结晶学和矿物学课件-结晶矿物学综述 ppt课件

1、7-1 14种空间格子种空间格子(布拉维格子布拉维格子)C C、在上述二原则下，应体积最小。、在上述二原则下，应体积最小。1 1、单位平行六面体地划分、单位平行六面体地划分单位平行六面体的划分应遵循下列原则：单位平行六面体的划分应遵循下列原则：A A、所选的平行六面体应能反映出整个格子、所选的平行六面体应能反映出整个格子结点分布所固有的对称性。结点分布所固有的对称性。B B、在上述前提下所选平行六面体棱与棱之、在上述前提下所选平行六面体棱与棱之间直角最多间直角最多第七章第七章 晶体结构的基本特征晶体结构的基本特征23456具具 的平面点阵的平面点阵PL 441单位平行六面体参数图解单位平行六面

2、体参数图解7-2 晶胞晶胞参数晶胞参数a a、b b、c c、 、）晶胞：能充分反映整个晶体构造特征的最基本晶胞：能充分反映整个晶体构造特征的最基本 结构单位。结构单位。晶胞包含两个要素：晶胞包含两个要素：（1 1晶胞的大小和型式：晶胞的大小和型式： a a、b b、c c、 、（2 2晶胞内容：组成晶胞的质点及其在晶胞中的晶胞内容：组成晶胞的质点及其在晶胞中的位置位置 晶胞与单位平行六面体的关系：晶胞与单位平行六面体的关系：（1 1晶胞的几何形状、大小与对应的单位平晶胞的几何形状、大小与对应的单位平行六面体一致，可由同一组晶格常数来表行六面体一致，可由同一组晶格常数来表示。示。（2 2单位平

3、行六面体是由几何点构成，而晶单位平行六面体是由几何点构成，而晶胞是具体的有一定物理化学属性的质点组胞是具体的有一定物理化学属性的质点组成。成。o外形对称与内部对称的关系外形对称与内部对称的关系o晶体外观的对称取决于其内部构造的对称晶体外观的对称取决于其内部构造的对称o外部对称与内部对称的区别：外部对称与内部对称的区别：o外部对称外部对称: :宏观对称宏观对称有限图形的对称有限图形的对称o内部对称内部对称: :微观对称微观对称 晶体内部构造规律晶体内部构造规律 无限图形无限图形对称对称7-3 晶体内部结构的对称要素晶体内部结构的对称要素晶体微观对称要素：o平移轴：平移轴：o为一直线，沿此直线移动

4、一定的距离，可使为一直线，沿此直线移动一定的距离，可使相等部分重复。相等部分重复。o能使图形复原的最小平移距离，称之为平移能使图形复原的最小平移距离，称之为平移轴的移距。轴的移距。o空间格子中任一行列均是平移轴。空间格子中任一行列均是平移轴。1221o螺旋轴螺旋轴o为一假想直线，绕此直线旋转一定角度并沿此直为一假想直线，绕此直线旋转一定角度并沿此直线方向平移一定距离，可使相同部分重复。也可线方向平移一定距离，可使相同部分重复。也可先平移后旋转。先平移后旋转。螺旋轴根据其旋转方向可分为左旋、右旋、中性螺旋轴。螺旋轴根据其旋转方向可分为左旋、右旋、中性螺旋轴。留意：螺旋轴留意：螺旋轴ns的下标的下

5、标s是以右旋的螺距来标定的。是以右旋的螺距来标定的。TTT）（321T32o规定：规定：o在螺旋轴的符号中，若在螺旋轴的符号中，若s1s1/2ns1/2n者为左旋螺旋轴。者为左旋螺旋轴。例如，例如，3232，4343，6464，6565。o当当s=1/2ns=1/2n者为中性螺旋轴。例如，者为中性螺旋轴。例如，2121，4242和和6363。7-4空间群1 1、空间群定义、空间群定义 晶体内部结构中一切对称要素的组合称为空晶体内部结构中一切对称要素的组合称为空间群。间群。 共有共有230230种。种。 一个空间群可看成是由两部分组成的，一一个空间群可看成是由两部分组成的，一部分是晶体结构中所有

6、平移轴的集合，称为平部分是晶体结构中所有平移轴的集合，称为平移群；另一部分就是与点群移群；另一部分就是与点群, , 即晶体宏观对称即晶体宏观对称要素的集合。要素的集合。晶体中可能的平移群有晶体中可能的平移群有1414种种, , 与与1414种布拉维格种布拉维格子类型对应子类型对应o两者的区别两者的区别o 对称型是针对晶体几何外形，作为有限图对称型是针对晶体几何外形，作为有限图形，对称要素中不可能存在平移变换，对称要素形，对称要素中不可能存在平移变换，对称要素只具有方向上的意义，不存在位置的问题，所有只具有方向上的意义，不存在位置的问题，所有对称要素交于一点，故又称作点群，共有对称要素交于一点，

7、故又称作点群，共有3232种。种。o 空间群是针对晶体结构，它是无限图形，空间群是针对晶体结构，它是无限图形，质点在空间成周期性排列，故有平移存在，对称质点在空间成周期性排列，故有平移存在，对称要素在空间成周期性重复，数量无限，不仅有方要素在空间成周期性重复，数量无限，不仅有方向，而且存在确定的位置，所有对称要素不交于向，而且存在确定的位置，所有对称要素不交于一点，称为空间群，共有一点，称为空间群，共有230230种。种。空间群与对称型点群之间既有区别又相互统一空间群与对称型点群之间既有区别又相互统一两者相互统一：两者相互统一： 晶体外形的对称是以晶体内部结构的对称为晶体外形的对称是以晶体内部

8、结构的对称为依据，前者是后者的一种外在表现，两者相互统依据，前者是后者的一种外在表现，两者相互统一。一。3232种对称型经推导可得到种对称型经推导可得到230230种空间群，而种空间群，而230230种空间群又分属于种空间群又分属于3232种对称型。种对称型。2、空间群的国际符号 空间群的国际符号包括两个组成部分：空间群的国际符号包括两个组成部分：前面字母前面字母( (大写斜体大写斜体P P，C C，I I、F F或或R)R)表示布拉维格子类型表示布拉维格子类型后面与对称型国际符号相同，只是将其宏观对称要素符号后面与对称型国际符号相同，只是将其宏观对称要素符号换上相应微观对称要素的符号换上相应

9、微观对称要素的符号格子类型对称型的国际符号平移格子类型对称型的国际符号平移q例如：例如：I41I41amdamd空间群的宏观对称型为空间群的宏观对称型为4 4mmmmmmq体心格子体心格子( (即四方体心格即四方体心格I)I)；q平行平行z z轴方向为螺旋轴轴方向为螺旋轴4l4l，q而且垂直而且垂直Z Z轴有滑移面轴有滑移面a a；q垂直垂直X X轴为对称面轴为对称面m m；q垂直垂直X X轴与轴与Y Y轴的角平分线则有滑移面轴的角平分线则有滑移面d d。7-5. 7-5. 等效点系等效点系 等效位置(equivalent positions)：在晶体结构中，能借助于空间群之各个对称要素的作用

10、而相互系起来的一组点所分布的空间位置。通常只考虑在一个单位晶胞范围内的情况，即在单位晶胞中，彼此能对称重复的各个结构位置，构成一个等效位置组;把等效位置抽象成几何点, 该集合便称为等效点系;晶体结构中的空间群，对应于宏观晶体中的点群；而等效位置组的概念，则相似于单形的概念。 7.6晶格缺陷晶格缺陷 晶格缺陷是指在晶体结构中的晶格缺陷是指在晶体结构中的局部范围内，质点排列偏离了格子构局部范围内，质点排列偏离了格子构造规律的现象。造规律的现象。 在实际晶体中，由于内部质点在实际晶体中，由于内部质点的热振动以及受到辐射、应力作用等的热振动以及受到辐射、应力作用等原因，而普遍存在着晶格缺陷。原因，而普

11、遍存在着晶格缺陷。l点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷 1 1点缺陷点缺陷 点缺陷是发生在一个或若干个质点范围内点缺陷是发生在一个或若干个质点范围内所形成的晶格缺陷。最常见的点缺陷表现所形成的晶格缺陷。最常见的点缺陷表现形式有形式有 空位、填隙、替位空位、填隙、替位 2线缺陷线缺陷 线缺陷是指：在晶体内部结构中沿某条线线缺陷是指：在晶体内部结构中沿某条线(行列行列) 周围局部范围内所产生的晶格缺陷。周围局部范围内所产生的晶格缺陷。 它的表现形式主要是位错。它的表现形式主要是位错。 位错是指晶体在应力作用下，晶格中的一部分沿一定的面网相对于另一部分的局部滑动，滑移与未滑移部分的分界处出

12、现了质点错乱排列。滑移与未滑移部分的分界线称为位错线。 位错主要有两种类型：刃位错和螺旋位错 3 3面缺陷面缺陷 面缺陷是指沿晶格内或晶粒间某些面面缺陷是指沿晶格内或晶粒间某些面的的 两侧局部范围内所出现的晶格缺陷。两侧局部范围内所出现的晶格缺陷。畴界壁畴界壁在晶体结构中，在晶体结构中，某个局部区域与某个局部区域与周围区域在某种周围区域在某种性质上存在不连性质上存在不连续现象时，此区续现象时，此区域称为晶畴；相域称为晶畴；相邻晶畴之间的界邻晶畴之间的界面称为畴界壁。面称为畴界壁。 晶界晶界 指同种晶体内指同种晶体内部两晶格间不相互部两晶格间不相互平行，而是以一个平行，而是以一个小角度相交所形成

13、小角度相交所形成的界面。的界面。8-1. 球体紧密堆积原理球体紧密堆积原理8-2. 配位数和配位多面体配位数和配位多面体8-3. 化学键和晶格类型化学键和晶格类型8-4. 晶体结构类型与典型结构晶体结构类型与典型结构结晶学与矿物学结晶学与矿物学8-5. 类质同象类质同象8-6. 同质多象同质多象8-7. 有序和无序有序和无序8-8. 型变和多型型变和多型晶体化学晶体化学 是研究单质或化合物中离子、分子或原子是研究单质或化合物中离子、分子或原子在晶体内的分布规律，从而阐明化学成分与晶体结在晶体内的分布规律，从而阐明化学成分与晶体结构以及与晶体的物理性质、化学性质之间关系的分构以及与晶体的物理性质

14、、化学性质之间关系的分支学科。支学科。两层重复两层重复ABABAB.ABABAB.最紧密堆积面最紧密堆积面00010001）1、等大球体的最紧密堆积 isometric spheriform closest packing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 cubic closest packing立方最紧密堆积立方最紧密堆积(ccp)(ccp)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

15、目空隙分布特点：空隙分布特点：六方堆积中，四面体六方堆积中，四面体四面体；八面体四面体；八面体八面体八面体立方堆积中，四面体立方堆积中，四面体八面体；八面体八面体；八面体四面体四面体四面体空隙四面体空隙八面体空隙八面体空隙2 2、不等大球体的最紧密堆积、不等大球体的最紧密堆积 different spheriform closest different spheriform closest packingpacking阴离子作最紧密堆积阴离子作最紧密堆积阳离子充填其空隙阳离子充填其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，特别是金属晶格和离子晶格特别是金属晶格

16、和离子晶格9-2 配位数和配位多面体配位数和配位多面体 配位数配位数 (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异号离子的数目或异号离子的数目 配位多面体配位多面体(coordination polyhedron)以任一原子或离子为中心，将其周围与之呈配位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中心联线所形成的几何图形关系的原子或异号离子中心联线所形成的几何图形 影响配位数的因素影响配位数的因素 influence factor of C.N.质点的相对大小，堆积的紧密程度及质点间质

17、点的相对大小，堆积的紧密程度及质点间化学键的性质化学键的性质配位数由金属键配位数由金属键 离子键离子键 共价键共价键 降低降低 金属键做最紧密堆积时具最高配位数金属键做最紧密堆积时具最高配位数1212） 典型共价键或以共价键为主的单质或化合物都典型共价键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，配位数大小主要取决于阴、阳离子化合物晶体，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外因外因rcra=0.414rc阳离子阳离子半径半径ra阴离子

18、阴离子半径半径离子键没有方向性和饱和性的限制。离子键没有方向性和饱和性的限制。8-3. 8-3. 化学键和晶格类型化学键和晶格类型离子晶格的特点：离子晶格的特点： 离子晶格中，电子皆属于一定的离子，质点间电子密度小，离子晶格中，电子皆属于一定的离子，质点间电子密度小，对光的吸收少，因此，其晶体透明、半透明，但熔化后导电。对光的吸收少，因此，其晶体透明、半透明，但熔化后导电。由于离子键的作用力比较强，所以晶体硬度较大。由于离子键的作用力比较强，所以晶体硬度较大。化学键和晶格类型化学键和晶格类型化学键和晶格类型化学键和晶格类型化学键和晶格类型化学键和晶格类型化学键和晶格类型化学键和晶格类型化学键和

19、晶格类型化学键和晶格类型8-5 类质同像类质同像 isomorphism1 1 概念概念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 含铁的菱镁矿 含镁的菱铁矿 菱铁矿ZnS(Zn,Fe)S Fe Zn26% 2 分类分类 完全的类质同像：两种质点可以任意比例相互取完全的类质同像：两种质点可以任意比例相互取代代 有限类质同像：两种质点的相互代替局限在

20、一个有限类质同像：两种质点的相互代替局限在一个有限有限 的范围内的范围内 异价的类质同像异价的类质同像 Na+Ca2+ Al3+Na+Ca2+ Al3+Si4+Si4+ 等价的类质同像等价的类质同像 Fe2+Mg2+ Fe2+Zn2+Fe2+Mg2+ Fe2+Zn2+3 影响类质同像的因素影响类质同像的因素内因内因 原子和离子半径原子和离子半径(r1 - r2 ) 10-15%时时,完全的类质同像完全的类质同像r2(r1 - r2 ) 高温完全类质同像高温完全类质同像低温有限类质同像低温有限类质同像30%时时,高温有限类质同像高温有限类质同像低温不形成类质同像低温不形成类质同像r2异价类质同像

21、的对角线法则电价平衡为主，半径差异居次）异价类质同像的对角线法则电价平衡为主，半径差异居次）Li 0.076(6) 0.092(8)左上方低价左上方低价Na0.102(6) 0.118(8) Mg0.072(6) 0.089(8)Al0.039(4) 0.054(6)K 0.138(6) 0.151(8)Ca0.100(6) 0.112(8)Sc0.075(6) 0.087(8)Ti0.061(6) 0.074(8)右下方高价右下方高价Rb0.152(6) 0.161(8)Sr0.118(6) 0.126(8)Y0.090(6) 0.102(8)Zr0.072(6) 0.084(8)Nb0.0

22、64(6) 0.074(8)Mo0.059(6) 0.073(7)Gs0.167(6)0.174(8) Ba0.135(6) 0.142(8)TR0.086-0.103(6)0.098-0.116(8)Hf0.071(6)0.083(8)Ta0.064(6) 0.074(8)W0.060(6)Re0.053(6) 在元素周期表中，从左上方到右下方的对角线方向，离在元素周期表中，从左上方到右下方的对角线方向，离子半径相近；一般右下方的高价离子易代替其左上方的低价子半径相近；一般右下方的高价离子易代替其左上方的低价离子，称为类质同象的对角线法则。离子，称为类质同象的对角线法则。简单的代替简单的代替

23、 橄榄石橄榄石 Mg2+Fe2+ 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+2Al3+3Mg2+ 3Mg2+ 3Mg2+3Mg2+2Al3+ 2Al3+ 斜长石斜长石 Ca2+Al3 + Na+Si4+磷灰石磷灰石 Ce3+Na+2Ca2+萤石萤石 Ca2+Ca2+Y3+F- Y3+F- 绿柱石绿柱石Li+Cs+Li+Cs+Be2+Be2+ 离子电价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独居石独居石 (Ce,La)3+(Ce,La)3+PO43-, PO43-, ，Th4+Th4+SiO44- SiO44- Ca2+ C

24、a2+SO42- SO42- 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)Al3+(0.026nm) Si4+(0.039nm) Si-O(0.161nm) Al-O(0.176nm)同一种离子随着配位环境的不同，其化学键的性质也会同一种离子随着配位环境的不同，其化学键的性质也会发生改变。发生改变。AlCN6(八面体离子键性为主八面体离子键性为主 Mg2+ ,Fe2+,Fe3+CN4(四面体共价键性为主四面体共价键性为主 Si4+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

25、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 (K,Na)AlSi3O8(K,Na)AlSi3O8或或(Na,K)AlSi3O8 (Na,K)AlSi3O8 条纹长石条纹长石 黄铜矿黄铜矿(CuFeS2)(CuFeS2)和黝锡矿和黝锡矿(Cu2FeSnS4) (Cu2FeSnS4) （500500C C） 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 压力增大使配位多面体变形，不利于较大离子置换较小离子压力增大使配位多面体变形，不利于较大离子置换较小离子 组分浓度满足矿物组分之间的量比组分浓度满足矿物组分之间的量比

26、 补偿类质同像补偿类质同像8-6 同质多像同质多像 polymorphism1. 概念概念 同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件下，形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。这些不同结构的晶体，称成不同结构的晶体的现象。这些不同结构的晶体，称为该成分的同质多象变体。为该成分的同质多象变体。 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, 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

27、状形状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3.552.23导电性导电性不良导体不良导体良导体良导体2 2 同质多像变体的转变同质多像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 5735735735738708701470147017201720三方晶系三方晶系六方晶系六方晶系六方晶系六方晶系等轴晶系等轴晶系 - -石英石英 - -石英石英 - -鳞石英鳞石英 - -方石英方石英 熔体熔体 不可

28、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 由于物理化学条件的改变，使一种同质多象变体在固态由于物理化学条件的改变，使一种同质多象变体在固态条件下转变为另一种变体的过程，称为同质多象转变。条件下转变为另一种变体的过程，称为同质多象转变。8-7 8-7 晶体结构的有序晶体结构的有序无序无序概念概念有序结构有序结构无序结构无序结构 在一个晶体结构中，在可被两种或几种不同的原子或离子所在一个晶体结构中，在可被两种或几种不同的原子或离子所占据的某些结构位置上，若不同原子或离子全部选择性地分占其占据的某些结构位置上，若不同原子或离子全部选择性地分占其中在结构上和能量上不等价的两种位

29、置而作规则分布中在结构上和能量上不等价的两种位置而作规则分布( (占位几率不占位几率不等等) )，则该结构被称为，则该结构被称为 完全有序完全有序( (也称超结构也称超结构) )；若不同原子或离；若不同原子或离子在其结构中全都随机分布子在其结构中全都随机分布( (占位几率相等占位几率相等) )，则该结构被称为完，则该结构被称为完全无序。全无序。长程有序与短程有序长程有序与短程有序长程有序：晶体结构整体性有序现象。长程有序：晶体结构整体性有序现象。短程有序：晶体结构中局部性有序现象。短程有序：晶体结构中局部性有序现象。 在晶体结构内的几个至几十个在晶体结构内的几个至几十个nmnm的局部区域的局部

30、区域( (晶畴晶畴) )内，质内，质点呈有序分布，而晶畴与晶畴之间可以是无序分布。点呈有序分布，而晶畴与晶畴之间可以是无序分布。部分有序，有序度部分有序，有序度 在完全有序与无序之间，存在着过渡状态，即部分有序：在完全有序与无序之间，存在着过渡状态，即部分有序：部分质点占据特定位置，另一部分质点则是在任意的位置上。部分质点占据特定位置，另一部分质点则是在任意的位置上。S= 0 1S= 0 1（完全无序）（完全无序） （完全有序）（完全有序）研究方法：晶体研究方法：晶体X X射线衍射、红外光谱、电子衍射、光学性质射线衍射、红外光谱、电子衍射、光学性质或透射电或透射电 子显微镜子显微镜S=p-r1

31、-rp p：某种质点独自占据某种位置的百分数：某种质点独自占据某种位置的百分数r r：该种质点在整个体系中所占百分数。：该种质点在整个体系中所占百分数。8-8 型变和多型型变和多型Mg-Co-Zn-Fe-Mn-Ca-Sr-Ba-Pb 方解石型方解石型 C.N.=6 文石型结文石型结构构C.N.=9 三方晶系三方晶系 斜方晶系斜方晶系 概念：化学式属于同一类型的化合物中，随着化学成分概念：化学式属于同一类型的化合物中，随着化学成分的规律变化，而引起的晶体结构型式的明显变化的现象称为的规律变化，而引起的晶体结构型式的明显变化的现象称为型变型变(晶变晶变)景象。景象。一个典型的例子发生在二价阳离子无

32、水碳酸盐矿物中。一个典型的例子发生在二价阳离子无水碳酸盐矿物中。 结构通式：结构通式：A2+(CO3)1. 型变晶变）型变晶变）（1半径小于半径小于 Ca2+ （0.1nm的离子的离子Mg2+, Co2+, Zn2+, Fe2+, Mn2+ ，分别形成菱镁矿，菱钴矿，菱锌矿，菱铁矿，菱锰，分别形成菱镁矿，菱钴矿，菱锌矿，菱铁矿，菱锰矿呈方解石结构矿呈方解石结构 (R-3c)。一个类质同象系列。一个类质同象系列。 白云石不一样：白云石不一样： CaMgCO32 （R-3）（2半径大于半径大于 Ca2+ （0.1nm的离子的离子Ba2+, Sr2+, Pb2+ ，分别，分别形成碳酸钡矿，碳酸锶矿，

33、白铅矿。呈文石型结构形成碳酸钡矿，碳酸锶矿，白铅矿。呈文石型结构 (Pmcn)。一个类质同象系列。一个类质同象系列。（3半径为半径为0.1nm 的的Ca2+ 离子既可以形成方解石结构，也可以离子既可以形成方解石结构，也可以形成文石型结构。一个同质多象系列。形成文石型结构。一个同质多象系列。 这种同类型化合物，由于成分与结构有规律的变化系列称为型这种同类型化合物，由于成分与结构有规律的变化系列称为型变晶变系列。变晶变系列。 矿物的光学性质矿物的光学性质 矿物的力学性质矿物的力学性质 矿物的磁性矿物的磁性 矿物的电学性质矿物的电学性质 矿物的其它物理性质矿物的其它物理性质第九章第九章 矿物的物理性

34、质矿物的物理性质一、矿物的光学性质一、矿物的光学性质1 1、矿物的颜色、矿物的颜色定义：对光选择性吸收的结果定义：对光选择性吸收的结果可见光可见光 390760nm，其间波长由长至短依其间波长由长至短依次显示红、橙、黄、次显示红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色，绿、青、蓝、紫等色，它们的混合色为白色它们的混合色为白色白白电磁波谱电磁波谱一、矿物的光学性质一、矿物的光学性质矿物的光学效应矿物的光学效应反射、吸收、透射反射、吸收、透射 矿物对光全部吸收时，矿物呈黑色矿物对光全部吸收时，矿物呈黑色 对所有波长的色光均匀吸收，矿物呈不同程度的灰色对所有波长的色光均匀吸收，矿物呈不同程度的灰色 基本上都不吸

35、收则为无色或白色基本上都不吸收则为无色或白色 选择吸收某些波长的色光，矿物呈现吸收色光的互补色选择吸收某些波长的色光，矿物呈现吸收色光的互补色矿物颜色的类型矿物颜色的类型 自色、它色、假色自色、它色、假色 自色是指矿物本身固有的成分、结构所决自色是指矿物本身固有的成分、结构所决定的颜色。自色定的颜色。自色 对矿物鉴定有着重要的意义。对矿物鉴定有着重要的意义。 它色是由杂质、气液包裹体所引起的颜色它色是由杂质、气液包裹体所引起的颜色 假色是因物理光学效应而产生的颜色假色是因物理光学效应而产生的颜色 矿物颜色的类型矿物颜色的类型-自色自色 体色、表色体色、表色体色：物体内部所表现出来的颜色。当白光

36、透入矿物达一定体色：物体内部所表现出来的颜色。当白光透入矿物达一定 深度，且在此过程中选择吸收不同波长的色光而呈现深度，且在此过程中选择吸收不同波长的色光而呈现 出其互补色，为矿物所固有的颜色，如橄榄石吸收紫出其互补色，为矿物所固有的颜色，如橄榄石吸收紫 光而呈橄榄绿色光而呈橄榄绿色表色：即反射色，只有物体的反射光所呈现的颜色，不透表色：即反射色，只有物体的反射光所呈现的颜色，不透 明矿物因吸收非常强，因而表现的都是表面色。明矿物因吸收非常强，因而表现的都是表面色。反射光是矿物表层对透射光吸收后的再辐射，而且某个波反射光是矿物表层对透射光吸收后的再辐射，而且某个波长范围内的色光吸收的越多再辐射

37、时它们的强度也越大，长范围内的色光吸收的越多再辐射时它们的强度也越大，从而使矿物呈现相应的表面色。所以，表面色表现为与被从而使矿物呈现相应的表面色。所以，表面色表现为与被吸收色光一致的颜色，而非补色。吸收色光一致的颜色，而非补色。2他色：他色：矿物因含外来带色的杂质、气液包裹体等所引起的颜色。矿物因含外来带色的杂质、气液包裹体等所引起的颜色。留意：留意：少数矿物因晶格缺陷如色心而引起。大部分碱金属和碱土金少数矿物因晶格缺陷如色心而引起。大部分碱金属和碱土金属的化合物的呈色主要与色心属的化合物的呈色主要与色心(最常见最常见F心心)有关。如萤石的紫有关。如萤石的紫色等。色等。3假色：假色： 由物理

38、光学效应所引起的颜色，是自然光照射在矿物表面或进入由物理光学效应所引起的颜色，是自然光照射在矿物表面或进入到矿物内部所产生的干涉、衍射、散射等而引起的颜色到矿物内部所产生的干涉、衍射、散射等而引起的颜色 锖色：锖色：某些不透明矿物的表面氧化薄膜引起反射光的干涉作用而使矿物某些不透明矿物的表面氧化薄膜引起反射光的干涉作用而使矿物表面呈现斑驳陆离的彩色。表面呈现斑驳陆离的彩色。 晕色：晕色：某些透明矿物内部一系列平行密集的解理面或裂隙面对光连续反某些透明矿物内部一系列平行密集的解理面或裂隙面对光连续反射，引起光的干涉，从而使矿物表面常出现如同水面上的油射，引起光的干涉，从而使矿物表面常出现如同水面

39、上的油膜所形成的彩虹般的色带。膜所形成的彩虹般的色带。 变彩：变彩：某些透明矿物，因内部存在许多厚度与可见光波长相当的微细叶某些透明矿物，因内部存在许多厚度与可见光波长相当的微细叶片状或层状结构，引起光的衍射、干涉作用，导致其不均匀片状或层状结构，引起光的衍射、干涉作用，导致其不均匀分布的各种颜色会随观察方向的不同而发生变换。分布的各种颜色会随观察方向的不同而发生变换。乳光：乳光：某些矿物中见到的一种类似于蛋清般略带柔和淡蓝色调的某些矿物中见到的一种类似于蛋清般略带柔和淡蓝色调的 乳乳白色浮光。白色浮光。这是由于矿物内部含有许多远比可见光波长为小的其他矿物或胶这是由于矿物内部含有许多远比可见光

40、波长为小的其他矿物或胶体微粒，使入射光发生漫反射所致。体微粒，使入射光发生漫反射所致。 矿物的条痕是指矿物粉末的颜色矿物的条痕是指矿物粉末的颜色一般是将矿物在白色无釉瓷板上刻划后，观察其留下的粉一般是将矿物在白色无釉瓷板上刻划后，观察其留下的粉末颜色。矿物的条痕可以消除假色、减弱他色，因而比矿物颜末颜色。矿物的条痕可以消除假色、减弱他色，因而比矿物颜色更稳定色更稳定应用对象：有色矿物应用对象：有色矿物 低硬度矿物硬度低硬度矿物硬度25%。呈抛光金属般的光泽。呈抛光金属般的光泽。矿物具金属色，条痕呈黑色或金属色，不透明。矿物具金属色，条痕呈黑色或金属色，不透明。 半金属光泽半金属光泽 R=25-

41、19%。呈未刨光金属般的光泽。呈未刨光金属般的光泽。矿物呈金属色，条痕为棕色、褐色等深彩色，不透明半透明。矿物呈金属色，条痕为棕色、褐色等深彩色，不透明半透明。金刚光泽金刚光泽 R=19-10%。如同金刚石般的光泽。如同金刚石般的光泽。颜色和条痕均呈浅色颜色和条痕均呈浅色(如浅黄、桔红、浅绿等如浅黄、桔红、浅绿等)、白色或无色，半、白色或无色，半透明透明。透明透明。 玻璃光泽玻璃光泽 R=10-4%。如同玻璃般的光泽。如同玻璃般的光泽。矿物为无色、白色或浅色，条痕呈无色或白色，透明。矿物为无色、白色或浅色，条痕呈无色或白色，透明。 矿物光泽的分级矿物光泽的分级金属光泽金属光泽半金属光泽半金属光

42、泽金刚光泽金刚光泽玻璃光泽玻璃光泽1油脂光泽：油脂光泽： 某些解理不发育的浅色透明矿物的不平坦某些解理不发育的浅色透明矿物的不平坦断口上呈现的似油脂般的光泽。断口上呈现的似油脂般的光泽。2树脂光泽：树脂光泽：某些具金刚光泽的黄、褐或棕色透明矿物某些具金刚光泽的黄、褐或棕色透明矿物的不平坦断口上的似松香般的光泽。的不平坦断口上的似松香般的光泽。3沥青光泽：沥青光泽： 解理不发育的半透明或不透明黑色矿物的解理不发育的半透明或不透明黑色矿物的不平坦断口上乌亮沥青状光泽。不平坦断口上乌亮沥青状光泽。4珍珠光泽：珍珠光泽：浅色透明矿物的极完全解理面上的如珍珠浅色透明矿物的极完全解理面上的如珍珠表面或蚌壳

43、内壁柔和而多彩的光泽。表面或蚌壳内壁柔和而多彩的光泽。矿物不平坦的表面或矿物集合矿物不平坦的表面或矿物集合体的表面上的特殊变异光泽：体的表面上的特殊变异光泽：5丝绢光泽：丝绢光泽：具玻璃光泽的无色或浅色透明矿物的纤维状集合体表面常呈蚕具玻璃光泽的无色或浅色透明矿物的纤维状集合体表面常呈蚕丝或丝织品状的光亮。丝或丝织品状的光亮。6蜡状光泽：蜡状光泽：某些透明矿物的隐晶质或非晶质致密块体上的似蜡烛表面的光某些透明矿物的隐晶质或非晶质致密块体上的似蜡烛表面的光泽。泽。7土状光泽：土状光泽：呈土状、粉末状或疏松多孔状集合体的矿物表面如土块般暗淡呈土状、粉末状或疏松多孔状集合体的矿物表面如土块般暗淡无光

44、。无光。5、矿物的发光性、矿物的发光性发光性是指物体受外加能量激发，能明显地发出可见光发光性是指物体受外加能量激发，能明显地发出可见光荧光：发光体一旦停止受激，发光现象立即消失。持续发光荧光：发光体一旦停止受激，发光现象立即消失。持续发光时间时间10-810-8秒。秒。磷光：发光体停止激发，仍持续发光。持续时间磷光：发光体停止激发，仍持续发光。持续时间10-810-8秒。秒。激发源主要有：紫外光、阴极射线、激发源主要有：紫外光、阴极射线、X射线、射线、 射线和高速射线和高速质子流等各种高能辐射，以及加热、摩擦、可见紫光等。质子流等各种高能辐射，以及加热、摩擦、可见紫光等。 留意：留意：矿物的发

45、光性与晶格中存在微量杂质元素及因杂质而产生的矿物的发光性与晶格中存在微量杂质元素及因杂质而产生的晶格缺陷有关。晶格缺陷有关。二二 矿物的力学性质矿物的力学性质1 1、矿物的解理、裂理和断口、矿物的解理、裂理和断口 定义：矿物受外力敲打、挤压等作用后，沿着一定义：矿物受外力敲打、挤压等作用后，沿着一 定的结晶方向发生破裂，形成一系列光滑平面的性质。定的结晶方向发生破裂，形成一系列光滑平面的性质。 解理产生的原因 解理是由矿物的晶体结构决定的解理是由矿物的晶体结构决定的 解理产生在面网间化学键力最弱的方向解理产生在面网间化学键力最弱的方向矿物的解理矿物的解理A 解理面一般平行于解理面一般平行于面网

46、密度最大的面网面网密度最大的面网B 平行于由异号离子组平行于由异号离子组成的电性中和的面网成的电性中和的面网C 当相邻面网为同号离子的当相邻面网为同号离子的面网时，其间易产生解理面网时，其间易产生解理D 平行于化学键力平行于化学键力最强的方向最强的方向根据解理产生的难易程度，可将矿物的解理分成根据解理产生的难易程度，可将矿物的解理分成五个等级：五个等级：A 极完全解理极完全解理 矿物在外力作用下极易裂成薄片。矿物在外力作用下极易裂成薄片。解理面光滑、平整。很难发生断口。如云母、石解理面光滑、平整。很难发生断口。如云母、石墨、辉钼矿等；墨、辉钼矿等；B 完全解理完全解理 矿物在外力作用下，很容易

47、沿解理方矿物在外力作用下，很容易沿解理方向裂成平面但不成薄片）。解理面平滑。如方向裂成平面但不成薄片）。解理面平滑。如方解石、方铅矿、萤石等；解石、方铅矿、萤石等；C 中等解理中等解理 矿物在外力作用下，产生明显的解理，矿物在外力作用下，产生明显的解理，但解理面不太连续和光滑，有断口。如白钨矿等；但解理面不太连续和光滑，有断口。如白钨矿等；D 不完全解理不完全解理 矿物在外力作用下，不易裂出解理矿物在外力作用下，不易裂出解理面，解理面小而不平整，易出现断口。如磷灰石面，解理面小而不平整，易出现断口。如磷灰石0001及及1010解理；解理；E 极不完全解理极不完全解理 矿物受外力作用后，极难出现

48、解矿物受外力作用后，极难出现解理，多形成断口，一般称为无解理。如石英、黄理，多形成断口，一般称为无解理。如石英、黄铁矿。铁矿。 解理的分级解理的表示单形符号解理既体现出晶体的异向性解理既体现出晶体的异向性又体现出晶体的对称性又体现出晶体的对称性阐阐明明 只有晶质矿物才有解理只有晶质矿物才有解理 不同种的矿物，其解理发不同种的矿物，其解理发 育程度不同育程度不同 无论完整与否，无论大小无论完整与否，无论大小 如何，同种矿物具相同的如何，同种矿物具相同的 解理解理解理解理面网，性质相同的面网面网，性质相同的面网 产生相同的解理产生相同的解理性质相同的一组面网性质相同的一组面网单形单形Why ?矿物

49、断口的形状主要有下列几种：矿物断口的形状主要有下列几种：贝壳状断口贝壳状断口 呈圆形的光滑曲面，面上常出现不规则的呈圆形的光滑曲面，面上常出现不规则的 同心条纹，形似贝壳状。如石英和玻璃质体同心条纹，形似贝壳状。如石英和玻璃质体锯齿状断口锯齿状断口 呈尖锐的锯齿状。呈尖锐的锯齿状。 延展性很强的矿物具有此种断口，如自然铜延展性很强的矿物具有此种断口，如自然铜参差状断口参差状断口 参差不齐、粗糙不平。参差不齐、粗糙不平。 大多数矿物具有此种断口。如磷灰石；大多数矿物具有此种断口。如磷灰石；土状断口土状断口 土状矿物显此断口，如高岭石土状矿物显此断口，如高岭石矿物的断口矿物的断口矿物受外力作用，在

50、任意方向破裂所形成的凹凸不平的断面矿物受外力作用，在任意方向破裂所形成的凹凸不平的断面 断口在晶体或非晶体矿物上均可发生断口在晶体或非晶体矿物上均可发生 断口可用来作为鉴定矿物的一种辅助特征断口可用来作为鉴定矿物的一种辅助特征矿物的裂理矿物的裂理定义：矿物在外力作用下沿一定结晶方向裂开的性质定义：矿物在外力作用下沿一定结晶方向裂开的性质 沿某一种面网存在有他种成分的细微包裹体，或者是固沿某一种面网存在有他种成分的细微包裹体，或者是固 溶体离溶物溶体离溶物产生的原因产生的原因 沿着双晶接合面特别是聚片双晶的接合面发生沿着双晶接合面特别是聚片双晶的接合面发生矿物解理与裂理的区别矿物解理与裂理的区别

51、解理解理晶质矿物的固有特性，同种矿物具有相同解理晶质矿物的固有特性，同种矿物具有相同解理裂理裂理矿物的非固有特性，同种矿物并非都具有裂理，矿物的非固有特性，同种矿物并非都具有裂理， 但若产生裂理，必在相同的方向上但若产生裂理，必在相同的方向上 2、 矿物的硬度矿物的硬度小于指甲（小于指甲（2.55.5)(5.5)简单硬度计简单硬度计 影响矿物硬度大小的因素影响矿物硬度大小的因素定义：硬度是指矿物抵抗外来刻划、压入或研磨定义：硬度是指矿物抵抗外来刻划、压入或研磨 等机械作用的能力等机械作用的能力分类：分类： 绝对硬度计绝对硬度计摩氏硬度计刻划硬度）摩氏硬度计刻划硬度）滑石滑石 石膏石膏 方解石方

52、解石 萤石萤石 磷灰石磷灰石 正长石正长石 石英石英 黄玉黄玉 刚玉刚玉 金刚石金刚石化学键化学键 原子半径与电价原子半径与电价 紧密堆积程度紧密堆积程度三、三、 矿物的密度和相对密度矿物的密度和相对密度矿物的密度：是指矿物单位体积的质量，单位矿物的密度：是指矿物单位体积的质量，单位g/cm3g/cm3相对密度：矿物在空气中的重量与相对密度：矿物在空气中的重量与44时同体积水的时同体积水的 质量之比质量之比密度的分级：密度的分级： 轻级轻级 相对密度小于相对密度小于2.52.5 中级中级 相对密度相对密度由由2.5-42.5-4 重级重级 相对密度相对密度大于大于4 4影响矿物相对密度的因素影

53、响矿物相对密度的因素化学组成和晶体结构化学组成和晶体结构元素原子量大小元素原子量大小 离子电价与半径离子电价与半径 最紧密堆积程度最紧密堆积程度第九章第九章 矿物的化学成分矿物的化学成分一、地壳的化学成分一、地壳的化学成分丰度：各种元素在地壳中的平均含量丰度：各种元素在地壳中的平均含量质量克拉克值：地壳中化学元素平均含量质量克拉克值：地壳中化学元素平均含量的质量百分数称为克拉克值或质量克拉克的质量百分数称为克拉克值或质量克拉克值。值。原子克拉克值：各种元素的原子在地壳中原子克拉克值：各种元素的原子在地壳中所有元素的总原子数中所占百分数。所有元素的总原子数中所占百分数。二、元素的离子类型二、元素

54、的离子类型1.惰性气体型离子惰性气体型离子2. 铜型离子铜型离子3. 过渡型离子过渡型离子三、三、 矿物的化学成分类型矿物的化学成分类型mineral chemistry component typemineral chemistry component type化学化学组成组成特点特点单质单质化合物化合物简单化合物由一种阳离子和一种阴离子组成复化合物由两种以上的阳离子和同种阴离子或络阴离子组成单盐化合物单盐化合物由一种阳离子和一种络阴由一种阳离子和一种络阴离子酸根组成离子酸根组成由一种元素的原由一种元素的原子组成的矿物子组成的矿物四、胶体矿物及其特征四、胶体矿物及其特征 colloid mi

55、neral and its characters胶胶体体细细分分散散系系非晶质无规则几何外形可变性和复杂性极大比表面积带电荷选择性吸附胶体的特点胶体的特点胶体矿物的特点胶体矿物的特点胶体胶体胶体矿物形成胶体矿物形成 海滨地带和岩石风化壳中海滨地带和岩石风化壳中 胶体及胶体矿物的特点胶体及胶体矿物的特点矿物矿物/ /岩石岩石风化风化胶体溶液胶体溶液凝聚凝聚蒸发蒸发/ /中和中和胶体矿物胶体矿物五、水在矿物中的存在形式五、水在矿物中的存在形式existence form of aquifer existence form of aquifer in mineralin mineral根据水是否参加

56、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：吸附水不参加矿物晶格的水：吸附水参加矿物晶格的水：结晶水和结构水参加矿物晶格的水：结晶水和结构水过渡类型的水：层间水和沸石水过渡类型的水：层间水和沸石水中性水，不带电荷，不进入矿物晶中性水，不带电荷，不进入矿物晶体结构，存在于矿物的表面、裂隙中，体结构，存在于矿物的表面、裂隙中，失水温度很低失水温度很低0-110之间）。含量不之间）。含量不固定，随环境温度和湿度而变，不计入固定，随环境温度和湿度而变，不计入化学式化学式(胶体水除外胶体水除外) 。吸附水的存在不影。吸附水的存在不影响矿物的结构。响矿物的结构。 吸附水吸

57、附水 以中性水分子的形式存在于晶体结构中，有固定的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，失水温度高位置和配位数，有固定的含量，失水温度高(110-(110-230)230)，失水后不再获得，并影响矿物的结构和性质。，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。中，有一个或几个固定的脱水温度。Cu(H2O)5SO4 Cu(H2O)5SO4 Cu(H2O)3SO4 Cu(H2O)3SO4 Cu(H2O)SO4Cu(H2O)SO4 CuSO4 CuS

58、O4 胆矾胆矾( (三斜三斜) ) 三水胆矾三水胆矾( (单斜单斜) ) 泼水胆矾泼水胆矾( (单斜单斜) ) 铜锭石斜方）铜锭石斜方）30C100C400C结晶水结晶水结构水结构水 以以H+, H3O+, (OH)-形式存在于晶体结构中。形式存在于晶体结构中。有固定的位置和确定的含量比有固定的位置和确定的含量比 ，失水温度高，失水温度高(500,600-1200)，失水后，很难重新得到。失水后，失水后，很难重新得到。失水后，离子发生重新排列，变为另一种矿物。矿物中结构离子发生重新排列，变为另一种矿物。矿物中结构水的作用：水的作用：（1平衡晶体中多余的电荷平衡晶体中多余的电荷（2充填结构空隙充

59、填结构空隙 高岭石高岭石 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。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，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，

60、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。失水后可以重新获得。 矿物中水的存在形式矿物中水的存在形式( (一一) ) 矿物化学式的表示方法矿物化学式的表示方法 1. 实验式实验式 (experimental formula) 如如: 白云母白云母K2O3Al2O36SiO22H2O不反映矿物中各组分的相互关系，只表示组分种类和数量不反映矿物中各组分的相互关系，只表示组分种类和数量比比表示有什么。表示有什么。2. 结构式结构式(structural formula)晶体化学式晶体化学式 如如: 白云母白云母 KAl2(Si3Al)O10(OH)2可以表示：种类数量比晶格