【采礦】chap1礦物的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第一章礦物的化學(xué)成分和內(nèi)部構(gòu)造一、地殼的化學(xué)成分二、離子類(lèi)型和離子半徑三、嚴(yán)密堆積原理四、配位數(shù)和配位多面體五、晶格類(lèi)型六、同質(zhì)多像的概念七、類(lèi)質(zhì)同像的概念八、礦物的化學(xué)式

一、地殼的化學(xué)成分人們不斷想了解地殼中元素的分布情況各種元素占的比例。美國(guó)科學(xué)克拉克根據(jù)采自全球5159個(gè)樣品分析結(jié)果計(jì)算出了16km厚地殼內(nèi)50種元素的平均質(zhì)量：克拉克值—元素在地殼中的平均質(zhì)量的百分比〔元素的豐度〕。

Ｏ46.30Na2.63前兩位74.45％Ｓi28.15K2.09前四位88.31％Al8.23Mg2.33前十位99.96％Fe5.63Ti0.57

Ca4.15H0.15

地殼主要元素克拉克值研討元素克拉克值的礦物學(xué)意義地殼中元素的豐度反映的是地殼的平均化學(xué)成分，決議著地殼中各種地質(zhì)作用過(guò)程的總的地質(zhì)背景。元素的豐度在一定意義上影響著元素在成巖成礦作用中的濃度，從而支配著礦物的生成。1.地質(zhì)作用各種元素的濃度受豐度的限制。2.豐度值高的元素構(gòu)成礦物種類(lèi)也多。O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg八種元素占地球總質(zhì)量的98.59%，它們構(gòu)成的礦物種占知礦物種數(shù)的絕大部分。這些礦物的數(shù)量最多，分布也最廣，是構(gòu)成地殼各類(lèi)巖石的主要礦物成分。礦物的構(gòu)成不僅與元素的相對(duì)數(shù)量有關(guān)，還決議于元素的地球化學(xué)性質(zhì)。有些元素的豐度雖然很低，但趨向于集中，可以構(gòu)成獨(dú)立的礦物種，并可以富集構(gòu)成礦床，如Bi、Hg、Ag、Au等，稱(chēng)為聚集元素。有些元素的豐度雖然遠(yuǎn)比上述元素高，但是趨于分散，不易聚集成礦床，甚至很少能構(gòu)成獨(dú)立的礦物種，而是經(jīng)常作為微量的混入物賦存在主要由其他元素組成的礦物中，如Rb、Cs、Ga。稱(chēng)為分散元素。

二、離子類(lèi)型和離子半徑礦物的化學(xué)成分是組成礦物的物質(zhì)根底，是決議礦物的根本要素之一。礦物的化學(xué)成分為兩種類(lèi)型：

一類(lèi)是由同種元素的原子自相結(jié)合組成的單質(zhì)，如金剛石〔C〕，自然金〔Au〕等等；另一類(lèi)是更為普遍的由兩種或兩種以上不同的化學(xué)元素組成的化合物,例如:石英(Si02)，剛玉(Al2O3)。在晶體中，質(zhì)點(diǎn)堅(jiān)持一定的間距，各自在一個(gè)不可進(jìn)犯的范圍，這個(gè)范圍看作是球形的，它的半徑被稱(chēng)為原子或離子的有效半徑。原子半徑和離子半徑變化的規(guī)律：1、對(duì)于同種元素的離子半徑來(lái)說(shuō)，陽(yáng)離子半徑總是小于原子半徑，而且正電價(jià)越高，半徑就越??；相反，陰離子半徑總是大于原子半徑，而且負(fù)電價(jià)越高，半徑就越大；〔失電子，半徑變??；得電子變大〕2、同族元素的原子半徑和離子半徑，都隨著周期數(shù)的添加而增大；3、同周期元素，隨著族次的添加，它們的原子半徑以及核外電子數(shù)一樣的陽(yáng)離子之離子半徑均隨之而減??；4、鑭系收縮和錒系收縮；5、鑭系以后元素的原子半徑和離子半徑，均與同一族中上一元素的相應(yīng)半徑近于相等〔Nb-Ta,Zr-Hf〕；離子類(lèi)型大多數(shù)礦物是離子化合物，其陰離子主要是氧和硫，而陽(yáng)離子那么多種多樣。根據(jù)外層電子構(gòu)型，將陽(yáng)離子分為三種為同的類(lèi)型：〔1〕惰性氣體型離子〔2〕銅型離子〔3〕過(guò)渡型離子ⅠⅡⅢⅠ-惰性氣體型離子Ⅱ-銅型離子Ⅲ-過(guò)渡型離子周期表左邊的堿金屬和堿土金屬以及一些非金屬元素的原子，失去或得到一定數(shù)目的電子成為離子時(shí)，其最外層電子構(gòu)造與惰性氣體的最外層電子構(gòu)造類(lèi)似，具有8個(gè)或2個(gè)電子，稱(chēng)為惰性氣體型離子。它們極易與氧結(jié)合生成氧化物或含氧鹽〔主要是硅酸鹽〕，構(gòu)成大部分造巖礦物。因此，地質(zhì)上常將這部分元素稱(chēng)為造巖元素，也稱(chēng)親石元素或親氧元素。Ⅰ-惰性氣體型離子周期表長(zhǎng)周期右半部的有色金屬和重金屬元素，失去電子稱(chēng)為陽(yáng)離子時(shí)，其最外層具有18個(gè)電子，與一價(jià)銅離子類(lèi)似，稱(chēng)為銅型離子。本類(lèi)離子的離子半徑小，外層電子多，易與S2+生成共價(jià)鍵為主的化合物，構(gòu)成主要的金屬礦物。因此將這部分礦物稱(chēng)為造礦礦物，也稱(chēng)親硫元素或親銅元素。Ⅱ-銅型離子最外層電子數(shù)在上述兩種類(lèi)型離子之間。它們的離子半徑和化學(xué)性質(zhì)也介于惰性氣體型離子與銅型離子之間。外層電子數(shù)愈接近8者親氧性愈強(qiáng)，易構(gòu)成氧化物和含氧鹽；愈接近18者親硫性愈強(qiáng)，易構(gòu)成硫化物；居于中間位置的Mn和Fe與氧、硫均能結(jié)合。Ⅲ-過(guò)渡型離子

三、

球體嚴(yán)密堆積原理在晶體構(gòu)造中，質(zhì)點(diǎn)間趨向于盡能夠地相互接近，構(gòu)成最嚴(yán)密堆積，以到達(dá)內(nèi)能最小，而使晶體處于最穩(wěn)定形狀。二維平面內(nèi)等大球體的最嚴(yán)密堆積留意兩種不同方向的空隙ABC兩層等大球體的最嚴(yán)密堆積留意：一種空隙被第二層球體全部蓋上，而另一種空隙沒(méi)有被蓋上，用“〞表示。ABC三層等大球體的最嚴(yán)密堆積留意：“〞空隙穿過(guò)了3層。ABC第一種方式是第三層球的位置反復(fù)第一層球的位置；即按ABAB……或ACAC……等兩層反復(fù)一次的規(guī)律反復(fù)堆積，此時(shí)球體在空間的分布恰好與空間格子中的六方格子一致，故這種方式的堆積稱(chēng)之為六方最嚴(yán)密堆積。放映動(dòng)畫(huà)A-layerB-layerC-layerA-layer第二種那么是第三層球堆積在既不反復(fù)第一層也不反復(fù)第二層球的位置上。即按ABCABC……或ACBACB……等三層反復(fù)一次的規(guī)律反復(fù)堆積。那么球體在空間的分布與空間格子中的立方面心格子一致。此種方式的堆積稱(chēng)之為立方最嚴(yán)密堆積。立方最嚴(yán)密堆積：ABCABC…..放映動(dòng)畫(huà)ABC等大球體最嚴(yán)密堆積中，球體之間依然有空隙?？障墩颊麄€(gè)空間的25.95%。

四面體空隙八面體空隙N個(gè)等大球體作最嚴(yán)密堆積時(shí)，產(chǎn)生N個(gè)八面體空隙和2N個(gè)四面體空隙。放映動(dòng)畫(huà)不等大的球體進(jìn)展堆積時(shí)，其中較大的球做最嚴(yán)密堆積，而較小的球那么依本身體積的大小填入其中的八面體空隙或四面體空隙中，構(gòu)成不等大球體的嚴(yán)密堆積。

HaliteClClClClNa石鹽四、配位數(shù)和配位多面體在晶體構(gòu)造中，原子或離子是按照一定方式與周?chē)脑踊螂x子相接觸的，每個(gè)原子或離子周?chē)钆R近的原子或異號(hào)離子的數(shù)目稱(chēng)為該原子或離子的配位數(shù)。以一個(gè)原子或離子為中心，將其周?chē)c之成配位關(guān)系的原子或離子的中心聯(lián)接起來(lái)，所獲得的多面體稱(chēng)為配位多面體。重要的是陽(yáng)離子的配位數(shù)。

四面體，配位數(shù)：4八面體，配位數(shù)：6在離子晶體中，配位數(shù)主要取決于陰陽(yáng)離子的半徑比。陽(yáng)離子的配位數(shù)陽(yáng)離子和陰離子的半徑比3468120.1550.2250.4140.7321陽(yáng)離子配位數(shù)和陽(yáng)離子與陰離子半徑比值〔RK/RA〕的關(guān)系當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，晶體構(gòu)造嚴(yán)密度降低，包容離子的空隙變大，為保證異號(hào)離子間能接觸，陽(yáng)離子通常轉(zhuǎn)入低配位空隙中，反之，在壓力大的環(huán)境中配位數(shù)會(huì)增高。如含鋁的硅酸鹽礦物Al3+配位數(shù)常為4，Al3+配位數(shù)常為6。一樣的化學(xué)成分，在不同環(huán)境中可以構(gòu)成不同的晶體。高溫條件下低溫或高壓五、化學(xué)鍵與晶格類(lèi)型化學(xué)鍵就是質(zhì)點(diǎn)間的作用力。具有不同化學(xué)鍵的晶體，在晶體構(gòu)造、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上都有很大的差別。1.

離子晶格－離子鍵在離子晶格中，各種元素的原子相互結(jié)合時(shí)，電子重新配置，電子從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子，從而構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的陽(yáng)離子和陰離子，它們之間靠靜電引力相互聯(lián)絡(luò)起來(lái)，從而構(gòu)成離子鍵。離子鍵使晶格具有最嚴(yán)密堆積，有較高的配位數(shù)；為了堅(jiān)持電性中和，異號(hào)離子堅(jiān)持一定的數(shù)量比例；質(zhì)點(diǎn)間的電子密度很小，對(duì)光的吸收較小，光子易經(jīng)過(guò)，表現(xiàn)為透明或半透明、低折射率和反射率、非金屬光澤、不導(dǎo)電等；晶體的機(jī)械性能、硬度、熔點(diǎn)較高。離子晶格遵守以下規(guī)那么：1〕在陽(yáng)離子周?chē)?，?gòu)成一個(gè)陽(yáng)離子配位多面體，陰陽(yáng)離子間距取決于它們的半徑之和，而配位數(shù)取決于它們的半徑之比。2〕陽(yáng)離子的電價(jià)為周?chē)年庪x子的電價(jià)所平衡。3〕當(dāng)配位多面體共棱，特別是共面時(shí)，會(huì)降低晶體構(gòu)造的穩(wěn)定性。對(duì)高電價(jià)配位數(shù)的陽(yáng)離子，這個(gè)效應(yīng)更明顯。4〕在晶體構(gòu)造中，有幾種陽(yáng)離子存在時(shí)，電價(jià)高、半徑小、配位數(shù)低的陽(yáng)離子趨向于遠(yuǎn)離。在晶體構(gòu)造中，晶體化學(xué)上不同的部分趨向于最小限制。2.原子晶格－共價(jià)鍵在此晶格中，原子以共用電子對(duì)的方式到達(dá)電子殼的穩(wěn)定。二原子的電子云發(fā)生重疊，因此使介于原子間的電子密度增高，構(gòu)成所謂的負(fù)電橋，把帶正電荷的原子核聯(lián)絡(luò)起來(lái)，從而構(gòu)成了結(jié)實(shí)的共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中共用電子對(duì)通常是由兩個(gè)原子供應(yīng)的，但也可以由一個(gè)原子單獨(dú)提供，構(gòu)成所謂的配位鍵。晶體構(gòu)造的嚴(yán)密程度比離子晶格低，配位數(shù)也??；不導(dǎo)電；透明或半透明；非金屬光澤；普通具有較高的熔點(diǎn)和較大的硬度。3.金屬晶格－金屬鍵金屬原子普通傾向于喪失電子，在金屬晶格中，這些電子作為自在電子而彌散于整個(gè)晶體中，失去了電子的金屬陽(yáng)離子為自在電子所聯(lián)絡(luò)，從而構(gòu)成金屬鍵。在晶體中有原子、陽(yáng)離子和自在電子共存。金屬鍵不具有方向性和飽和性，晶格做最嚴(yán)密堆積，具有較高的配位數(shù)。由于自在電子的存在，晶體為良導(dǎo)體，不透明，高反射率，金屬光澤，有延展性，硬度普通較小。4.分子晶格－分子鍵在分子晶格中，存在著中性分子，在分子內(nèi)部通常為共價(jià)鍵結(jié)合，分子之間為相當(dāng)弱的分子間力所聯(lián)絡(luò)。這是由于分子電荷分布不均勻而構(gòu)成偶極，從而在分子間構(gòu)成了電性引力。分子間力有三種類(lèi)型：1〕極性分子定向陳列；2〕非極性分子在構(gòu)造中，極化構(gòu)成極性分子；3〕分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的暫時(shí)偶極。分子晶體的物性，既取決于分子鍵，如低熔點(diǎn)、低硬度；也取決于分子內(nèi)部的鍵性，如不導(dǎo)電、透明、非金屬光澤等。

留意：在一些礦物中，只存在某種單一的鍵力，如自然金的金屬鍵，金剛石的共價(jià)鍵等。這樣的晶體被稱(chēng)為單鍵型晶體。對(duì)有過(guò)渡型鍵的晶體，兩種鍵性交融在一同不能明顯分開(kāi)的，從鍵本身來(lái)說(shuō)依然只是單一的一種過(guò)渡型鍵，也屬于單鍵型晶體。其晶格的歸屬，依占主導(dǎo)位置的鍵為準(zhǔn)。如金紅石中，Ti－O間的鍵性是以離子鍵為主，向共價(jià)鍵過(guò)渡的過(guò)渡型鍵，便歸屬于離子晶格。還有一些晶體，如方解石的構(gòu)造中，在C－O之間存在著以共價(jià)鍵為主的鍵性，而Ca－O之間那么為離子鍵，這兩種鍵性在構(gòu)造中是明顯分開(kāi)的，這類(lèi)晶體屬于多鍵型晶體。它們的晶格類(lèi)型歸屬，以晶體的主要性質(zhì)取決于哪種鍵性為劃分根據(jù)。六、同質(zhì)多象同種化學(xué)成分的物質(zhì)，在不同的物理化學(xué)條件下，構(gòu)成不同構(gòu)造的晶體的景象，稱(chēng)為同質(zhì)多象。同質(zhì)多象個(gè)變體之間的轉(zhuǎn)變溫度是較為固定的，所以某種礦物變體的存在或轉(zhuǎn)化過(guò)程，可以協(xié)助我們推測(cè)該礦物所存在的地質(zhì)體的構(gòu)成溫度，因此，稱(chēng)之為“地質(zhì)溫度計(jì)〞。SiO2同質(zhì)多像變體相圖同種物質(zhì)的同質(zhì)多象變體，依它們的構(gòu)成溫度從低到高，在其稱(chēng)號(hào)前冠以α－、β－、γ－。同質(zhì)多象的轉(zhuǎn)變分為可逆的和不可逆的兩種類(lèi)型。α－石英β－石英方解石文石同質(zhì)多象變體間構(gòu)造的差別，有如下幾種類(lèi)型：1〕配位數(shù)不同，構(gòu)造類(lèi)型也不同。2〕配位數(shù)不同，構(gòu)造類(lèi)型一樣。3〕配位數(shù)一樣，構(gòu)造類(lèi)型不同。4〕配位數(shù)、構(gòu)造類(lèi)型都一樣，僅晶體構(gòu)造上有某些差別。六、

類(lèi)質(zhì)同象1.類(lèi)質(zhì)同象的概念晶體構(gòu)造中某種質(zhì)點(diǎn)被它種類(lèi)似的質(zhì)點(diǎn)所替代，僅使晶格常數(shù)發(fā)生不大的變化，而構(gòu)外型式不變，這種景象稱(chēng)為類(lèi)質(zhì)同象。類(lèi)質(zhì)同象混合物是一種固熔體。所謂固熔體實(shí)指在固態(tài)條件下，一種組分溶于另一種組分之中，而構(gòu)成均勻的固體。它可以經(jīng)過(guò)質(zhì)點(diǎn)的替代而構(gòu)成“替代固熔體〞；也可以經(jīng)過(guò)某種質(zhì)點(diǎn)侵入它種質(zhì)點(diǎn)的晶格空隙而構(gòu)成“侵入固熔體〞。在類(lèi)質(zhì)同象混晶中，假設(shè)兩種質(zhì)點(diǎn)可以恣意比例相互取代，那么稱(chēng)為完全的類(lèi)質(zhì)同象，它們可以構(gòu)成一個(gè)延續(xù)的類(lèi)質(zhì)同象系列。斜長(zhǎng)石系列鈉長(zhǎng)石————————鈣長(zhǎng)石假設(shè)兩種質(zhì)點(diǎn)的相互替代局限在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，稱(chēng)為不完全的類(lèi)質(zhì)同象，它們不能構(gòu)成延續(xù)的類(lèi)質(zhì)同象系列。鉀長(zhǎng)石系列鈉長(zhǎng)石————————鉀長(zhǎng)石2.類(lèi)質(zhì)同象替代的條件(1)內(nèi)因1)原子或離子半徑構(gòu)成類(lèi)質(zhì)同象的容積條件。當(dāng)兩種質(zhì)點(diǎn)的半徑差不超越較小質(zhì)點(diǎn)的半徑之15%時(shí)，就可以在晶體構(gòu)造中相互替代。10－15%普通構(gòu)成完全類(lèi)質(zhì)同象20－25%在高溫時(shí)構(gòu)成完全類(lèi)質(zhì)同象，當(dāng)溫度下降時(shí)，固熔體就發(fā)生離溶。25－40%在高溫下也只能構(gòu)成不完全類(lèi)質(zhì)同象，在低溫時(shí)更不能構(gòu)成類(lèi)質(zhì)同象。2)離子類(lèi)型與鍵性惰性氣體型離子多構(gòu)成離子鍵結(jié)合，而銅型離子的化合物那么以共價(jià)鍵為主。離子類(lèi)型不同的不易相互替代。3)離子電價(jià)對(duì)離子化合物來(lái)說(shuō)，替代與被替代的離子電價(jià)總和必需堅(jiān)持不變。4)晶格能量假設(shè)干替代后使晶格能量下降，那么晶體容易穩(wěn)定，這樣的替代容易發(fā)生；相反替代后能量添加，那么替代不易發(fā)生。5)構(gòu)造單位堆積嚴(yán)密程度在晶體構(gòu)造中的離子假設(shè)堆積嚴(yán)密程度越差，那么對(duì)類(lèi)質(zhì)同象的容量越大，類(lèi)質(zhì)同象替代種類(lèi)越多。(2)外因1)溫度溫度增高利于