矿物学通论1

《矿物学通论1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矿物学通论1（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十二讲 矿物学通论1一、矿物和矿物学 二、矿物的化学组成一、矿物和矿物学 1 矿物的概念 Concept of Mineral（1）自然界各种地质作用（含宇宙作用）产 生的固态单质或化合物； （2）一定的化学成分和内部结构； （3）一定的形态、物理和化学性质； （4）在一定的地质和物理化学条件下稳定； （5）组成岩石和矿石的基本单位。要点n1 矿物是地质作用的形成物，而不是其它途径的形成 物；n2我们所研究的矿物是无机的固体化合物和单质，而 不是气态、液态及有机化合物和单质；n3矿物具有相对固定的化学成分，但在不破坏内部结 构的条件下可有一定范围的变化；n4矿物随环境的物理化学条件变化而变化

2、，一定成分 和结构的矿物反映一定的物理化学条件；n5矿物、岩石和矿石是三个不同的概念：矿物是组成 岩石的基本单位。矿物是组成岩石和矿物基本单元，显 然，岩石是矿物的集合体，岩石和矿石既可以是各种矿 物的集合体，也可以是某一种矿物的集合体，矿石与岩 石和矿物在概念上的根本不同点在于：具有工业利用价 值的岩石或矿物称之为矿石。以-石英为例n主要产于低温热液活动中，以及外生沉积作用 ；n化学成分： SiO2 （Si46.7%, O53.3%）; 晶体 结构：金红石型， 即阴离子O2-离子成六方最紧 密堆积，阳离子位于八面体空隙中，其配位数是 6；n化学性质稳定，抗风化，在 573 ,可变化成其它结构

3、的石英， 如-石英），是自然界最稳定的矿物。n物理性质：结晶态常呈六方柱状，粒状；颜色 纯净透明至白色，因含杂质常呈黄色、紫、茶褐 、黑、玫瑰等色；无解理，断口常呈贝壳状；玻 璃光泽，断口呈油脂光泽；比重2.65.n它是最主要的造岩矿物，三大岩石中均常见。金刚石石英（水晶）准矿物(mineraloid)的概念： 自然作用中形成的、具有一定的化学成分的非晶态的单质或化合物，称为准矿物 。例： 蛋白石 Opal SiO2nH2O非晶铀矿 Nasturan Um4+Un6+O2m+3n注意 天然矿物、宇宙矿物（陨石矿物）、人造矿物 （合成矿物）的概念 2. 矿物学1)是研究天然矿物的一门学科，其研究

4、 内容不仅包括矿物的成分、结构、形态、性质、 成因、产状和用途，还研究矿物在时间和空间的 分布规律及其形成和变化历史。矿物学是地质学科中最基本的学科之一 ，它是岩石学、矿床学、地球化学、构造地质学 、地史学、水文地质学、工程地质学等学科的基 础，而且与结晶学、数学、物理学和化学等基础 科学密切相关。由此可见，学好本门课程是十分 重要的。 2) 矿物学发展简史 矿物学是一门古老而近代又得到了迅速发展的 学科。它在发展过程中，曾经经历过几次深刻的变 革，其发展与变革都是与生产的发展以及新理论、 新方法的引进密切相关。矿物学的发展可划分为以 下四个阶段：(1) 萌芽阶段：早在原始社会的石器时代，人们

5、就开始利 用矿物和岩石制作生产工具和装饰品。从奴隶社会到封建社 会开始应用金属，并由铜器时代向铁器时代过渡，说明当时 各种金属矿产以大量开采，矿冶事业得到发展。世界上最早 技术矿物原料的书籍首推中国的山海经（成书于春秋末 战国初，即公元前475年前后），该书中提到80多种矿物、 岩石、矿石的名称。这个时期的总特点是对矿物肉眼鉴定外 表特征为主。(2) 描述矿物阶段：19世纪中叶，在化学元素学说 、原子分子学说、组成化合物原子的配比定律 和门捷列夫周期表的提出之后，借助化学分析、 偏光显微镜及晶体测角仪等方法开始系统的研究 矿物，使矿物得以迅速发展，形成了独立的科学 。这个阶段矿物学总的特点是对

6、矿物种的描述和 鉴定，且基本上是宏观的研究。(3) 从宏观研究进入到微观研究的新阶段：19世纪 末（1895年）伦琴发现了X射线后，1912年劳埃 用晶体作为光栅，发现了晶体对X射线的衍射现 象，使人们获得了用实验方法研究晶体内部结构 的重要手段，从而使矿物学从宏观研究跃进到微 观研究的新领域。(4) 现代矿物学阶段：最近二十年来，由于物理学 、化学中的一些近代理论如晶体场理论、配位场 理论、分子轨道理论、能带理论被应用于矿物学 研究；一系列电子光学和激光测试技术的引入； 各种波谱手段的建立；矿物热力学性质数据测定 新技术，特别是高温超压等实验技术的实现；电 子计算机技术的配合使用，等等，促使

7、矿物学发 生了全面深刻的变化，导致矿物学的第四次变革 ，使矿物学进入近代矿物学阶段。中国自建国以来，矿物学得到迅速发展。 1950年发现了我国第一个新矿物香花石；至今 陆续发现并被国际矿物学会（IMA）通过的中国 新矿物已达数十种。n3）现代矿物学的应用n 矿物学的应用主要包括两大方面：n 应用于地质找矿；n 研究作为矿产资源的矿物本身的开发和应用。n 现代矿物学的发展，不断与相关科学相互渗透，从而产生了一些新兴的边缘学科和新分支。成因矿物学（genetic mineralogy）和找矿矿物学（prospecting mineralogy），揭示岩石和矿床的成因及地质构造变动条件，指导找矿勘探

8、、矿床的工业评价和矿石的加工利用等，不断深化矿物结晶化学理论。 n 矿物物理学（mineral physics）和量子矿物学（quantum mineralogy ）揭示矿物的物理性质及表面态、化学吸附等本质，了解和控制各种矿物性能的变化，扩大矿物的应用范围，综合利用矿物资源，促进矿物材料的研究。n 实验矿物学(experimental mineralogy)，是研究矿物的合成以及在各种条件下模拟和探索矿物的形成和演变过程的一门矿物学的分支学科，不仅为成矿理论提供了基础资料，也为高新技术领域功能材料的合成奠定了基础。 应用矿物学（applied mineralogy ），是矿物学向材料科学方向

9、延伸而产生的矿物学新分支，是矿物材料研究及许多相关应用科学的重要基础，在矿物材料合成（包括宝石的人工合成及天然宝石的优化处理等）、尖端科技材料（如光学材料、超导材料、磁性材料等）等方面的研究应用十分重要，其研究是工业、农业及材料工业等发展的动力。 n 当前，对矿物材料或原料的应用日益提出更高的要求，而自然界矿物资源有限且日渐枯竭，矿产资源危机已成为当今世界令人瞩目的问题。故当务之急：不断挖掘资源潜 力， 开拓矿物应用新领域，开发矿物应用新品种，加速提高采、选、冶工艺技术及矿物的人工合成和改性技术等。矿物学与其他学科的关系二矿物的化学组成n1 地壳中元素丰度及其矿物学意义n2 组成矿物的离子类型

10、及基本性质n3 矿物的化学组成及其影响因素n4 胶体矿物的化学成分特点n5 矿物中水的赋存状态n6 矿物的化学成分表达-化学式1 地壳中元素丰度及其矿物学意义n元素在地壳中的平均含量的百分数，叫克拉克 值（美国学者克拉克（F.W.Clark） 最先提出） ，可分为：质量克拉克值，原子克拉克值。n地壳中元素丰度极不均匀，最多的氧（O）与 最少的氡（Rn）含量相差1018倍。n地壳中最常见的元素为： O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg 这8种，占地壳总质量 的约99。地壳中元素丰度地壳中元素的丰度与矿物化学组成地壳中元素的丰度与矿物化学组成 硅酸盐硅酸盐: 75%, : 75%, 氧化物氧

11、化物: 17%: 17% 可以形象地比喻：整个地壳是由O离子作最紧密堆积，阳离 子充填在空隙中n 地壳中分布最广泛的八种元素元 素质量克拉克值 （%） 原子克拉克值 （%）体积百分比 （%） O46.6062.5593.77 Si27.7221.220.86 Al8.136.470.47 Fe5.001.920.43 Ca3.631.941.03 Na2.832.641.32 K2.591.421.83 Mg2.091.840.29克拉克值分重量克拉克值（即元素平均含量的重量百分比）和原子克拉克值（即将每一元素的重量克拉克值除以该元素的原子量，得出该元素的原子数， 然后将各元素的原子数再以百分

12、数来表示）。一般常用的是重量克拉克值。在矿物学上，还常用到以下两种克拉克值：矿物克拉克值化学元素在各种矿物中的平均含量；浓度克拉值某地区某元素的平均含量与该元素在整个地壳中的平均含量之比。 元素丰度的矿物学意义n克拉克值高的元素组成的矿物种含量也高，地壳上的矿 物种主要是由前述8种元素组成的硅酸盐（占地壳总质量 的3/4）和氧化物（占地壳总质量的1/5） ；n但是，地壳上的矿物种除了受克拉克值影响外，还要受 到元素的地球化学性质的影响：聚集元素： Cu、Pb、Zn、 Au、Ag、Bi、Sb等， 尽管克拉克值不高，但它们的地球化学性质是趋于聚集的 ，所以能够形成独立的矿物种，甚至富集成矿；分散元

13、素：Ru、Cs、Ga、In等，尽管克拉克值较 高，但它们的地球化学性质是趋于分散的，所以不能够形 成独立的矿物种，往往以微量元素混入物（如类质同像形 式）赋存于其他矿物种中。n其原因是聚集元素它们的熔点高、沸点高、电 离势大、溶解度低，半径和化合价趋于中等的性 质有关。n半径、化合价中等，则与其它元素结合的适应 性大；而熔点、沸点高，电离势大，溶解度低， 则使它们形成矿物后性质比较稳定而不易分解。 若元素的性质与之相反，则尽管它们的克拉克值 可能较大，但却往往是类质同象关系混入到其它 元素的矿物中去，很难形成独立矿物，如K、Na 、Rb、Sr、V等元素；n n氢的重量克拉克值比起前8种元素少得

14、多，仅 为0.14%。但氢的原子量很小，因而其原子克拉 克值很高，所以氢并不少，其原子克拉克值达3% ，仅次于O、Si、Al，居第四位，因此，自然界 含水（以H2O、OH-、H+、H3O+、H2O-等形式）矿物 的数量很多，土址的主要组分粘土矿物，都是含 水的硅酸盐或氧化物、氢氧化物。由带正电荷的原子核和核外运动的带负电荷的电子所构成的呈电中性的物质点称为原子；原子失去或夺得一定数量的电子而呈带电性的物质质点称为离子。原子和离子的化学行为，首先取决于它们外电子层的构型。对于矿物晶体而言，大多数都属于离子化合物，而阴阳离子间的结合，在很大程度上取决于金属阳离子的性质。因此，根据外电子层的构型，将

15、金属阳离子划分为三种基本类型：2 组成矿物的离子类型及基本性质（1）惰性气体型离子指最外电子层具有8个电子（ns2np6）或2个电子（1s2）的离子。主要包括A、A主族以及与它们邻近的某些元素的离子。如赵教材P184表12-2中I区的离子，其电子层构型和惰性气体完全一样，其特点是： 电子层结构稳定，其离子在一般情况下不变价； 与半径和电价相似的其它类型离子相比，电负性最低，明显地趋向于形成离子键性的化合物； 主要形成卤化物、氧化物和含氧盐矿物，而含氧盐矿物又是构成岩石的主要造岩矿物。因此，在地球化学上又把此类元素称之为亲氧元素，在岩石学上把此类元素称之为造岩元素。（2）铜型离子指最外电子层具有

16、18个电子（ns2np6nd10）的离子，如Cu+ 、Zn2+或18+2个电子为离子如Pb2+、Sb3+，主要包括B、B 副族以及它们右邻的元素的离子。如赵教材P184表12-2中区的离子，它们具有以下特点： 电子层结构仍相当稳定，除个别离子（主要是Cu+）外 ，一般情况下不变价，或只在18和18+2两种构型间变化（如Pb4+ 和Pb2+）； 与电价和半径相似的其它类型阳离子相比，电负性最高 ，因此，当它们与电负性不太高的阴离子（如S2-、Se2+等）结合时，其化学键强烈地向共价键和金属键过渡； 主要形成硫化物、含硫盐或类似的化合物，而这些矿物 又是构成金属硫化物矿床的主要矿石矿物。因此，在地球化学上 又把它称之为亲硫元素，在岩石学上又把它称之为造矿元素。（3）过渡型离子指最外层电子数介于818之间的离子。主