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1、Chap12 矿物的化学成分 本章提纲 地壳中元素的丰度地壳中元素的丰度 影响矿物化学成分变化的原因影响矿物化学成分变化的原因 类质同像、非化学计量性、胶体矿类质同像、非化学计量性、胶体矿 物、矿物包裹体、水的变化物、矿物包裹体、水的变化 晶体化学式的书写和计算晶体化学式的书写和计算研究意义1.矿物的化学成分是区别不同矿物的重要标志。2.矿物的化学成分变化特点是反映矿物的形成条件的重要标志。3.矿物的化学成分是人类利用矿物资源的重要方面。1 地壳中化学元素的丰度 一、元素克拉克值一、元素克拉克值 克拉克值（clarke）：各种化学元素在地壳中的平均含量（即元素在地壳中的丰度）之百分数。 两种表
2、示方法： 质量百分比：重量克拉克值 原子百分比：原子克拉克值1）元素分布的极不均匀性 丰度最大者：O46.6% 丰度最小者：Rn710-16 % 2）地壳的主要化学组成为O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti等十种。 二、地壳中化学元素的分布特征地壳地壳中分布最广泛分布最广泛的八种元素八种元素地壳分布最广：含氧盐地壳分布最广：含氧盐和和氧化物氧化物矿物矿物 其中其中硅酸盐矿物硅酸盐矿物占矿物总种数的占矿物总种数的24%，占地壳总重量的，占地壳总重量的3/4；氧化物氧化物矿物矿物占矿物种总数的占矿物种总数的14%，占地壳总，占地壳总重量的重量的17%。3）聚集元素和分散元素 聚集元
3、素：丰度很低，但趋于集中，形成独立的矿物种，甚至富集成矿床。如Sb、Bi、Hg、Ag、Au等。 分散元素：丰度远比聚集元素为高，但趋于分散，很少能形成独立的矿物种，而常常作为微量的类质同象混入物赋存于主要由其他元素所组成的矿物中。如Rb、Cs、Ga、In、Sc等。 小结矿物的形成取决于： 1）元素的丰度 2）元素的地球化学性质。2 矿物的化学成分 一、矿物的化学成分类型 1单质：由同一种元素的原子自相结合而成的矿物。如自然元素矿物。2化合物：由两种或两种以上元素组成的矿物。如含氧盐、氧化物和氢氧化物、卤化物、硫化物及其类似化合物矿物。 各种离子类型的地球化学属性1惰性气体型离子惰性气体型离子（
4、与氧结合）（与氧结合）“亲亲氧氧元元素素”、“亲亲石石元元素素”或“造造岩岩元素元素”2铜型离子铜型离子（与硫结合）（与硫结合）“亲亲硫硫元元素素”、“亲亲铜铜元元素素”或“造造（成）矿元素（成）矿元素”3过渡型离子过渡型离子（与氧或硫结合）（与氧或硫结合）1主要原因 1）类质同像替代 2）非化学计量性二、矿物化学成分变化的原因二、矿物化学成分变化的原因2其他因素 1）阳离子的可交换性 2）胶体的吸附作用 3）矿物中含水量的变化（含沸石水或层间水） 4）以显微包裹体形式存在的机械混入物等化学化学成分成分变化变化化学成分化学成分基本固定的矿物基本固定的矿物化学成分化学成分不固定的矿物不固定的矿物
5、非化学非化学计量矿物计量矿物类质同像矿物含层间水和沸石水矿物胶体矿物化学成分变化的类型1 1概念概念1）矿物的化学计量性 少数矿物的化学成分相当固定，其化学组成遵守物理化学分配定律定比定律和倍比定律，各组分间具严格的化合比，其化学组成可由理想化学式表示。如水晶（SiO2）。 三、矿物的化学计量性与非化学计量性三、矿物的化学计量性与非化学计量性 类质同像替代类质同像替代致使矿物化学组成在一定范围内变化，但各晶格位置各晶格位置上成类质同像关系的各组分数量总和各组分数量总和之间之间仍遵循定比定律定比定律。如：橄榄石橄榄石(Mg, ,Fe)2SiO4等。化学计量矿物化学计量矿物： 在各晶格位置各晶格位
6、置上的组分之间组分之间遵守定比定定比定律律、具严格化合比严格化合比的矿物。 某些含变价元素含变价元素的矿物其化学组成偏离偏离理想化合比，不再遵循定比定定比定律律。 例如：磁黄铁矿（Fe1-xS）2）矿物的非化学计量性3 胶体矿物及其化学成分特点 一、胶体矿物的概念一、胶体矿物的概念 1胶体（colloid） 一种或多种物质的微粒（粒径一般1100nm）分散在另一种物质之中而形成的不均匀的细分散系。前者称分散相（分散质），后者称分散媒(分散剂)。 注意 1）胶体是两相或多相物质的混合物。2）分散相和分散媒均可是固体、液体或气体。AgBr胶体的结构示意图胶体微粒的性质(了解)1）.分散相与分散媒的
7、量不固定。2）.具有极大的比表面积和较大的表面能。3）.表面的电荷未达到饱和，故具极强的吸附性，能吸附与其电荷相反的离子。2胶体矿物 由以水为分散媒、以固相为分散相的水胶凝体而形成的非晶质或超显微的隐晶质矿物。严格地说，它只是含吸附水的准矿物。如蛋白石（SiO2nH2O）、大多数粘土矿物。多形成于表生作用中，少数为热液或火山成因。主要形成Fe、Mn、Al、Si、P质等矿物。为隐晶质或非晶质体，故呈现鲕状、肾状、钟乳状和葡萄状等特殊形态。由于形成时胶体的吸附作用，故成分变化大。胶体矿物的特点（了解）二、胶体矿物的化学成分特点二、胶体矿物的化学成分特点 1.不固定性2.复杂性三、胶体的老化三、胶体
8、的老化 胶体矿物形成后，随着时间的推移或热力学因素的改变，胶粒会自发地凝聚，进一步发生脱水作用，颗粒逐渐增大而成为隐晶质，最终可转变为显晶质矿物。 变胶体矿物：由胶体矿物老化形成的隐晶质或显晶质矿物，往往可保留原胶体矿物的外貌。如蛋白石经老化成为玉髓。4 矿物中的水 一、水的存在形式一、水的存在形式 H2O、(OH)、H+和(H3O)+二、二、“水水”的类型的类型据“水”在矿物中的存在形式及其在晶体结构中的作用，主要分为吸附水、结晶水和结构水三种基本类型，以及层间水和沸石水两种过渡类型。 被机械地吸附于矿物颗粒的表面和裂隙中，或渗入矿物集合体中的中性水分子（H2O）。它不参加晶格，不属于矿物的
9、化学组成。 吸附水的一种特殊类型胶体水，是胶体矿物本身的固有特征，应列入矿物的化学式，如蛋白石：SiO2nH2O。1吸附水 以H2O的形成存在于矿物晶格中一定位置上的水，是矿物固有组分之一，水含量一定，其数目与其他组分的含量成简单的比例关系。石膏：CaSO42H2O2结晶水 或称化合水，以(OH)、H+或(H3O)+离子形式存在于矿物晶格中一定位置上，并有确定的含量比的“水”。 尤以(OH)最常见，主要存在于氢氧化物和层状硅酸盐等矿物中。如： 水镁石Mg(OH)2， 高岭石Al4Si4O10(OH)8， 天然碱Na3HCO32H2O， 水云母(K, H3O)Al2AlSi3O10(OH)2等。
10、3. 结构水水镁石（水镁石（Mg(OH)Mg(OH)2 2）晶体结构）晶体结构 存在于某些层状结构硅酸盐（如粘土矿物）晶格中结构层之间的H2O，其主要与层阳离子结合成水合离子。失水后，晶格并不被破坏，仅结构层之间距离缩短，晶胞参数C0减小，矿物的比重和折射率增大；且在潮湿的环境中又可重新吸水。4层间水如蒙脱石(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si,Al)4O10(OH)2nH2O具明显的吸水膨胀的特性；蛭石(Mg,Ca)0.5(Mg,Fe+,Al)3(Si,Al)4O10(OH)24H2O则表示出显著的热膨胀性。 主要存在于沸石族矿物晶格中宽大的空腔和通道中的H2O，与其中的阳离子结合成
11、水合离子。失水后的沸石可重新吸水，并恢复到原来的含水限度，再现其原来的物理性质。如钠沸石 Na2(Al2Si3O102H2O。 5沸石水水的类型水的类型 水的主要类型水的主要类型存在形式存在形式失水温度失水温度/不参加不参加晶格晶格 吸附水吸附水中性的H2O分子100-110胶体水 250参加参加晶格晶格 结晶水结晶水中性的H2O分子200-500结构水结构水OH-, H+, H3O+离子600-1000过渡型过渡型层间水层间水中性的H2O分子110沸石水沸石水中性的H2O分子80-400各种类型的水的对比表水的水的类型类型水的作用水的作用失水温度失水温度/举例举例吸附水不参加晶格100110
12、SiO2nH2O结晶水水合阳离子增大阳离子半径200500CaSO42H2O层间水100250Mx(H2O)n(Al2-xMgx)2(Si,Al)4O10(OH)2沸石水80400Na2Al2Si4O82H2O结构水普通阴离子6001000Mg（OH）2补充说明 单矿物的化学全分析数据中，H2O称负水，通常意指不参加晶格的吸附水，当样品烘干到110之前即全部逸去；而正水H2O+系指参加晶格的结构水或结晶水，其失水温度通常高于110。5 矿物的化学式及其计算 一、矿物的化学式一、矿物的化学式 1概念： 矿物的化化学学式式： 以组成矿物的化化学学元元素素符符号号按一定原则表示矿物的化化学学成成分。
13、分。2表示方法1）实验式： 仅表示矿物中各组分的种类及其数量比。如白云母H2KAl3Si3O12或K2O3Al2O36SiO22H2O。2）结构式 即晶体化学式，既能表明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。如白云母KAl2(Si3Al)O10(OH)2 3. 矿物晶体结构式的书写原则： 基本原则是阳离子在前，阴离子或络阴离子在后。络阴离子需用方括号 括 起 来 。 如 石 英 SiO2， 方 解 石CaCO3。对复化合物，阳离子按碱性由强弱、价态从低高排列。如白云石CaMgCO32， 磁 铁 矿 FeFe2O4（ 即Fe2+Fe3+2O4）。附加阴离子通
14、常写在阴离子或络阴离子之后，如：氟磷灰石Ca5PO42F，白云母KAl2(Si3Al)O10(OH)2。矿物中的水分子写在化学式的最末尾，并用圆点将其与其他组分隔开。若含水量不定，则常用nH2O或aq表示，如石膏CaSi42H2O， 蛋 白 石 SiO2nH2O或SiO2aq。成类质同像替代关系的离子，用小括号括起来，并按含量由多少排列，中间用逗号分开。如铁闪锌矿（Zn,Fe）S，黄玉Al2SiO4(F,OH)2。 补充说明 在计算出矿物中各元素的离子数之后，书写晶体化学式时，将其具体数值分别写在各元素符号之右下角，同时成类质同像替代关系的各元素之间无需再加逗号，并在小括号之后下角列出小括号内
15、各元素离子数之总和。如某单斜辉石(Ca0.960Na0.040)1.000(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030Mn0.020Ti0.020)1.000 (Si1.920Al0.080)2.000O6。 （一）依据 单矿物的化学全分析数据；晶体化学理论及晶体结构知识，对矿物中各元素的存在形式作出合理的判断，并按照电价平衡原则，将其分配到适当的晶格位置上；二、矿物晶体化学式的计算（了解）二、矿物晶体化学式的计算（了解）X-射线结构分析资料。 注意：单矿物的化学全分析的结果，其一般允许误差1%，即矿物中的各元素或氧化物的质量百分含量（WB%）之总和应在99%101%。 1成分较简单的矿物化学式计算步骤：检查矿物化学分析结果是否符合精度要求。 将各组分的摩尔数化为简单的整数。写出矿物的化学式。 某黄铜矿的化学式计算2成分复杂的矿物化学式计算1）阴离子法2）阳离子法 本章重点本章重点地壳中地壳中元素分布元素分布的特征的特征影响矿物影响矿物成分变化成分变化的的原因原因利用胶体的特点利用胶体的特点理解胶体矿物理解胶体矿物矿物中的矿物中的水的存在形式水的存在形式，作用及鉴定，作用及鉴定方法方法矿物矿物晶体化学式晶体化学式的的书写原则书写原则
