结晶学 问答题第一部分.doc

1 简述矿物的概念（4分）答：指地质作用中形成的天然单质和化合物，具有相对固定的化学成分和内部结构，稳定于一定的物理化学条件，是构成岩石和矿石的基本单元。2 试述矿物学的主要研究内容及其在本专业学习中的地位。（4分）答：矿物学是研究矿物的化学成分、内部结构、外表形态、物理性质及其相互关系，并阐明地壳中矿物的形成和变化历史，探讨其时间和空间分布规律及其实际用途的科学。它是地质科学的一门重要的专业基础课。3 简述晶体的基本性质。（6分）答：晶体的基本性质包括：（1）自限性：指晶体具有自发的形成几何多面体形态的性质；（2）均一性和异向性 ：同一晶体的各个部分质点的分布相同，故性质相同是晶体的均一性；同一晶体的不同方向上质点的排列一般不同，故晶体的性质也随方向的不同而有所差异就是晶格的异向性。（3）最小内能与稳定性：晶体的格子状构造是其内部质点间的引力和斥力达到平衡，使晶体的各个部分处于位能最低的结果，因而晶体的内能最低。由于晶体的内能最低，故最稳定。（4）对称性：晶体具有格子状构造，而格子状构造本身就是对称的，所以一切晶体都是对称的。4 为什么晶体被网面密度大的晶面包围？（为什么晶面都平行一些网面密度大的面网？）（4分）答：因为网面密度大的面网在晶体生长过程中生长速度慢，而网面密度小的面网在晶体生长过程中生长速度快，随着晶体由小长大，生长速度快的面网将缩小甚至消失，而生长速度慢的面网则发育为实际的晶面，所以，晶体被网面密度大的晶面包围。5 为什么非晶质体要自发地向晶质体转化，试作简要论述。（4分）答：非晶质体内部质点不作格子状排列，因而具有较高的内能，处于不稳定状态，为了达到稳定状态，非晶质体就将自发地向内能最低且最稳定的晶质体转化。6 为什么同种晶质体在相同条件下测量其对应晶面的夹角恒等？（4分）答：根据科塞尔原理，在晶体生长过程中，晶面（晶体的最外层面网）是平行向外推移生长的，所以 同种晶质体在相同条件下其对应晶面的夹角恒等。 7 为什么晶体其有均一性和异向性，试从空间格子规律作简要论述。（4分）答：根据空间格子规律，同一晶体的格子构造中各个部分质点的分布相同，所以晶体其有均一性；而同一晶体的不同方向上质点的排列一般不同，故晶体的性质也随方向的不同而有所差异，这就是晶格的异向性。8 简述晶质体与非晶质体的区别。（4分）答：晶质体具有格子构造，而非晶质体不具有格子构造，所以非晶质体不具有晶体的基本性质，非晶质体要自发地向晶质体转化，而晶质体只有在受到外来能量的作用将其格子构造破坏后才能转化为非晶质体，晶质体永远不会自发地转化为非晶质体。9 何谓对称？晶体的对称有何特点？（6分）答：对称是指物体相同部分有规律的重复。晶体的对称受其格子构造控制，所以一切晶体都是对称的，晶体的对称不仅表现在外形上，而且表现在性质上，这就是晶体对称的特点。10 何谓对称操作、对称要素？试述晶体外形上可能存在的对称要素和相应的对称操作。（8分）答：欲使晶体相同部分有规律的重复所进行的操作称为对称操作，在进行对称操作时所应用的辅助几何要素则称为对称要素。 晶体外形上可能存在的对称要素和相应的对称操作有：（1）对称面（P）：是通过晶体中心的一个假想的平面，它将晶体平分为互为镜像的两个相等部分，相应的对称操作为对此平面的反映。（2）对称轴（Ln）：是通过晶体中心的一根假想的直线，当晶体围绕此直线旋转一定的角度后，可使相等部分重复，旋转一周重复的次数为轴次（n），重复时所旋转的最小角度称为基转角（），二者之间关系为n=360/ 。（3）对称中心（C）：对称中心是一个假想的的点，通过此点作任意直线，在此直线上距对称中心等距离的两端有对应的点。（4）旋转反伸轴（Lin）：围绕一假想直线，旋转一定角度后，再对此直线上的一个点进行反伸，可使相等部分重复，则此直线为旋转反伸轴。旋转反伸轴常用的是Li4和Li6。 11 试画简图证明中级晶族晶体上若有L2，只能与高次轴垂直，不能斜交。（4分）答：因为中级晶族晶体只能有一根高次轴，当L2与高次轴斜交时，其高次轴将多于一根，就不是中级晶族了，只有当L2与高次轴时垂直时，才能只有一根高次轴。12 何谓晶面的米氏符号。某等轴晶系晶体，截X、Y、Z轴的长度依次为2mm、4mm、4mm，试计算出该晶面的米氏符号。（4分）答：用晶面在各晶轴上截距系数的倒数比来表示晶面在空间的相对位置的符号称为晶面的米氏符号； 该晶面的米氏符号为（211）。13 简述晶体的对称分类。（8分）答：晶体的分类是首先根据对称型中有无高次轴及其多少，分为高、中、低三个晶族，再在各晶族中按对称特点的不同划分晶系，共七个晶系： 高级晶族（有数个高次轴）等轴（立方）晶系（必有4个L3） 四方（正方）晶系（有一个L4或Li4） 中级晶族（只有一根高次轴）三方晶系（有一个L3） 六方晶系（有一个L6或Li6） 斜方（正交）晶系（ L2 或P多于1） 低级晶族（无高次轴） 单斜晶系（ L2 或P不多于1） 三斜晶系（无对称面，无对称轴）14 何谓晶体定向？晶体定向有何意义？（6分）答：晶体定向就是在晶体上选定坐标系统。其意义首先是可以确定晶面和单形在空间的相对位置，进而确切地描述晶体的各种性质，此外在矿物鉴定、以及在矿物形态、内部结构和物理性质的研究中都具有重要的意义。15 何谓单形？为什么同一单形的所有晶面性质相同？（4分）答：单形是由对称要素联系起来的一组晶面的组合。因为同一单形各晶面的面网结构相同，所以性质相同。16 何谓双晶？研究双晶有何意义？（6分）答：双晶是两个或两个以上的同种晶体的规则连生，其中一个晶体是另一个晶体的镜像反映，或者其中一个晶体旋转1800后与另一个晶体重合或平行。许多矿物在自然界是以双晶产出，双晶的形态及其结合规律是这些矿物的重要鉴定特征，此外，双晶的存在会影响到这些矿物的工业用途。17 为什么晶体上不可能出现L5及高于六次的对称轴？（4分）答：因为只有符合空间格子规律的对称才能在晶体上出现，而L5及高于六次的对称轴不符合空间格子规律，所以在晶体上不可能出现L5及高于六次的对称轴。18 简述晶体选轴的原则和各晶系晶体选轴的规定。（12分）答：（1）优先选对称轴作晶轴；（2）当对称轴的数量不能满足需要时选对称面的法线来补足；（3）如果对称轴和对称面的法线都不能满足需要时满足需要时，则选平行于发育晶棱的方向来补足；（4）在上述前提下，应尽可能使所选晶轴彼此垂直或趋于垂直，并使轴单位彼此相等或趋近于相等。各晶系晶体选轴的规定是：等轴（立方）晶系以互相垂直的L4、 Li4或L2为x、y、z轴；四方（正方）晶系以L4或 Li4 为z轴，以垂直z轴并互相垂直的两个L2或对称面的法线或晶棱的方向为x、y轴；三方晶系及六方晶系以L6、 Li6、 L3为z轴，以垂直z轴并互成1200交角的三个L2或对称面的法线或晶棱的方向为x、y、u轴；斜方（正交）晶系一以互相垂直的3 L2为x、y、z轴，在L22P对称型中以L2 为z轴，以2P法线为为x、y轴；单斜晶系以L2或对称面的法线为y轴，以垂直y轴的主要晶棱方向为x、z轴；三斜晶系以不在同一平面内的三个主要晶棱方向为x、y、z轴。19 为什么晶面在晶轴上的截距系数之比为简单整数比？（4分）答：首先截距系数之比为一个数字连比，它总是可以化为整数比的，而网面密度愈大的晶面在晶轴上的截距系数之比愈简单，再由布拉维法则可知，实际晶体的晶面是那些网面密度大的晶面，所以，晶面在晶轴上的截距系数之比为简单整数比。20 已知二晶面（01）和（021）同属于100晶带，求此晶带上介于（01）和（021）二晶面之间的一可能晶面的晶面符号，并说明推求的方法。（4分）答：由晶带定律，因为：hr+ks+lt=0 mr+ns+pt+0 则 （ h+m）r+（k+n）s+（l+p）t=0 即（ h+m）、（k+n）、（l+p）必为此晶带上另一可能晶面的晶面符号，据此，求出此晶面的晶面符号为（001）。21 试述在空间格子中选择平行六面体的原则。（6分）答：（1）所选平行六面体的对称性应符合整个空间点阵的对称；（2）在不违反对称的条件下，应选择棱与棱之间直角关系为最多的平行六面体；（3）在遵守前二个条件的前提下，所选平行六面体的体积应最小；（4）当对称性规定棱间的交角不必为直角关系时，则在遵守前三个条件的前提下，应选择结点间距小的行列作为平行六面体的棱，且棱间交角接近于直角的平行六面体。22 为什么四方晶系不存在底心格子，试作图加以说明。（4分）答：根据在空间格子中选择平行六面体的原则，四方晶系的底心格子不符合上述第三条原则，即四方底心格子可以选择为体积更小的四方原始格子，所以，四方晶系不存在底心格子。23 为什么等轴晶系没有底心格子。（2分）答：根据在空间格子中选择平行六面体的原则，等轴晶系底心格子不符合上述第一条原则，等轴晶系的对称是必有四个L3，而等轴底心格子没有L3，不符合空间点阵的对称，所以，等轴晶系没有底心格子。24 何谓空间群？空间群的国际符号可分为哪两部分，各表示什么？试举例加以说明。（4分）答：空间群是晶体内部结构对称要素的组合。空间群的国际符号可分为两部分，一部分为符号前面的大写英文字母表示空间格子类型，一部分为对称型的国际符号，但将其中对称要素的符号换成相应的内部结构的对称要素的符号。如空间群P42，表示空间格子类型为四方原始格子，在z轴方向有42螺旋轴。25 论述金属晶格矿物的物理性质特征。（4分）答：金属晶格矿物化学键为金属键，由电负性都较低的元素结合而成，晶格常作等大球体最紧密堆积，紧密度大，矿物不透明，呈金属光泽，硬度低中等，具强延展性，不溶于水，为电的良导体。26 论述离子晶格矿物的光学性质特征。（4分）答：离子晶格矿物化学键为离子键，其光学性质表现为无色或浅色、条痕白色、透明、玻璃光泽。27 何谓配位数？简要论述影响离子晶格配位数大小的重要因素。（6分）答：一个离子或原子周围与其直接相邻的原子或异号离子的数目，称为该离子或原子的配位数。 影响离子晶格配位数大小的重要因素主要有：（1）阴阳离子的半径比，当阴阳离子的半径比愈接近，则配位数愈大；（2）离子极化和环境的影响，当晶格中有极化极化力强的离子时，其配位数降低；温度升高，配位数降低，压力增大，配位数增大。28 试述晶格类型对矿物性质的影响。（8分）答：（1）离子晶格矿物化学键为离子键，其光学性质表现为无色或浅色、条痕白色、透明、玻璃光泽；硬度中等高，具脆性；在极性溶剂（如水）中溶解度较大，是电的不良导体。（2）原子晶格矿物化学键为共价键，由电负性都较高的元素结合而成，矿物透明、金刚光泽、硬度很高，具脆性，不溶于水、是电的不良导体。（3）金属晶格矿物化学键为金属键，由电负性都较低的元素结合而成，晶格常作等大球体最紧密堆积，紧密度大，矿物不透明，呈金属光泽，硬度低中等，具强延展性，不溶于水，为电的良导体。（4）分子晶格矿物化学键为分子键，矿物一般透明至半透明、硬度很低、溶于有机溶剂，不溶于水、是电的不良导体。29 何谓同质多象？举例说明其研究意义。（4分）答：相同的化学成分，在不同的物理化学条件下，形成结构不同的多种晶体的现象。称为同质多象。根据岩石中被保留下来的同质多象变体或副象，可以推断这些岩石形成时的温度、压力或其它条件，如石英的各种同质多象变体和碳的同质多象变体石墨及金刚石在地质工作中就常被用作“地质温度计”和“地质压力计”。30 何谓类质同象？简要论述类质同象代替的重要条件。（8分）答：晶体结构中的某种质点被类似的质点所代替，仅使晶体常数发生微小的变化，但晶体结构并不发生变化的现象称为类质同象。类质同象代替的重要条件主要有：（1）离子半径：互相类质同象代替的离子必须半径相近，这是类质同象代替的容积条件；（2）离子类型：在满足上述条件的前提下，互相类质同象代替的离子必须离子类型接近；（3）温度：温度升高有利于类质同象代替，温度降低则不利于类质同象代替，甚至会使已经形成的类质同象固溶体发生分离；（4）组分浓度：晶体生长过程中，晶体中的某种组分在环境中含量很低，将促使其它类似质点进入晶体代替不足的组分；（5）pH值：某些中性元素的离子，在不同的pH值条件下可分别起金属阳离子（不发生类质同象代替）和酸根（发生类质同象代替）的作用。31 简述惰性气体型离子的基本特点。（6分）答：（1）电子层结构稳定，一般情况下不变价；（2）与半径和电价相似的其它类型离子相比，电负性最低，其化合物离子晶格性质较强；（3）常参加到含氧盐或氧化物晶格中，形成造岩矿物。32 简述过渡型离子的基本特点。（6分）答：（1）具有不满的d电子亚层，其结构不稳定，因而本类型离子较易变价；（2）离子的电负性、化合物的键性均具有过渡性；（3）其化合物经常呈现深浅不同的颜色，故又称色素离子；（4）右半区过渡型离子亲硫性强，左半区过渡型离子亲氧性强。33 简述铜型离子的基本特点。（6分）答：（1）电子层结构仍相当稳定，除个别离子（主要是Cu+）外，一般情况下不变价；（2）与半径和电价相似的其它类型离子相比，电负性最高，因而，当它们与电负性不太高的阴离子结合时，其化学键强烈地向共价键和金属键过渡；（3）在自然界经常参加硫化物的晶格，形成有工业意义的金属矿床。34 类质同象的研究有何实际意义？（6分）答：（1）了解矿物成分变化的原因，用正确的化学式来表示矿物的成分；（2）理解同种矿物的不同标本性质变化的原因；（3）判断矿物的形成条件；（4）综合利用矿物中类质同象代替的微量元素。35 举例说明类质同象类型的划分。（4分）答：在类质同象代替中，根据两种离子代替的限度划分为：完全类质同象：晶体中一种质点可以被另一种质点无限制代替，如橄榄石中Mg+2可无限制被Fe+2代替。不完全类质同象：晶体中一种质点只能有限制地被另一种质点代替, 如闪锌矿中Fe+2只能有限制地代替Zn+2。根据互相代替的离子的电价是否相等，又可将类质同象划分为：等价类质同象：互相代替的离子电价相等，如闪锌矿中Zn+2代替Fe+2异价类质同象：互相代替的离子电价不相等，如长石中Al+3代替Si+4。36 用矿物实例说明晶体形成时温度、压力对离子配位数的影响。（6分）答：在晶体结构中某质点周围与该质点直接联系的质点数，称为该质点的配位数。在离子晶体中，与某离子联系的异号离子或分子数，即该离子的配位数。当环境温度高时，晶体结构紧密度降低，容纳阳离于的空隙变大，为保持异号离子间能接触，阳离子常转入低配位空隙中。反之，在压力大的环境中，配位数常会增高。如含铝的硅酸盐矿物表现最明显，在高温下形成的铝硅酸盐矿物(如夕线石、长石等)，Al3+的配位数常为4，而高压或低温下形成的矿物(如蓝晶石、高岭石)，Al3+的配位数主要是6。37 定性论述二元化合物中阴阳离子的电负性差值对矿物键性的影响。（2分）答：二元化合物中阴阳离子的电负性差值越大，其化学键以离子键为主，电负性差值越小，其化学键则共价键为主。38 何谓固溶体离溶（类质同象分解）？（4分）答：单一结晶相的均匀固溶体分离成为两种成分不同的结晶相的作用称为固溶体离溶。39 矿物的晶体结构的有序度研究对探讨矿物形成的地质条件有何意义？（4分）答：以数字形式来表示晶体结构有序的程度称为矿物晶体结构的有序度，矿物形成时的温度越高，其矿物的晶体结构的有序度越低，反之，矿物形成时的温度越低，则有序度越高。40 试以晶体化学观点，说明石墨的低硬度、高熔点及导电性。（6分）答：石墨是一种多键型晶格的矿物，其层内（垂直于Z轴方向）为共价键，故具有高熔点。而C原子最外层有四个电子，其中有三个与相邻的C原子共用电子对形成共价键，另一个电子则未配对，在整个层内流动，类似于自由电子，故具有导电性。其层间则以微弱的分子键连接，故其硬度很低。41 顽火辉石Mg2Si2O6中的Mg2+若部分地为Fe2+类质同象代替，将会导致矿物的颜色、比重发生何种变化？说明变化的原因。（4分）答：Mg2+离子为惰性气体型离子，其原子量比Fe2+小，而Fe2+为过渡型离子，其原子量比Mg2+大，当顽火辉石Mg2Si2O6中的Mg2+部分地为Fe2+类质同象代替后，矿物的颜色将会变深，比重也会增大。42 简述地壳中化学元素的丰度的矿物学意义。（4分）答：地壳中化学元素的丰度以克拉克值来度量。元素在地壳中平均含量的重量百分比称为元素的克拉克值(或称重量克拉克值)。一般地说，一种元素的克拉克值越高，形成的矿物种数就越多、数量越大，也越常见。但也有少数几种金属元素，其克拉克值并不高，但它们的矿物却很常见。这是因为其性质与克拉克值最高的几种元素性质不同，很少混入它们的矿物，而是经常集中起来形成独立的矿物，使人们容易“见到”它们，并加以开采利用。43 从胶体的基本性质说明胶体矿物的成分特征。（6分）答：自然界的胶体矿物，主要由水溶胶(直径1100nm的矿物微粒分散于水中)凝聚而成。这种凝胶，叫水胶凝体。水溶胶主要是风化作用中形成的难溶物质(如铝、铁、锰、硅的氧化物和氢氧化物等)分散于水中形成的。胶体微粒具有很大的比表面积(例如直径1cm的圆粒，共表面仅00003m2，将该颗粒粉碎至直径为1nm的微粒后，总表面为3000m2)，因而能吸附大量离子，从而带有一定的电荷。胶凝作用，常常是在一定条件下胶体微粒的电荷被中和，使微粒得以聚集而发生的。因此，胶体矿物的成分常很复杂，含有不少被吸附的杂质。有许多胶体还含有或多或少的胶体水，如二氧化硅的胶体蛋白石(SiO2nH2O)。44 简要论述矿物中的水。（4分）答：根据水在矿物晶格中的作用，可将其分为：(1)结构水 结构水是以H+、(H3O)+或(OH)-的形式存在于矿物中的水。结构水与晶格结合很牢，一般在加热达数百度(通常为300900oC)时，才逃离晶格，使晶格破坏。结构水的表示法如下：氢氧镁石 Mg(OH)2中的(OH)；(2)结晶水 结晶水是以水分子形式存在于晶体结构中的水。它占有一定的位置，并有确定的数目，加热到一定的温度即失去一定的水(部分或全部)，失水后，晶体结构即被破坏。结晶水的失水温度比结构水低，一般在500oC以下，有时可低到几十度。表示法如下：石 膏 CaSO4 2H2O中的2H2O；(3)层间水 在一些层状结构的矿物(如某些粘土矿物)中，层间常有水分子进入。这种水比较容易失去，失去后晶体构造并不解体，仅层间距离缩短一些。当条件改变，它们又能再进入层间，使层间距离膨胀。这种水比结晶水更容易脱离晶格，一般加热达几十度即开始逸出，110oC左右即大量失去，而且是逐渐脱水。其表示方法和结晶水相同，但其数目不定，可用n表示，也可以用经常含有的水分子数来表示。如：蒙脱石 CaO33(Al，Mg)4Si8O20(OH)4nH2O(4)沸石水 在一些矿物(主要是沸石族矿物)的晶体结构中，有相当大的内外相通的孔道，水分子可以进入孔道。其出入情况与层间水相同，但不发生晶格的缩涨，仅孔道可空可满而已。沸石水与层间水的表示方法相同。如钠沸石 Na2Al2Si3O102H2O(5)吸附水 吸附水是没有参加晶格，只吸附于矿物颗粒表面和裂隙中的水。在一般情况下，这部分水比较容易失去。从化学实验室得到的分析数据中，所谓负水H2O-，意思就是未参加晶格的吸附水。这部分水是在样品烘干到110oC以前逃逸的水。高于110oC逃逸的水叫正水H2O+，它们是参加晶格的水。但是，正如前述，有些参加晶格的水：沸石水、层间水和部分结晶水在110oC以前就要逃离晶格。因此，在分析这些矿物样品时，要用特殊方法处理样品中的水。此外，还有胶体水，它是吸附水的一种，存在于肢体微粒间。胶体水要表示在化学式中，如蛋白石SiO2nH2O。45 用矿物实例说明矿物的晶体化学式的书写方法。（6分）答：用一定方式表明矿物化学成分中各组分的晶体化学作用和矿物的结构类型的化学式称为晶体化学式。其书写规则如下： 阳离子写在前面 如有数种阳离子，则按碱性自强而弱的顺序排列。例如： 尖晶石 MgAl2O4 阴离子写在后面 络阴离子用方括号括住。例如：白云石 CaMg(CO3)2用方括号括出络阴离子是晶体化学式最重要的特点，它把各组分的晶体化学作用表示得很清楚。如Al在正长石中和Si共同组成铝硅酸根，正长石为钾的铝硅酸盐；而蓝晶石中Al起阳离子的作用，是铝的硅酸盐，其酸根为SiO4而不是SiO，最后面的O没有参加酸根，起独立阴离子的作用。如果取消方括号，晶体化学式大部分特点也将失去。但是，人所共知的络阴离子的方括号可以省去，如CaCO3，可简写为CaCO3。附加阴离子写在主要阴离子后面。所谓附加阴离子，是指含氧盐矿物成分中对性质影响最大的含氧酸根以外的阴离子。如：白云母 KAl2AlSi3O10(OH)2中的(OH)，结晶水写在最后，以圆点隔开。如：石 膏 CaSO4 2H2O类质同象互相代替的几种元素用括号括起，含量多的排在前面，其间以逗号分开。如：橄榄石 (Mg，Fe)2(SiO4)46 举矿物实例说明胶体沉淀形成的矿物集合体的形态特征。（4分）答：胶体矿物是非晶质或隐晶质的，因此，看不到晶体的多面体外表，但常可形成独特的隐晶(非晶)集合体形态。如钟乳状、葡萄状、肾状等等。其矿物实例如鲕状赤铁矿。47 简要说明结核体和分泌体在形成方式上的差异。（4分）答：结核体是矿物包绕一个核心凝聚，即形成所谓结核。结核大者直径可达数十厘米，小者不足一毫米。结核形状可呈球形、卵形或不太规则的其它形状。结核有两种主要的形成途径。它可以形成于海洋、湖泊中。水中析出的矿物微晶或胶凝物质，往往围绕砂粒等碎屑凝聚成球粒或团块而沉淀下来。这种结核(或鲕状体等)在沉积岩中的分布常具一定层位。结核还可以由地下水作用形成。运行在地下深处的潜水携带着溶解的矿物质来到潜水面附近，由于蒸发、氧化或其它作用，其携带的物质围绕某些颗粒层层凝聚，即形成结核，结核状集合体亦常见同心层和放射状构造。分泌体包括晶腺状集合体及杏仁体，前者是水溶液中携带的矿物质在岩石的空腔中析出，自腔壁开始层层充填，即形成所谓“晶腺”。晶腺虽也具同心层，但各层形成先后顺序与结核相反；杏仁体”也是矿物质层层充填于岩石空腔中形成的矿物集合体，但这种空腔存在于熔岩中，是岩浆溢出地表时产生的气态包裹体气泡。气泡内溶液中的矿物质，以及溶液从周围岩石中吸取的矿物质充填于空腔中，即形成“杏仁体”。杏仁体没有沟通外界的通道。它不是晶腺，但常常与晶腺一起被称为“分泌体”。48 何谓自色？简述矿物自色的呈色机理。（8分）答：自色是由矿物成分、结构所决定的颜色，即光波与晶格中电子相互作用的结果。其呈色机理大致有下列情况： 过渡型金属阳离子内部电子跃迁 过渡型阳离子具有未填满的d(或f)轨道。对孤立离子来说，同一d亚层5个轨道能级是相同的。但在晶体中，由于每个阳离子周围阴离子电荷的作用，能级相同的5个d轨道即分裂为能级不同的两组或几组。组间的能级差，就叫晶体场分裂能。在很多情况下，值与可见光的能量相近。当晶体中存在过渡型离子(不论是主要成分或类质同象混入物)，可见光照射到晶体上时，位于d轨道上的电子就会吸收与值能量相当的光波，由低能级轨道向高能级轨道跃迁。由于一部分波长的光波被吸收，矿物即呈现出颜色。例如以类质同象方式进入刚玉(Al2O3)中的Cr3+，其3个d电子位于能量较低的d轨道上，当吸收了以绿光为主的光波能量，这些电子即跃迁到能量较高的d轨道上去。由于绿光被吸收，晶体即呈现绿色的补色红色(含铬刚玉叫红宝石)。具有未满的d轨道是过渡型金属阳离子的特征，因而这些离子常使晶体呈色。由于这一原因，这些离子习惯上被称为色素离子。 元素或离子间的电子转移 当晶体中存在较易变价的离子(主要是过渡型金属阳离子)，在一定能量的光波作用下，有可能激发相邻离子间的电子转移，而发生所谓光化学氧化还原反应。由于一定波长的光在电子跃迁过程中被吸收，晶体即呈现一定的颜色。当晶格中存在同种元素的不同价离子(如Fe2+和Fe3+、Ti3+和Ti4+以及Mn2+和Mn4+等等)，这些离子又位于相互联结的配位多面体中(如共棱的两个八面体中)，这种电子转移特别容易进行，如磁铁矿、蓝铁矿(Fe3PO428H2O)在空气中有部分Fe2+氧化成Fe3+，多含铁镁的“暗色”硅酸盐矿物的颜色，就和晶格内Fe2+和Fe3+间电子转移有关。 能带间电子跃迁带隙跃迁 对自然金属和硫化物一类矿物的呈色，一般用带隙电子跃迁来说明。根据能带理论，晶体中的电子按能量高低分别位于各能带中(图111)。为电子占满的能带称为满带，未占满的叫作导带，导带的能量较高。各能带间有一能量间隙，称为禁带。电子可以由满带向导带跃迁，但必须吸收超过中间的禁带宽度所代表的能量才能发生。在自然金属和硫化物晶体中，这一禁带宽度常很窄，有时甚至为0 (如自然铜等金属为0，方铅矿、黄铁矿等金属光泽的矿物小于1.7eV，即小于红色光波 的能量，辰砂、雄黄等金刚光泽的矿物在2.02.5eV间，即橙色光至绿色光间)。因此，它们能够吸收可见光而产生颜色。对于禁带宽度1.7eV甚至为0者，各种波长的可见光波均被大量吸收，因而其透明度极低。跃迁后位于激发态的电子又极易回到基态，同时以可见光的形式发射出大部分能量，使这类矿物经常具有很强的反射能力及特有的金属光泽和金属颜色。 色心 在无色透明晶体少，每个质点的核外电子对可见光都不产生选择性吸收。因为使这些电子从满带向导带跃迁所需能量超过可见光的能量。晶体是具有格子构造的固体，具有完全的均一性，因而各处电子产生跃迁所需能量是一样的。但自然界的晶体经常存在一些缺陷，如某处少一个离子、多一个原子或换成性质不相同的其它质点等等。晶体这些部位的均一性受到破坏，能带间的距离也要发生改变。有些晶体，在缺陷部位电子跃迁所需能量减小到与可见光相当的程度。在这些地方，就会产生对可见光的选择性吸收而使晶体呈色。在晶体中，对可见光产生选择性吸收的缺陷部位就叫作色心，被电子占据的色心，还特别称为“F心”。49 何谓假色？简要说明假色的呈色原因。（4分）答：假色是矿物因内部裂隙或表面氧化薄膜引起光线干涉所呈现的颜色。假色与矿物成分、结构无关。50 何谓比重？简述决定矿物比重大小的因素。（4分）答：比重是指纯净矿物在空气中的重量与同体积纯水重量之比(4oC时)。矿物的比重首先决定于组成矿物的元素的原子量。比重很大的矿物多半含有原子量较大的元素，如重晶石(Ba)、方铅矿(Pb)、黑钨矿(W)。其次，组成矿物的离子或原子的体积，也有很大影响。例如K比Na原子量大得多(大70)，但K+离子体积比Na+大得更多(大158)，因此，含Na矿物的比重常超过K矿物(KCl1.984，NaCl2.165，钾长石12.56，钠长石12.62)。最后，晶体结构紧密程度对矿物的比重起重要作用。例如成分同为碳的石墨和金刚石，比重分别为2.2和3.5。其原因就在于金刚石的晶体结构比石墨更紧密。51 何谓解理？试述矿物产生解理的几种原因。（8分）答：解理是指矿物受力后，沿一定结晶方向裂开成光滑平面的性质。矿物产生解理的原因可以大致归纳为以下四方面：(1)质点面间距离相对较大。例如在金刚石晶体结构中质点面间距离如下：平行111方向为1.545 ；平行110方向为1.262 ；平行100方向为0.892 。其中以平行111的质点面间距最大，其联系力相对较弱。因而金刚石具有平行111解理。(2)存在仅由分子键联结的构造层。例如在石墨的晶体结构中，平行0001方向碳原子由共价键联成坚强的层，层间仅有很弱的分子键联系。因而石墨具有平行0001方向的解理。(3)离子晶体中电性中和的质点平面间联系力较弱。所谓电性中和的质点平面就是由阴阳离子组成的，正负电荷相等的质点平面。例如在石盐晶体中平行100方向的质点平面即电性中和平面。相邻两电性中和质点平面间不仅有异号离子的吸引力，而且存在同号离子的排斥力。平行(001)方向各质点平面间联系力要比平行(111)各质点平面间联系力弱得多。解理容易平行电性中和质点平面产生。(4)相邻质点平面由同号离子组成。同号离子间有排斥力。在晶体构造中如果有两个同号离子组成的质点平面相邻，必然造成联系力薄弱的环节，因而易于产生解理。此外，电价较低的离子成层分布，水分子层的存在等，也是离子化合物产生解理的原因。52 解理和裂开的性状和产生的原因有何异同，举矿物实例加以说明。（4分）答：解理和裂开的性状及表现形式在肉眼鉴定中很难加以区分。但其产生的原因不同，解理直接决定于晶体结构，是晶体的最稳定的性质之一；如自然界产出的方铅矿，都具有100完全解理。裂开不直接决定于晶体结构，而是决定于杂质和双晶接合面等晶体结构以外的原因。因此裂开不是晶体的稳定的性质，同种矿物有的有，有的则没有，如磁铁矿可以有裂开，有的则没有裂开，53 举矿物实例论述决定矿物硬度大小的因素。（4分）答：矿物的硬度决定于矿物的成分和结构。具原子晶格者硬度最高，如金刚石。具分子晶格的矿物硬度最低，如自然硫。离子晶格矿物则决定于离子的电价和半径。在一般情况下，矿物的硬度随离子电位(电价半径)的绝对值增大而提高，如石盐硬度低于萤石。晶体结构中质点排列方式对硬度的影响也很大。结构不紧密，将降低硬度。例如石英SiO2，其Si4+的离子电位超过Al3+，但硬度却比刚玉低。其原因就是石英的结构为空心架状，远不如刚玉紧密(刚玉比重为3.965，石英为2.65)。具层状结构的矿物，其层间联系力弱，因而硬度一般较低。如滑石、石墨、辉钼矿都具层状结构，层间为分子键，它们的硬度均为1。含有结晶水的矿物，其硬度通常也不高，如硬度为2的石膏CaS042H20。54 云母和滑石都是层状硅酸盐类矿物，为什么云母片具弹性，而滑石片不具弹性，只有挠性？（4分）答：云母族的结构与滑石族非常相似，其不同之处有两点，第一点是云母族硅氧四面体片中有Al3+代替Si4+(Al:Si=1:3)，使单元层出现多余的负电；第二点是云母族单元层间有大阳离子K+(Na+)来平衡电荷。由于单元层间有K+，增强了结构的牢固性，使云母的硬度增大至2.5，薄片加大且具有弹性，滑石族单元层间没有大阳离子，单元层间结构的牢固性弱，故不具弹性，只有挠性。55 矿物形态的研究有何实际意义。（4分）答：形态是矿物的重要外表特征之一。它首先决定于矿物的化学成分和内部结构。因此，可以作为矿物的重要鉴定特征。例如，斜长石的晶体常呈板状；石榴石的晶体常呈粒状，有时还成为规则的四角三八面体或菱形十二面体；角闪石晶体则经常早柱状。这些都是它们的重要鉴定特点。矿物形成时的环境对形态也有重要影响，所以，形态还是研究矿物成因的重要标志。56 何谓晶体习性？举例说明影响晶体习性的因素。（8分）答：晶体习性主要指矿物单体在三度空间发育的情况。影响晶体习性的因素主要有：晶体结构，如链状硅酸盐矿物常发育为针、柱状，层状硅酸盐矿物常发育为片状；晶体的形成条件如温度、压力，晶体生长时的自由空间等。如方解石，在高温下(一般在200oC以上)晶体呈板状或片状(又叫层解石)；在低温下(例如地下水活动中)形成的晶体则呈一向延伸的柱状晶体。57 何谓萤光？有些矿物为什么会发萤光？（4分）答：矿物受外界能量的刺激，能发出可见光的性质称为发光性。发光现象随激发的中断而立即终止者，称为荧光；矿物的发光性几乎总是和晶格中存在微量杂质有关；因杂质而产生的晶格缺陷成为能发射可见光的中心。因此，当矿物中含有微量杂质时，便会发萤光。58 何谓磷光？矿物发磷光的原因何在？（4分）答：矿物受外界能量的刺激，能发出可见光的性质称为发光性。停止激发后仍能继续发光一段时间者，称为磷光。矿物发磷光的原因在于紫外光等能量的激发，使电子由基态直接跃迁到较高的能级上，当电子分段向基态返回时，即放出包括可见光在内的电磁波。59 矿物的光学性质之间有何关系？（8分） 矿物光学性质关系表颜 色非金属色(透射色为主)金属色(反射色为主)透 明 度透 明透明-半透明微 透 明不透明条 痕 色白 色白-彩色深 彩 色黑 色光 泽玻 璃金 刚半 金 属金 属反射率2101029920(30)(10)209560 怎样区分玻璃光泽和金刚光泽？（2分）答：区分二者主要依据矿物的条痕色，一般说来，当矿物为显晶质集合体时，当其条痕色为无色或白色时，为玻璃光泽；当其条痕色为浅彩色时，为金刚光泽。61 怎样区分半金属光泽和金属光泽？（2分）答：区分二者主要依据矿物的条痕色，一般说来，当矿物为显晶质集合体时，当其条痕色为深彩色时，为半金属光泽；当其条痕色为黑色或金属色时，为金属光泽。62 何谓标型特征？试举矿物的形态、成分、物性作为标型特征的实例各一个。（8分）答：多数矿物可以在不同的成因类型中形成，即使在同一成因类型中，其物理化学条件也不完全一样。各种形成环境往往在矿物上留下可以觉察的特征。这种能说明成因的特征，叫做标型特征。标型特征可以是成分、结构、形态以及物理性质上的。例如，在高温热液中形成的方解石晶形比较扁平；在低温热液中或地下水活动中形成的晶体常沿C轴伸长的柱状。较高温度下形成的闪锌矿在成分上含较多的类质同像杂质如Fe、Cd、Ga、In、Ni等，且颜色较深，比重降低。63 何谓原生包裹体？对它的研究有何地质意义？（4分）答：矿物在成长过程中把成矿介质(气体、溶液、岩浆等)包裹在晶体中形成的包裹体称为原生包裹体，包裹体中的物质能如实反映当时的介质成分。包裹体还可以提供成矿温度的信息。64 自然元素大类矿物，有哪些晶格类型？试各举一矿物名。石墨属什么晶格？（8分）答：主要有金属晶格、原子晶格和分子晶格三种类型；金属晶格的矿物如自然金、原子晶格的矿物如金刚石、分子晶格的矿物如自然硫。石墨属多键型晶格。65 从石墨的晶体结构特征论述石墨的形态和物理性质。（8分）答：石墨的晶体结构特征为：六方晶系，碳原子呈层状排列。层内各原子间以共价键联结，每个原子以三个价电子与相邻三个原子形成坚强的键，使石墨的层非常牢固，每个原子剩余的一个价电子在层内共同组成一个大键，电子在层内可以自由传递，使石墨具有金属的许多特点。层与层间全靠分子键联结，联结力十分薄弱。因此，石墨的形态常呈片状或鳞片状，物理性质表现为钢灰至铁黑色；不透明；条痕亮灰黑色；金属光泽，硬度1，解理平行0001，极完全，薄片具挠性，手摸之有滑感，并污手，比重2.25；电、热良导体，化学性质稳定。66 从简单硫化物类矿物的成分和键性特点，说明其物理性质特征。（8分）答：简单硫化物类矿物在成分上表现为：阴离子S半径较大，电负性较低。阳离子主要是铜型离子和靠近铜型离子的部分过渡型离子。它们分布于周期表的中右部。与其它阳离子相比，其元素的电负性较高，因此，本类矿物阴、阳离子间电负性差值很小。其化学键由离子键向金属键和共价键(有时是分子键)过渡。硫化物晶格的这一特点，对矿物的物理化学性质有很大影响。 向金属键过渡表现为具金属光泽、不透明、条痕黑色、具显著的导电性和导热性。如方铅矿PbS和黄铜矿CuFeS2等等。向共价键过渡表现为具金刚光泽、半透明，条痕为浅色或彩色，电、热不良导体。如闪锌矿ZnS和辰砂HgS等。在硫化物中没有玻璃光泽的矿物，也没有易溶于水或含水的矿物（除了极罕见的碱金属硫化物外）。这些特点都和典型的离子化合物完全不一样。但它们和典型的原子晶格或金属晶格也有区别。例如，许多硫化物虽具金属光泽，但具脆性，而且常发育完全解理，这都和真正的金属晶格不同。本类矿物硬度一般较低（低于小刀）。这是因为阴离子半径较大，阳离子电价不高(多数为12价)或阳离子电价虽较高(34价)但矿物晶格具层状或链状结构，以及层内或链内结合虽强，但层间和链间的联结薄弱（如辉钼矿MoS2和辉锑矿Sb2S3）所致。本类矿物比重一般较大，绝大多数矿物达4以上，主要是因为组成本类矿物的阳离子半径较小而原子量较大。此外，从晶体结构看，本类矿物晶格中的质点常按紧密堆积的规则排列。例如方铅矿、闪锌矿、磁黄铁矿、黄铜矿等等，其阴离子作立方或六方最紧密堆积，阳离子位于八而体或四面体空隙中，结构比较紧密。角闪石族化学成分相同点：络阴离子电价较低，阳离子电价相应较低，起主要作用的为Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等二价离子，Al3+、Fe3+、Ti3+等三价离子主要和Na1+、Li1+等一价离子一同进入晶格，很少单独与络阴离子组成链状硅酸盐；Al代替Si进入络阴离子的现象主要存在于分布极广的普通辉石、普通角闪石等矿物中，Al代替Si的数量一般在1/4以下。不同点：无(OH)及F等挥发分。相同点：络阴离子电价较低，阳离子电价相应较低，起主要作用的为Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等二价离子，Al3+、Fe3+、Ti3+等三价离子主要和Na1+、Li1+等一价离子一同进入晶格，很少单独与络阴离子组成链状硅酸盐；Al代替Si进入络阴离子的现象主要存在于分布极广的普通辉石、普通角闪石等矿物中，Al代替Si的数量一般在1/4以下。不同点：有(OH)及F等挥发分及结构水。晶体结构相同点：具有平行排列一向延伸的硅氧骨干。不同点：单链相同点：具有平行排列一向延伸的硅氧骨干。不同点：双链形态及物性相同点：矿物常呈长、短不等的柱状、针状、或纤维状：平行柱的方向(即构造中链的方向)具有中等一完全解理，矿物的硬度比岛状和环状硅酸盐低，一般多在56间，少数可至7；颜色随成分而异，含过渡型离子(主要是铁)者色深；不同点：平行柱的方向(即构造中链的方向)具有中等解理，两组解理的夹角近900（870及930）。相同点：矿物常呈长、短不等的柱状、针状、或纤维状：平行柱的方向(即构造中链的方向)具有中等一完全解理，矿物的硬度比岛状和环状硅酸盐低，一般多在56间，少数可至7；颜色随成分而异，含过渡型离子(主要是铁)者色深；不同点：平行柱的方向(即构造中链的方向)具有完全解理，两组解理的夹角为560及1240。成 因相同点：主要形成于岩浆作用和变质作用。不同点：形成温度较高，在岩浆作用中早于角闪石结晶。相同点：主要形成于岩浆作用和变质作用。不同点：形成温度略低，在岩浆作用中晚于辉石结晶。67 简述硅灰石的成因。（4分）答：主要形成于接触交代变质作用。产于大理岩和矽卡岩中，与透闪石、石榴石等共生；此外，也见于钙质结晶片岩中。68 简要论述普通辉石和普通角闪石在成分和成因上的特征。（6分）答：普通辉石普通角闪石成分化学式为：(Ca,Na)(Mg,Fe2+,Al,Fe3+)(Si,Al)2O6成分较复杂，主要可看成有Al3+代Si4+的透辉石钙铁辉石，同时有Al3+代替Mg2+以平衡电价：2Al3+Si4+Mg2+。此外，还可以有Na+、Fe3+、Mn2+、Ti3+等成分以类质同象方式进入晶格。化学式为：NaCa2(Mg,Fe,Al)5(Si,Al)4O112(OH)2成分复杂，主要特征为有Al代Si，A阳离子有Na(或K)存在以及C阳离子有三价的Fe3+、Al3+参加。有时有Ti。成因主要为基性岩(如辉长岩、玄武岩等)的主要造岩矿物。普通辉石形成后，可被角闪石交代形成纤闪石(绿黑色针状角闪石)。受热液蚀变可分解为绿泥石、绿帘石，方解石等矿物。普通角闪石的形成与岩浆岩有密切关系，它是各种中酸性火成岩的重要造岩矿物；在基性的辉长岩中也有普通角闪石；普通角闪石也是变质岩中角闪岩和角闪片岩的主要组成部分。普通角闪石有时按普通辉石晶形形成假象纤闪石。69 简要论述辉石族和角闪石族矿物解理产生的原因、方向、组数和夹角。（6分）答：辉石族和角闪石族矿物的晶体结构中络阴离子为链状硅氧骨干，各链互相平行，沿C轴无限延伸，链与链间靠金属阳离子联结，连接力相对较弱，故受力后易沿平行柱的方向(即构造中链的方向)裂开而产生解理。二者均为110两组解理，辉石族两组解理夹角为870及930。角闪石族两组解理夹角为560及1240。70 举矿物实例说明层状硅酸盐结构单元层的两种基本型式。（4分）答：层状硅酸盐结构单元层的两种基本型式为：(1)2:1型 这种类型的单元层由两个硅氧四面体片夹一层阳离子组成。因为这种单元层包括两个四面体片和一个八面体片，因而被称为2:1型单元层。云母、滑石、蒙脱石等许多层状硅酸盐具有这种单元层。如滑石，其化学式为Mg6Si8O20(OH)4，结构示意如下：(2)1:1型 这种类型的单元层由一个硅氧四面体片和一层(OH)夹一层阳离子构成。在这种单元层中，只有一个四面体片和一个八面体片，因而称作1:l型单元层。高岭石、蛇纹石等矿物具有这种单元层。如高岭石，其化学式为Al4Si4O10(OH)8，结构示意如下：71 何谓可交换性阳离子？试举一具可交换性阳离子的矿物实例，写出其晶体化学式，指出化学式中可以交换的阳离子及其在晶体结构中的位置。（6分）答：在层状硅酸盐结构单元层与单元层间，有K+、Na+、Ca2+、H3O+等大阳离子以及Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子的水合离子进入。这些阳离子可与外界发生交换，故称其为可交换性阳离子。如伊利石K2-xAl4Al2-xSi6+xO20(OH)中的K+离子即为可交