矿物学课件.doc

绪论1、矿物是地壳中的化学元素在各种地质作用下所形成的具有相对固定化学成分和物理性质的自然均质体，是组成岩石的基本单位。2、命名1) 以化学成分命名， 如自然金， 它是以金为主要成分；2) 以物理性质命名， 如橄榄石， 它是以橄榄绿色为特点； 3) 以形态命名， 如绿柱石， 常为绿色的柱状形态； 4) 以人名命名， 如袁复礼石， 袁复礼是我国著名的地质学家； 5) 以地名命名， 如包头矿， 包头是我国内蒙的一个城市。此外， 有些矿物名称是沿用中国古代的名称， 如水晶、雄黄、辰砂等；但更多是自不同外文名称转译而来， 如绿帘石(来自日文)、贝塔石(来自英文betafite)、地开石(dickite)等。3、分类 根据形成原因，可分为： 原生矿物由地壳内部岩浆冷却后形成的矿物。 次生矿物由原生矿物进一步风化形成的新的矿物。 根据矿物的化学组成，可分为五大类： 自然元素矿物 硫化物及其类似化合物矿物 卤化物 氧化物及氢氧化物矿物 含氧盐矿物（硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐矿物等） 第一大类 自然元素矿物第二大类 硫化物及其类似化合物 第一类 单硫化物及其类似化合物 第二类 双硫化物及其类似化合物 第三类 硫盐第三大类 卤素化合物 第一类 氟化物 第二类 氯化物第四大类 氧化物和氢氧化物 第一类 简单氧化物 第二类 复杂氧化物 第三类 氢氧化物第五大类 含氧盐 第一类 硝酸盐 第二类 碳酸盐 第三类 硫酸盐 第四类 铬酸盐 第五类 钨酸盐和钼酸盐 第六类 磷酸盐、砷酸盐和钒酸盐 第七类 硅酸盐 第一亚类 岛状结构硅酸盐 第二亚类 环状结构硅酸盐 第三亚类 链状结构硅酸盐 第四亚类 层状结构硅酸盐 第五亚类 架状结构硅酸盐 第八类 硼酸盐矿物是结晶物质，具有晶体的各种基本属性。因此，结晶学与化学、物理学一起，都是矿物学的基础。历史上，结晶学就曾是矿物学的一个组成部分。矿物本身是天然产出的单质或化合物，同时又是组成岩石和矿石的基本单元，因此矿物学是岩石学、矿床学的基础，并与地球化学、宇宙化学都密切相关。矿物学还是研究矿物原料和材料的寻找、开发和应用的基础。因此，它与找矿勘探地质学、采矿学、选矿学、冶金学、材料科学的关系也很密切。此外，矿物学运用数学、化学和物理学的理论和技术，并彼此相互渗透和结合，还产生了如矿物物理学等新的边缘学科。矿物学的研究领域日益的扩大，由地壳矿物到地幔矿物和其他天体的宇宙矿物，由天然矿物到人工合成矿物；矿物学的研究内容由宏观向微观纵深发展，由主要组分到微量元素，由原子排列的平均晶体结构到局部具体的晶体结构和涉及原子内电子间及原子核的精细结构；矿物学在应用领域的迅速发展。 矿物学的研究成果除在地质学研究和找矿工作中进一步得到应用外，矿物本身的研究目标还在于从中获得具有各种特殊性能的矿物材料，这方面的研究具有广阔的发展前景。第一章1、矿物的光学性质矿物对光线的吸收、反射和折射表现出的各种性质。矿物的颜色条痕色是指矿物在白色无釉瓷上划擦时所留下粉末的颜色。光泽、白度、透明度、发光性2、 矿物的力学性质相对密度(矿物的相对密度是指矿物（纯净的单矿物）的质量与4 时同体积水的质量之比。)、硬度(1、滑石；2、石膏；3、方解石；4、萤石；5、磷灰石；6、正长石；7、石英；8、黄玉；9、刚玉；10、金刚石。)、耐磨性(矿物的耐磨性是指矿物收摩擦时所表现出来的机械强度，用耐磨率(或耐磨度)来表征)、解理(解理是矿物晶体受外来作用时，沿一定的结晶学方向作平面破裂的性质。破裂的平面称解理面)、断口(断口是矿物晶体在外力作用下所产生的不规则破裂面)及裂开(裂开也是矿物受外力作用沿一定结晶学方向产生的平面破裂，但与解理不同的是它并非矿物固有的特征，其产生系在一定网面间有离溶成因的夹层等因素造成的。)3、 矿物的热学性质导热性( 热传导是指物质直接接触部分之间的热传递。)、热膨胀性(矿物的热膨胀以线热膨胀率表征) 、耐热性 ( 耐热性是矿物抵抗由于加热而引起的成分和晶体结构破坏的能力)4、 矿物的电磁学性质磁性、导电性 、介电性 、压电性 5、 矿物的表面性质比表面积和表面能 、吸附性 、表面电性 、矿物与液体亲和性 6、 、矿物的化学性质溶性、矿物的氧化和还原及与酸碱反应等。第二章矿物的分析测试方法 1) 化学成分分析方法(重量法，容量法，比色法) 2) 矿物结构分析方法(X射线衍射法, 电子衍射, 中子衍射技术, 电子背散射衍射分析技术)第三章氧化物和氢氧化物矿物：金属阳离子和某些非金属阳离子(如Si等)与O2-或(OH)-化合而成的矿物。刚玉： Al2O3化学组成：一般含微量Cr3+、Fe2+、Ti4+、Mn2+、V5+、Ga3+等，常见赤铁矿、钛铁矿、金红石、尖晶石、石榴子石等包裹体。 通常呈 蓝灰、黄灰色，含杂质可呈各种颜色： 红宝石：含Cr，红色； 蓝宝石：含Ti 和Fe2+，蓝色； 黑星石：含Fe2+、Fe3+， 黑色、透明； 白宝石：纯净无色透明的晶体； 含Co、V、Ni呈绿色； 含Ni呈黄色； 含Fe3+、Mn2+呈玫瑰红色。玻璃光泽金刚光泽。透明半透明。用途：1）作研磨材料及精密仪器、仪表和钟表的轴承；2）色泽美丽透明的晶体可作宝石； 3）合成红宝石单晶可作激光材料。石英族 包括SiO2的一系列同质多像变体，常压下，1）尤以-石英最常见。2）石英应为a-石英和-石英之总称，但一般指低温石英（即a-石英）。3）将含水的SiO2矿物 蛋白石，也列入本族内。a-石英（低温石英）：SiO2无解理；H7。G 2.65。具压电性。异种：1）显晶质异种： 水晶簇，紫水晶，烟水晶，（注： 黑色透明者称墨晶；茶褐色者称茶晶）黄水晶，蔷薇石英（芙蓉石），乳石英，蓝石英，发晶发晶，猫眼石、虎睛石、鹰眼石，砂金石(东陵石) 。 2）隐晶质异种：玉髓（石髓），玛瑙，碧玉，燧石。用途： 纯净的一般石英大量用作玻璃、陶瓷、混凝土、冶炼硅钢的原料，也可用于提取单晶硅。无裂隙、双晶和包裹体等缺陷的无色透明晶体作压电材料用于无线电工业中振荡器元件及光学仪器材料（光谱棱镜、透镜等）、耐酸耐高温的器材。颜色美丽者可作工艺品及宝石原料。色泽差的玛瑙和玉髓可作研磨器具。 b - 石英（高温石英）：SiO2， 蛋白石（欧泊）： SiO2nH2O，用途：色泽美丽的致密块状贵蛋白石或火蛋白石可作名贵的宝石及工艺品材料。硅藻土质轻多孔，是优良的隔音、隔热材料，建筑材料、研磨材料、陶瓷原料、炸药原料；可用于制作过滤剂，及炼油、制糖的吸附剂和净化剂；作为催化剂的载体应用于化学工业上。（二）氢氧化物矿物1. Mg 的氢氧化物水镁石 Mg(OH)2三方晶系，单晶体呈厚板状，常见为片状集合体；有时成纤维状集合体，称为纤水镁石或水镁石石棉。它还常形成方镁石的假象。主要用于提取Mg和MgO原料、阻燃剂、填料、工艺品等。2. Al 的氢氧化物 包括： 硬水铝石： a-AlO(OH) 软水铝石： g-AlO(OH) 三水铝石： Al(OH)3 其中以硬水铝石最常见。通常，上述三种矿物与数量不等的高岭石、蛋白石、赤铁矿、针铁矿等形成细分散胶态混合物，统称“铝土矿”。铝土矿： Al2O3nH2O H一般34用途：1、提炼Al的最主要矿石矿物；2、劣质者可用作制造人工磨料、耐火材料和高Al水泥原料。3、为Ga的主要来源，也可综合利用Ge、V、Ti等元素。 硅酸盐矿物主要内容：硅酸盐矿物概述,架状硅酸盐矿物,层状硅酸盐矿物,链状硅酸盐矿物,环状硅酸盐矿物;岛状硅酸盐矿物亚类 硅氧骨干形式 SiO 岛状结构 硅酸盐 孤立四面体 SiO44- 14 双四面体 Si2O76- 13.5 环状结构硅酸盐六方环状硅氧骨干最重要 Si6O1812- 13 链状结构 硅酸盐 单链结构硅氧骨干 13 双链结构硅氧骨干 12.75 层状结构硅酸盐 层状硅氧骨干 12.5 架状结构硅酸盐 架状硅氧骨干 (AlxSin-x)O2nx- 12物理性质硅氧骨干内部主要是共价键， 硅氧骨干与金属阳离子之间主要以离子键结合。硅酸盐矿物一般具离子晶格的性质，明显表现出非金属性： 大多为透明或半透明，玻璃光泽或金刚光泽等。但颜色、解理、硬度、比重等性质变化很大，主要受硅氧骨干形式及金属阳离子的种类的影响。 1）颜色：取决于金属阳离子的种类： 惰性气体型离子的硅酸盐矿物为无色或浅色； 含Fe、Mn、Ti等过渡型离子者， 颜色较深。 2）解理：明显受结构中强键的分布所控制： 具岛状结构之三向等长者，一般无完全解理；而红柱石具c轴方向的柱状解理，蓝晶石具100的完全解理。 环状者，如有解理，则为柱状或底轴面的解理。 链状者具链的方向的柱状完全解理。 层状者，具层的极完全解理。 （完全的底面解理） 架状者，视其晶体格架类型而有所不同，解理完善程度视键力情况而不同。如长石族矿物具001和010中等完全解理。 3）硬度： 一般均较高（小刀），仅层状结构者例外。 岛状结构者，结构紧密，H最高，通常为68； 环状结构者，与岛状结构者大体相似； 链状结构者稍低，为56； 架状结构者，虽结构疏松，但SiO44-与AlO45-的联结均很牢固，故H并不低(56)，仅沸石族矿物因含H2O，H降至3.55。 层状结构者，因层间的联结力（分子键或弱离子键）较弱，故 H很低，近于指甲：最低者(滑石、高岭石等)仅 1 ；云母族矿物2.5。 4）相对密度： 岛状者G偏大，一般在3.5或4。大多结构紧密，阳离子多半径较小、原子量较大，如Zr4+、Ti4+、Fe等。 架状者G偏小，一般3。结构疏松、空隙大，主要阳离子多为原子量小、半径大的K+、Na+、Ca2+等。 链状、层状或环状者：G约33.5。石榴子石族化学通式： X3Y2SiO43（X2+： Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+等 Y3+： Al3+、Fe3+、Cr3+等）碳酸盐（carbonates）矿物：金属阳离子与CO32-结合形成的含氧盐矿物。（大多解理完全）冰洲石：纯净无色透明的方解石。 双折射现象显著。 第五章 矿物原料的应用当前矿物应用的主要领域包括耐火、保温、绝缘、陶瓷、建筑、化工、填料、农用、药用、环保、研磨、宝石和功能矿物等。一、硅质矿物原料有哪些？硅石、硅砂（石英砂）、粉状石英、石英玻璃。二、说明结晶硅石和胶结硅石差别？(岩石类型、矿物组成、石英晶粒大小、杂质含量、转变速度等)a、结晶硅石 （包括脉石英和石英岩）；b、胶结硅石（石英砂岩、燧石岩）其中石英砂岩是石英颗粒被胶结物结合而成的沉积岩。结晶硅石：结晶硅石外观一般呈乳白色、灰白色、淡黄色至红褐色。有鲜明的光泽，断面平滑连续，并带有锐利棱角、硬度和强度都大。是由硅质砂岩经变质作用再结晶成的变质岩。它是由结晶质石英颗粒所组成。由于变质过程中的再结晶作用使石英颗粒紧密连接在一起，并且构成各种变晶结构，如锯齿结构、花岗岩结构和镶嵌结构。矿物组成：结晶硅石中石英外，有时还存在其他少量的杂质矿物如绢云母、白云母、绿泥石、长石、金红石、赤铁矿、褐铁矿等。胶结硅石：胶结硅石（胶结石英岩）是石英颗粒被硅质胶结物结合而成的沉积岩。胶结硅石以石英为主，含少量的长石、云母。胶结物为硅质如玉髓、蛋白石、氧化铁、石灰石、绿泥石等，石英颗粒小（0.01mm），加热转变容易，较少用作制砖原料。化学组成： 以SiO2为主，杂质成分为Al2O3、Na2O、K2O、CaO、Fe2O3。 1）Al2O3、Na2O、K2O是强熔剂，形成低共熔物，会严重降低制品的耐火度和高温强度，要求Al2O31.21.6%，R2O(Na2O + K2O)0.20.4%； 2）CaO、Fe2O3也是强熔剂，如果呈分散状态可视为矿化成分，为有益成分； 3）TiO2不影响石英转化，可改善热震稳定性。其中Al2O3、Na2O、K2O以水云母形式存在。3、选择硅质原料时，考虑哪些指标？1）纯度；2）致密度；3）转变速度；4）显微结构（石英颗粒、结构）。4、硅砂和硅石类型硅砂：1）根据产区不同，习惯上将天然砂分作内陆砂和海滨砂；一般来说，海滨砂优于内陆砂质量。 2）按颜色不同，天然砂又有黄色砂和白色砂。硅石：1）按岩石类型或形成原因分：脉石英、石英岩、石英砂岩、燧石岩。2）按工艺分类： a、结晶硅石 （包括脉石英和石英岩）；b、胶结硅石（石英砂岩、燧石岩）其中石英砂岩是石英颗粒被胶结物结合而成的沉积岩。 根据胶结粒度的不同，分为粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩。 按胶结相的不同，分为钙质砂岩、硅质砂岩和长石质砂岩。3）按硅石的致密度分四类：（1）极致密；（2）致密；（3）比较多孔；（4）多孔(如表9-4)。4）按硅石真比重大小分（1450C煅烧1小时） （1）快速转变 真比重2.50。 SiO2的种类及晶型转变：573C 163C 180-270C 急冷 b-石英 b-鳞石英 b-方石英 石英玻璃 117C g-鳞石英氧化铝生产方法从铝土矿或其他含铝原料提取的方法很多，大致有四类： 1）碱法；2）酸法： 硝酸、盐酸、硫酸等投资大，酸回收复杂；3）酸碱法；4）热法（电熔法）。1、工业氧化铝主要生产工艺有哪些？从铝土矿或其他含铝原料提取的方法很多，大致有四类： 1）碱法；2）酸法： 硝酸、盐酸、硫酸等投资大，酸回收复杂；3）酸碱法；4）热法（电熔法）。A、碱法 生产氧化铝碱法有拜尔法、烧结法及拜尔-烧结法等；拜尔法原理是：直接用含有大量游离NaOH的循环母液处理铝矿石，以溶出其中的氧化铝，获得NaAlO2溶液，并加晶种分解的方法，它使溶液中的氧化铝成为Al(OH)3结晶析出。铝土矿原矿料浆NaOH溶出Al2O3溶液稀释、泥渣分离NaAlO2溶液加晶种，Al(OH)3分离洗涤得到纯净Al(OH)3煅烧得到Al2O3。烧结法原理：铝土矿加入（石灰石或苏打） 混合体高温煅烧含铝酸钠的熟料水溶出NaAlO2溶液通入CO2 Al(OH)3 Al2O3。2、耐火材料用刚玉的种类有哪几种？性能上有何差别？烧结刚玉：轻烧刚玉（1925 C ）。电熔刚玉：电熔棕刚玉、电熔亚白刚玉、电熔白刚玉、电熔致密刚玉、电熔板状刚玉。（烧结刚玉和电熔刚玉的对比：化学成分；组织结构；烧结性能；机械强度；热震性能。自己总结）叶蜡石化学式为Al2Si4O10(OH)2或Al2O3.4SiO2.H2O，其中Al2O3占28.3%，SiO2 占66.7%，H2O占5.0%。蜡石加热变化：（1）、以叶蜡石为主要矿物组成的蜡石，其在加热过程相变化为：1) 600C仍为叶蜡石，但颜色变浅，即有脱色现象。2) 1000C处理后，叶蜡石结构大部分被破坏，叶蜡石分解。3) 1100C处理后，开始出现微弱的莫来石、a-方石英。4) 1200C莫来石及a-方石英含量增加。5) 1350CX射线谱线与1200C时相比，没有明显的区别。显微镜下，观察叶蜡石仍保持原来的假象，只有个别的颗粒边界不清，轮廓模糊。叶蜡石的加热变化表明，以叶蜡石为主要矿物组成的制品，在1200C以下使用时稳定。在1200C使用时，由于存在石英向方石英的相变，呈现膨胀性。 （2）蜡石在加热过程中的气孔率变化 从试验中发现，各种蜡石的气孔率在900C以后，均有明显下降，其中以高岭石质蜡石更为突出，这是因为此蜡石还含有较多的云母类矿物，在900C以后有较多的低共熔物出现的缘故。 （3）蜡石的差热分析曲线 铝质蜡石（包括高铝质和水铝石质）的差热曲线上有狭窄尖锐的吸热峰和放热峰。而叶蜡石质和硅质蜡石吸热谷平缓，这是由于高岭石和水铝石急剧脱水造成的。 粘土质耐火材料定义：氧化铝含量在30%48%的硅酸铝质耐火材料。高铝质耐火材料种类：1）根据Al2O3含量通常分为三类： I等高铝（大于75% Al2O3）；II等高铝（65-75% Al2O3）；III等高铝（48-65% Al2O3）。 2）根据矿物组成分：红柱石质、硅线石质、莫来石质、莫来石刚玉质、刚玉莫来石、刚玉质。1、主要天然高铝矿物原料有哪些？1）铝矾土；2）蓝晶石族矿物2、铝矾土按主要矿物组成分几类？一水硬铝石diaspore-高岭石kaolinite（D-K型）； 一水硬铝石diaspore-叶蜡石pyrophillite（D-P型）；勃姆石Boehmite-高岭石kaolinite（B-K型）；一水硬铝石diaspore-伊利石Illite（D-I型）；一水硬铝石diaspore-高岭石kaolinite-金红石Rutile（D-K-R型）。3、蓝晶石族矿物是指哪些？它们结构有何差别，性质上有何差异？蓝晶石族矿物是指蓝晶石(kyanite)、硅线石(sillimanite)和红柱石(andalusite)矿物名称结构式晶系晶形莫氏硬度密度（g/cm3）转变温度(C)体积膨胀(%)矿物外观颜色蓝晶石Al2SiO4O三斜板状5.573.563.681300135016-18青兰色红柱石AlOAlSiO4斜方柱状77.53.13.2135014005红或淡红色硅线石AlAlSiO5斜方针状77.53.233.27150015507-8灰色或白色4、合成莫来石原料的途径有哪些？1）烧结法；2）电熔法。1）工业氧化铝+高岭土（或高纯硅石）；2）工业氧化铝+苏州土；3）天然矾土(M45、M60和M70)；4）蓝晶石族；5）工业氧化铝+叶蜡石等。一、镁砂主要来源有哪些？1)天然菱镁矿（magnesite）含47.82%MgO；2) 从海水中提炼（sea-water magnesia）；3) 从盐湖卤水中提炼；4)从白云石（CaMg(CO3)2，含21.9%MgO）(dolomite)中提炼；5)从蛇纹石（Mg3Si2O5(OH)4 含43%MgO）中提炼；6)从水镁石（Mg(OH)2含69%MgO）中煅烧，但通常用作提炼金属镁； 目前，我国主要从菱镁矿煅烧或电熔（calcined, sintered or fused）获得镁砂。而国外，日本和西欧主要从海水中提炼镁砂。二、镁砂种类有哪些？评价镁砂质量的指标是什么？镁砂原料种类有：烧结镁砂（Dead-fired magnesite/sintered magnesia）；轻烧镁砂（calc