第12章-矿物的化学成分..优秀PPT.ppt

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1、第十二章第十二章 矿物的化学成分物的化学成分n地壳中化学元素的丰度地壳中化学元素的丰度n元素的离子元素的离子类型型n矿物的化学物的化学计量性与非化学量性与非化学计量性量性n胶体胶体矿物的化学成分特点物的化学成分特点n矿物中的水物中的水n矿物的化学式及其物的化学式及其计算算一、地壳中化学元素的丰度一、地壳中化学元素的丰度n元素在地壳中的平均含量的百分数，叫克拉克元素在地壳中的平均含量的百分数，叫克拉克值值，可分可分为为：质质量克拉克量克拉克值值，原子克拉克，原子克拉克值值。n地壳中元素丰度极不匀整，最多的氧（地壳中元素丰度极不匀整，最多的氧（O）与最）与最少的少的氡氡（Rn）含量相差）含量相差1

2、018倍。倍。n地壳中最常地壳中最常见见的元素的元素为为：O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg 这这8种，占地壳种，占地壳总质总质量的量的99。矿物的化学成分是确定一个矿物的基本依据之一，矿物的化学成分是确定一个矿物的基本依据之一，化学元素是形成矿物的物质基础。地壳中化学元化学元素是形成矿物的物质基础。地壳中化学元素的丰度与矿物的化学组成有着亲密的关系。素的丰度与矿物的化学组成有着亲密的关系。常常见8种元素的克拉克种元素的克拉克值元元 素素质量克拉克值（质量克拉克值（%）原子克拉克值原子克拉克值（%）体积百分比体积百分比（%）O46.6062.5593.77Si27.7221.220.8

3、6Al8.136.470.47Fe5.001.920.43Ca3.631.941.03Na2.832.641.32K2.591.421.83Mg2.091.840.29可以形象地比方：整个地壳是由可以形象地比方：整个地壳是由O离子作最紧密积累，阳离离子作最紧密积累，阳离子充填在空隙中。子充填在空隙中。克拉克克拉克值对矿物化学成分的影响物化学成分的影响:n克拉克克拉克值高的元素高的元素组成的成的矿物种含量也高物种含量也高，地壳上的，地壳上的矿物种主要是由前述物种主要是由前述8种元素种元素组成的硅酸成的硅酸盐（占地壳（占地壳总质量的量的3/4）和氧化物（占地壳）和氧化物（占地壳总质量的量的1/5）

4、；n但是，地壳上的但是，地壳上的矿物种物种除了受克拉克除了受克拉克值影响外，影响外，还要要受到元素的地球化学性受到元素的地球化学性质的影响的影响，有的元素含量低，有的元素含量低，但它能但它能够形成独立形成独立矿物种，物种，而有的元素尽管含量多，而有的元素尽管含量多，却不能却不能够形成独立形成独立矿物种。物种。这就涉及到元素是就涉及到元素是趋于于“聚集聚集”或或“分散分散”的地球化学性的地球化学性质。克拉克克拉克值对矿物化学成分的影响物化学成分的影响:聚集元素：聚集元素：Au（金）、（金）、Ag（银银）、）、Bi（铋铋）、）、Sb（锑锑）等，尽管克拉克）等，尽管克拉克值值很低，但它很低，但它们们

5、的地的地球化学性球化学性质质是是趋趋于聚集的，所以能于聚集的，所以能够够形成独立形成独立的的矿矿物种，甚至富集成物种，甚至富集成矿矿；分散元素：分散元素：Ru（钌钌）、）、Cs（铯铯）、）、Ga（镓镓）、）、In（铟铟）等，尽管克拉克）等，尽管克拉克值较值较高，但它高，但它们们的地的地球化学性球化学性质质是是趋趋于分散的，所以不能于分散的，所以不能够够形成独形成独立的立的矿矿物种，往往以微量元素混入物（如物种，往往以微量元素混入物（如类质类质同像形式）同像形式）赋赋存于其他存于其他矿矿物种中。物种中。二、元素的离子二、元素的离子类型型n惰性气体型离子：外惰性气体型离子：外层电子子8或或2（与惰

6、性气体原子相同）（与惰性气体原子相同）n铜型离子：外型离子：外层电子子18或或182（与（与Cu+相像）相像）n过渡型离子：外渡型离子：外层电子子917，有未，有未满的的d电子。子。自然矿物，除少数自然矿物，除少数(约约30种种)元素以单质存在外，绝大元素以单质存在外，绝大多数是由两种或两种以上化学元素组成的化合物。在化合多数是由两种或两种以上化学元素组成的化合物。在化合物中，阴、阳离子间的结合，主要受其外层电子的构型所物中，阴、阳离子间的结合，主要受其外层电子的构型所制约。通常依据离子的外层电子的构型，将其分为三种类制约。通常依据离子的外层电子的构型，将其分为三种类型：型：元素的离子元素的离

7、子类型与型与矿物种物种类的关系：的关系：n惰性气体型离子：惰性气体型离子：易失去易失去电子，与氧子，与氧形成离子形成离子键，形成氧化物、含氧形成氧化物、含氧盐矿物和物和卤化物，故称化物，故称为亲氧元氧元素素或或亲石元素石元素；n铜型离子：型离子：电离离势高，不易失去高，不易失去电子，与硫子，与硫形成共形成共价价键，形成硫化物，故称，形成硫化物，故称为亲硫元素硫元素或或亲铜元素元素；n过渡型离子：渡型离子：性性质介于上述两介于上述两类离子之离子之间，可形成，可形成氧化物、含氧氧化物、含氧盐，也可形成硫化物，取决于元素在，也可形成硫化物，取决于元素在周期表中的位置周期表中的位置(靠近惰性气体型离子

8、靠近惰性气体型离子还是靠近是靠近铜型型离子离子)，也取决于外部氧化，也取决于外部氧化还原条件。原条件。留意：元素的离子类型与矿物种的关系不是确定的，在极端留意：元素的离子类型与矿物种的关系不是确定的，在极端外部条件下，也可变更，如：外部条件下，也可变更，如：Cu+在氧化环境下也可形成氧在氧化环境下也可形成氧化物：赤铜矿化物：赤铜矿Cu2O三、三、矿物的化学物的化学计量性与非化学量性与非化学计量性量性自然界中，只有少数矿物的化学成分是相当固定的，其自然界中，只有少数矿物的化学成分是相当固定的，其化学组成遵守物理化学安排定律化学组成遵守物理化学安排定律定比定律和倍比定律，定比定律和倍比定律，各组分

9、间具严格的化合比，如水晶，即几乎由纯各组分间具严格的化合比，如水晶，即几乎由纯SiO2组成。组成。（1）化学计量矿物）化学计量矿物在各晶格位置上的组分之间遵守定比定律、具严格化在各晶格位置上的组分之间遵守定比定律、具严格化合比的矿物。合比的矿物。例：水晶例：水晶SiO2、铁闪锌矿、铁闪锌矿(Zn,Fe)S、橄榄石橄榄石(Mg,Fe)2SiO4。（2）非化学计量矿物）非化学计量矿物化学组成偏离志向化合比，不再遵循定比定律的矿物。化学组成偏离志向化合比，不再遵循定比定律的矿物。矿物标型矿物标型 例：磁黄铁矿例：磁黄铁矿 Fe1-xS（有部分（有部分Fe3+存在）。存在）。自然矿物并非志向化学纯的物

10、质。由于外界环境的困难自然矿物并非志向化学纯的物质。由于外界环境的困难性，致使其化学组成在确定范围内变更性，致使其化学组成在确定范围内变更含金石英脉中黄铁矿含金石英脉中黄铁矿(FeS2)，Fe/(S+As)0.500，形成深度小；形成深度小；Fe/(S+As)0.500，成矿深度大。成矿深度大。非化学计量非化学计量成分标型：成分标型：推断剥推断剥蚀程度蚀程度质同像替代和非化学计量性是引起矿物成分在质同像替代和非化学计量性是引起矿物成分在确定范围内变更的主要缘由，其他因素还有阳离子确定范围内变更的主要缘由，其他因素还有阳离子的可交换性、胶体的吸附作用、矿物中含水量的变的可交换性、胶体的吸附作用、

11、矿物中含水量的变更，及以显微包袱体形式存在的机械混入物等更，及以显微包袱体形式存在的机械混入物等四、胶体矿物的化学成分特点四、胶体矿物的化学成分特点1、胶体与胶体矿物、胶体与胶体矿物 一种或多种粒径介于一种或多种粒径介于1100nm之间的物质微粒（分散相或分之间的物质微粒（分散相或分散质）分散在另一种物质（分散媒或分散剂）中形成的不匀整散质）分散在另一种物质（分散媒或分散剂）中形成的不匀整细分散体系，称为胶体。细分散体系，称为胶体。分散相和分散媒均可以是固体、液体或气体分散相和分散媒均可以是固体、液体或气体胶溶体：分散媒多于分散相的胶体。胶溶体：分散媒多于分散相的胶体。胶凝体：反之分散媒少于分

12、散相的胶体。胶凝体：反之分散媒少于分散相的胶体。胶体矿物：一般是以水为分散媒、以固相为分散相的水胶凝体，胶体矿物：一般是以水为分散媒、以固相为分散相的水胶凝体，属非晶质或隐晶质矿物。如蛋白石（属非晶质或隐晶质矿物。如蛋白石（SiO2.nH2O）。）。2、胶体矿物的特殊性质、胶体矿物的特殊性质（1）胶体微粒特别小，具有极大的比表面积和很高的表面能，）胶体微粒特别小，具有极大的比表面积和很高的表面能，因此胶体矿物不稳定，具有吸附其他物质和自发地转化为结因此胶体矿物不稳定，具有吸附其他物质和自发地转化为结晶质的趋势，从而降低其表面能，达到稳定状态晶质的趋势，从而降低其表面能，达到稳定状态（2）胶粒表

13、面的电荷未达到饱和，带电的胶体微粒能够选择）胶粒表面的电荷未达到饱和，带电的胶体微粒能够选择性的吸附四周介质中与胶体所带电荷相反的其他离子，性的吸附四周介质中与胶体所带电荷相反的其他离子，此即胶体的吸附性。此即胶体的吸附性。胶体的特殊性质确定了胶体矿物的化学成分具有可变性胶体的特殊性质确定了胶体矿物的化学成分具有可变性和困难性的特和困难性的特 点。（点。（1）胶体矿物的分散相与分散媒的量比）胶体矿物的分散相与分散媒的量比不固定，即其含水量是可变的。（不固定，即其含水量是可变的。（2）胶体微粒表面具有很）胶体微粒表面具有很强的吸附性，致使胶体矿物可吸附介质中的其他成分而变更强的吸附性，致使胶体矿

14、物可吸附介质中的其他成分而变更成分，其吸附量有时相当可观，甚至可富集形成有工业价值成分，其吸附量有时相当可观，甚至可富集形成有工业价值的矿床。的矿床。（3）胶体矿物随着时间的推移或热力学因素的变更，胶粒会）胶体矿物随着时间的推移或热力学因素的变更，胶粒会自发地凝合，并发生脱水，颗粒渐渐增大而成为隐晶质，自发地凝合，并发生脱水，颗粒渐渐增大而成为隐晶质，最终可转变为显晶质矿物，这一过程称为胶体的老化或最终可转变为显晶质矿物，这一过程称为胶体的老化或陈化。由胶体矿物老化形成的隐晶质或显晶质矿物称为陈化。由胶体矿物老化形成的隐晶质或显晶质矿物称为变胶体矿物变胶体矿物例如：蛋白石，由很多很多的特例如：

15、蛋白石，由很多很多的特别细别细的的SiO2胶粒及水胶粒及水组组成。成。单单个个SiO2胶粒可能有晶体胶粒可能有晶体结结构，但太小了；构，但太小了；很多胶粒很多胶粒组组合是合是杂杂乱的，因此，整体不乱的，因此，整体不显显晶晶态态特征特征而是非晶而是非晶态态或超或超显显微微隐隐晶晶态态。胶粒积累形成胶体矿物示意图胶粒积累形成胶体矿物示意图五、五、矿物中的水物中的水水是水是矿矿物中的一种特殊的化学成分。依据物中的一种特殊的化学成分。依据矿矿物中水的存物中水的存在形式及其在晶体在形式及其在晶体结结构中的作用，可将其分成吸附水、构中的作用，可将其分成吸附水、结结晶晶水和水和结结构水构水3种基本种基本类类

16、型，以及性型，以及性质质介于介于结结晶水与吸附水之晶水与吸附水之间间的的层间层间水和沸石水水和沸石水2种种过过渡渡类类型：型：(1)吸附水：呈中性水分子状吸附水：呈中性水分子状态态，不干脆参与，不干脆参与组组成成矿矿物的晶体物的晶体结结构，只是机械地被吸附于构，只是机械地被吸附于矿矿物的表面上或裂隙中。物的表面上或裂隙中。吸附水不属于吸附水不属于矿矿物的化学成分，不写入化学式。它在物的化学成分，不写入化学式。它在矿矿物中物中的含量不固定。在常的含量不固定。在常压压下，当温度上升至下，当温度上升至110时时，吸附水，吸附水会全部逸出，但并不破坏晶格。会全部逸出，但并不破坏晶格。薄膜水和毛薄膜水和

17、毛细细管水都属于吸附水。水胶凝体中的胶体水是吸管水都属于吸附水。水胶凝体中的胶体水是吸附水的一种特殊附水的一种特殊类类型，它是胶体型，它是胶体矿矿物本身固有特征，故物本身固有特征，故应应作作为为重要重要组组分列入分列入矿矿物的化学式，但其含量不固定，如蛋白石物的化学式，但其含量不固定，如蛋白石的化学式是的化学式是SiO2.nH2O。(2)结晶水：以中性水分子的形式存在，它在矿物晶体结构中结晶水：以中性水分子的形式存在，它在矿物晶体结构中占有固定的位置，并且水分子的数量也是固定的。占有固定的位置，并且水分子的数量也是固定的。结晶水多出现在具有大半径络阴离子的含氧盐矿物中，能够结晶水多出现在具有大

18、半径络阴离子的含氧盐矿物中，能够与小半径的阳离子形成体积较大的水化阳离子，从而与大的与小半径的阳离子形成体积较大的水化阳离子，从而与大的络阴离子组成稳定化合物，例如石膏络阴离子组成稳定化合物，例如石膏CaSO42H2O。结晶水受晶格的束缚，结构比较坚固。要使结晶水从矿物中结晶水受晶格的束缚，结构比较坚固。要使结晶水从矿物中脱出，通常须要较高温度，一般均在脱出，通常须要较高温度，一般均在200500。当矿物脱。当矿物脱出结晶水后，晶体的结构被破坏，进而重建为新的晶格，出结晶水后，晶体的结构被破坏，进而重建为新的晶格，含结晶水的矿物的失水温度是确定的，据此可以作为鉴含结晶水的矿物的失水温度是确定的

19、，据此可以作为鉴定矿物的一项标记定矿物的一项标记石膏中的结晶水石膏中的结晶水与脱水后形成的与脱水后形成的硬石膏硬石膏(3)结结构水（也称化合水）：呈构水（也称化合水）：呈H+、(OH)-或或(H3O)+等离子状等离子状态态，在晶格中占有固定的位置，在含量上有确定的比。例如，在晶格中占有固定的位置，在含量上有确定的比。例如在高岭石在高岭石Al4Si4O10(H2O)8和水云母和水云母(K,H3O)Al2AlSi3O10(OH)2中都含有中都含有结结构水。构水。结结构水在晶格中靠构水在晶格中靠较较强强的的键键力力联联系着，因此系着，因此结结构构坚坚固，要在固，要在高温高温(约约6001000)作用

20、下，晶格遭到破坏作用下，晶格遭到破坏时时水才会逸出。水才会逸出。高岭石中高岭石中的结构水的结构水（4）层间层间水：存在于水：存在于层层状构造硅酸状构造硅酸盐结盐结构构层层之之间间的中性水的中性水分子，主要与分子，主要与层间层间阳离子阳离子结结合成水合离子，其性合成水合离子，其性质质也是介于也是介于结结晶水与吸附水之晶水与吸附水之间间。层间层间水的数量受阳离子种水的数量受阳离子种类类、温度及、温度及湿度湿度变变更的影响。更的影响。层间层间水水较较易失去，常易失去，常压压下在下在110左右大量逸出。失水后左右大量逸出。失水后矿矿物晶格不被破坏，物晶格不被破坏，仅结仅结构构层层间层层间距距缩缩短，同

21、短，同时矿时矿物的相物的相对对密密度和折射率增大；在潮湿的度和折射率增大；在潮湿的环环境中又可重新吸水。境中又可重新吸水。如在蒙脱石中，其结构层表面有过剩负如在蒙脱石中，其结构层表面有过剩负电荷，它要吸附金属阳离子及水分子，电荷，它要吸附金属阳离子及水分子，从而在相邻的结构层中间形成水分子层。从而在相邻的结构层中间形成水分子层。加热至加热至110110时，水大量逸出，而在潮时，水大量逸出，而在潮湿环境又可重新吸水。湿环境又可重新吸水。(5)沸石水：存在于沸石族沸石水：存在于沸石族矿矿物晶格中的大空腔或通道中的物晶格中的大空腔或通道中的中性水分子，与其中的阳离子中性水分子，与其中的阳离子结结合成

22、水合离子，其性合成水合离子，其性质质介于介于结结晶水与吸附水之晶水与吸附水之间间。沸石水的逸出温度沸石水的逸出温度为为80400，脱水后不引起晶格的破坏，脱水后不引起晶格的破坏，只是某些物理性只是某些物理性质发质发生生变变更。失水后的沸石又可重新吸水。更。失水后的沸石又可重新吸水。六、六、矿物的化学式及其物的化学式及其计算算试验试验式：只表示式：只表示矿矿物中各物中各组组分的种分的种类类及其数量比。不能反映及其数量比。不能反映出出矿矿物中各物中各组组分之分之间间的相互关系的相互关系白云母：白云母：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O 或或H2KAl3Si3O12仅仅仅仅表示各表示各组组分

23、的含量比。分的含量比。晶体化学式（晶体化学式（结结构式）：既能表明构式）：既能表明矿矿物中各物中各组组分的种分的种类类及其及其数量比，又能反映出它数量比，又能反映出它们们在晶格中的相互关系及在晶格中的相互关系及其存在形式其存在形式白云母：白云母：KAl2(Si3Al)O10(OH)2（1）矿物化学式的表达方式）矿物化学式的表达方式表明白云母是一种具层状结构的铝的铝硅酸盐矿物，部分表明白云母是一种具层状结构的铝的铝硅酸盐矿物，部分Al进入四进入四面体空隙替代面体空隙替代1/4的的Si，另有部分，另有部分Al则以六次配位的形式存在于八面体空则以六次配位的形式存在于八面体空隙中，隙中，K为补偿由为补

24、偿由Al3+替代替代Si4+所引起的层间电荷而进入结构层间，此外所引起的层间电荷而进入结构层间，此外白云母的组成中还有结构水白云母的组成中还有结构水(1)基本原基本原则则是阳离子在前，阴离子或是阳离子在前，阴离子或络络阴离子在后。阴离子在后。络络阴离子阴离子需用方括号括起来。需用方括号括起来。(2)对对复化合物，阳离子按其碱性由复化合物，阳离子按其碱性由强强至弱、价至弱、价态态从低到高的依从低到高的依次排列。次排列。(3)附加阴离子通常写在阴离子或附加阴离子通常写在阴离子或络络阴离子之后。阴离子之后。(4)矿矿物中的水分子写在化学式的最末尾，并用物中的水分子写在化学式的最末尾，并用圆圆点将其与

25、其他点将其与其他组组分隔开。分隔开。(5)互互为类质为类质同像替代的离子，用同像替代的离子，用圆圆括号括起来，并按含量由多括号括起来，并按含量由多到少的依次排列，中到少的依次排列，中间间用逗号分开。用逗号分开。例如：例如：白云母白云母KAl2(Si3Al)O10(OH)2 白云石白云石CaMgCO32 镁镁方解石（方解石（Ca，Mg）CO3 铁闪锌矿铁闪锌矿(Zn,Fe)S 蛋白石蛋白石 SiO2nH2O晶体化学式的书写原则：晶体化学式的书写原则：（2）矿物化学式的物化学式的计算：算：总的思路是：以的思路是：以矿物化学分析所得到的元素或氧化物物化学分析所得到的元素或氧化物质量，量，换算成算成该

26、矿物中各原子、离子系数比例，再物中各原子、离子系数比例，再结合晶体化学学合晶体化学学问推断是否推断是否为类质同像关系、是否同像关系、是否组成阴离子成阴离子团等，写出晶等，写出晶体化学式。体化学式。具体做法是：具体做法是：元素或氧化物质量元素或氧化物质量原子个数、分子个数原子个数、分子个数（换算成原子个数）（换算成原子个数）以某个原子在以某个原子在该矿物晶该矿物晶体化学式体化学式的原子个数为的原子个数为准，换算出其他原子在准，换算出其他原子在晶体化学式中的系数晶体化学式中的系数结合晶体化学学问结合晶体化学学问将各原子进行安排将各原子进行安排即：要求已知该矿即：要求已知该矿物的晶体化学通式物的晶体

27、化学通式 举例例说明：明：已知已知单斜斜辉石晶体化学通式：石晶体化学通式：XYZ2O6以上以上举例例为阴离子法，即以氧原子数阴离子法，即以氧原子数为准准计算，也可以以阳离子算，也可以以阳离子总数数为准准计算，称阳离子法，算，称阳离子法，计算的思路是一算的思路是一样的。的。(1)(1)首先首先检查矿检查矿物的化学分析物的化学分析结结果是否符合精度要求。表中果是否符合精度要求。表中单单斜斜辉辉石的各石的各组组分分的百分含量的百分含量总总和和(wB%)(wB%)为为99.82%(99.82%(去除了吸附水去除了吸附水H2O-)H2O-)，符合化学式，符合化学式计计算的算的精度要求。精度要求。(2)(

28、2)(2)(2)查查出各出各组组分的分子量。分的分子量。(3)(3)(3)(3)将各将各组组分的分的质质量百分数量百分数(wB%)(wB%)除以除以该组该组分的分子量，求出各分的分子量，求出各组组分的摩分的摩尔尔数。数。(4)(4)(4)(4)用各用各组组分的摩分的摩尔尔数乘以其各自的氧原子系数得到各数乘以其各自的氧原子系数得到各组组分的氧原子数。分的氧原子数。(5)(5)(5)(5)将各将各组组分的氧原子数加起来即得分的氧原子数加起来即得矿矿物中各物中各组组分的氧原子数分的氧原子数总总和和OO。(6)(6)(6)(6)以以矿矿物物单单位分子中的氧原子数位分子中的氧原子数Of.u.Of.u.(

29、如如辉辉石的石的Of.u.=6)Of.u.=6)除以氧原子除以氧原子数数总总和和OO，得到，得到换换算系数算系数(即即Of.u./O)Of.u./O)。(7)(7)(7)(7)用各用各组组分的摩分的摩尔尔数乘以其相数乘以其相应应的阳离子的系数，的阳离子的系数，求得各求得各组组分的阳离子分的阳离子数。数。(8)(8)(8)(8)以各以各组组分的阳离子数乘以分的阳离子数乘以换换算系数即得出算系数即得出矿矿物物单单位分子中的阳离子数。位分子中的阳离子数。(9)(9)(9)(9)依据晶体化学理依据晶体化学理论论及晶体及晶体结结构学构学问问，按，按矿矿物的化学通式，将物的化学通式，将矿矿物中各阳物中各阳离子尽可能合理地安排到晶格中相离子尽可能合理地安排到晶格中相应应的位置上。的位置上。(10)(10)(10)(10)按按矿矿物的化学通式，物的化学通式，检验矿检验矿物物单单位分子中的阳离子位分子中的阳离子总总数数if.u.if.u.及正及正电电荷荷总总数数(+)(+)。(11)(11)(11)(11)写出写出矿矿物的晶体化学式。物的晶体化学式。本章重点总结：n克拉克克拉克值、离子、离子类型与型与矿物种物种类的关系；的关系；n胶体的特点胶体的特点n矿物中水的物中水的5种形式及其特点；种形式及其特点；n读懂晶体化学式懂晶体化学式作业：课后习题第作业：课后习题第2、4、5题题