矿物的内部结构和化学成分.ppt

第二部分 矿物的化学成分和内部结构,矿物的化学成分和内部晶体结构,矿物的物理性质和化学性质,矿物中离子、分子或原子在晶体内的分布规律,一、地壳的化学成分 人们一直想了解地壳中元素的分布情况各种元素占的比例。美国科学克拉克根据采自全球地5159个样品分析结果计算出了16km厚地壳内50种元素的平均质量百分含量，以克拉克值来表示。 克拉克值元素在地壳中的平均质量的百分比（元素的丰度）。,地壳主要元素克拉克值,研究元素克拉克值的矿物学意义,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的总的地质背景。元素的丰度在一定意义上影响着元素在成岩成矿作用中的浓度，从而支配着矿物的生成。,1.地质作用各种元素的浓度受丰度的限制。 2.丰度值高的元素形成矿物种类也多。,O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg八种元素占地球总质量的98.59%，它们构成的矿物种占已知矿物种数的绝大部分。,二、元素的离子半径及离子类型,1、离子半径的几个规律,阴离子半径一般较大，阳离子一般较小,在周期表上，同一族元素的离子半径自上而下，随周期数增加而加大,核外电子数不变，同一周期，自左向右，半径迅速变小,La系（LaLu）收缩现象。,惰性气体型离子 （ns2np6，1s2）,铜型离子 （ns2np6nd10）,过渡型离子（ns2np6nd1-9）,2、元素的离子类型,惰性气体型离子 （ns2np6，1s2）,1、哪些属于此类型？（在周期表中的分布）,-惰性气体型离子区；,2、特点：,外电子层轨道满（ns2np6，1s2），不易变价；,元素的电负性小，趋于形成离子键；,常形成卤化物、氧化物或含氧盐； 萤石（CaF2) 石英（SiO2) 方解石（CaCO3) 钾长石（KAlSi3O8),铜型离子 （以Cu为代表）,1、哪些属于此类型？（在周期表中的分布）,-铜型离子区；,2、特点：,外电子层轨道满（ ns2np6nd10 ； ns2np6nd10 （n+1）s2），不易变价；,元素的电负性较大，趋于形成共价键；,常形成硫化物或含硫盐， 辉铜矿（Cu2S) 方铅矿（PbS) 闪锌矿（ZnS）,过渡型离子（ns2np6nd1-9）,1、哪些属于此类型？（在周期表中的分布）,过渡型离子区,2、特点：,外电子层轨道不满，易变价；（Fe2+和Fe3+),电负性介于以上二者之间，键性趋于过渡；,元素最外层电子接近8的，易与氧结合，即亲氧性强， 元素最外层电子接近18的，易与硫结合，即亲硫性强；,此种离子构成的化合物常呈现一定的颜色，故称其为色素离子或致色离子(如Cr3使红宝石致红色，翡翠致绿色等）,不同价态的同种元素可能分属不同的离子类型 过渡型离子过渡元素离子,注意,三、矿物的化学键、晶格类型及性质,四、晶体结构的紧密堆积原理 球体的最紧密堆积,晶体结构,球体堆积,Why ?,具有一定有效半径的离子或原子 刚性小球,金属键和离子键都没有方向性和饱和性,晶体中原子或离子的化合遵循内能最小的原则,单元素晶体 等大球体 化合物 不等大球体,1、等大球体的最紧密堆积（方式一）,A,B,注意： 第三层球的堆积位置有两种（A或B）,第一种方式是第三层球的位置重复第一层球的位置；即按ABAB两层重复一次的规律重复堆积。 此时球体在空间的分布恰好与空间格子中的六方格子一致，故这种方式的堆积称之为六方最紧密堆积。,两层重复ABABAB 最紧密堆积面（0001）,六方最紧密堆积,1、等大球体的最紧密堆积（方式二）,A,B,注意： 第三层球的堆积位置有两种（B）,第二种则是第三层球堆积在既不重复第一层也不重复第二层球的位置上。即按ABCABC三层重复一次的规律重复堆积。 则球体在空间的分布与空间格子中的立方面心格子一致。此种方式的堆积称之为立方最紧密堆积。,三层重复 ABCABCABC 最紧密堆积面（111）,立方最紧密堆积,X,八面体空隙,四面体空隙,最紧密堆积 空隙率25.95% 当n个球做最紧密堆积时,四面体空隙数=2n 八面体空隙数=n,空隙的类型和数目,A空隙,B空隙,2、不等大球体的最紧密堆积,阴离子作最紧密堆积 阳离子充填其空隙,最紧密堆积原理可适用于许多晶体结构， 特别是金属晶格和离子晶格,配位数 (coordination number C.N.),每个原子或离子周围与之呈配位关系的原子或异号离子的数目,配位多面体(coordination polyhedron),以任一原子或离子为中心，将其周围与之呈配位关系的原子或异号离子的中心联线所形成的几何图形,影响配位数的因素,质点的相对大小，堆积的紧密程度及质点间化学键的性质,3 配位数和配位多面体,配位数由金属键 离子键 共价键 降低,金属键且做最紧密堆积时具最高配位数（12）,典型共价键或以共价键为主的单质或化合物都 具有最低的配位数（CN=3,4),离子化合物晶体，配位数大小主要取决于阴、阳 离子半径的比值,r1,r2,=0.414,r1阳离子半径 r2阴离子半径,当环境温度升高时，晶体结构紧密度降低，容纳离子的空隙变大，为保证异号离子间能接触，阳离子通常转入低配位空隙中。 反之，在压力大的环境中配位数会增高。,温度增高 配位数减小 压力增大 配位数增高。,影响配位数的外因：,如夕线石（高温）Al3的配位数为4; 蓝晶石（高压） Al3的配位数为6；,配位多面体的自我调整,常见阳离子的配位数及配位多面体,配位数及配位多面体的形状,配位多面体的连接方式,晶体结构可视为由配位多面体 相互联结而成的体系,五、同质多象,1、概念,同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件 下，形成不同结构的晶体的现象,石墨和金刚石结构及物性对比,附加说明,同质多象的每一种变体都是矿物学中独立的矿物种 单独命名,同种物质的同质多象变体根据它们的形成温度从低到高在其名称或成分之前冠以-, -, -等希腊字母,2、 同质多象变体的转变地质温压计,可逆转变 -石英-石英 573 不可逆转变 文石 方解石 石墨 金刚石,-石英 柯石英,700，2.8GPa,副像现象：一种变体继承了另一种变体之晶形的现象,六 类质同象,1 概念,晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）被其他类似的质点所代替，仅晶格常数发生不大的变化，而结构型式并不改变的这种现象,MgCO3(Mg,Fe)CO3(Fe,Mg)CO3FeCO3 菱镁矿 含铁的菱镁矿 含镁的菱铁矿 菱铁矿,ZnS(Zn,Fe)S Fe Zn26%,共同结晶成均一的、呈单一相的混合晶体（类质同像混晶）,白云石(CaMgCO3),?,2 分类,完全的类质同象：两种质点可以任意比例相互取代,有限类质同象：两种质点的相互代替局限在一个有限 的范围内,异价的类质同象 Na+Ca2+ Al3+Si4+,等价的类质同象 Fe2+Mg2+ Fe2+Zn2+,根据不同组分在晶格中的替代范围,根据晶格中的相互替代的离子电价是否相等,（保持晶格的电中性）,3 类质同象的形成条件,内因,原子和离子半径,(r1 - r2 ),15%时,完全的类质同象,r2,(r1 - r2 ),15-30%时,高温完全类质同象 低温有限类质同象,r2,(r1 - r2 ),30%时,高温有限类质同象 低温不形成类质同象,r2,（大小尽可能接近）,离子电价,不同的方式(如下）,总电价平衡,简单的代替 橄榄石 Mg2+Fe2+,成对的代替,不等量的代替 云母中 2Al3+3Mg2+ 3Mg2+2Al3+,斜长石 Na+Si4+Ca2+Al3+,磷灰石 Ce3+Na+2Ca2+,萤石 Ca2+Y3+F- 绿柱石Li+Cs+Be2+,离子类型和化学键,离子类型相同，化学键相近,Ca2+(0.100nm) Hg2+(0.102nm),Al3+(0.026nm) Si4+(0.039nm) Si-O(0.161nm) Al-O(0.176nm),外因,温度增高有利于类质同象的产生，而温度降低则 将限制类质同象的范围并促使离溶,压力增大将限制类质同象代替的范围并促使其离溶,组分浓度 满足矿物组分之间的量比,4、研究类质同象的意义,有助于阐明矿物床中元素赋存状态、寻找稀有分散元素、进行矿床的综合评价 有助于了解成矿环境。 类质同象代替所引起的矿物化学成分的规律变化，必然会导致矿物的一系列物理性质（如颜色、光泽、条痕、折光率、比重、硬度、熔点等等）的规律变化，系统地研究这些规律变化的相互关系就可以使我们根据矿物物性的测定来确定矿物组分的变化,七、水在矿物中的存在形式,根据水是否参加矿物晶格而把水分为三类 不参加矿物晶格的水：吸附水 参加矿物晶格的水：结晶水和结构水 过渡类型的水：层间水和沸石水,中性水，不带电荷，不进入矿物晶体结构，存在于矿物的表面、裂隙中，失水温度很低（0-110之间）。含量不固定，随环境温度和湿度而变，不计入化学式(胶体水除外)。吸附水的存在不影响矿物的结构,吸附水,以中性水分子的形式存在于晶体结构中，有固定的位置和配位数，有固定的含量，失水温度高（200-500），失水后不再获得，并影响矿物的结构和性质。 结晶水多出现于具有大半径络阴离子的含氧盐矿物中，有一个或几个固定的脱水温度 ，如 Cu SO4 5H2OCu SO4 3H2OCuSO4 H2OCuSO4 胆矾 三水胆矾 泼水胆矾 铜锭石,30C,100C,400C,结晶水,结构水,以H+, H3O+, (OH)-形式存在于晶体结构中。有固定的位置和确定的含量比 ，失水温度高（500/600-1200），失水后，很难重新得到。失水后，离子发生重新排列，变为另一种矿物. 矿物中结构水的作用 （1）平衡晶体中多余的电荷 （2）充填结构空隙 高岭石 Al4Si4O10(OH)8,层间水和沸石水,以中性水分子的形式存在于层状硅酸盐结构单元层之间（层间水）或架状结构硅酸盐沸石族矿物结构的孔隙和空洞中（沸石水）。参与晶格但含量与吸附阳离子的种类以及环境的温度和湿度有关，介于结晶水和吸附水之间。 有一定的配位数，失水后，矿物结构基本不变，只是矿物的物理化学性质发生一些变化，失水温度低，失水后可以重新获得,八、矿物的化学式,1、矿物化学式的表示方法,实验式：表示组成矿物的元素种类及其原子数之比 仅表示出组成矿物的元素种类及其原子数之比 忽略了矿物中的次要组分 不能反映原子在矿物结合中的关系。,晶体化学式: 表明矿物中各组分的种类及数量比及 其在矿物结构中的占位,黄铁矿 FeS2 绿柱石 Be3Al2Si6O18或3BeO Al2O3 6SiO2,石膏 CaSO42H2O 绿柱石 Be3Al2Si6O18,矿物的晶体化学式可以反映出成分与结构的关系!,2、晶体化学式的写法,阳离子写在化学式的开始，在复盐中的阳离子要用碱性 的强弱顺序排