第八章 矿物成分

结晶学及矿物学吉林大学地球科学学院第七章矿物的化学成分

矿物的化学成分是决定矿物各项性质的最本质的因素之一,具有重要意义。

★矿物的化学成分是区分不同矿物的依据。

★矿物的化学成分一般随形成条件的变化而产生一定的改变，因此，其变化特点可以作为形成矿物及矿床的物理化学条件的标志。

★研究矿物的化学组成对矿物的开发利用具有重要的指导意义。

矿物是元素的集合体，元素在地壳中的丰度和地球化学活动特点，制约了自然界中不同矿物的形成与分布。一地壳中元素的丰度和矿物形成与分布关系1.元素在地壳中的丰度——克拉克值克拉克值：

指各种元素在地壳中的平均含量百分比。表示方法：

质量克拉克值：用质量百分比表示原子克拉克值：用原子百分比表示元素质量克拉克值/%原子克拉克值/%元素质量克拉克值/%原子克拉克值/%OSiAlFe47.029.58.134.6558.021.06.01.7CaNaKMg2.962.502.501.871.52.21.31.6常见8种元素的克拉克值

占地壳总重量的99.03%占地壳总原子数的93.3%2.地壳中矿物的形成分布与克拉克值

⑴元素的克拉克值大，易形成矿物,相应的矿物在自然界中分布广泛。

例：O、Si元素的克拉克值最大，由O、Si元素为主的硅酸盐矿物占矿物种总数的24%，占地壳总重量的75%

氧化物矿物占矿物种总数的14%，占地壳总重量的17%（主要为石英SiO2）

⑵克拉克值小的元素能否形成矿物，与其地球化学行为有关。

分散元素—在其它矿物中呈类质同像/微量混入物形式存在

聚集元素—形成独立矿物种

Rb—90×10-6，其单矿物仅一两种。

Sb—0.2×10-6，其矿物多达100种，且能形成独立的矿床（辉锑矿）

Re—0.5×10-6，主要赋存在辉钼矿中二元素的离子类型

元素在矿物中的存在形式取决于元素本身与原子和离子的化学行为,以及所处的物理化学条件。各种元素的原子得到电子的能力(电负性)和失去电子的能力(电离势)以及它们成为离子后的性质,包括离子的电子层结构(离子类型)、离子半径等都是支配元素间能否形成化合物的重要因素。

元素之间化合时，离子的外电子层以2、8或18各电子的结构最稳定，各种元素都有力图使自己达到这种结构的趋势。根据离子的最外电子层结构，可以将离子分为三种类型,即

①.惰性气体型离子

②.铜型离子③.过渡型离子

①惰性气体型离子②铜型离子①③a亲氧性强的过渡型离子③b亲硫性强的过渡型离子1.惰性气体型离子

这类离子易于O2-结合形成氧化物和含氧盐(主要的造岩矿物——造岩元素、亲石元素或亲氧元素)；碱金属和碱土金属元素的离子半径较大，极化能较低，与氧或卤族元素形成以离子键为主的化合物。指具有与惰性气体原子相同的电子构型，最外层具有8个(ns2np6)或2个电子(1s2)的离子。包括碱金属和碱土金属(电离势低)及一些非金属元素(电负性高)离子。2.铜型离子

这类元素的电离势较高，离子半径较小，极化能力很强，通常主要以共价键与硫结合形成硫化物及其类似化合物和硫盐，形成主要的金属矿物（造矿元素、亲硫元素或亲铜元素）。指具有与惰性气体原子相同的电子构型，最外层具有18个（ns2np6d10）电子的离子。包括周期表长周期右半部的有色金属和重金属离子。3.过渡型离子指最外层具有9-17个电子(ns2np6nd1-9)的离子。包括周期表中位于惰性气体型离子和铜型离子之间的各副族（Ⅲ-Ⅷ）元素的离子。

过渡型离子的性质介于惰性气体型离子与铜型离子之间。外层电子数越靠近8的元素亲氧性越强，易于形成氧化物和含氧盐；越靠近18的元素亲硫性越强，易于形成硫化物；居于中间位置的Mn和Fe等，则与氧和硫均能结合。

离子的结合还受到环境的影响

W本来有与氧结合的倾向，但当介质中硫的浓度很大时，也可与硫结合。

铜型离子只有在还原条件下即硫呈负价时才能与之结合形成硫化物；在氧化环境中，硫呈六价阳离子构成硫酸根，此时铜型离子则与氧结合生成氧化物和含氧盐。

过渡型离子Mn和Fe在还原条件下多与硫结合生成黄铁矿或白铁矿、硫锰矿等；当氧的浓度很高时，便与氧结合生成赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、软锰矿、菱锰矿等。

1.化学计量矿物

矿物成分各组分间遵循定比定律和倍比定律具严格化合比的矿物。

(1).矿物的化学成分比较固定，各组分间遵循严格的化合比，可由确定的理想化学式加以表示。

例如：天然水晶，Si和O基本是按1:2的关系形成的。三

矿物化学成分的相对确定性

(2).类质同像发育的矿物天然形成的矿物都不同程度地发育类质同像现象,这时将成类质同像关系的元素作为一个整体看待,仍然遵守定比定律。

例:石英（SiO2）,虽其内部含有少量的Al3+等离子，人们Si、Al看成一个整体，仍视其是以Si和O按1:2的关系形成的。

例:钾长石-K[AlSi3O8]K2O·Al2O3·6SiO2,虽含有Na+、Ca2+、Fe2+、Fe3+等离子，但是人们仍认为其各组分间遵循定比定律。2.非化学计量矿物/不符合定比定律的矿物

自然界中的许多矿物，特别是某些含变价元素的矿物，由于受化合物电中性的制约，矿物晶体内部必然存在某种晶格缺陷，使其化学组成偏离理想的化合比，不再遵循定比定律，这些矿物称为非化学计量矿物。

例:方铁矿-FeO,实际成分为Fe1-XO,Fe原子数略少于O原子数。因为有Fe3+存在，为保持电中性，结构中便相应减少Fe原子数而形成空位，x值的大小与Fe3+离子数相当。这样就使晶体的平均成分偏离理想的化合比。

例:PbTiO3，若用La3+置换Pb2+，可以产生Pb的缺位，形成非化学计量化合物

PbTiO3------Pb1-(x+0.5x)LaxTiO33.矿物成分非化学计量性的成因意义

矿物成分非化学计量性，往往具有成因(标型)意义，可以指导我们推测它的形成环境和进行矿床的评价等。

例如：含金石英脉中黄铁矿—FeS2若Fe

/S+As

＞0.5,形成深度小,剥蚀深度也小。若Fe/S+As≤0.5,形成深度大,即剥蚀深度大。

(1).胶体——是一种或多种物质的微粒(1~100nm)分散在另一种物质之中所形成的不均匀的细分散系。

前者为分散相（分散质－相当于溶液中的溶质），后者为分散媒（分散剂－相当于溶液中的溶剂）。四胶体矿物的化学成分特点1.胶体及其基本性质(2).胶体与溶液的区别溶液是一个单相的均匀体，溶质以离子或分子形式存在，粒径＜1nm。

胶体是由多相物质组成的混合物。胶体中的分散相是以微粒形式存在的，粒径在1~100nm之间。固态、液态、气态物质均可以成为分散相或分散媒。

(3).胶体分类——按分散相和分散媒的量比关系

胶溶体：指分散相的量远少于分散媒。若分散媒为水，则为水胶溶体，或水溶胶。

胶凝体：指分散相量远多于分散媒。若分散媒为水，则为水胶凝体，或水凝胶。

水胶溶体可以脱水向水胶凝体转化。

(4).胶体的基本性质①胶体质点的带电性——胶体中分散相的微粒表面正负电荷远未达到平衡，其中带正电荷的胶体叫正胶体；带负电荷的胶体叫负胶体。自然界中负胶体比正胶体分布广泛。

※地壳中常见的正胶体有：Zr、Ti、Th、Ce、Cd、Cr、Al、Fe的氢氧化物；

※负胶体有：As、Sb、Cd、Cu、Pb的硫化物，Mn4+、U6+、V5+、Sn4+、W5+的氢氧化物，S、Ag、Au等自然元素。

②胶体的吸附性——正胶体吸附负离子，负胶体吸附正离子

例：MnO2负胶体可以吸附Cu+、Pb2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Li+、K+、Ba2+等40余种离子。

③胶体微粒的表面能——胶体微粒的表面能决定其吸附能力，其胶体的表面能越大，胶体的吸附能力越强。

2.胶体矿物的化学成分特点

(1).胶体矿物胶体矿物是指由水胶凝体形成的矿物,即是指以水为分散媒,以固相为分散相的水胶凝体而形成的非晶质(蛋白石-SiO2·nH2O)或超显微的隐晶质(粘土矿物)矿物。

胶体矿物是含有吸附水的准矿物。进一步重结晶的变胶体矿物才是真正的矿物.胶粒凝聚、脱水老化/陈化隐晶质矿物显晶质矿物胶体矿物(2).胶体矿物的主要形成过程

①形成胶体溶液②胶体溶液的凝聚

例：海滨地带形成的赤铁矿、硬锰矿、胶磷矿、燧石等。

岩石风化壳中的铝土矿、褐铁矿、孔雀石、硅孔雀石等；

氧化带潜水面以下形成的辉铜矿和铀黑等。

(3).胶体矿物成分的可变性、复杂性

胶体的性质（带电性、吸附性）、表面能的大小等，决定了胶体矿物的化学成分具有可变性和复杂性的特点。

1).分散相和分散媒的量比关系不受定比定律的约束。

2)胶体微粒的表面具有吸附性。与类质同像不同，它不受离子半径的大小、电价的高低等因素制约。主要取决于吸附离子电价的正负和在介质中的浓度。

大洋富钴结壳的主要成分就是MnO2，主要与MnO2胶体微粒对Co、Ni、Cu等元素的离子吸附有关。

胶体的吸附量很大,可以形成工业矿产.我国华南地区发育的花岗岩风化壳钇族稀土矿床，是一种与胶体的吸附作用有关的新的稀土矿床类型。表现为稀土元素以简单的阳离子形式被多水高岭石和高岭石等粘土矿物吸附，粘土矿物主要由长石等矿物风化而来，稀土阳离子则主要由氟碳钇钙矿等经风化作用提供。

五矿物中的水

水是矿物化学成分中的重要组成部分之一,它影响着矿物的许多性质。按照矿物中水的存在形式以及其在晶体结构中的作用,可以将矿物中的水分为吸附水，结晶水，化合水(结构水)，层间水和沸石水。

1.吸附水概念：以中性水分子H2O形式被机械地吸附于矿物颗粒表面或裂隙中，或渗入矿物集合体中的中性水分子。例：蛋白石SiO2·nH2O特点：为中性水分子；不参与晶格（不属于矿物固有化学组成）；含量不定（随温度、湿度而变）；一般在110℃以上逸散。胶体矿物中的逸散温度一般为100~250℃。

2.结晶水

作用:以一定的配位形式环绕于小半径阳离子周围形成水化阳离子,使阳离子的体积增大,与大的络阴离子组成稳定的化合物。

特点：为中性水分子；占据结构位置；有确定的数目，遵守定比定律；逸失温度较高,一般200~500℃。

例：石膏Ca[SO4]·2H2O

概念：以中性水分子H2O形式占据晶体结构中的固定的配位位置，参与组成矿物晶格的水。例：高岭石Al4[Si4O10](OH)8,在500~600℃间失水，变为偏高岭石（自然界中不存在）Al2O3·2SiO2

3.化合水(结构水)

特点：含量固定；占据结构位置；在晶格中的结合力强，500~900℃以上失水。概念：以(OH)-、H+、（H3O）+离子形式，占据晶体结构中的固定的配位位置，并有确定的含量比的水。例：蒙脱石(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O4.层间水

特点：为中性水分子；位于层状硅酸盐结构层之间；含量不定；在110℃便大部分逸出。失水后结构不破坏，可使结构层间距缩小，但矿物物性改变，在潮湿环境中又可以重新吸水。概念：存在于某些层状结构硅酸盐的结构层之间，性质介于结晶水和吸附水之间的一种水。5.沸石水

特点：为中性水分子;占据晶格；含量不固定，但有上限值，这个值遵守定比定律；分布于沸石族矿物中；一般80~400℃可逸出，但是其晶格不破坏，只引起其物性变化，脱水后可以重新吸附水，并恢复原来的物性。概念：主要存在于沸石族矿物晶格的空腔和通道中，性质介于结晶水和吸附水之间的一种水。例:沸石－M+xD2+y[Alx+2ySin-(x+2y)O2n]·RH2O

六矿物的化学式

化学式是用元素符号表示物质化学组成的一种方式。

矿物的化学式是表示矿物化学组成的一种方式，通常是以单矿物的化学全分析所得到的各组分的相对百分含量为基础经计算而得到的。矿物的化学式可以分为实验式和晶体化学式（结构式）。实验式是一种表示组成矿物的元素种类和原子数之比的化学式。1.实验式白云母的实验式为：H2KAl3Si3O12；按简单氧化物组合为：

K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O结构式(晶体化学式)既能表示组成矿物中各组分的种类及其数量比，又能反映出它们在晶格中的相互关系及其存在形式。2.结构式例如:白云母的结构式为：

KAl2[AlSi3O10](OH)2.

(1).单质：只写元素符号

如：金刚石－C；自然金－Au

(2).金属互化物：按金属性递减顺序自左向右排列，

如：碲银矿－AgTe；砷铂矿－PtAs结构式(晶体化学式)书写规则

1).阳离子在前，阴离子在后，复盐中阳离子按碱性由强到弱的顺序排列

如:石盐－NaCl；