矿物的化学成分.ppt

绪论 矿物和矿物学的概念 一 矿物和矿物学的概念 1 矿物 mineral 是由地质作用或宇宙作用所形成的 具有一定的化学成分和内部结构 在一定的物理化学条件下相对稳定的天然结晶态的单质或化合物 它们是岩石和矿石的基本组成单位 金刚石晶体 紫水晶晶洞 赤铁矿集合体 辉钼矿集合体 阳起石放射状集合体 花岗岩手标本 2 矿物学 是研究天然矿物的一门学科 其研究内容不仅包括矿物的成分 结构 形态 性质 成因 产状和用途 还研究矿物在时间和空间的分布规律及其形成和变化历史 矿物学是地质学科中最基本的学科之一 它是岩石学 矿床学 地球化学 构造地质学 地史学 水文地质学 工程地质学等学科的基础 而且与结晶学 数学 物理学和化学等基础科学密切相关 由此可见 学好本门课程是十分重要的 2 矿物学发展简史矿物学是一门古老而近代又得到了迅速发展的学科 它在发展过程中 曾经经历过几次深刻的变革 其发展与变革都是与生产的发展以及新理论 新方法的引进密切相关 矿物学的发展可划分为以下四个阶段 1 萌芽阶段 早在原始社会的石器时代 人们就开始利用矿物和岩石制作生产工具和装饰品 从奴隶社会到封建社会开始应用金属 并由铜器时代向铁器时代过渡 说明当时各种金属矿产以大量开采 矿冶事业得到发展 世界上最早技术矿物原料的书籍首推中国的 山海经 成书于春秋末战国初 即公元前475年前后 该书中提到80多种矿物 岩石 矿石的名称 这个时期的总特点是对矿物肉眼鉴定外表特征为主 2 描述矿物阶段 19世纪中叶 在化学元素学说 原子 分子学说 组成化合物原子的配比定律和门捷列夫周期表的提出之后 借助化学分析 偏光显微镜及晶体测角仪等方法开始系统的研究矿物 使矿物得以迅速发展 形成了独立的科学 这个阶段矿物学总的特点是对矿物种的描述和鉴定 且基本上是宏观的研究 3 从宏观研究进入到微观研究的新阶段 19世纪末 1895年 伦琴发现了X射线后 1912年劳埃用晶体作为光栅 发现了晶体对X射线的衍射现象 使人们获得了用实验方法研究晶体内部结构的重要手段 从而使矿物学从宏观研究跃进到微观研究的新领域 4 现代矿物学阶段 最近二十年来 由于物理学 化学中的一些近代理论如晶体场理论 配位场理论 分子轨道理论 能带理论被应用于矿物学研究 一系列电子光学和激光测试技术的引入 各种波谱手段的建立 矿物热力学性质数据测定新技术 特别是高温超压等实验技术的实现 电子计算机技术的配合使用 等等 促使矿物学发生了全面深刻的变化 导致矿物学的第四次变革 使矿物学进入近代矿物学阶段 中国自建国以来 矿物学得到迅速发展 1950年发现了我国第一个新矿物 香花石 至今陆续发现并被国际矿物学会 IMA 通过的中国新矿物已达数十种 3 矿物学与其他学科的关系 化学组成变化 化学组成基本固定的矿物 非化学计量矿物 化学组成不固定的矿物 类质同象矿物 含层间水和沸石水矿物 胶体矿物 如NaCl Mg OH 2 如Fe1 xS 矿物的化学组成 一 地壳的化学成分矿物是地壳中各种地质作用的产物 所以地壳的化学成分限制了矿物的化学成分 丰度是元素在地壳中的平均含量 美国的克拉克和华盛顿1882年提出了地壳中50多种化学元素平均含量表 把地壳中化学元素平均含量的重量百分数称为 克拉克值 O Si Al Fe Ca Na K Mg这八种元素占地壳总重量的98 59 其中O占地壳重量的一半 Si占地壳重量的1 4多 O占地壳体积的93 以上 可以说地壳由O的阴离子组成 金属阳离子 Si Al K Na Ca等 充填其空隙中 元素周期表中的绝大多数在地壳中都可以找到 但各种元素在地壳中的含量却相差很大 原因在于原子核的结构和稳定性 随着原子序数的增大 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 元素的丰度也要降低 丰度高的元素分布于周期表的开端 自Co Z 27 以后 元素的丰度有显著降低 对于微量元素 可分为两类 聚集元素 丰度虽低趋向集中 可形成独立矿种 Au Ag Hg Sb等 分散元素 丰度虽高趋向分散 不易形成独立矿种 以类质同象方式存在于其它矿物中 Cs Se In等 二 矿物化学成分的变化矿物按化学成分可分成两种类型 单质 是由同种元素的原子自相结合组成的 如金刚石 自然金等 化合物 是由两种或两种以上不同的化学元素的原子组成的 又可分为 简单化合物 由一种阳离子和一种阴离子组成 NaCl PbS单盐化合物 由一种阳离子和一种络阴离子组成 Ca CO3 Mg SiO4 复化合物 复盐 由两种以上阳离子与同种 络 阴离子组成 CuFeS2 CaMg CO3 矿物的化学成分无论是单质还是化合物 并不是绝对不变的 通常都在一定的范围内有所变化 变化的原因 对晶质矿物而言 主要是元素的类质同象代替 Mg Fe SiO4 对胶体矿物来说 主要是胶体是吸附作用 含沸石水或层间水的矿物 非化学计量的矿物 化学组成不符合定比定律和倍比定律 F1 xS 磁黄铁矿 通常所说的某种矿物成分中含有某些混入物 除了因类质同象代替和吸附而存在的成分外 还包括以显微包裹体形式存在的机械混入物 三 胶体矿物的成分1 胶体矿物的概念胶体是一种物质的微粒 10A 1000A 分散在另一种物质之中 所形成的不均匀的细分散系 前者称为分散相 或分数质 后者称为分散媒 或分散介质 无论是固体 液体或气体 都可以是分散相 也可以是分散媒 按照分散系统中分散相和分散媒的量比关系 将胶体作如下划分 1 胶溶体分散相的量远少于分散媒的胶体系统 分散相的质点呈悬浮状态存在于分散媒中 2 胶凝体分散相的量远多于分散媒的胶体系统 整个胶体呈凝固态 胶体矿物中微粒的排列和分布是不规则和不均匀的 外形上不能形成规则的几何多面体 在光学性质上具非晶质体特点 故通常将胶体矿物看成非晶质矿物 但它的微粒可以是结晶的 因粒径太小 是一种超显微的晶质 如粘土矿物 2 胶体的基本性质 1 胶体质点带有电荷胶体质点带有电荷主要是由于破键机理 多数无机胶体的分散相质点是晶质的 其表面电荷不饱和 这个微粒叫胶核 胶核要吸附一些存在于介质中 而为胶核成分中所含有的某种离子 在胶体外面形成一个吸附层 构成带一定电荷的胶粒 为了平衡吸附层的电荷 带电的胶粒还要吸附介质中其它离子团 这种离子被吸附得比较松 在介质中有一定的自由移动能力 形成一个扩散层 以胶体带有正负电荷的不同 可将胶体分为正胶体和负胶体 氢氧化铁胶体颗粒的结构示意图 2 胶体对介质中离子的吸附具有选择性是指胶粒在不同溶液中仅能吸附一定的与胶粒电荷相反的离子 而对其它物质则不吸附或吸附程度很小 胶体对离子的选择性 还表现在对一些离子吸附的难易程度不同 进而表现为被吸附离子之间的交换 通常 阳离子电价越高 置换能力越强 一旦被胶体吸附 就难被置换 在电价相等时 置换能力随离子半径增大而增强 金属阳离子置换能力按下列顺序递减 H AL Ba Sr Ca Mg NH4 K Na Li 3 胶体微粒具有巨大的表面能晶质的胶体微粒内部原子排列是有序和周期重复的 每个原子的力场是对称的 但表面边界上原子力场的对称性破坏 出现剩余键力 即表面能 胶体矿物微粒表现的静电力和吸附现象就是这种表面能的表现和作用 胶体的吸附就是一个降低表面能的过程 具有巨大表面能的胶体矿物 总是要把能量传给周围物质 使其能量降低到与周围物质相平衡状态 也即从无序向有序过渡 最后形成矿物结晶相的趋势 这表现为胶体微粒的凝聚 分散相与分散媒分离 即脱水作用 3 胶体矿物的形成地壳中的水胶凝体矿物 绝大部分都形成于表生作用中 表生作用中形成的胶体矿物 大体上经历了两个阶段 1 形成胶体溶液原生矿物 物理风化 磨蚀胶体微粒原生矿物 化学风化 分解离子或分子这些物质进一步饱和聚集 形成胶体溶液 它是形成胶体矿物的物质基础 2 胶体溶液的凝聚胶体溶液在迁移过程中或汇聚于水盆地后 或因不同电荷质点发生电性中和而沉淀 或因水分蒸发而凝聚 从而形成各种胶体矿物 细分散系 非晶质 无规则几何外形 可变性和复杂性 极大比表面积 带电荷 选择性吸附 胶体的特点 胶体 风化 胶体溶液 凝聚 蒸发 中和 胶体矿物 胶体 胶体矿物的特点 胶体及胶体矿物的特点 胶体矿物形成 海滨地带和岩石风化壳中 矿物 岩石 四 矿物中的水水是矿物中的重要组成部分 矿物的许多性质都与水有关 根据矿物中水的存在形式以及它们在晶体结构中的作用 分为两类 一类是不参加晶格的 与矿物晶体结构无关 统称吸附水 另一类是参加晶格或与矿物晶体结构密切相关的 包括结晶水 沸石水 层间水和结构水 1 吸附水不参加晶格的吸附水 是渗入在矿物集合体中 为矿物颗粒或裂隙表面机械吸附的中性的水分子 不属于矿物的化学成分 不写入化学式 常压下 在100 110 时 吸附水就会全部从矿物中逸出而不破坏晶格 吸附水可以呈气态 液态或固态 2 结晶水以中性水分子存在于矿物中 在晶格中具有固定的位置 起着构造单位的作用 是矿物成分的一部分 水分子数量与矿物的其它成分之间常成简单比例 不同矿物中 结晶水与晶格联系的牢固程度是不同的 因此 其逸出温度也有所不同 通常在100 200 一般不超过600 当结晶水失去时 晶体的结构遭到破坏和重建 形成新的结构 3 沸石水是存在于沸石族矿物中的中性水分子 沸石的结构中有大的空洞及孔道 水就在这些空洞和孔道中 位置不十分固定 水的含量随温度和湿度而变化 在80 400 范围内 水即大量逸出 但不引起晶格的破坏 只引起物理性质的变化 脱水后的沸石还可以重新吸水 并恢复原有的物理性质 沸石水具有一定的吸附水的性质 但其存在与结构有关 且含量有一定的上限和下限范围 4 层间水是存在于某些层状结构硅酸盐的结构层之间的中性水分子 水分子也联结成层 加热至110 时 层间水大量逸出 结构层间距相应缩小 晶胞轴长C值减小 在潮湿环境中又可重新吸水 5 结构水又称化合水 是以 OH H H3O 离子形式参加矿物晶格的 水 结构水在晶格中占有一定位置 在组成上具有确定的含量比 由于与其它质点有较强的键力联系 需要较高的温度 大约在600 1000 才能逸出 当其逸出后 结构完全破坏 晶体结构重新改组 一 矿物的化学式1 概念矿物的化学式 以组成矿物的化学元素符号按一定原则表示矿物的化学成分 是以单矿物的化学全分析所得的相对质量百分含量为基础而计算出来的 五矿物的化学式及其计算 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 如白云母H2KAl3Si3O12或K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O 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 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Ca CO3 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CaMg CO3 2 磁铁矿FeFe2O4 即Fe2 Fe3 2O4 附加阴离子通常写在阴离子或络阴离子之后 如氟磷灰石Ca5 PO4 3F 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Ca SO4 2H2O 蛋白石SiO2 nH2O或SiO2 aq 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Al2 SiO4 F OH 2 注意 在计算出矿物中各元素的离子数之后 书写晶体化学式时 习惯上 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 二 矿物晶体化学式的计算 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 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 二 方法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计算原则 尽量使占位的离子数目保持合理 尽量使正负电荷总数保持平衡 计算前提 必须有矿物的化学全分析数据 必须已知矿物的化学通式 1 阴离子法2 阳离子法 六 矿物的化学性质1 矿物的可溶性固体矿物与某种溶液相互作用时 矿物表面的质点 由于本身的振动和受溶剂分子的吸引 离开矿物表面进入或扩散到溶液中去的过程称为矿物的