第13章化學(xué)組成

1、第十三章第十三章 礦物的化學(xué)成分礦物的化學(xué)成分CHEMICAL COMPOSITION OF MINERAL本章概要：本章概要：（1）地殼中元素的豐度及其礦物學(xué)意義）地殼中元素的豐度及其礦物學(xué)意義（2）元素的離子類型及其特征）元素的離子類型及其特征（3）礦物的晶體化學(xué)式書寫規(guī)則及其計(jì)算）礦物的晶體化學(xué)式書寫規(guī)則及其計(jì)算（4）膠體礦物及其特性）膠體礦物及其特性（5）礦物中的水）礦物中的水第一節(jié)第一節(jié) 地殼化學(xué)元素豐度及其礦物學(xué)意義地殼化學(xué)元素豐度及其礦物學(xué)意義1、豐度（、豐度（abundance）：）：是指元素在地殼中的平均百分含量，常以克拉克（clark）值來表示。 地殼中的元素約地殼中的元素

2、約100種，其豐度相差最高達(dá)種，其豐度相差最高達(dá)1017倍，分布極不均勻。其中含量最倍，分布極不均勻。其中含量最多的多的8種元素占地殼中元素總合種元素占地殼中元素總合98.5% 。 表13-1 地殼中豐度居前八位的元素克拉克值（wB%）-元 素 O Si Al Fe Ca Na K Mg -質(zhì)量克拉克值 46.6 27.72 8.13 5.00 3.63 2.83 2.59 2.09 -第十三章第十三章第十三章第十三章第二節(jié)第二節(jié) 元素的離子類型元素的離子類型ION TYPE OF ELEMENT惰性氣體型離子惰性氣體型離子銅型離子銅型離子過渡型離子過渡型離子按照離子核外電子構(gòu)型劃分按照離子核

3、外電子構(gòu)型劃分第十三章第十三章銅型離子：銅型離子：指最外層電子有18或18+2個(gè)構(gòu)型，也稱作親親硫元素硫元素或造礦元素造礦元素 過渡型離子：過渡型離子：過渡型離子指最外電子層為917個(gè)電子的不穩(wěn)定離子 惰性氣體型離子惰性氣體型離子:最外電子層具8個(gè)或2個(gè)電子構(gòu)型,也常稱作親氧元素親氧元素或親石元素親石元素第十三章第十三章第三節(jié)第三節(jié) 礦物晶體化學(xué)式礦物晶體化學(xué)式一、礦物晶體化學(xué)式的書寫一、礦物晶體化學(xué)式的書寫 礦物化學(xué)成分的兩種表達(dá)式：礦物化學(xué)成分的兩種表達(dá)式：1）實(shí)驗(yàn)式（實(shí)驗(yàn)式（experimental formula）：順序表示組成礦物的元 素種類和數(shù)量比。 如：白云母的實(shí)驗(yàn)式寫作K2O3

4、Al2O36SiO22H2O；2）結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式或晶體化學(xué)式（晶體化學(xué)式（crystallochemical formula）：）：不 僅表示組成礦物的元素種類和數(shù)量比，還以一定的規(guī)則表示 元素在晶體結(jié)構(gòu)中的配置關(guān)系。 如：白云母的晶體化學(xué)式寫作KAl2AlSi3O10(OH)2第十三章第十三章晶體化學(xué)式的書寫規(guī)則：晶體化學(xué)式的書寫規(guī)則： (1) 陽離子在前，陰離子（絡(luò)陰離子）在后。呈類質(zhì)同象的各陽離子用圓括號(hào)括起來，依前多后少次序排列并用逗號(hào)隔開；絡(luò)陰離子用方括號(hào)括起來。如：橄欖石（Mg，F(xiàn)e）2SiO4；硅灰石Ca3Si3O9。（2）對(duì)于復(fù)鹽礦物，其陽離子按堿性由強(qiáng)至弱順序書寫，若堿性相同時(shí)

5、，按離子電價(jià)由低至高順序書寫。如：白云石CaMgCO32（Ca2堿性強(qiáng)于Mg2）。（3）如存在附加陰離子，將其寫在主陰離子或主絡(luò)陰離子之后。如：氟磷灰石Ca5PO43 F。（4）礦物中的水分子以H2O形式寫在最后，并用圓點(diǎn)與前面的組分隔開，水分子前寫上水的系數(shù)，若含水量不定，系數(shù)記為n。如：石膏CaSiO42H2O、蛋白石SiO2nH2O。若水以（OH）- 形式存在時(shí)，按一般附加陰離子對(duì)待。如黃玉Al2SiO4（F，OH）2。（5）若結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)較為緊密的成分用括號(hào)括在一起，以示結(jié)構(gòu)的層次。如：白云母KAl2AlSi3O10(OH)2， 中的成分構(gòu)成硅氧骨干， 中的成分構(gòu)成結(jié)構(gòu)單元層。第

6、十三章第十三章二、礦物晶體化學(xué)式的計(jì)算二、礦物晶體化學(xué)式的計(jì)算 陰離子法：依據(jù)陰離子法：依據(jù)陰離子作緊密堆積，單位分子內(nèi)數(shù)量 不變而以其為基數(shù)進(jìn)行晶體化學(xué)式計(jì)算 。陽離子法：依據(jù)陽離子法：依據(jù)礦物結(jié)構(gòu)中小空隙晶格位上占據(jù)的高 電價(jià)、小半徑、低配位陽離子數(shù)目較固定， 而以其為基數(shù)進(jìn)行晶體化學(xué)式的計(jì)算 。第十三章第十三章(1) 檢查化學(xué)分析結(jié)果是否符合精度要求。必要時(shí)進(jìn)行修正。(2) 查出各組分相對(duì)分子質(zhì)量。 (3) 將各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wB%)除以該組分的相對(duì)分子質(zhì)量，求各組分的摩爾數(shù)。 (4) 用各組分的摩爾數(shù)乘以其氧原子系數(shù)得到各組分的氧原子數(shù)。(5) 用各組分的摩爾數(shù)乘以其相應(yīng)的陽離子的系

7、數(shù)，得各組分的陽離子數(shù)。 (6) 將各組分的氧原子數(shù)相加得各組分的氧原子數(shù)總和O。(7) 以礦物單位分子（即通式）中的氧原子理論數(shù)Of.u 除以氧原子數(shù)總和O，得換算 系數(shù)(即Of.u./O)。(8) 以各組分的陽離子數(shù)乘以換算系數(shù)得單位分子中的陽離子數(shù)。(9) 據(jù)類質(zhì)同象理論和礦物化學(xué)通式，將各陽離子分配到相應(yīng)的晶格位置。如有Al代替Si 占據(jù)晶格位置時(shí)，一般優(yōu)先考慮配平替代Si的四面體位置，其余分配到八面體位置。(10) 進(jìn)行電價(jià)平衡檢驗(yàn)計(jì)算，基本平衡時(shí)寫出礦物的晶體化學(xué)式。注意：注意：氧原子法適于不含水的氧化物和含氧鹽礦物晶體化學(xué)式計(jì)算。 對(duì)含OH-、F-、Cl-、S2-等附加陰離子的礦

8、物，可采用陽離子法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算步驟：計(jì)算步驟：第十三章第十三章某單斜輝石某單斜輝石(化學(xué)通式為化學(xué)通式為XYZ2O6)為例為例，說明按氧原子法計(jì)算礦物晶體化，說明按氧原子法計(jì)算礦物晶體化 學(xué)式的步驟：學(xué)式的步驟：12345678組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w%）修正后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w%）分子量摩爾數(shù)氧原子數(shù)陽離子數(shù)單位分子中陽離子數(shù)SiO252.5052.5460.080.87451.74900.87451.9242TiO20.720.7279.900.00900.01800.00900.0198Al2O32.542.54101.940.02490.07470.04980.1096Fe2O31.811.81

9、159.700.01130.03390.02280.0502FeO1.951.9571.850.02710.02710.02710.0596MnO0.640.6470.940.00900.00900.00900.0198MgO14.9714.9840.300.37150.37150.37150.8174CaO24.3824.4056.080.43470.43470.43470.9565Na2O0.560.5661.980.00900.00900.01800.0396H2O0.110.11總合100.18100.00O=27269表表133 某單斜輝石晶體化學(xué)式計(jì)算表某單斜輝石晶體化學(xué)式計(jì)算表(

10、Ca0.96,Na0.04)1.00(Mg0.82,Fe2+0.06,Fe3+0.05,Al0.03,Ti0.02,Mn0.02)1.00(Si1.92,Al0.08)2.00O6.00 第四節(jié)第四節(jié) 礦物化學(xué)組成的計(jì)量特性及其變化礦物化學(xué)組成的計(jì)量特性及其變化 化學(xué)計(jì)量特性（化學(xué)計(jì)量特性（stoichiometry）：）： 在理想的物理化學(xué)條件下形成的礦物，其各元素間滿足一定的比例關(guān)系，這種關(guān)系 稱 定比定律或倍比定律。礦物化學(xué)成分間滿足定比或倍比定律的性質(zhì)稱作礦物的 化學(xué)計(jì)量特性。1）化學(xué)計(jì)量礦物（）化學(xué)計(jì)量礦物（stoichiometric mineral）：）： 處于不同結(jié)構(gòu)位的元素服

11、從定比或倍比定律的礦物稱作化學(xué)計(jì)量礦物。 例如，橄欖石(Mg,Fe)2SiO42）非化學(xué)計(jì)量礦物（）非化學(xué)計(jì)量礦物（nonstoichiometric mineral）：）： 礦物中便出現(xiàn)空位或填隙等缺陷而使其基本化學(xué)組成偏離理想的定比或倍比關(guān)系， 這種礦物稱非化學(xué)計(jì)量礦物。如磁黃鐵礦(Fe1-xS) 第十三章第十三章化學(xué)組成計(jì)量特性變化及其意義：化學(xué)組成計(jì)量特性變化及其意義： （1）自然界非化學(xué)計(jì)量的礦物是很少的。 （2）非化學(xué)計(jì)量特性記錄并反映了礦物形成過程中物理化學(xué)條件的變化，利用非化學(xué)計(jì)量特性可以解析礦物的成因史。例如：例如：與金礦物共生的黃鐵礦（理想化學(xué)式為FeS2），其基本化學(xué)組成

12、（Fe和S）的非化學(xué)計(jì)量性能指示金的成礦深度和礦床剝蝕深度，當(dāng)Fe/(S+As)值明顯大于0.5時(shí)形成深度小；當(dāng)Fe/(S+As)值小于或略大于0.5時(shí)成礦深度大。第十三章第十三章第五節(jié)第五節(jié) 膠體礦物及其組成膠體礦物及其組成 膠體（膠體（colloid）的概念：）的概念：是一種或多種物質(zhì)的微粒（直徑約為1-100nm）分散在 另一種物質(zhì)中構(gòu)成的細(xì)分散體系。前者為分散質(zhì)，后者為分散媒，它們均可以氣、 液、固三相存在。膠凝體膠凝體(gel)：分散質(zhì)的量遠(yuǎn)大于分散媒；膠溶體膠溶體(sol)：分散質(zhì)的量遠(yuǎn)小于分散媒 。水膠凝體：水膠凝體：分散媒為水而分散質(zhì)為固相的膠凝體。膠體礦物膠體礦物(collo

13、idal mineral) ：膠體凝固而成的礦物。注意：注意：（1）絕大多數(shù)膠體礦物由天然水膠凝體形成。膠體礦物中分散質(zhì)和膠體 水的量比不定。（2）膠體礦物不是單一相體系而是多相體系，其固相的分散質(zhì)可以為晶 質(zhì)也可為非晶質(zhì)。（3）膠體礦物存在老化現(xiàn)象。第十三章第十三章膠體礦物有幾個(gè)很重要的特點(diǎn)：膠體礦物有幾個(gè)很重要的特點(diǎn)：（1）膠體礦物的比表面積極大，表面張力也極大，其 形態(tài)多為球狀或半球狀。（2）膠體礦物很不穩(wěn)定，隨時(shí)間推移很易脫水聚合而 轉(zhuǎn)化為隱晶質(zhì)甚至顯晶質(zhì)礦物（膠體的老化或陳 化）。（3）膠體礦物吸附能力很強(qiáng)。第十三章第十三章第六節(jié)第六節(jié) 礦物中水的賦存狀態(tài)礦物中水的賦存狀態(tài)吸附水（物

14、理水）吸附水（物理水）結(jié)晶水結(jié)晶水結(jié)構(gòu)水結(jié)構(gòu)水層間水層間水沸石水沸石水5種類型種類型過渡型水過渡型水第十三章第十三章（1） 吸附水吸附水(hydroscopic water)機(jī)械地吸附于礦物顆粒表面或裂隙中的分子水（H2O）稱作吸附水。 （1）可呈氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)；（2）不進(jìn)入礦物晶格，不屬于礦物的化學(xué)組成，不寫入化學(xué)式。（3）含量隨環(huán)境溫度和濕度的不同而變化，在常壓下被加熱到 100以上時(shí)可全部逸出且不破壞礦物晶格。（4）膠體水是一類特殊的吸附水。約250時(shí)才能全部逸出。注意：注意：膠體水含量不定，但屬于膠體礦物的必要組成成分，須寫入其化學(xué)式。如蛋白石SiO2nH2O。第十三章第十三章(2)

15、 結(jié)晶水結(jié)晶水(crystallization water)：（1）結(jié)晶水在礦物中的含量固定，與其它組分比例關(guān)系不變；（2）結(jié)晶水因受晶格的束縛，其逸出溫度一般在200600；（3）結(jié)晶水逸出后原礦物將轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牡V物。 例如，石膏CaSO42H2O中的結(jié)晶水在100120可全部逸 出，變?yōu)橛彩?。?）結(jié)晶水寫入礦物的晶體化學(xué)式。 書寫規(guī)則為：在H2O分子前寫上系數(shù)，置于分子式最后，以圓點(diǎn)與 前面隔開。指在礦物中占據(jù)特定晶格配位位置的分子水 (H2O)。第十三章第十三章 (3) 結(jié)構(gòu)水結(jié)構(gòu)水(constitution water)： 指占據(jù)礦物晶格中確定位置的(OH)-、H+或(H3O)+離子

16、，以(OH)-為最常見。 （1）結(jié)構(gòu)水在晶體結(jié)構(gòu)中的作用等同于陰、陽離子；（2）逸出溫度高達(dá)6001000。如果結(jié)構(gòu)水逸出，原礦物晶體結(jié) 構(gòu)即完全解體。（3）結(jié)構(gòu)水須寫入礦物的晶體化學(xué)式。 書寫規(guī)則等同于其它離子。如高嶺石Al4Si4O10(OH)8。第十三章第十三章(4) 層間水層間水(interlayer water)： （1）硅酸鹽上下結(jié)構(gòu)單元層本身電荷未達(dá)平衡而導(dǎo)致水分子進(jìn)入層結(jié)構(gòu)之間；（2）不同層狀硅酸鹽其層間水的含量有明顯差異；（3）環(huán)境溫度和濕度影響層間水的含量。（4）層間水的逸出溫度較低，常壓下約110左右。層間水逸出后結(jié)構(gòu)單元層間 距會(huì)減小，表現(xiàn)為與結(jié)構(gòu)單元層方向垂直的晶胞參數(shù)C0變小。（5）層間水影響礦物物理性質(zhì)。如，脫除層間水的礦物相對(duì)密度和折射率會(huì)相 應(yīng)增大。蒙脫石在常溫下可吸取超過自身體積幾倍甚至十幾倍的水，表現(xiàn) 出顯著的吸水膨脹性；蛭石被加熱時(shí)，結(jié)構(gòu)單元層間隙撐開可達(dá)40倍， 表 現(xiàn)出強(qiáng)烈的熱膨脹性。（6）層間水寫入晶體化學(xué)式。 如蒙脫石（Na,Ca,K）(H2O)0-4(Al2-x,Mgx)2(Si,Al)4O1