矿物的化学成分之资料.ppt

本节内容 1.矿物的化学成分类型 2.胶体矿物化学特征 3.矿物中水的类型划分 4.矿物化学式的书写和计算 5.地壳的化学成分及元素的地球化学特征,四、矿物的化学式及其计算 矿物的化学式是以单矿物的化学全分析所得的相对百分含量为基础 计算出来的。 一）矿物化学式的表示方法 1、实验式法 实验式只表示矿物化学成分中各种组分数量比而不反映原子在矿物中相互结合的关系。 实例： 黄铜矿：CuFeS2 ，绿柱石Be3Al2Si6O18, 对于含氧盐矿物，也可以用氧化物的组合形式来表示，如绿柱石可以写成 3BeO.Al2O3.6SiO2,1）矿物实验式的计算方法 先用单矿物化学全分析所得到的各组分质量分数除以各相应组分的原子量（分子量），将所得的商化为简单的整数比，最后用这些整数标定各相应组分的相对含量。,2）该方法的特点 计算简单，书写方便，便于记忆。 3）该方法的缺陷 实验式不能反映出矿物中各组分之间的相互结合关系，对于成分复杂的矿物，还可能引起误解。 实例： 绿柱石Be3Al2Si6O18, 当用氧化物(3BeO.Al2O3.6SiO2)表示时容易引起误解（其中并不含有氧化物）。因此矿物学中普遍采用的是结构式。,2、结构式法 目前在矿物学中普遍采用“晶体化学式”(或称结构式)。晶体化学式既表明矿物中各组分的种类，又能反映矿物中各原子间的结合情况，书写方法如下： 1）单质矿物 用元素符号表示；若有类质同象代替，则按照数量由多到少排列，并用圆括号括起来，用逗号分开。 2)对于金属互化物 按照金属性递减的顺序从左到右排列，如砷铂矿-PtAs。,3)对于离子化合物 书写基本原则是阳离子在前，阴离子在后。 阳离子写在化学式前面，复盐中的阳离子按碱性的强弱顺序排列；当阳离子为同一元素而具有不同价态时，则按照电价由低到高排列。 阴离子或络阴离子写在阳离子的后面；络阴离子用方括号 括起来。 附加阴离子通常写在主要阴离子或络阴离子的后面。 如磷灰石。 互为类质同象代替的离子用圆括号（）括起，之间用逗号分开，含量较多的元素写在前面，少者在后。,4）矿物中水的书写方式 结构水 写在矿物化学式的最后面，如高岭石Al4Si4O10(OH)8 结晶水 写在与之相联系的阳离子后面，并用圆括号括起来。如Ni(H2O)6SO4 沸石水 写在化学式的最后面，用圆点分开，其含量以其上限为准。 如钠沸石：Na2Ai2Si3O10.2H2O,层间水 用圆括号括起来,写在可交换的阳离子后面， 如钠蒙脱石：Na0.33(H2O)4(Al1.67Mg0.33)Si4O10(OH)2 吸附水 在结构式中不用表示。其中的胶体水因为含量不定，以nH2O或aq表示，写在最后，也用圆点分开，如蛋白石SiO2.nH2O。 二、结构式的计算方法 结构式的计算最常用的方法是以氧原子数为基准的氧原子计算法，其计算方法如下：,计算步骤 1)将矿物化学全分析结果各组分以氧化物质量百分数表示，并在总量中扣除不纯物质和烧失量(b项)； 2)以总量为100换算出的各组分相应的质量百分数(c项)； 3)求出各组分的分子量(d项)； 4)将各组分的质量百分含量除以分子量求出各组分的分子数(cd)(e项)； 5)氧原子系数的计算:用每个组分的分子数乘上该组分中的氧原子系数，求出每个组分的氧原子数 (f项)；,6)阳离子数的计算:用每个组分的分子数乘上该组分的阳离子数，求出每个组分中的阳离子数(g项)； 7) 统计氧原子数总和。 8）已知钠长石的晶体化学式Na(AISi3O8中氧原子数为8，用氧原子总和除以8则得公约数，再以此值分别去除各阳离子元素的原子数(g项)，求出氧原子为8时各阳离子元素的原子数比(i项)。 9)参照钠长石通式并分析类质同象代替关系写出该钠长石的晶体化学式为： (Na 0.9587K0.0184Ca0.0111)0.9889Al1.0333Si2.974908,例1 某钠长石的化学全分析和晶体化学式的计算,结构式为 (Na 0.9587K0.0184Ca0.0118)0.9889Al1.0333Si2974908,例2 某黄铁矿结构式计算(硫原子数为基准),1)将黄铁矿化学全分析结果按100进行修正； 2)以修正后的各元素质量百分比除以原子量求得原子数； 3)根据黄铁矿的一般化学式FeS2，设S的原子数为2，相应地求出其它元素的原子数比率(如Co=（0.0004÷1.6734）20.0005)。 4)根据元素的晶体化学性质判断Co、Ni与Fe为类质同象关系，其化学式为：(Fe0.9914Co0.0005Ni0.0002)0.9921S2,五、地壳的化学成分及元素的地球化学特征 一）地壳的化学成分 矿物是地壳中各种地质作用的产物，是地壳中各种化学成分分散、聚集、迁移、结合的结果。 地壳的化学成分是形成各种矿物的物质前提，矿物的化学成分是地壳中化学成分的一种体现。,1地壳中化学元素的丰度（元素的含量） 元素周期表中的绝大多数元素在地壳中都可以找到，但是各种元素在地壳中的含量却有很大的差异。 美国学者克拉克(FWclark)从1882年起，对地壳中主要的、分布最广的元素进行了系统的计算。 他与华盛顿(HSwashington)于1924年最先提出了地壳中50余种化学元素的平均含量表。,随后许多研究者根据自己的研究成果对其作了进一步的补充和更正，或者另行编制了地球化学元素丰度表。但就地壳中分布最广泛、丰度较大的元素来说，其相对差别不大。 克拉克值 为了纪念克拉克的功绩，苏联学者费尔斯曼提议，把地壳中化学元素平均含量的质量百分数称为“克拉克值”，或称“质量克拉克值”。,原子克拉克值 由于各元素的原子量不同，质量克拉克值的概念还不能如实反映地壳中元素的相对多少，而元素参加化学反应时，原子数目起着决定性的作用。 1911年前苏联科学院院士、地球化学家、矿物学家 AE费尔斯曼进行了元素的原子克拉克值的换算。 将每一元素的质量克拉克值除以该元素的原子量得出元素的原子因数，然后将各种元素的原子因数化为百分数即为该元素的原子克拉克值。,注解： 各种元素在地壳中的丰度相差很大，丰度最大的元素(O46.6)和已知丰度最小的元素(Rn7×l0-16)在质量上相差达1017倍之多。 O、Si 、A1、Fe、Ca、Na、K、Mg八种元素占了地壳总质量的98.59，其中O近乎占地壳质量的一半（46.6），Si占四分之一多（26.7）。 将质量百分比换算为原子百分比，考虑到元素离子半径的差异，再换算为体积百分比时，还可看到更有意义的特征，见下表。,注解： 从原子堆积的角度来看，地壳基本上是由O的阴离子堆积而成，金属离子(主要是Si、Al、K、Na、Ca，Mg等)充填在其空隙之中。,2、地壳中元素丰度高低不同的原因分析 根本原因在于各元素原子核的结构和稳定性不同。 随着原子序数(z)的增大，核内质子间的斥力的增加大于核力的增加，核内的结合能降低，原子核趋于不稳定，元素的丰度也降低。 因此丰度高的元素分布于周期表的开端部分，自Co(z27)以后，元素丰度有显著降低。,3研究地壳中化学元素丰度的矿物学意义 地壳中元素的丰度反映的是地壳的平均化学成分，决定着地壳中各种地质作用过程总的物质背景。 元素的丰度大小在一定程度上影响着元素在成岩、成矿作用中的浓度，从而支配着新矿物种的生成。,在实验室里可以合成的化合物数以十万计，而地质作用中生成的化合物(矿物)数目却很有限，除因与矿物的形成和稳定条件以及与元素在地壳中只出现有限的原子价态有关外，也与地质作用中各元素的浓度受丰度的很大限制有关。 实例： Na、K、Rb、Cs具有相似的化学性质，由于Na和K在许多地质作用中都可以有较大的浓度，可以形成许多独立的矿物;而Rb和Cs的丰度值低，总是难于达到饱和浓度，很难形成自己的独立矿物。,从已知矿物种的数目来看，丰度值高的元素形成的矿物种也多。 由前所列的八种元素是地壳中丰度最大的元素，它们构成的矿物种数占已知矿物种数的绝大部分。 这些矿物的数量最多，分布也最广，是构成地壳各类岩石的主要矿物成分。,4、聚集元素与分散元素 1）聚集元素概念 矿物的形成不仅与元素在地壳中的相对数量有关，还决定于元素的地球化学性质。有些元素丰度虽然很低，但趋向于集中，可以形成独立矿物种，并可以富集成矿床，这些元素称为聚集元素。 2）分散元素概念 有些元素丰度虽然较高，但趋向于分散，不易聚集成矿床，甚至很少能形成独立矿物种，而是作为微量混入物赋存在由其它元素组成的矿物中，称为分散元素。如Rb、Cs、Ga、In等。,5、矿物化学成分变化的原因 根据化学成分特征，矿物分为两种类型： 单质和化合物。 无论是单质或化合物类矿物，其化学成分都不是绝对固定不变，通常在一定的范围内有所变化，引起矿物化学成分变化的原因主要有： 对晶质矿物而言，主要是元素类质同象代替。 对胶体矿物来说，主要是胶体的吸附作用。 某种矿物成分中含有的混入物，除因类质同象代替和吸附而存在的成分外，还包括一些以显微(及超显微)包裹体形式存在的机械混入物。,6、元素的地球化学分类 元素在矿物中的结合主要取决于两种因素：其一是元素本身的性质(原子结构及其特性)；其二是矿物结晶时的物化环境条件（地质环境、物理化学条件等）。 元素的地球化学分类是在元素周期表分类的基础上，结合其地球化学行为和元素在矿物中的组合特征进行分类。 1）惰性气体族 包括氦氖氩氪氙氡，具有稳定的8（或2）电子外层结构，一般作为气体单质存在于大气中。,2）氢 在还原状态下，为原子状态的气体，在氧化态下为OH-离子，成为某些含氧盐和氢氧化物的组成部分；有时也以中性的水分子参与构成晶格。 3）主要造盐（岩）元素族 包括锂钠钾铷铯 铍镁钙锶钡 铝硅，这些元素可形成稳定的8电子惰性气体型离子。具有较大的半径，较弱的极化能力，容易以离子键与阴离子结合。 通常与氧结合形成氧化物或含氧盐（特别是硅酸盐），组成大部分造岩元素（亲石元素，亲氧元素）,硅与氧结合可形成石英，同时可与钠、钾、钙、镁、铝一起形成硅酸盐（如长石、云母、角闪石等）。 钙与氧、碳一起形成碳酸盐（方解石）构成主要的造盐岩矿物，这些矿物占地壳总重量的95%，另外也可以形成卤化物矿物（如萤石） 铷、铯、锶、钡的克拉克值较低，常呈现分散状态，在矿物中呈类质同象混入物存在。 锂和铍具有小的离子半径，多见于伟晶作用形成的矿物中（如锂云母、 绿柱石）。,4）矿化剂族 硼、碳、氧、氟、磷、硫、氯主要形成简单的阴离子或络阴离子，对各种盐类矿物的形成起重要的作用。 硼、氟、硫、氯、碳与水相伴成气体，可大量出现在火山喷气中，并相应形成与火山喷气有关的矿物（自然硫、硫化物、卤化物及碳酸盐矿物）。 在地壳一定深度条件下，这些元素可与侵入体的围岩发生变质作用，形成接触变质矿物，在深度很大的岩浆体中，可促进伟晶岩矿物的形成；在外力作用过程中形成各种含氧盐及盐类矿物。,硼除见于伟晶岩矿物（电气石）外，常呈含水硼酸盐（主要是钠和钙的含水硼酸盐）出现在含硼岩层中 ，它的出现与火山活动有关。 碳除了形成金刚石和石墨外，还与造岩元素和部分的铁锰等元素形成碳酸盐，广泛存在于外力作用及部分热液作用的产物中。 氮和氧是大气的组成部分，氮可成为硝酸盐类矿物的组成部分。,氧具有较大的电负性，容易接受电子成为阴离子，同时氧的半径较小，对阳离子有较大的亲和力，易与阳离子通过离子键结合。 在岩石圈内，越接近地表，氧的含量越高。在地表处由于氧化作用强烈，大多形成新的氧化物、氢氧化物、硫酸盐及其它富氧的化合物。 硫离子由于电负性小（相对氧），半径大，容易与亲硫的重金属元素相结合，形成具有明显共价键或金属键的化学键。 在还原条件下，S2-是相对稳定，可形成方铅矿（PbS）雌黄铁矿（Fe1-XS）、辰砂（HgS）等简单硫化物。,S22- 是黄铁矿和白铁矿的组成部分，两个负电荷分别属于两个硫离子，说明黄铁矿是在比雌黄铁矿氧化较强的条件下形成的。 S0中性的，是硫离子进一步氧化产生，在高温时以气体形式存在，低温时则生成自然硫（火山喷发）。 S4+ 、S6+是在显著氧化条件下形成的， S4+ 以SO2的气体形式见与火山作用的喷气中；S6+则形成硫酸盐，是表生作用的产物。 氟和氯是岩浆中易挥发的组分，可见于火山作用的喷气中；也可以附加阴离子的形式存在于硅酸盐矿物（黄玉、云母）或磷酸盐矿物（磷灰石）。 磷主要以磷酸盐矿物的形式存在。,5）铁族元素 钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍为铁族元素，在元素周期表中的位置和性质介于造岩元素和造矿元素之间的过渡地位，称为过渡元素，其形成的离子外层具有818个电子，属于惰性气体离子和铜型离子之间的过渡类型。 钪、钛、钒、铬倾向于同氧结合，其中钪主要呈分散状态出现在硅酸盐矿物中。 钴和镍主要呈硫化物及其类似化合物形式出现，显示出明显的亲硫性，铁、锰既亲氧又亲硫，显示出双重特性。,6）稀有金属元素族 包括钇、稀土、锆、铪、铌、钽，这些元素可出现在某些稀有元素矿物中，可以形成复杂的氧化物和含氧盐。主要以矿物的主要成分或以类质同象的形式存在。 7）放射性元素 钫、镭、锕、钍、镤、铀属于该族元素，可以硅酸盐或氧化物矿物的形式存在，同时也可呈类质同象的形式存在，在氧化条件下形成各种含氧盐。,8）钨钼族 钨、钼、碍、铼。 钨、钼在成因上与酸性岩浆有关，多为高温热液作用的产物。 钨主要形成氧化物和钨酸盐（白钨矿CaWO4）（黑钨矿（MnFe）WO4），钼则主要形成硫化物（辉钼矿MoS2），铼则以类质同象的形式存在于辉钼矿中。 9）铂族元素 包括钌、铑、钯、锇、铱、铂元素。在自然界以自然金属元素的形式存在，同时也可以形成硫化物、砷化物等。,10）金属矿床成矿元素族 铜、银、金、锌、镉、汞、镓、铟、锗、锡、铅属于这族元素，这族元素常形成金属矿床，所以称为造矿元素. 这些元素最外层具有18个电子，为铜型离子，由于这些元素容易与硫结合，因此也叫亲硫元素。 锡在自然界一般以氧化物的形式出现（锡石SnO2）只有在还原条件下才形成两价锡的硫化物。,11）半金属和重矿化剂族 砷、锑、铋、硒、碲、卜属于该族元素，半金属元素砷、锑、铋可与硫结合成络阴离子，再与铜、银、铅等阳离子结合成硫盐矿物。 另外也可作为简单硫化物出现，在还原条件下，可形成单质的自然金属。 硒可在硫化物中代替硫，以类质同象的形式出现，碲可与铋、铅、汞、金、银、铜等结合为独立矿物。,12）重卤素族 溴、碘和砹属于这族元素。溴碘可以分散的状态成为含氯矿物的类质同象的混入物。 一部分也可以稀有的溴化物和碘化物的形式见于金属矿床的氧化带、在沙漠气候的强氧化条件下可以形成铜、钙、铅的可溶性碘酸盐。,你知道么 ？关于稀土元素 在元素化学里，有一系列性质非常接近的金属元素被称为稀土元素。 这一系列中包括了十五个镧系元素-镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)；以及和这些同族而性质相似的两个更轻的元素：钪（Sc）和钇（Y）。 这一系列元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是当时对不溶于水的金属氧化物的统称，因此得名稀土（Rare earth）。 在这十七个元素里面，钪的排位是最靠前的，原子序数只有21，不过就发现而言，钪比他在元素周期表上面的左邻右舍都要晚了差不多上百年，即使在稀土里面，钪的发现也不是较早的，排列在钇、铈、镧、铒、铽和镱后面，名列第七。作为最轻的先锋官，他的出场委实晚了一些。 原因很简单，钪在地壳里的含量并不高，只有5*10-6，也就相当于每一吨地壳物质里面有5克（一小块德芙巧克力或者大白兔奶糖），不但和其他轻元素相比要低不少，在整个稀土元素中含量也仅属中等，大概只有他最富裕的兄弟铈的1/10。另外，稀土元素感觉很有点集体领导的意思，他们的矿藏仿佛是在开政治局会议一样，只要一开会，这一伙元素就往往要全部列席会议。,本节作业 1.矿物的化学成分类型有哪些？ 2.胶体矿物的性质有哪些？与晶体矿物有何区别？ 3.矿物中水的类型有哪些？ 4.简述矿物晶体化学式的书写和计算方法？ 5.概念：克拉克值 原子克拉克值 聚集元素 分散元素 6.在地壳中含量较多的八种元素、矿物大类及含量最高的四种矿物分别是哪些？解释矿物化学成分变化的原因。 7.了解惰性气体型离子、过渡型离子及铜型离子的地球化学性质,