳中主要的、分布最广的元素进行了系统的计算。他与华盛顿他与华盛顿(HSwashington)于于1924年最先提出了地年最先提出了地壳中壳中50余余种化学元素的平均含量表。种化学元素的平均含量表。 随后

4、许多研究者根据自己的研究成果对其作了进随后许多研究者根据自己的研究成果对其作了进一步的补充和更正，或者另行编制了地球化学元素一步的补充和更正，或者另行编制了地球化学元素丰度表。但就地壳中分布最广泛、丰度较大的元素丰度表。但就地壳中分布最广泛、丰度较大的元素来说，其相对差别是不大的。来说，其相对差别是不大的。 克拉克值克拉克值: 为了纪念克拉克的功绩，苏联学者为了纪念克拉克的功绩，苏联学者费尔斯费尔斯曼曼提议，把地壳中化学元素提议，把地壳中化学元素平均含量的质量平均含量的质量百分数百分数称为称为“克拉克值克拉克值”，或称，或称“质量克拉质量克拉克值克值”。q 原子克拉克值原子克拉克值 由于由于各

5、元素的原子量不同各元素的原子量不同，质量克拉克值的概念，质量克拉克值的概念还不能如实反映地壳中元素的相对多少，而元素参加还不能如实反映地壳中元素的相对多少，而元素参加化学反应时，原子数目起着决定性的作用。化学反应时，原子数目起着决定性的作用。 1911年年前苏联科学家学院院士、地球化学家、矿物前苏联科学家学院院士、地球化学家、矿物学家学家 AE费尔斯曼进行了费尔斯曼进行了元素的原子克拉克值元素的原子克拉克值的换的换算。算。 将每一元素的质量克拉克值除以该元素的原子将每一元素的质量克拉克值除以该元素的原子量得出元素的原子因数，然后量得出元素的原子因数，然后将各种元素的原将各种元素的原子因数化为百

6、分数子因数化为百分数即为该元素的原子克拉克值即为该元素的原子克拉克值。 注解：注解：各种元素在地壳中的丰度相差很大，丰度最大的元素各种元素在地壳中的丰度相差很大，丰度最大的元素(O46.6)和已知丰度最小的元素和已知丰度最小的元素(Rn7l0-16)在质在质量上相差达量上相差达1017倍倍之多。之多。O O、Si Si 、A1A1、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg八种元素占了地壳总八种元素占了地壳总质量的质量的98.59，其中，其中O 几乎占了地壳质量的一半（几乎占了地壳质量的一半（46.6），），Si占了四分之一多（占了四分之一多（26.7）。）。将质量百分比换算为原子百分比，

7、考虑到元素离子半将质量百分比换算为原子百分比，考虑到元素离子半径的差异，再换算为体积百分比时，还可看到更有意义径的差异，再换算为体积百分比时，还可看到更有意义的特征。见下表。的特征。见下表。注解：注解：从原子堆积的角度来看，地壳基本上是从原子堆积的角度来看，地壳基本上是由由O O的阴离子堆积的阴离子堆积而成，其它离子而成，其它离子( (主要是主要是SiSi、AlAl、K K、NaNa、CaCa，MgMg等等) )充填充填在其空隙之中在其空隙之中。 2 2、地壳中元素丰度高低不同的原因分析、地壳中元素丰度高低不同的原因分析 造成地壳中元素丰度高低不同的根本原因在于造成地壳中元素丰度高低不同的根本

8、原因在于各元素各元素原子核的结构和稳定性不同原子核的结构和稳定性不同。 随着原子序数随着原子序数(z)(z)的增大，的增大，核内质子间的斥力的增加大核内质子间的斥力的增加大于核力的增加，核内的结合能降低，原子核趋于不稳定于核力的增加，核内的结合能降低，原子核趋于不稳定，元素的丰度也降低。元素的丰度也降低。因此因此丰度高的元素分布于周期表的开端部分丰度高的元素分布于周期表的开端部分，自，自Co(zCo(z27)27)以后，元素丰度有显著降低。以后，元素丰度有显著降低。 3研究地壳中化学元素丰度的矿物学意义研究地壳中化学元素丰度的矿物学意义 地壳中元素的丰度反映的是地壳的地壳中元素的丰度反映的是地

9、壳的平均化学成分平均化学成分，决定着地壳中决定着地壳中各种地质作用过程总的物质背景各种地质作用过程总的物质背景。元素的丰度大小在一定程度上影响着元素在成岩、元素的丰度大小在一定程度上影响着元素在成岩、成矿作用中的成矿作用中的浓度浓度，从而，从而支配着新矿物种的生成。支配着新矿物种的生成。 在实验室里可以，合成的化合物数以十万计，而地质在实验室里可以，合成的化合物数以十万计，而地质作用中生成的化合物作用中生成的化合物(矿物矿物)数目却很有限数目却很有限，除因，除因与矿物与矿物的形成和稳定条件以及与元素在地壳中只出现有限的原的形成和稳定条件以及与元素在地壳中只出现有限的原子价态有关外，也与地质作用

10、中子价态有关外，也与地质作用中各元素的浓度受丰度各元素的浓度受丰度的的很大限制有关。很大限制有关。实例：实例： NaNa、K K、RbRb、CsCs具有相似的化学性质具有相似的化学性质，由于，由于Na和和K在在许多地质作用中都可以有较大的浓度，可以形成许多独许多地质作用中都可以有较大的浓度，可以形成许多独立的矿物立的矿物;而而Rb和和Cs的丰度值低，总是难于达到饱和浓的丰度值低，总是难于达到饱和浓度，度，很难形成自己的独立矿物很难形成自己的独立矿物。从已知矿物种的数目来看，丰度值高的元素形成的矿从已知矿物种的数目来看，丰度值高的元素形成的矿物种也多。物种也多。 由前所列的八种元素是地壳中丰度最

11、大的元素，它由前所列的八种元素是地壳中丰度最大的元素，它们们构成的矿物种数占已知矿物种数的绝大部分构成的矿物种数占已知矿物种数的绝大部分。这些矿物的数量最多，分布也最广，是这些矿物的数量最多，分布也最广，是构成地壳各类构成地壳各类岩石的主要矿物成分岩石的主要矿物成分。4 4、聚集元素与分散元素、聚集元素与分散元素1 1）聚集元素概念）聚集元素概念 矿物的形成不仅与矿物的形成不仅与元素在地壳中的相对数量元素在地壳中的相对数量有关，还有关，还决定于决定于元素的地球化学性质元素的地球化学性质。有些元素的丰度虽然很低，。有些元素的丰度虽然很低，但趋向于集中，可以形成独立的矿物种，并可以富集成矿但趋向于

12、集中，可以形成独立的矿物种，并可以富集成矿床，这些元素称为床，这些元素称为聚集元素聚集元素（Ag和和Au ）。2 2）分散元素概念）分散元素概念 有些元素的丰度虽然较高，但趋向于分散，不易聚集有些元素的丰度虽然较高，但趋向于分散，不易聚集成矿床，甚至很少能形成独立的矿物种，而是常常作为成矿床，甚至很少能形成独立的矿物种，而是常常作为微微量混入物量混入物赋存在主要由其它元素组成的矿物中，称为赋存在主要由其它元素组成的矿物中，称为分散分散元素元素。如。如Rb、Cs、Ga、In等。等。5 5、矿物化学成分变化的原因、矿物化学成分变化的原因 矿物的化学成分可以分为两种类型： 单质和化合物单质和化合物。

13、 无论是单质或化合物，其化学成分都不是绝对固定不都不是绝对固定不变的变的，通常都是在一定的范围一定的范围内有所变化，引起矿物化学引起矿物化学成分变化的原因主要有：成分变化的原因主要有：对晶质矿物而言，主要是对晶质矿物而言，主要是元素类质同象代替元素类质同象代替。对胶体矿物来说，则主要是对胶体矿物来说，则主要是胶体的吸附作用胶体的吸附作用。某种矿物成分中含有的混入物，除因类质同象代替和吸某种矿物成分中含有的混入物，除因类质同象代替和吸附而存在的成分外，还包括一些附而存在的成分外，还包括一些以显微以显微( (及超显微及超显微) )包裹体包裹体形式形式存在的机械混入物。存在的机械混入物。6 6、元素

14、的地球化学分类、元素的地球化学分类 元素在矿物中的结合主要取决于两种因素：元素在矿物中的结合主要取决于两种因素：其一是元其一是元素本身的性质素本身的性质( (元素的原子结构及其特性元素的原子结构及其特性) )；其二是矿物结其二是矿物结晶时的物化环境条件（地质环境、物理化学条件等）晶时的物化环境条件（地质环境、物理化学条件等）。 元素的地球化学分类是元素的地球化学分类是在在元素周期表分类的基础上，元素周期表分类的基础上，结合其地球化学行为和元素在矿物中的组合特征结合其地球化学行为和元素在矿物中的组合特征进行分类进行分类。1 1）惰性气体族惰性气体族 包括氦氖氩氪氙氡，具有稳定的包括氦氖氩氪氙氡，

15、具有稳定的8 8（或（或2 2）电子外层结）电子外层结构，一般作为构，一般作为气体单质气体单质存在于大气中。存在于大气中。2）氢氢 在还原状态下，为原子状态的气体，在氧化态下为在还原状态下，为原子状态的气体，在氧化态下为OH-离子离子，成为某些，成为某些含含氧盐和氢氧化物氧盐和氢氧化物的组成部分；的组成部分；有时也以有时也以中性的水分子中性的水分子参与构成晶格。参与构成晶格。3）主要造盐岩元素族）主要造盐岩元素族 包括包括锂钠钾铷铯锂钠钾铷铯 铍镁钙锶钡铍镁钙锶钡 铝硅铝硅，这些元素可形，这些元素可形成稳定成稳定8电子惰性气体型离子。电子惰性气体型离子。具有较大的半径，较弱具有较大的半径，较弱

16、的极化能力，容易以离子键与阴离子结合的极化能力，容易以离子键与阴离子结合。 通常通常与氧结合形成氧化物或含氧盐与氧结合形成氧化物或含氧盐（特别是硅酸（特别是硅酸盐），组成大部分盐），组成大部分造岩元素造岩元素，属于，属于亲石元素亲石元素，也叫，也叫造造岩元素或亲氧元素岩元素或亲氧元素。硅与氧结合形成硅与氧结合形成石英石英，并且与钠、钾、钙、镁、铝一，并且与钠、钾、钙、镁、铝一起形成硅酸盐（如长石、云母、角闪石等）。起形成硅酸盐（如长石、云母、角闪石等）。钙与氧、碳一起形成钙与氧、碳一起形成碳酸盐碳酸盐（方解石）构成主要的造（方解石）构成主要的造盐岩矿物，另外也可以形成盐岩矿物，另外也可以形成卤

17、化物矿物卤化物矿物（如萤石）（如萤石）铷、铯、锶、钡的克拉克值较低，常呈现铷、铯、锶、钡的克拉克值较低，常呈现分散状态分散状态，在矿物中呈在矿物中呈类质同象混入物类质同象混入物存在。存在。锂和铍具有小的离子半径，多见于锂和铍具有小的离子半径，多见于伟晶作用伟晶作用形成的矿形成的矿物中（如锂云母、物中（如锂云母、 绿柱石）。绿柱石）。4）矿化剂族）矿化剂族 硼、碳、氧、氟、磷、硫硼、碳、氧、氟、磷、硫、氯氯主要主要形成简单阴离子或形成简单阴离子或络阴离子络阴离子，对各种盐类矿物的形成起重要的作用。，对各种盐类矿物的形成起重要的作用。 这些阴离子大部分可与阳离子形成易溶和容易挥发的这些阴离子大部分

18、可与阳离子形成易溶和容易挥发的化合物，对岩浆期后形成的金属矿床中所特有的许多金属化合物，对岩浆期后形成的金属矿床中所特有的许多金属的搬运和富集起巨大的作用。的搬运和富集起巨大的作用。硼、氟、硫、氯、碳硼、氟、硫、氯、碳与水相伴成气体，可大量出现在与水相伴成气体，可大量出现在火火山喷气中山喷气中，并相应形成与火山喷气有关的矿物，如，并相应形成与火山喷气有关的矿物，如自然硫、自然硫、硫化物、卤化物及碳酸盐矿物硫化物、卤化物及碳酸盐矿物等；等；在地壳相当深度的条件下，这些元素可与侵入体的围岩在地壳相当深度的条件下，这些元素可与侵入体的围岩发生强烈的变质作用，形成接触变质矿物，在深度很大的发生强烈的变

19、质作用，形成接触变质矿物，在深度很大的岩浆体中，可促进伟晶岩矿物的形成；在外力作用过程中岩浆体中，可促进伟晶岩矿物的形成；在外力作用过程中形成各种含氧盐及盐类矿物。形成各种含氧盐及盐类矿物。硼除见于伟晶岩矿物（电气石）外，常呈含水硼酸盐硼除见于伟晶岩矿物（电气石）外，常呈含水硼酸盐（主要是钠和钙的含水硼酸盐）出现在含硼岩层中（主要是钠和钙的含水硼酸盐）出现在含硼岩层中 ，它，它的出现与火山活动有关。的出现与火山活动有关。碳除了形成金刚石和石墨外，还与造岩元素和部分的碳除了形成金刚石和石墨外，还与造岩元素和部分的铁铁/锰等元素形成碳酸盐，广泛存在于外力作用锰等元素形成碳酸盐，广泛存在于外力作用

20、及部分及部分热液作用的产物中。热液作用的产物中。氮和氧是大气的组成部分，氮可成为氮和氧是大气的组成部分，氮可成为 硝酸盐类矿物硝酸盐类矿物的的组成部分。组成部分。氧具有较大的电负性，容易接受电子成为阴离子，同时氧具有较大的电负性，容易接受电子成为阴离子，同时氧的半径较小，对阳离子有较大的亲和力，氧的半径较小，对阳离子有较大的亲和力，易与阳离子通易与阳离子通过离子键结合。过离子键结合。 在岩石圈内，越接近地表，氧含量越高。在岩石圈内，越接近地表，氧含量越高。在地下深处在地下深处以低价铁的硅酸盐或硫化物存在，在地表处由于氧化作用以低价铁的硅酸盐或硫化物存在，在地表处由于氧化作用强烈，大多形成新的氧

21、化物、氢氧化物、硫酸盐及其它富强烈，大多形成新的氧化物、氢氧化物、硫酸盐及其它富氧的化合物氧的化合物。硫离子由于电负性小（相对氧），半径大，容易与亲硫硫离子由于电负性小（相对氧），半径大，容易与亲硫的重金属元素相结合，形成具有的重金属元素相结合，形成具有明显共价键或金属键明显共价键或金属键的化的化学键。学键。在还原条件下，在还原条件下，S2-是相对稳定的，可形成方铅矿是相对稳定的，可形成方铅矿（PbS） 、磁黄铁矿（、磁黄铁矿（Fe1-XS）、辰砂（）、辰砂（HgS）等简单硫）等简单硫化物。化物。 S22- 是黄铁矿和白铁矿的组成部分，两个负电荷分别是黄铁矿和白铁矿的组成部分，两个负电荷分别属

22、于两个硫离子，说明黄铁矿是在比磁黄铁矿氧化较强的属于两个硫离子，说明黄铁矿是在比磁黄铁矿氧化较强的条件下形成的。条件下形成的。S0中性的，是中性的，是硫离子进一步氧化产生硫离子进一步氧化产生的，在高温时以气的，在高温时以气体形式存在，低温时则生成自然硫。体形式存在，低温时则生成自然硫。S4+ 、S6+是在是在显著氧化条件下显著氧化条件下形成的，形成的， S4+ 以以SO2的气体的气体形式见与火山作用的喷气中；而形式见与火山作用的喷气中；而S6+则形成硫酸盐，是表则形成硫酸盐，是表生作用的产物。生作用的产物。氟和氯是岩浆中易挥发的组分，可见于火山作用的喷气氟和氯是岩浆中易挥发的组分，可见于火山作

23、用的喷气中；也可以中；也可以附加阴离子附加阴离子的形式存在于硅酸盐矿物（黄玉、的形式存在于硅酸盐矿物（黄玉、云母）或磷酸盐矿物（磷灰石）。云母）或磷酸盐矿物（磷灰石）。磷主要以磷主要以磷酸盐矿物磷酸盐矿物的形式存在。的形式存在。5）铁族元素）铁族元素 钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍为铁族元素，在元为铁族元素，在元素周期表中的位置和性质素周期表中的位置和性质介于造岩元素和造矿元素之间介于造岩元素和造矿元素之间的的过渡地位，称为过渡地位，称为过渡元素过渡元素，其形成的离子外层具有，其形成的离子外层具有818个个电子，属于惰性气体离子和铜型离子之间的过渡类型。电子，属于

24、惰性气体离子和铜型离子之间的过渡类型。钪、钛、钒、铬倾向于钪、钛、钒、铬倾向于同氧结合同氧结合，其中钪主要呈，其中钪主要呈分散状分散状态态出现在硅酸盐矿物中。出现在硅酸盐矿物中。钴和镍钴和镍主要呈主要呈硫化物及其类似化合物形式硫化物及其类似化合物形式出现，显示出出现，显示出明显的亲硫性，明显的亲硫性，铁、锰铁、锰既亲氧又亲硫，显示出既亲氧又亲硫，显示出双重特性双重特性。6）稀有金属元素族稀有金属元素族 钇、稀土、锆、铪、铌、钽钇、稀土、锆、铪、铌、钽为本族元素，这些元为本族元素，这些元素可出现在素可出现在某些稀有元素矿物某些稀有元素矿物中，可以形成中，可以形成复杂的氧复杂的氧化物和含氧盐化物和

25、含氧盐。主要以矿物的主要成分或以类质同象。主要以矿物的主要成分或以类质同象的形式存在。的形式存在。7）放射性元素）放射性元素 钫、镭、锕、钍、镤、铀属于该族元素，可以硅酸钫、镭、锕、钍、镤、铀属于该族元素，可以硅酸盐或氧化物矿物的形式存在，同时也可呈类质同象的盐或氧化物矿物的形式存在，同时也可呈类质同象的形式存在，在氧化条件下形成各种含氧盐。形式存在，在氧化条件下形成各种含氧盐。8）钨钼族）钨钼族 钨、钼、碍、铼钨、钼、碍、铼。钨、钼在成因上。钨、钼在成因上与酸性岩浆与酸性岩浆有关，有关，多为多为高温热液作用高温热液作用的产物。的产物。钨主要形成钨主要形成氧化物氧化物和钨酸盐（黑钨矿（和钨酸盐

26、（黑钨矿（MnFe）WO4） （白钨矿（白钨矿CaWO4），），钼则主要形成钼则主要形成硫化物硫化物（辉钼矿（辉钼矿MoS2），铼则以类质同象），铼则以类质同象的形式存在于辉钼矿中。的形式存在于辉钼矿中。9）铂族元素）铂族元素 包括钌、铑、钯、锇、铱、铂元素。在自然界以包括钌、铑、钯、锇、铱、铂元素。在自然界以自然金自然金属元素属元素的形式存在，同时也的形式存在，同时也可以形成硫化物、砷化物可以形成硫化物、砷化物等。等。1010）金属矿床成矿元素族金属矿床成矿元素族 铜、银、金、锌、镉、汞、镓、铟、锗、锡、铜、银、金、锌、镉、汞、镓、铟、锗、锡、铅属于这族元素，这族元素常形成金属矿床，所以铅属

27、于这族元素，这族元素常形成金属矿床，所以称为称为造矿元素造矿元素; ; 这些元素最外层具有这些元素最外层具有1818个电子，个电子，为为铜型离子铜型离子，由于这些元素容易与硫结合，因此也叫由于这些元素容易与硫结合，因此也叫亲硫元素亲硫元素。 锡在自然界一般锡在自然界一般以氧化物的形式出现以氧化物的形式出现（锡石（锡石SnOSnO2 2）只有在还原条件下才形成两价锡的硫化物。只有在还原条件下才形成两价锡的硫化物。11）半金属和重矿化剂族）半金属和重矿化剂族 砷、锑、铋、硒、碲属于该族元素，半金属元素砷、锑、铋、硒、碲属于该族元素，半金属元素砷、锑、铋可与硫结合成络阴离子，再与铜、银、铅砷、锑、铋

28、可与硫结合成络阴离子，再与铜、银、铅等阳离子结合成硫盐矿物。等阳离子结合成硫盐矿物。 另外也可作为另外也可作为简单硫化物简单硫化物出现，在还原条件下，可出现，在还原条件下，可形成单质的自然金属。形成单质的自然金属。硒可在硫化物中代替硫，以硒可在硫化物中代替硫，以类质同象类质同象的形式出现，的形式出现，碲可与铋、铅、汞、金、银、铜等结合为独立矿物。碲可与铋、铅、汞、金、银、铜等结合为独立矿物。第二节第二节 元素离子类型元素离子类型一、元素离子类型的划分一、元素离子类型的划分 组成矿物的组成矿物的原子或离子的性质原子或离子的性质直接影响着矿物直接影响着矿物的物质组成和结构。的物质组成和结构。 在矿

29、物学中，根据在矿物学中，根据离子的外层电子构型特征离子的外层电子构型特征，矿物晶体中的离子分为三种基本类型：矿物晶体中的离子分为三种基本类型： 惰性气体型离子，铜型离子和过渡型离子惰性气体型离子，铜型离子和过渡型离子。1 1、惰性气体型离子、惰性气体型离子q在周期表中的位置在周期表中的位置 包括包括周期表左边的碱金属和碱土金属以及右边周期表左边的碱金属和碱土金属以及右边的一些非金属元素的一些非金属元素( (氯族元素氯族元素 氧族元素氧族元素 ) )。q外层电子构型特点外层电子构型特点 该类元素在该类元素在失去或得到失去或得到一定数目的电子成为离一定数目的电子成为离子时，子时，最外层电子构型与惰

30、性气体原子相似最外层电子构型与惰性气体原子相似，具，具有有8 8个（个（S S2 2P P6 6）或或2 2个（个（S S2 2）电子的稳定结构，称为）电子的稳定结构，称为惰性气体型离子惰性气体型离子。q惰性气体型离子的惰性气体型离子的矿物学性质矿物学性质碱金属和碱土金属的金属性较强，碱金属和碱土金属的金属性较强，容易失去最容易失去最外层电子外层电子变为阳离子，达到变为阳离子，达到8 8电子稳定结构；电子稳定结构；氧是地壳中含量最多、分布最广的元素，氧是地壳中含量最多、分布最广的元素，容易容易得到得到两个电子变为两个电子变为O O2-2-， 达到达到8 8电子稳定结构电子稳定结构。碱金属和碱土

31、金属容易与氧结合成氧化物或含氧碱金属和碱土金属容易与氧结合成氧化物或含氧盐，形成大部分盐，形成大部分造造岩矿物岩矿物，在地质学上，将碱金在地质学上，将碱金属和碱土金属元素称为属和碱土金属元素称为造岩元素、亲石元素或亲造岩元素、亲石元素或亲氧元素氧元素。2 2、铜型离子、铜型离子( (铜金银铅汞镉锌铜金银铅汞镉锌等等1818种元素种元素) )q在周期表中的位置在周期表中的位置包括周期表包括周期表长周期右半部的有色金属和重金属元长周期右半部的有色金属和重金属元素素。q外层电子构型特点外层电子构型特点 该类原子失去电子成为阳离子时，最外层具该类原子失去电子成为阳离子时，最外层具有有1818个（或个（

32、或2020个）电子个）电子，外围电子构型特征，外围电子构型特征与一与一价铜离子（价铜离子（S S2 2P P6 6d d1010) )相似相似，故称为，故称为铜型离子。铜型离子。q铜型离子的矿物学性质铜型离子的矿物学性质铜型离子半径较小，极化能力强，易与铜型离子半径较小，极化能力强，易与半径大、半径大、容易被极化的硫离子容易被极化的硫离子(S(S2-2-) )相结合相结合，生成具有明显生成具有明显共价键成分共价键成分的硫化物及类似化合物。的硫化物及类似化合物。（如方铅矿（如方铅矿) )该类元素形成的硫化物是构成该类元素形成的硫化物是构成金属硫化物矿床金属硫化物矿床的的主要矿石矿物，因此将其称为

33、主要矿石矿物，因此将其称为造矿元素或亲硫元造矿元素或亲硫元素素。3 3、过渡型离子、过渡型离子( (包括包括铁钴镍锰铁钴镍锰等等 共共25种元素种元素)q在周期表中的位置及外围电子构型特点在周期表中的位置及外围电子构型特点 包括周期表中的包括周期表中的第第族族的副族元素的副族元素，原子，原子失去电子成为阳离子时，其最外层具有失去电子成为阳离子时，其最外层具有8 8到到1818个电个电子，属于一种过渡型结构子，属于一种过渡型结构，故称为，故称为过渡型离子过渡型离子。q过渡型离子的矿物学性质过渡型离子的矿物学性质过渡型离子的半径和极化能力过渡型离子的半径和极化能力介于惰性气体型离介于惰性气体型离子

34、和铜型离子之间子和铜型离子之间；在矿物学性质方面，如果过渡型离子外层电子在矿物学性质方面，如果过渡型离子外层电子数接近数接近8 8，亲氧性强亲氧性强( (钛锆钛锆 )，易形成氧化物和含氧，易形成氧化物和含氧盐；盐；外层电子数接近外层电子数接近1818的，亲硫性强，易形成硫化的，亲硫性强，易形成硫化物物( (钴钴 镍镍);居于周期表居于周期表中间位置中间位置的（如的（如FeFe，MnMn) )与氧硫均能与氧硫均能结合，具体与哪种元素结合，主要结合，具体与哪种元素结合，主要取决于介质的取决于介质的酸碱度条件（如铁元素）酸碱度条件（如铁元素）。 第三节、矿物的化学式及其计算第三节、矿物的化学式及其计

35、算 矿物的化学矿物的化学式是以是以单矿物的化学全分析单矿物的化学全分析所得的相对百所得的相对百分含量为基础计算出来的。分含量为基础计算出来的。一）矿物化学式的表示方法一）矿物化学式的表示方法1 1、实验式法、实验式法 实验式只表示矿物化学成分中实验式只表示矿物化学成分中各种组分数量比而不反各种组分数量比而不反映原子在矿物中相互结合映原子在矿物中相互结合的关系。的关系。 如黄铜矿：如黄铜矿：CuFeSCuFeS2 2 ，绿柱石绿柱石BeBe3 3AlAl2 2SiSi6 6O O18,18, 对于含氧盐矿物，也可用对于含氧盐矿物，也可用氧化物的组合形式氧化物的组合形式来表示，如绿来表示，如绿柱石

36、可以写成柱石可以写成3BeO.Al3BeO.Al2 2O O3 3.6SiO.6SiO2 21 1）矿物实验式的计算方法）矿物实验式的计算方法 先用先用单矿物化学全分析单矿物化学全分析所得到的各组分质量分数除以所得到的各组分质量分数除以各相应组分的原子量（分子量），将所得的商化为简单的各相应组分的原子量（分子量），将所得的商化为简单的整数比，最后用这些整数标定各相应组分的相对含量。整数比，最后用这些整数标定各相应组分的相对含量。2 2）该方法的特点）该方法的特点 计算简单，书写方便，便于记忆。计算简单，书写方便，便于记忆。3 3）该方法的缺陷）该方法的缺陷 实验式实验式不能反映出矿物中各组分之

37、间的相互结合关不能反映出矿物中各组分之间的相互结合关系系，特别对于成分复杂的矿物，还可能引起误解特别对于成分复杂的矿物，还可能引起误解。 如绿柱石如绿柱石Be3Al2Si6O18, 当用当用氧化物氧化物(3BeO.Al2O3.6SiO2)表示时容易引起误解（其中并不含表示时容易引起误解（其中并不含有氧化物）有氧化物）。因此矿物学中。因此矿物学中普遍采用的是结构式普遍采用的是结构式。 2 2、结构式法、结构式法 目前在矿物学中普遍采用目前在矿物学中普遍采用“晶体化学式晶体化学式”(或称结构或称结构式式)。晶体化学式。晶体化学式既表明矿物中各组分的种类，又能反映既表明矿物中各组分的种类，又能反映矿

38、物中各原子间的结合情况矿物中各原子间的结合情况，书写方法如下：，书写方法如下：1）对于单质矿物）对于单质矿物 用用元素符号表示元素符号表示；若有类质同象代替，则；若有类质同象代替，则按照按照数量由数量由多到少排列多到少排列，并用圆括号括起来，用逗号分开。，并用圆括号括起来，用逗号分开。2)对于金属互化物对于金属互化物按照按照金属性递减的顺序金属性递减的顺序从左到右从左到右排列，如砷铂矿排列，如砷铂矿-PtAs。3)对于离子化合物对于离子化合物 书写的基本原则是书写的基本原则是阳离子在前，阴离子在后阳离子在前，阴离子在后。 阳离子写在化学式前面，复盐中的阳离子阳离子写在化学式前面，复盐中的阳离子

39、按碱性的强按碱性的强弱顺序排列弱顺序排列；当阳离子为同一元素而具有不同价态时，则按照电价当阳离子为同一元素而具有不同价态时，则按照电价由由低到高排列低到高排列。 阴离子或络阴离子写在阳离子的后面；络阴离子用方括阴离子或络阴离子写在阳离子的后面；络阴离子用方括号号 括起来。括起来。附加阴离子附加阴离子通常写在主要阴离子或络阴离子的后面。通常写在主要阴离子或络阴离子的后面。如磷灰石。如磷灰石。 互为类质同象代替的离子用互为类质同象代替的离子用圆括号（）括起，之间用圆括号（）括起，之间用逗号分开，逗号分开，含量较多的元素写在前面，少者在后。含量较多的元素写在前面，少者在后。4 4）矿物中水的书写方式

40、）矿物中水的书写方式q结构水结构水写在矿物化学式的写在矿物化学式的最后面最后面，如高岭石，如高岭石Al4Si4O10(OH)8q结晶水结晶水写在与之相联系的阳离子后面写在与之相联系的阳离子后面，并用圆括号括起来。如，并用圆括号括起来。如Ni(H2O)6SO4q沸石水沸石水写在化学式的写在化学式的最后面最后面，用圆点分开，其含量以其上限为准。，用圆点分开，其含量以其上限为准。 如钠沸石：如钠沸石：Na2Ai2Si3O10.2H2Oq层间水层间水用圆括号括起来用圆括号括起来,写在可交换的阳离子后面写在可交换的阳离子后面， 如钠蒙脱石：如钠蒙脱石：Na0.33(H2O)4(Al1.67Mg0.33)

41、Si4O10(OH)2q 吸附水吸附水在化学式中不用表示。其中在化学式中不用表示。其中胶体水胶体水因为含量不定，以因为含量不定，以nH2O或或aq表示，写在最后，也用表示，写在最后，也用圆点圆点分开，如蛋白石分开，如蛋白石SiO2.nH2O。二、结构式的计算方法二、结构式的计算方法结构式的计算最常用的方法是以结构式的计算最常用的方法是以氧原子数为基准的氧原氧原子数为基准的氧原子计算法子计算法，其计算方法如下：其计算方法如下：1)将矿物化学全分析结果各组分以将矿物化学全分析结果各组分以氧化物质量百分数表氧化物质量百分数表示示，并在总量中，并在总量中扣除不纯物质和烧失量扣除不纯物质和烧失量(b项项

42、)；2)以总量为以总量为100换算出的各组分相应的质量百分数换算出的各组分相应的质量百分数(c项项)；3)求出各组分的分子量求出各组分的分子量(d项项)；4)将各组分的质量百分含量除以分子量求出各组分的分将各组分的质量百分含量除以分子量求出各组分的分子数子数(cd)(e项项)；5)用每个组分的分子数乘上该组分中的用每个组分的分子数乘上该组分中的氧原子系数，氧原子系数，求求出每个组分的氧原子数出每个组分的氧原子数 (f项项)；6)用每个组分的分子数乘上该组分的阳离子数，求出每用每个组分的分子数乘上该组分的阳离子数，求出每个组分中的个组分中的阳离子数阳离子数(g项项)；7) 统计氧原子数总和。统计

43、氧原子数总和。8）已知钠长石的晶体化学式）已知钠长石的晶体化学式Na(AISi3O8中氧原子数为中氧原子数为8，用氧原子总和除以，用氧原子总和除以8则得则得公约数公约数，再以此值分别去除，再以此值分别去除各阳离子元素的原子数各阳离子元素的原子数(g项项)，求出氧原子为，求出氧原子为8时各阳离时各阳离子元素的原子数比子元素的原子数比(i项项)。 9)参照钠长石通式并分析参照钠长石通式并分析类质同象代替关系类质同象代替关系写出该钠长写出该钠长石的晶体化学式为：石的晶体化学式为： (Na 0.9587K0.0184Ca0.0111)0.9889Al1.0333Si2.974908例例1 我国某钠长石

44、的化学全分析和晶体化学式的计算我国某钠长石的化学全分析和晶体化学式的计算结构式为结构式为 (Na 0.9587K0.0184Ca0.0118)0.9889Al1.0333Si2.974908例例2 某黄铁矿结构式计算某黄铁矿结构式计算1)将黄铁矿化学全分析结果按将黄铁矿化学全分析结果按100进行修正；进行修正；2)以修正后的各元素质量百分比除以原子量求得原子数；以修正后的各元素质量百分比除以原子量求得原子数；3)根据黄铁矿的一般化学式根据黄铁矿的一般化学式FeS2，设，设S的原子数为的原子数为2，相应地求出其，相应地求出其它元素的原子数比率它元素的原子数比率(如如Co=（0.00041.673

45、4）20.0005)。4)根据元素的晶体化学性质判断根据元素的晶体化学性质判断Co、Ni与与Fe为类质同象关系，其化为类质同象关系，其化学式为：学式为：(Fe0.9914Co0.0005Ni0.0002)0.9921S2第四节、胶体矿物的化学成分特征第四节、胶体矿物的化学成分特征1 1、胶体概念、胶体概念 一种物质的颗粒（颗粒直径一种物质的颗粒（颗粒直径1 1100nm)100nm)）分散于另一种）分散于另一种物质中所形成的物质中所形成的均匀的细分散系均匀的细分散系。前者称为。前者称为分散相分散相（或（或分散质），后者称为分散质），后者称为分散媒分散媒（或分散介质）。（或分散介质）。注解：关于

46、胶体矿物注解：关于胶体矿物1 1）在胶体中，若分散媒远大于分散相，形成的胶体称为）在胶体中，若分散媒远大于分散相，形成的胶体称为胶溶体胶溶体，分散相质点，分散相质点呈呈悬浮状态悬浮状态存在于分散媒中；存在于分散媒中； 2) 2) 当分散相远大于分散媒时称为当分散相远大于分散媒时称为胶凝体胶凝体，整个胶体呈，整个胶体呈凝固状。凝固状。2 2、胶体矿物的分类、胶体矿物的分类q水胶凝体矿物水胶凝体矿物 由由水胶溶体凝结而成水胶溶体凝结而成，分散媒是水分散媒是水，分散相是，分散相是固态的固态的颗粒颗粒，如蛋白石，如蛋白石(SiO(SiO2 2.nH.nH2 2O)O)和许多黏土矿物。和许多黏土矿物。q

47、结晶胶溶体矿物结晶胶溶体矿物 结晶胶溶体实际上含有结晶胶溶体实际上含有机械混入物包裹体机械混入物包裹体的晶体，其的晶体，其分散媒是分散媒是固态晶质固态晶质，分散相是，分散相是气体、液体或固体气体、液体或固体。实例：乳石英（含实例：乳石英（含气体分散相气体分散相）；红色方解石（其中含）；红色方解石（其中含FeFe2 2O O3 3分散相分散相) )注意：矿物学中的胶体矿物指的是注意：矿物学中的胶体矿物指的是水胶凝体矿物水胶凝体矿物。3 3、胶体矿物性质、胶体矿物性质q胶体矿物中质点的排列和分布胶体矿物中质点的排列和分布不规则和不均匀不规则和不均匀，外形外形上不能自发的形成规则的几何多面体形状上不

48、能自发的形成规则的几何多面体形状，一般呈钟乳，一般呈钟乳状、葡萄状等。状、葡萄状等。q胶体矿物在性质上胶体矿物在性质上类似非晶质矿物类似非晶质矿物，但颗粒本身是结但颗粒本身是结晶的晶的，但颗粒较细，是一种，但颗粒较细，是一种超显微的晶质矿物超显微的晶质矿物（黏土矿（黏土矿物）。物）。4 4、胶体的吸附作用、胶体的吸附作用1 1）胶体具有吸附性的原因）胶体具有吸附性的原因q胶体中胶体中质点颗粒小质点颗粒小，比表面积大，具有很大的表面能；，比表面积大，具有很大的表面能；q胶体分散质点的胶体分散质点的表面电性不饱和表面电性不饱和，能够吸附介质中的，能够吸附介质中的异异价离子价离子，形成胶团或胶体粒子

49、形成胶团或胶体粒子。注解：注解： 1.1.根据胶体微粒带电性质不同，胶体分为根据胶体微粒带电性质不同，胶体分为正胶体和负胶正胶体和负胶体体。 2.2.在自然界中在自然界中负胶体负胶体（某些离子（某些离子AsAs、SbSb、CuCu、PbPb的的硫硫化物化物以及高岭石等黏土质点和腐殖质等以及高岭石等黏土质点和腐殖质等) ) 比比正胶体正胶体( (某些某些金属离子金属离子ZrZr、TiTi、CdCd、CrCr、AlAl、FeFe的的氢氧化物氢氧化物）分布广。）分布广。 3. 3.胶体中胶团成因胶体中胶团成因 胶核优先吸附与自身组胶核优先吸附与自身组成相同的（或相似）的离成相同的（或相似）的离子，在

50、胶核外面形成一个子，在胶核外面形成一个吸附层吸附层，构成，构成带一定电荷带一定电荷的胶粒的胶粒。 为了平衡吸附层的电荷，为了平衡吸附层的电荷，带电的胶粒吸附介质中的带电的胶粒吸附介质中的其他阴离子构成胶团其他阴离子构成胶团。 这些阴离子被吸附的较松这些阴离子被吸附的较松弛，在介质中能自由移动，弛，在介质中能自由移动，形成一个形成一个扩散层扩散层。胶团胶团5 5、胶体的吸附特点、胶体的吸附特点q对离子的吸附具有选择性对离子的吸附具有选择性 胶体粒子在不同溶液中只能吸附某些胶体粒子在不同溶液中只能吸附某些与自身电荷相反与自身电荷相反的离子，对其它物质吸附很少或根本不吸附（对某些的离子，对其它物质吸

51、附很少或根本不吸附（对某些有用有用元素的富集元素的富集具有重要意义）。具有重要意义）。q胶体中被吸附的离子间可胶体中被吸附的离子间可相互置换相互置换，一般电价越高，吸一般电价越高，吸附性越强，一旦吸附，很难置换。电价相同时，半径越大，附性越强，一旦吸附，很难置换。电价相同时，半径越大，置换能力越强置换能力越强。 霍夫蔓斯特顺序霍夫蔓斯特顺序：H H+ +AlAl3+3+BaBa2+2+SrSr2+2+CaCa2+2+MgMg2+2+NHNH4 4+ +K K+ +NaNa+ +LiLi+ +6 6、胶体矿物的形成原因、胶体矿物的形成原因1 1）少数胶体矿物形成于）少数胶体矿物形成于热液作用和火

52、山作用热液作用和火山作用。2 2）大多数胶体矿物）大多数胶体矿物主要由表生作用生成主要由表生作用生成，大体上经历两，大体上经历两个阶段：个阶段：q形成胶体溶液形成胶体溶液 地表的矿物或矿物集合体在地表的矿物或矿物集合体在物理、生物、化学风化作物理、生物、化学风化作用等各种风化作用下用等各种风化作用下，原生矿物被，原生矿物被磨蚀加工磨蚀加工成胶粒大小的成胶粒大小的质点，分布在水中即成为胶体溶液，为胶体形成准备了质点，分布在水中即成为胶体溶液，为胶体形成准备了物物质基础（质基础（分散质分散质）。q胶体溶液的凝聚和胶体矿物的形成胶体溶液的凝聚和胶体矿物的形成 胶体溶液在迁移过程中或汇聚于盆地后，与具

53、有胶体溶液在迁移过程中或汇聚于盆地后，与具有相反电相反电荷的质点荷的质点发生电性中和而沉淀，或因为水分蒸发凝聚形成发生电性中和而沉淀，或因为水分蒸发凝聚形成各种胶体矿物。各种胶体矿物。实例：实例：滨海地带形成的滨海地带形成的赤铁矿、硬锰矿、铝土矿、燧石赤铁矿、硬锰矿、铝土矿、燧石等等都是胶体作用的产物。都是胶体作用的产物。3 3）胶体的老化）胶体的老化 胶体矿物胶体矿物随着时间的推移和热力学条件的改变随着时间的推移和热力学条件的改变，发生，发生晶晶化作用化作用形成晶质矿物称为形成晶质矿物称为变胶体矿物变胶体矿物。 如蛋白石如蛋白石SiOSiO2 2.nH.nH2 2O O变为石髓、石英变为石髓

54、、石英SiOSiO2 2等。等。第五节、矿物中的水第五节、矿物中的水 水是某些矿物的一种重要组成部分，矿物的许多性质都水是某些矿物的一种重要组成部分，矿物的许多性质都与其含水有关。与其含水有关。一）水的分类一）水的分类 根据矿物中根据矿物中水的存在形式以及在晶体结构中的作用水的存在形式以及在晶体结构中的作用，分，分为两类：为两类：q吸附水吸附水：不参与组成矿物晶格，与矿物的晶体结构无关。：不参与组成矿物晶格，与矿物的晶体结构无关。q结晶水、结构水、沸石水、层间水结晶水、结构水、沸石水、层间水：参与矿物晶格或与参与矿物晶格或与矿物晶体结构密切相关。矿物晶体结构密切相关。1 1、吸附水、吸附水 渗

55、入在矿物集合体中，被矿物颗粒或裂隙渗入在矿物集合体中，被矿物颗粒或裂隙表面机械表面机械吸附吸附的中性的中性H H2 2O O分子，不参与晶格结构。分子，不参与晶格结构。吸附水可以呈气态、液态或固态。吸附水可以呈气态、液态或固态。吸附水不属于矿物的化学成分，吸附水不属于矿物的化学成分，不写入化学式不写入化学式。吸附水在矿物中的含量不定，随吸附水在矿物中的含量不定，随温度和湿度温度和湿度而不同。而不同。含在水胶凝体中的含在水胶凝体中的胶体水胶体水，作为分散媒被微弱的联结力，作为分散媒被微弱的联结力固着在胶体的分散相的表面，固着在胶体的分散相的表面，是吸附水的一种特殊类型是吸附水的一种特殊类型。胶体

56、水是胶体矿物固有的特征，胶体水是胶体矿物固有的特征，应计入矿物的化学组成应计入矿物的化学组成，其含量变化很大，如其含量变化很大，如蛋白石蛋白石SiOSiO2 2n Hn H2 20 0(n(n表示表示H H2 2O O分子含量分子含量不固定）。不固定）。 2 2、结晶水、结晶水 以以中性水分子中性水分子存在于矿物中，在晶格中具有固定的位存在于矿物中，在晶格中具有固定的位置，置，是矿物化学组成的一部分是矿物化学组成的一部分。水分子的数量与矿物的其。水分子的数量与矿物的其它成分之间成简单比例。它成分之间成简单比例。 结晶水往往出现于结晶水往往出现于具有大半径络阴离子的含氧盐矿物具有大半径络阴离子的

57、含氧盐矿物中中，如石膏（，如石膏（CaSOCaSO4 4.2H.2H2 2O O， 胆矾胆矾CuSOCuSO4 4.5H.5H2 2O O等。等。某些矿物中的结晶水以一定的某些矿物中的结晶水以一定的配位形式配位形式围绕着阳离子。围绕着阳离子。 实例：实例：六水硫镍矿六水硫镍矿NiSONiSO4 4 6H6H2 2O O中中，因，因NiNi2+2+的离子半径的离子半径(0.77nm)(0.77nm)很小，与很小，与SOSO4 4 2-2-的半径相差很大，不能形成稳的半径相差很大，不能形成稳定的晶格，需要借助定的晶格，需要借助6 6个水分子包围个水分子包围NiNi2+2+个，形成水化阳个，形成水化阳离子离子Ni(HNi(H2 20)0)6 6 2+2+, ,以增大半径，再与以增大半径，再与S0S04 4 2+2+形成稳定的晶形成稳定的晶格。格。 不同矿物中，不同矿物中，结晶水与矿物晶格联系的牢固程