矿物晶体化学课件

矿物晶体化学研究生课程矿物晶体化学研究生课程1什么是矿物晶体化学？“矿物晶体化学”研究内容是什么？什么是矿物晶体化学？“矿物晶体化学”研究内容是什么？2案例一、赤铁矿的晶体化学案例一、赤铁矿的晶体化学3矿物晶体化学课件42—立方晶格等轴晶系

三方晶系1—三方菱面体晶格

赤铁矿的晶体化学2—立方晶格等轴晶系三方晶系1—三方菱面体晶格5前者1为三方晶系，刚玉型结构，在自然界稳定，称赤铁矿。后者2为等轴晶系，尖晶石型结构，在自然界呈亚稳态，称为磁赤铁矿。

赤铁矿的晶体化学前者1为三方晶系，刚玉型结构，在自然界稳定，称赤铁矿。6案例二、菱铁矿的晶体化学案例二、菱铁矿的晶体化学7菱铁矿化学式FeCO3（FeO62.01CO237.99）常有Mg、Mn及Ca等类质同象混入物。

三方晶系相对密度3.7—4.0，硬度4。案例二、菱铁矿的晶体化学菱铁矿化学式FeCO3（FeO62.01CO2378[CO3]2-[CO3]2-的半径为0.255nm？Vp=(4+0+2)/2=3中心分子价层为sp2杂化轨道伸展方向为正三角形[CO3]2-[CO3]2-的半径为0.255nm？9[CO3]2-Sp2C、O键介于C-O与C=O之间，被认为是碳氧原子间除形成σ键之外，还形成离域的四中心六电子大π46键。Sp2杂化[CO3]2-Sp2杂化10键角120o键长每个C-O键长都等于1.30±0.01埃键能C=O的键能为740kJ/mol（实用化学手册p273）,C-O的键能为84.0千卡/克分子即351.54kJ/mol。[CO3]2-键角120o[CO3]2-11Fe2+Fe2+电子构型为3d6属于(9-17)e-半径为0.076nm[Fe]2+的电负性为1.8碳酸盐的分解温度相差很大，与金属离子极化作用有关。碳酸盐FeCO3r(Mn+)/pm76Mn+的电子构型(9-17)e-分解温度/℃282Fe2+Fe2+电子构型为3d6属于(9-17)e-碳酸盐12案例三、海泡石的晶体化学案例三、海泡石的晶体化学13海泡石晶体化学海泡石属于海泡石一坡缕石粘土矿物族，是一种无毒无害的镁质粘土矿物，理想晶体的化学式为{Mg8[Si12O30](OH)4(OH2)4}·8H2O。海泡石晶体化学海泡石属于海泡石一坡缕石粘土矿物族，是一种无毒14海泡石晶体结构海泡石晶体结构15海泡石的结构，由两层硅氧四面体片之间夹一层金属阳离子，组成八面体片构成，为2∶1型,两层硅氧四面体片各有六个硅氧四面体，其顶端的氧原子朝向八面体片，并与八面体片Mg2+相连接，组成结构单位层,层的厚度为0.645nm，宽度相当于六个硅氧四面体的宽度。海泡石晶体化学海泡石的结构，由两层硅氧四面体片之间夹一层金属阳离子，组成八16由于海泡石有着这种独特的结构，具有开阔的层间孔道和较大的比表面积，因而具有吸附离子和一些有机物的能力并且吸附能力大于任何粘土。海泡石的特点由于海泡石有着这种独特的结构，具有开阔的层间孔道和较大的比表17讨论什么是矿物晶体化学

的内涵和外延？《矿物晶体化学》研究内容到底是什么？讨论什么是矿物晶体化学

的内涵和外延？《矿物晶体化学》研究内18矿物晶体化学第一章矿物晶体化学的内涵和外延第二章化学基础之一——原子结构第三章化学基础之二——分子结构第四章化学基础之三——晶体结构第五章化学基础之四——

晶体场理论在矿物晶体中的应用第六章实际矿物的晶体化学矿物晶体化学第一章矿物晶体化学的内涵和外延19矿物种类分类单质矿物硫化物氧化物碳酸盐硅酸盐硫酸盐卤化物其他第一章矿物晶体化学的内涵和外延矿物种类分类单质矿物第一章矿物晶体化学的内涵和外延20单质铜矿晶系：立方晶系颜色：红铜色失去光泽后呈绿蓝和黑色透明度：不透明光泽：金属般的条痕：红铜色硬度：2.5～3.0形态：多鳞，平展或树枝状断口：锯齿状比重：8.9检验：溶于硝酸单质铜矿晶系：立方晶系21晶系：斜方晶系颜色：亮黄至棕黄；有时呈灰色，发红或发绿透明度：透明到半透明光泽：树脂质-油脂条痕：白色硬度：1.5～2.5形态：扁平，钟乳石状；粒状纤维状或土状；很少生有双晶断口：贝壳状至不整齐比重：2.0～2.1检验：不溶于水，不受大多数酸的影响；溶于二硫化碳和某些油单质硫矿晶系：斜方晶系单质硫矿22硫化物矿——黄铁矿硫化物矿——黄铁矿23

硅酸盐矿——透辉石硅酸盐矿——透辉石24

25矿物晶体化学课件26矿物晶体化学课件27碳酸盐矿——孔雀石

碳酸盐矿——孔雀石28

29孔雀石孔雀石30矿物晶体化学课件31矿物晶体化学课件32孔雀石

（1）化学组成：Cu2[CO3](OH)2，含微量机械混入物；（2）结构特点：单斜晶系，点群2/m，空间群P21/a，a0=0.948nm，b0=1.203nm，c0=0.321nm，β=9842′，Z=4，晶体结构中Cu2+为六个O2-和OH-所包围，形成八面体配位。八面体共用棱相连接，组成一条平行于c轴的双链结构，C4+在三个O2-之间组成[CO3]2-并连接各链；（3）晶体形态：单晶体呈柱状或针状，但极少见；双晶以(100)为双晶面成接触双晶；（4）物理性质：深绿至鲜绿色，条痕淡绿色，玻璃光泽，纤维状集合体呈丝绢光泽，土状者光泽暗淡，硬度3.5~4，解理平行{201}完全，平行{010}中等，比重3.9~4.0；（5）鉴定特征：以其绿色、条痕淡绿色和肾状、葡萄状等为鉴定特征。孔雀石（1）化学组成：Cu2[CO3](OH)2，含微量机33

34矿物晶体化学课件35矿物晶体化学课件36

37

38“表面”现象下面的内部实质问题是什么？粒子的规则排列！误区之一“表面”现象下面的内部实质问题是什么？粒子的规则排列！误区之39一些基本概念晶体与非晶的概念如何鉴别一种固体是晶体晶体化学的定义矿物晶体化学研究的主要内容一些基本概念晶体与非晶的概念40晶体与非晶的概念晶体非晶无定型体单晶多晶晶体的性质晶体与非晶的概念晶体41晶体的性质均一性异向性对称性最小内能稳定性有固定的熔点晶体的性质42几个晶体学概念结点结点上粒子结点间距晶格三要素网面密度晶格晶胞几个晶体学概念结点43矿物晶体化学课件44矿物晶体化学研究的主要内容矿物晶体化学：矿物晶体化学是研究矿物的化学成分、晶体结构，及其与矿物的物理化学性质之间的相互关系，从而为采矿与选矿工程服务的一门学科。主要内容：化学基础（原子结构、分子结构、晶体结构、晶体场理论），实际矿物（硅酸盐矿、硫化物矿、氧化物矿等）的化学组成、晶体结构、物理化学性质等。矿物晶体化学研究的主要内容矿物晶体化学：45海泡石晶体结构海泡石晶体结构46第二章原子结构2－1玻尔原子模型2－2现代的量子力学原子模型2－3原子轨道2－4原子轨道能级图2－5核外电子排布2－6元素周期表2－7原子性质的周期性第二章原子结构2－1玻尔原子模型472－1玻尔原子模型连续光谱线状光谱原子光谱玻尔氢原子模型2－1玻尔原子模型连续光谱48玻尔氢原子模型定态轨道轨道能级（基态、激发态）原子发光原因轨道能量量子化的概念玻尔模型的优缺点玻尔氢原子模型定态轨道492－2现代的量子力学原子模型微观粒子与宏观粒子微观粒子的波粒二象性微观粒子运动的统计规律性薛定谔方程波函数原子轨道（角度分布图）电子云（角度分布图）2－2现代的量子力学原子模型微观粒子与宏观粒子50

原子轨道模型图原子轨道模型图51原子结构中电子的分层运动原子结构中电子的分层运动52矿物晶体化学课件53波粒二象性粒子性：有动量和动能的物体具有粒子性。波动性：运动过程中表现光的波动性。波粒二象性54薛定谔方程其中，为波函数；

x、y、z为某点空间坐标；

m为核外电子的质量；

E为核外某一点电子的总能量；

V为核外某一点电子的势能。

薛定谔方程其中，为波函数；55波函数与原子轨道波函数——薛定谔方程的解；例如：s轨道

P、d、f、g……原子轨道——波函数在坐标系中几何空间波函数与原子轨道波函数——薛定谔方程的解；56原子轨道（或电子云）角度分布图S轨道角度分布图p轨道角度分布图（Px、Py、Pz）d轨道角度分布图（dxy、dyz、dxz）原子轨道（或电子云）角度分布图S轨道角度分布图p轨道角度分布57原子轨道（或电子云）角度分布图dx2-y2轨道角度分布图dz2轨道角度分布图原子轨道（或电子云）角度分布图dx2-y2轨道角度分布图d581s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f592－3原子轨道量子数主量子数n：决定体系能量E或电子离核远近距离r。n=1，2，3，4，5，6，7……

电子层数：KLMNOPQ副量子数（角量子数）L：确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。l=0，1，2，3，4，5，6……n-1相应的能级：spdfg……l=0球形对称l=1原子轨道呈哑铃形分布l=2其原子轨道呈花瓣形分布2－3原子轨道量子数主量子数n：决定体系能量E或电子60原子轨道量子数

磁量子数m：决定原子轨道在空间的取向。

m=0，±1，±2……±l共(2l+1)个自旋量子数（人为规定）：只决定电子运动状态与薛定谔方程无关。ms=±1/2原子轨道量子数磁量子数m：612－4原子轨道能级图1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6pE※能级交错现象※不同原子序数的轨道能级图略有不同2－4原子轨道能级图1s2s2p3s3p4s3d4p5s4622－5核外电子排布核外电子排布规则：(1)Pauli不相容原理(2)能量最低原理(3)洪特规则(4)三个特殊稳定状态2－5核外电子排布核外电子排布规则：63几个概念等价轨道（简并轨道）原子实价层价电子最外层电子价电子构型※必须掌握的能力：—会写任何元素的价电子构型写出以下元素的价电子构型：NaFe2＋

CuPbNSI几个概念等价轨道（简并轨道）642－6元素周期表S区P区d区ds区f区※熟悉元素周期表2－6元素周期表S区P区d区ds区f区※熟悉元素周期表65各区元素的价电子构型S区ns1-2P区ns2np1-6d区(n-1)d1-10ns1-2ds区(n-1)d10ns1-2f区(n-2)f0-14(n-1)d0-2ns2各区元素的价电子构型S区ns1-2662－7原子性质的周期性周期性递变的性能有原子半径电负性金属性与非金属性电离能I电子亲核能Y2－7原子性质的周期性周期性递变的性能有67电负性1.定义:元素的原子在分子中吸引电子的能力。2.标度——Pauli标度：XH=2.1相对值3.变化规律（1）同周期左→右x↑（2）同族上→下x↓电负性1.定义:元素的原子在分子中吸引电子的能力。68电负性4.应用（1）说明元素性质变化规律（周期表中）同周期左到右，金属性减弱同族从上到下，金属性增强（2）判断键的性质：离子键共价键△X﹥1.7离子键△X﹤1.7极性共价键△X=0非极性共价键（3）元素的电负性大小，区别元素是金属元素还是非金属元素。X﹥2.0非金属元素X﹤2.0金属元素电负性4.应用69电离能I1.定义:元素在基态,气态原子给出电子所吸收的能量,叫这种元素的电离能。2.规律:(1)I1<I2<I3(2)同周期Z(核电荷数)↑,I↑;(3)同族Z↑电子层↑，I↓(4)半充满全充满，I↑(比它相邻元素)(5)同一元素，不同电子层，I差异大.电离能I1.定义:元素在基态,气态原子给出电子所吸收的能70电子亲核能Y定义：当元素处于基态的气态原子获得一个电子成为负一价气态阴离子时所放出的能量，称为该元素的第一电子亲合势。(成键)规律:(1)同周期左→右Y1↑(2)同族上→下Y1↑(3)第二电子亲合能Y2>0外界提供能量Y1-+e-排斥作用>>结合成键所放出的能量例:Y1(0)=-147kJmol-1Y2(0)=+780kJmol-1电子亲核能Y定义：71从原子结构层面上描述矿物晶体化学矿物破碎后，矿物表面裸露原子的性质：元素周期表中的位置；价电子构型；原子半径；电负性；第一电离能E；电子亲和能Y。从原子结构层面上描述矿物晶体化学矿物破碎后，矿物表面裸露原子72矿物晶体化学研究生课程矿物晶体化学研究生课程73什么是矿物晶体化学？“矿物晶体化学”研究内容是什么？什么是矿物晶体化学？“矿物晶体化学”研究内容是什么？74案例一、赤铁矿的晶体化学案例一、赤铁矿的晶体化学75矿物晶体化学课件762—立方晶格等轴晶系

三方晶系1—三方菱面体晶格

赤铁矿的晶体化学2—立方晶格等轴晶系三方晶系1—三方菱面体晶格77前者1为三方晶系，刚玉型结构，在自然界稳定，称赤铁矿。后者2为等轴晶系，尖晶石型结构，在自然界呈亚稳态，称为磁赤铁矿。

赤铁矿的晶体化学前者1为三方晶系，刚玉型结构，在自然界稳定，称赤铁矿。78案例二、菱铁矿的晶体化学案例二、菱铁矿的晶体化学79菱铁矿化学式FeCO3（FeO62.01CO237.99）常有Mg、Mn及Ca等类质同象混入物。

三方晶系相对密度3.7—4.0，硬度4。案例二、菱铁矿的晶体化学菱铁矿化学式FeCO3（FeO62.01CO23780[CO3]2-[CO3]2-的半径为0.255nm？Vp=(4+0+2)/2=3中心分子价层为sp2杂化轨道伸展方向为正三角形[CO3]2-[CO3]2-的半径为0.255nm？81[CO3]2-Sp2C、O键介于C-O与C=O之间，被认为是碳氧原子间除形成σ键之外，还形成离域的四中心六电子大π46键。Sp2杂化[CO3]2-Sp2杂化82键角120o键长每个C-O键长都等于1.30±0.01埃键能C=O的键能为740kJ/mol（实用化学手册p273）,C-O的键能为84.0千卡/克分子即351.54kJ/mol。[CO3]2-键角120o[CO3]2-83Fe2+Fe2+电子构型为3d6属于(9-17)e-半径为0.076nm[Fe]2+的电负性为1.8碳酸盐的分解温度相差很大，与金属离子极化作用有关。碳酸盐FeCO3r(Mn+)/pm76Mn+的电子构型(9-17)e-分解温度/℃282Fe2+Fe2+电子构型为3d6属于(9-17)e-碳酸盐84案例三、海泡石的晶体化学案例三、海泡石的晶体化学85海泡石晶体化学海泡石属于海泡石一坡缕石粘土矿物族，是一种无毒无害的镁质粘土矿物，理想晶体的化学式为{Mg8[Si12O30](OH)4(OH2)4}·8H2O。海泡石晶体化学海泡石属于海泡石一坡缕石粘土矿物族，是一种无毒86海泡石晶体结构海泡石晶体结构87海泡石的结构，由两层硅氧四面体片之间夹一层金属阳离子，组成八面体片构成，为2∶1型,两层硅氧四面体片各有六个硅氧四面体，其顶端的氧原子朝向八面体片，并与八面体片Mg2+相连接，组成结构单位层,层的厚度为0.645nm，宽度相当于六个硅氧四面体的宽度。海泡石晶体化学海泡石的结构，由两层硅氧四面体片之间夹一层金属阳离子，组成八88由于海泡石有着这种独特的结构，具有开阔的层间孔道和较大的比表面积，因而具有吸附离子和一些有机物的能力并且吸附能力大于任何粘土。海泡石的特点由于海泡石有着这种独特的结构，具有开阔的层间孔道和较大的比表89讨论什么是矿物晶体化学

的内涵和外延？《矿物晶体化学》研究内容到底是什么？讨论什么是矿物晶体化学

的内涵和外延？《矿物晶体化学》研究内90矿物晶体化学第一章矿物晶体化学的内涵和外延第二章化学基础之一——原子结构第三章化学基础之二——分子结构第四章化学基础之三——晶体结构第五章化学基础之四——

晶体场理论在矿物晶体中的应用第六章实际矿物的晶体化学矿物晶体化学第一章矿物晶体化学的内涵和外延91矿物种类分类单质矿物硫化物氧化物碳酸盐硅酸盐硫酸盐卤化物其他第一章矿物晶体化学的内涵和外延矿物种类分类单质矿物第一章矿物晶体化学的内涵和外延92单质铜矿晶系：立方晶系颜色：红铜色失去光泽后呈绿蓝和黑色透明度：不透明光泽：金属般的条痕：红铜色硬度：2.5～3.0形态：多鳞，平展或树枝状断口：锯齿状比重：8.9检验：溶于硝酸单质铜矿晶系：立方晶系93晶系：斜方晶系颜色：亮黄至棕黄；有时呈灰色，发红或发绿透明度：透明到半透明光泽：树脂质-油脂条痕：白色硬度：1.5～2.5形态：扁平，钟乳石状；粒状纤维状或土状；很少生有双晶断口：贝壳状至不整齐比重：2.0～2.1检验：不溶于水，不受大多数酸的影响；溶于二硫化碳和某些油单质硫矿晶系：斜方晶系单质硫矿94硫化物矿——黄铁矿硫化物矿——黄铁矿95

硅酸盐矿——透辉石硅酸盐矿——透辉石96

97矿物晶体化学课件98矿物晶体化学课件99碳酸盐矿——孔雀石

碳酸盐矿——孔雀石100

101孔雀石孔雀石102矿物晶体化学课件103矿物晶体化学课件104孔雀石

（1）化学组成：Cu2[CO3](OH)2，含微量机械混入物；（2）结构特点：单斜晶系，点群2/m，空间群P21/a，a0=0.948nm，b0=1.203nm，c0=0.321nm，β=9842′，Z=4，晶体结构中Cu2+为六个O2-和OH-所包围，形成八面体配位。八面体共用棱相连接，组成一条平行于c轴的双链结构，C4+在三个O2-之间组成[CO3]2-并连接各链；（3）晶体形态：单晶体呈柱状或针状，但极少见；双晶以(100)为双晶面成接触双晶；（4）物理性质：深绿至鲜绿色，条痕淡绿色，玻璃光泽，纤维状集合体呈丝绢光泽，土状者光泽暗淡，硬度3.5~4，解理平行{201}完全，平行{010}中等，比重3.9~4.0；（5）鉴定特征：以其绿色、条痕淡绿色和肾状、葡萄状等为鉴定特征。孔雀石（1）化学组成：Cu2[CO3](OH)2，含微量机105

106矿物晶体化学课件107矿物晶体化学课件108

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110“表面”现象下面的内部实质问题是什么？粒子的规则排列！误区之一“表面”现象下面的内部实质问题是什么？粒子的规则排列！误区之111一些基本概念晶体与非晶的概念如何鉴别一种固体是晶体晶体化学的定义矿物晶体化学研究的主要内容一些基本概念晶体与非晶的概念112晶体与非晶的概念晶体非晶无定型体单晶多晶晶体的性质晶体与非晶的概念晶体113晶体的性质均一性异向性对称性最小内能稳定性有固定的熔点晶体的性质114几个晶体学概念结点结点上粒子结点间距晶格三要素网面密度晶格晶胞几个晶体学概念结点115矿物晶体化学课件116矿物晶体化学研究的主要内容矿物晶体化学：矿物晶体化学是研究矿物的化学成分、晶体结构，及其与矿物的物理化学性质之间的相互关系，从而为采矿与选矿工程服务的一门学科。主要内容：化学基础（原子结构、分子结构、晶体结构、晶体场理论），实际矿物（硅酸盐矿、硫化物矿、氧化物矿等）的化学组成、晶体结构、物理化学性质等。矿物晶体化学研究的主要内容矿物晶体化学：117海泡石晶体结构海泡石晶体结构118第二章原子结构2－1玻尔原子模型2－2现代的量子力学原子模型2－3原子轨道2－4原子轨道能级图2－5核外电子排布2－6元素周期表2－7原子性质的周期性第二章原子结构2－1玻尔原子模型1192－1玻尔原子模型连续光谱线状光谱原子光谱玻尔氢原子模型2－1玻尔原子模型连续光谱120玻尔氢原子模型定态轨道轨道能级（基态、激发态）原子发光原因轨道能量量子化的概念玻尔模型的优缺点玻尔氢原子模型定态轨道1212－2现代的量子力学原子模型微观粒子与宏观粒子微观粒子的波粒二象性微观粒子运动的统计规律性薛定谔方程波函数原子轨道（角度分布图）电子云（角度分布图）2－2现代的量子力学原子模型微观粒子与宏观粒子122

原子轨道模型图原子轨道模型图123原子结构中电子的分层运动原子结构中电子的分层运动124矿物晶体化学课件125波粒二象性粒子性：有动量和动能的物体具有粒子性。波动性：运动过程中表现光的波动性。波粒二象性126薛定谔方程其中，为波函数；

x、y、z为某点空间坐标；

m为核外电子的质量；

E为核外某一点电子的总能量；

V为核外某一点电子的势能。

薛定谔方程其中，为波函数；127波函数与原子轨道波函数——薛定谔方程的解；例如：s轨道

P、d、f、g……原子轨道——波函数在坐标系中几何空间波函数与原子轨道波函数——薛定谔方程的解；128原子轨道（或电子云）角度分布图S轨道角度分布图p轨道角度分布图（Px、Py、Pz）d轨道角度分布图（dxy、dyz、dxz）原子轨道（或电子云）角度分布图S轨道角度分布图p轨道角度分布129原子轨道（或电子云）角度分布图dx2-y2轨道角度分布图dz2轨道角度分布图原子轨道（或电子云）角度分布图dx2-y2轨道角度分布图d1301s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f1312－3原子轨道量子数主量子数n：决定体系能量E或电子离核远近距离r。n=1，2，3，4，5，6，7……

电子层数：KLMNOPQ副量子数（角量子数）L：确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。l=0，1，2，3，4，5，6……n-1相应的能级：spdfg……l=0球形对称l=1原子轨道呈哑铃形分布l=2其原子轨道呈花瓣形分布2－3原子轨道量子数主量子数n：决定体系能量E或电子132原子轨道量子数

磁量子数m：决定原子轨道在空间的取向。

m=0，±1，±2……±l共(2l+1)个自旋量子数（人为规定）：只决定电子运动状态与薛定谔方程无关。ms=±1/2原子轨道量子数磁量子数m：1332－4原子轨道能级图1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6pE※能级交错现象※不同原子序数的轨道能级图略有不同2－4原子轨道能级图1s2s2p3s3p4s3d4p5s41342－5核外电子排布核外电子排布规则：(1)Pauli不相容原理(2)能量最低原理(3)洪特规则(4)三个特殊稳定状态2－5核外电子排布核外电子排布规则：135几个概念等价轨道（简并轨道）原子实价层价电子最外层电子价电子构型※必须掌握的能力：—会写任何元素的价电子构型写出以下元素的价电子构型：