礦物的化學(xué)成分講解課件

1、 緒論：礦物和礦物學(xué)的概念一、礦物和礦物學(xué)的概念 （1）礦物（mineral）： 是由地質(zhì)作用或宇宙作用所形成的、具有一定的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、在一定的物理化學(xué)條件下相對(duì)穩(wěn)定的天然 結(jié)晶態(tài)的單質(zhì)或化合物，它們是巖石和礦石的基本組成單位。金剛石晶體紫水晶晶洞赤鐵礦集合體輝鉬礦集合體陽起石放射狀集合體花崗巖手標(biāo)本 (2) 礦物學(xué)是研究天然礦物的一門學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容不僅包括礦物的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀和用途，還研究礦物在時(shí)間和空間的分布規(guī)律及其形成和變化歷史。 礦物學(xué)是地質(zhì)學(xué)科中最基本的學(xué)科之一，它是巖石學(xué)、礦床學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地史學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，而且與

2、結(jié)晶學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)密切相關(guān)。由此可見，學(xué)好本門課程是十分重要的。 2礦物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 礦物學(xué)是一門古老而近代又得到了迅速發(fā)展的學(xué)科。它在發(fā)展過程中，曾經(jīng)經(jīng)歷過幾次深刻的變革，其發(fā)展與變革都是與生產(chǎn)的發(fā)展以及新理論、新方法的引進(jìn)密切相關(guān)。礦物學(xué)的發(fā)展可劃分為以下四個(gè)階段：(1) 萌芽階段：早在原始社會(huì)的石器時(shí)代，人們就開始利用礦物和巖石制作生產(chǎn)工具和裝飾品。從奴隸社會(huì)到封建社會(huì)開始應(yīng)用金屬，并由銅器時(shí)代向鐵器時(shí)代過渡，說明當(dāng)時(shí)各種金屬礦產(chǎn)以大量開采，礦冶事業(yè)得到發(fā)展。世界上最早技術(shù)礦物原料的書籍首推中國(guó)的山海經(jīng)（成書于春秋末戰(zhàn)國(guó)初，即公元前475年前后），該書中提到80多種礦物、

3、巖石、礦石的名稱。這個(gè)時(shí)期的總特點(diǎn)是對(duì)礦物肉眼鑒定外表特征為主。(2) 描述礦物階段：19世紀(jì)中葉，在化學(xué)元素學(xué)說、原子分子學(xué)說、組成化合物原子的配比定律和門捷列夫周期表的提出之后，借助化學(xué)分析、偏光顯微鏡及晶體測(cè)角儀等方法開始系統(tǒng)的研究礦物，使礦物得以迅速發(fā)展，形成了獨(dú)立的科學(xué)。這個(gè)階段礦物學(xué)總的特點(diǎn)是對(duì)礦物種的描述和鑒定，且基本上是宏觀的研究。(3) 從宏觀研究進(jìn)入到微觀研究的新階段：19世紀(jì)末（1895年）倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線后，1912年勞埃用晶體作為光柵，發(fā)現(xiàn)了晶體對(duì)X射線的衍射現(xiàn)象，使人們獲得了用實(shí)驗(yàn)方法研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段，從而使礦物學(xué)從宏觀研究躍進(jìn)到微觀研究的新領(lǐng)域。(4)

4、現(xiàn)代礦物學(xué)階段：最近二十年來，由于物理學(xué)、化學(xué)中的一些近代理論如晶體場(chǎng)理論、配位場(chǎng)理論、分子軌道理論、能帶理論被應(yīng)用于礦物學(xué)研究；一系列電子光學(xué)和激光測(cè)試技術(shù)的引入；各種波譜手段的建立；礦物熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)測(cè)定新技術(shù)，特別是高溫超壓等實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的配合使用，等等，促使礦物學(xué)發(fā)生了全面深刻的變化，導(dǎo)致礦物學(xué)的第四次變革，使礦物學(xué)進(jìn)入近代礦物學(xué)階段。 中國(guó)自建國(guó)以來，礦物學(xué)得到迅速發(fā)展。1950年發(fā)現(xiàn)了我國(guó)第一個(gè)新礦物香花石；至今陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并被國(guó)際礦物學(xué)會(huì)（IMA）通過的中國(guó)新礦物已達(dá)數(shù)十種。3、礦物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)普通化學(xué)物理化學(xué)膠體化學(xué)巖石學(xué)地球化學(xué)地學(xué)原理環(huán)境科

5、學(xué)材料科學(xué)礦床學(xué)環(huán)境工程化學(xué)組成變化化學(xué)組成 基本固定的礦物 非化學(xué) 計(jì)量礦物 化學(xué)組成 不固定的礦物 類質(zhì)同象礦物含層間水和沸石水礦物膠體礦物如NaCl，Mg(OH)2如Fe1-xS 礦物的化學(xué)組成 一、地殼的化學(xué)成分 礦物是地殼中各種地質(zhì)作用的產(chǎn)物，所以地殼的化學(xué)成分限制了礦物的化學(xué)成分。 豐度是元素在地殼中的平均含量。美國(guó)的克拉克和華盛頓1882年提出了地殼中50多種化學(xué)元素平均含量表。把地殼中化學(xué)元素平均含量的重量百分?jǐn)?shù)稱為“克拉克值”。 O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg這八種元素占地殼總重量的98.59%，其中O占地殼重量的一半，Si占地殼重量的1/4多。 O占地殼體積的9

6、3%以上?？梢哉f地殼由O的陰離子組成，金屬陽離子(Si、Al、K、Na、Ca等)充填其空隙中。 元素周期表中的絕大多數(shù)在地殼中都可以找到，但各種元素在地殼中的含量卻相差很大。 原因在于原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。隨著原子序數(shù)的增大，核內(nèi)質(zhì)子間的斥力的增加大于核力的增加，核內(nèi)的結(jié)合能降低，原子核趨于不穩(wěn)定，元素的豐度也要降低。豐度高的元素分布于周期表的開端，自Co(Z=27)以后，元素的豐度有顯著降低。 對(duì)于微量元素，可分為兩類： 聚集元素：豐度雖低趨向集中，可形成獨(dú) 立礦種。Au、Ag、Hg、Sb等。 分散元素：豐度雖高趨向分散，不易形成 獨(dú)立礦種。以類質(zhì)同象方式存 在于其它礦物中。Cs、Se、In

7、等。 二、礦物化學(xué)成分的變化 礦物按化學(xué)成分可分成兩種類型：?jiǎn)?質(zhì)是由同種元素的原子自相結(jié)合組 成的， 如金剛石，自然金等；化合物是由兩種或兩種以上不同的化學(xué)元素的原子 組成的。又可分為： 簡(jiǎn)單化合物：由一種陽離子和一種陰離子組成。 NaCl、PbS 單鹽化合物：由一種陽離子和一種絡(luò)陰離子組成。 CaCO3、MgSiO4 復(fù)化合物（復(fù)鹽）：由兩種以上陽離子與同種 （絡(luò)）陰離子組成。CuFeS2、CaMgCO3 礦物的化學(xué)成分無論是單質(zhì)還是化合物，并不是絕對(duì)不變的，通常都在一定的范圍內(nèi)有所變化。變化的原因: 對(duì)晶質(zhì)礦物而言，主要是元素的類質(zhì)同象代替； (Mg，F(xiàn)e)SiO4 對(duì)膠體礦物來說，主要

8、是膠體是吸附作用。 含沸石水或?qū)娱g水的礦物。 非化學(xué)計(jì)量的礦物，化學(xué)組成不符合定比定律和 倍比定律。（F1-xS）磁黃鐵礦。 通常所說的某種礦物成分中含有某些混入物，除了因類質(zhì)同象代替和吸附而存在的成分外，還包括以顯微包裹體形式存在的機(jī)械混入物。 三、膠體礦物的成分 1. 膠體礦物的概念 膠體是一種物質(zhì)的微粒（10A1000A）分散在另一種物質(zhì)之中，所形成的不均勻的細(xì)分散系。前者稱為分散相（或分?jǐn)?shù)質(zhì)），后者稱為分散媒（或分散介質(zhì)）。 無論是固體、液體或氣體，都可以是分散相，也可以是分散媒。按照分散系統(tǒng)中分散相和分散媒的量比關(guān)系，將膠體作如下劃分：1）膠溶體 分散相的量遠(yuǎn)少于分散媒的膠體系 統(tǒng)。

9、分散相的質(zhì)點(diǎn)呈懸浮狀態(tài)存在 于分散媒中。2）膠凝體 分散相的量遠(yuǎn)多于分散媒的膠體系 統(tǒng)，整個(gè)膠體呈凝固態(tài)。 膠體礦物中微粒的排列和分布是不規(guī)則和不均勻的，外形上不能形成規(guī)則的幾何多面體，在光學(xué)性質(zhì)上具非晶質(zhì)體特點(diǎn)，故通常將膠體礦物看成非晶質(zhì)礦物。但它的微粒可以是結(jié)晶的，因粒徑太小，是一種超顯微的晶質(zhì)（如粘土礦物 ）。 2、膠體的基本性質(zhì)（1） 膠體質(zhì)點(diǎn)帶有電荷 膠體質(zhì)點(diǎn)帶有電荷主要是由于破鍵機(jī)理。多數(shù)無機(jī)膠體的分散相質(zhì)點(diǎn)是晶質(zhì)的，其表面電荷不飽和，這個(gè)微粒叫膠核。膠核要吸附一些存在于介質(zhì)中，而為膠核成分中所含有的某種離子，在膠體外面形成一個(gè)吸附層，構(gòu)成帶一定電荷的膠粒。為了平衡吸附層的電荷，帶

10、電的膠粒還要吸附介質(zhì)中其它離子團(tuán)，這種離子被吸附得比較松，在介質(zhì)中有一定的自由移動(dòng)能力，形成一個(gè)擴(kuò)散層。以膠體帶有正負(fù)電荷的不同，可將膠體分為正膠體和負(fù)膠體。 氫氧化鐵膠體顆粒的結(jié)構(gòu)示意圖（2） 膠體對(duì)介質(zhì)中離子的吸附具有選擇性 是指膠粒在不同溶液中僅能吸附一定的與膠粒電荷相反的離子，而對(duì)其它物質(zhì)則不吸附或吸附程度很小。 膠體對(duì)離子的選擇性，還表現(xiàn)在對(duì)一些離子吸附的難易程度不同，進(jìn)而表現(xiàn)為被吸附離子之間的交換。通常，陽離子電價(jià)越高，置換能力越強(qiáng)，一旦被膠體吸附，就難被置換；在電價(jià)相等時(shí)，置換能力隨離子半徑增大而增強(qiáng)。 金屬陽離子置換能力按下列順序遞減： H AL Ba Sr Ca Mg NH4

11、 K Na Li (3) 膠體微粒具有巨大的表面能 晶質(zhì)的膠體微粒內(nèi)部原子排列是有序和周期重復(fù)的，每個(gè)原子的力場(chǎng)是對(duì)稱的，但表面邊界上原子力場(chǎng)的對(duì)稱性破壞，出現(xiàn)剩余鍵力，即表面能。膠體礦物微粒表現(xiàn)的靜電力和吸附現(xiàn)象就是這種表面能的表現(xiàn)和作用。膠體的吸附就是一個(gè)降低表面能的過程。具有巨大表面能的膠體礦物，總是要把能量傳給周圍物質(zhì)，使其能量降低到與周圍物質(zhì)相平衡狀態(tài)，也即從無序向有序過渡，最后形成礦物結(jié)晶相的趨勢(shì)。這表現(xiàn)為膠體微粒的凝聚，分散相與分散媒分離，即脫水作用。 3膠體礦物的形成 地殼中的水膠凝體礦物，絕大部分都形成于表生作用中，表生作用中形成的膠體礦物，大體上經(jīng)歷了兩個(gè)階段：1）形成膠體

12、溶液 原生礦物 (物理風(fēng)化)磨蝕 膠體微粒 原生礦物 (化學(xué)風(fēng)化)分解 離子或分子 這些物質(zhì)進(jìn)一步飽和聚集，形成膠體溶液，它是形成膠體礦物的物質(zhì)基礎(chǔ)。2）膠體溶液的凝聚 膠體溶液在遷移過程中或匯聚于水盆地后，或因不同電荷質(zhì)點(diǎn)發(fā)生電性中和而沉淀，或因水分蒸發(fā)而凝聚，從而形成各種膠體礦物。 細(xì) 分 散 系非晶質(zhì) 無規(guī)則幾何外形 可變性和復(fù)雜性 極大比表面積 帶電荷 選擇性吸附 膠體的特點(diǎn)膠體 風(fēng)化 膠體溶液 凝聚蒸發(fā)/中和 膠體礦物 膠 體 膠體礦物的特點(diǎn) 膠體及膠體礦物的特點(diǎn) 膠體礦物形成 海濱地帶和巖石風(fēng)化殼中 礦物/巖石 四、礦物中的水 水是礦物中的重要組成部分，礦物的許多性質(zhì)都與水有關(guān)。

13、根據(jù)礦物中水的存在形式以及它們?cè)诰w結(jié)構(gòu)中的作用，分為兩類：一類是不參加晶格的，與礦物晶體結(jié)構(gòu)無關(guān)，統(tǒng)稱吸附水。另一類是參加晶格或與礦物晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，包括結(jié)晶水、沸石水、層間水和結(jié)構(gòu)水。 1、吸附水 不參加晶格的吸附水，是滲入在礦物集合體中，為礦物顆?；蛄严侗砻鏅C(jī)械吸附的中性的水分子。不屬于礦物的化學(xué)成分，不寫入化學(xué)式。常壓下，在100110 時(shí)，吸附水就會(huì)全部從礦物中逸出而不破壞晶格。吸附水可以呈氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。 2、結(jié)晶水 以中性水分子存在于礦物中，在晶格中具有固定的位置，起著構(gòu)造單位的作用，是礦物成分的一部分。水分子數(shù)量與礦物的其它成分之間常成簡(jiǎn)單比例。 不同礦物中，結(jié)晶水與晶格

14、聯(lián)系的牢固程度是不同的，因此，其逸出溫度也有所不同。通常在100200 ，一般不超過600。當(dāng)結(jié)晶水失去時(shí)，晶體的結(jié)構(gòu)遭到破壞和重建，形成新的結(jié)構(gòu)。3、沸石水 是存在于沸石族礦物中的中性水分子。沸石的結(jié)構(gòu)中有大的空洞及孔道，水就在這些空洞和孔道中，位置不十分固定，水的含量隨溫度和濕度而變化。在80400范圍內(nèi)，水即大量逸出，但不引起晶格的破壞，只引起物理性質(zhì)的變化。脫水后的沸石還可以重新吸水，并恢復(fù)原有的物理性質(zhì)。沸石水具有一定的吸附水的性質(zhì)，但其存在與結(jié)構(gòu)有關(guān)，且含量有一定的上限和下限范圍。 4、層間水 是存在于某些層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)層之間的中性水分子。水分子也聯(lián)結(jié)成層，加熱至110 時(shí)，

15、層間水大量逸出，結(jié)構(gòu)層間距相應(yīng)縮小，晶胞軸長(zhǎng)C值減小，在潮濕環(huán)境中又可重新吸水。 5、結(jié)構(gòu)水 又稱化合水。是以（OH-）、H、（H3O）離子形式參加礦物晶格的“水”。結(jié)構(gòu)水在晶格中占有一定位置，在組成上具有確定的含量比。由于與其它質(zhì)點(diǎn)有較強(qiáng)的鍵力聯(lián)系，需要較高的溫度（大約在6001000）才能逸出。當(dāng)其逸出后，結(jié)構(gòu)完全破壞，晶體結(jié)構(gòu)重新改組。 一、礦物的化學(xué)式 1概念 礦物的化學(xué)式： 以組成礦物的化學(xué)元素符號(hào)按一定原則表示礦物的化學(xué)成分。是以單礦物的化學(xué)全分析所得的相對(duì)質(zhì)量百分含量為基礎(chǔ)而計(jì)算出來的。五 礦物的化學(xué)式及其計(jì)算 2表示方法 1）實(shí)驗(yàn)式： 僅表示礦物中各組分的種類及其數(shù)量。 如白云

16、母 H2KAl3Si3O12 或 K2O3Al2O36SiO22H2O 2）結(jié)構(gòu)式： 即晶體化學(xué)式。既能表明礦物中各組分的種類及其數(shù)量比，又能 反映出它們?cè)诰Ц裰械南嗷リP(guān)系及其存在形式。 如白云母 KAl2(Si3Al)O10(OH)2 礦物晶體結(jié)構(gòu)式的書寫原則： 基本原則是陽離子在前，陰離子 或絡(luò)陰離子在后。絡(luò)陰離子需用方括號(hào) 括起來。如石英SiO2，方解石CaCO3。 對(duì)復(fù)化合物，陽離子按堿性 由強(qiáng)弱、價(jià)態(tài)從低高排列。如 白云石 CaMgCO32，磁鐵礦 FeFe2O4 （即Fe2+Fe3+2O4） 附加陰離子通常寫在陰離子 或絡(luò)陰離子之后，如 氟磷灰石 Ca5PO43F ，白云母 KAl

17、2(Si3Al)O10(OH)2 礦物中的水分子寫在化學(xué)式的 最末尾，并用圓點(diǎn)將其與其他組分 隔開。若含水量不定，則常用nH2O 或aq表示，如 石膏 CaSO42H2O， 蛋白石 SiO2nH2O或SiO2aq 。 成類質(zhì)同像替代關(guān)系的離子， 用小括號(hào)括起來，并按含量由多 少排列，中間用逗號(hào)分開。 如 鐵閃鋅礦 (Zn, Fe)S ， 黃玉 Al2SiO4(F,OH)2 。 注意： 在計(jì)算出礦物中各元素的離子數(shù)之后， 書寫晶體化學(xué)式時(shí)，習(xí)慣上，將其具體 數(shù)值分別寫在各元素符號(hào)之右下角， 同時(shí)成類質(zhì)同像替代關(guān)系的各元素之間 無需再加逗號(hào)，并在小括號(hào)之后下角 列出小括號(hào)內(nèi)各元素離子數(shù)之總和。 如

18、某單斜輝石 (Ca0.960Na0.040)1.000(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030 Mn0.020Ti0.020)1.000(Si1.920Al0.080)2.000O6 二、礦物晶體化學(xué)式的計(jì)算 （一）依據(jù) 單礦物的化學(xué)全分析數(shù)據(jù)； 晶體化學(xué)理論及晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)，對(duì)礦物中各元素的存在形式作出 合理的判斷，并按照電價(jià)平衡原則， 將其分配到適當(dāng)?shù)木Ц裎恢蒙希?x射線結(jié)構(gòu)分析資料。 注意： 單礦物的化學(xué)全分析的結(jié)果， 其一般允許誤差1%，即礦物中 的各元素或氧化物的質(zhì)量百分含量 （WB%）之總和應(yīng)在99%101%。 （二）方法 1成分較簡(jiǎn)單的礦物化學(xué)式計(jì)算 步驟： 檢查礦物化學(xué)分析結(jié)果是否符合精度要求。 將各組分的摩爾數(shù)化為簡(jiǎn)單的整數(shù)。 寫出礦物的化學(xué)式。某黃銅礦的化學(xué)式計(jì)算組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（WB%）原子量組分摩爾數(shù)組分摩爾數(shù)之比化學(xué)式Cu34.5463.550.54351CuFeS2Fe30.3055.850.54251S35.0332.061.09262合量99.87 2成分復(fù)雜的礦物化學(xué)式計(jì)算 計(jì)算原則： 盡量使占位的離子數(shù)目保持合理； 盡量使正負(fù)電荷總數(shù)保持平衡。 計(jì)算前提： 必須有礦物的化學(xué)全分析數(shù)據(jù)； 必須已知礦物的化學(xué)通式。 1）