4 地球中的元素及矿物.ppt

第三章地球中的元素及矿物 1 地球中的元素 2 地球中的矿物 地球的质量近60万亿亿吨 5 976 1027g 几乎都集中在平均半径为6371km的固体地球内以岩石和金属的形态出现其平均密度为5 52g cm3大气 水和生物体的总质量不足0 1 1 地球中的元素 宇宙中的元素是通过热核聚变反应 经历了从简单到复杂的形成演化过程的 地球物质复杂多样 地球上多种多样的物质 都是从基本粒子聚变而成氢开始的然后是四个氢合成一个氦 两个质子转化为中子 氦再进一步合成其它元素约在150亿年前的大爆炸以后50 100亿年时 从轻元素到重元素 现今所有的元素就已逐渐形成 美国化学家克拉克 F W Clarke 1847 1931 根据大陆地壳中的5159个岩石 矿物 土壤和天然水的样品分析数据 于1889年第一次算出元素在地壳中的平均含量数值 平均重量百分比 即元素的丰度后人为了纪念这个创举 将它命名为克拉克值 元素在地壳中的分布 地壳中各元素的丰度 氧 45 2 钠 2 32 硅 27 2 钾 1 68 铝 8 钛 0 68 铁 5 8 氢 0 14 钙 5 06 锰 0 10 镁 2 77 磷 0 10 其它所有元素 0 95 地壳中其它重要元素 10 5 Cu5 5 Pb1 25 Zn7 Co2 5 Ni7 510 6 W1 5 Sn2 U2 7 Mo1 5 As1 810 7 Sb210 8 Ag7 Au410 9 Pt5 构成地壳物质的基本单元就是化学元素 地壳物质中包括了元素周期表中的绝大部分元素 但其含量极不均匀 其中氧 硅 铝 铁 钙 镁 钠 钾八种元素占了地壳物质重量的98 以上 整个地球的物质 按重量计算 各元素的丰度 铁34 6 氧29 5 硅15 2 镁12 7 镍2 4 硫1 9 钙和铝2 2 其它所有元素共占1 5 地核 大部分以金属状态存在的铁和镍 地壳和地幔 大部分是氧和硅 镁 铁 铝也较多水圈 以氧和氢为主生物圈 主要为碳 氢 氧和氮大气圈 水圈和生物体中的所有元素的质量和地球的总质量相比 不及千分之一 自然界物质组成的元素差异 2 自然界中的矿物 天然产出的 具有一定化学成分和内部晶体结构以及一定的物理和化学性质的自然元素单体或化合物 矿物的集合体称为岩石岩石是混合物请注意分清岩石和矿物 孔雀石 金刚石 Cu2 OH 2CO3 自然金 狗头金 金刚石 水晶 石英 紫水晶 石英 天然矿物 自然铜 红宝石 刚玉 水晶石英 Al2O3 SiO2 人造矿物不属地质学范畴 已知矿物33 多种 具一定化学成分 每种矿物有较稳定的化学成分 绝大多数矿物是固态 极个别液态 g 固体矿物分为晶体和非晶体 矿物范围的界定 晶体 内部质点在三维空间上作规律性重复排列 1 矿物的特征 矿物可以由一种单质元素组成 如自然金 自然铜 自然硫 石墨等 绝大多数由几种元素的化合物 如石盐 石膏 石英等 它有比较固定的化学成分组成 如黄铁矿是由FeS2 方解石由CaCO3 石英由SiO2 岩盐是由NaCl组成的 绝大多数具有一定的内部结构和构造 以及一定的外部形态 如石盐内部质点呈有规律的空间排列 具有一定的物理性质和化学性质 绝大多数矿物呈固态出现 但仅少数以液态 自然汞 或气态产出 天然气 矿物一般多数为无机矿物 有机矿物很少 哪种是矿物 煤炭 花岗岩 石油 黄铁矿晶体 FeS2 Al2O3 Fe2O3 矿物种数 从20世纪初的2000多种20世纪90年代的3300多种 随着人类认识自然界的能力提高 发现的矿物种类增多 晶体 内部质点 原子 离子 在三维空间周期性重复排列 即有序排列 的固体 非晶体 内部质点排列无序 晶体矿物 具有晶体结构的矿物 晶体与非晶体 矿物晶体内部 格子构造 矿物晶体内部 格子构造 硅酸盐矿物的晶体结构 岛状环状单链状双链状片状 矿物晶体结构 矿物的DNA 绝大部分矿物都是晶体德国物理家冯 劳埃 M VonLaue 1879 1960 用X光观测晶体 发现不管晶体的外形如何 内部的原子 离子 分子都是有序的排列这种质点的有序排列 就好像生物的基因物质 脱氧核糖核酸 DNA 一样 矿物的各种特征不仅与它的化学成分相关更受到它晶体构造的控制 X射线衍射鉴定矿物 石墨与金刚石 正四面体网状立体结构 正六边形 矿物分类 自然元素矿物 如金Au 金刚石C 石墨C 铜Cu 银Ag等 自然元素矿物 矿物分类 卤化物矿物 如食盐NaCl 钾盐KCl 萤石CaF2等 NaCl CaF2 矿物分类 硫化物矿物 如黄铁矿FeS2 黄铜矿CuFeS2 方铅矿PbS 闪锌矿ZnS 辉钼矿MoS2 雄黄AsS等 氧化物和氢氧化物矿物 如赤铁矿Fe203 磁铁矿Fe3O4 铬铁矿CrO2 锡石SnO2 铝土矿Al OH 3 软锰矿MnO2 石英等 石英 SiO2 磁铁矿 赤铁矿 含氧酸盐矿物 最重要的是下面三种 硫酸盐矿物 有石膏 芒硝 重晶石等碳酸盐矿物 如方解石 孔雀石 白云石硅酸盐矿物 约占已知矿物种数的1 4 硫酸盐矿物 碳酸盐矿物 白云石 硅酸盐矿物 硅酸盐矿物 硅酸盐矿物 氧离子和硅离子结合的基础上 再与金属离子结合而成硅酸盐矿物种类繁多 约占已知矿物种数的1 4 占地壳总重量的85 其中最常见的就是各类长石 云母 辉石 角闪石 橄榄石等几种 它们广泛分布在地壳与地幔内 硅氧四面体 硅酸盐矿物的晶体结构 岛状环状单链状双链状片状 硅酸盐的架状结构 长石结构 硅酸盐的链状结构 角闪石结构 层状结构 白云母结构 同质多象与类质同象同质多象 相同化学成分的物质在不同的地质条件 P T 下 可以形成不同的晶体结构 从而成为不同的矿物 如石墨 金刚石 化学成分都是C 物理性质则完全不同 石英 iO2 分柯石英 斯石英等 石墨与金刚石 类质同象 矿物晶体结构中的某种原子或离子可以部分地被性质相似的它种原子或离子替代而不改变晶体结构 其物理性质差异一般不大 如铁 镁橄榄石 同质多象与类质同象 矿物的非晶质体 黑曜岩 珍珠岩 蛋白石 由于仪器观测精度越来越高 过去许多以为是非晶质的矿物 其实是晶体微小的 隐晶质 原来被列为非晶质矿物的种数变得越来越少 黑曜岩 蛋白石 蛋白石 玉髓 隐晶质 矿物晶粒极为细小 肉眼无法分辨出矿物颗粒 甚至在偏光显微镜下也不能分辨 矿物肉眼鉴定 主要是依据矿物的 晶体形态 光学性质 力学性质 其它一些物理性质 矿物的形态 1 矿物单体的形态 一向延长型柱状 针状 纤维状 角闪石 石英等 二向延展型板状 重晶石 石膏 片状 云母 石墨 三相近等型立方体状 粒状 黄铁矿 石榴子石 橄榄石 一向 二向 三向 矿物单体的形态 晶形 矿物的形态 2 矿物集合体的形态 显晶质集合体形态一向伸长型 晶簇状 纤维状 放射状 束状 毛发状 柱状二向延长型 片状 鳞片状 板状三向等长形 粒状 隐晶质和胶态集合体形态结核状 鲕状 肾状 钟乳状 葡萄状 晶腺 树枝状 块状 土块 粉末状等 花瓣状 矿物集合体形态 瓦状 板状 纤维状 针状 枝状 柱状 矿物集合体形态 矿物集合体形态 豆状 球状 矿物的集合体形态 自色 矿物的光学性质 矿物的颜色 是矿物吸收可见光后所呈现的色调 矿物本身固有的颜色 矿物的颜色 他色 矿物因含外来杂质或气泡等引起的颜色 假色 矿物的颜色 矿物表面氧化膜或内部裂隙对光的折射 散射所引起 矿物的条痕实际上就是矿物粉末的颜色 一般 从白色无釉瓷板上划出的线条颜色来确定 有些矿物的颜色与条痕一致 如金的颜色和条痕都是金黄色 而有些矿物的颜色同条痕不相同 如赤铁矿不管外表是暗红色还是铁黑色 但它的条痕总是樱红色 矿物光学特征 条痕 矿物光学特征 条痕 光泽 就是光线照射到矿物表面上反射光的能力由强到弱可以把光泽分为四级 1 金属光泽 反光很强 如同金 银的反光 例如自然铜 方铅矿 磁铁矿等 2 半金属光泽 反光较强 较金属光泽稍弱 类似没有磨光的金属器皿的反光 如辰砂 黑钨矿 3 金刚光泽 象金刚石状光亮 如金刚石 锡石 浅色闪锌矿等 4 玻璃光泽 反光较弱 象玻璃一样反光 自然界多数矿物是玻璃光泽 如水晶 正长石等 矿物光学特征 光泽 矿物的光泽 金刚光泽 半金属光泽 玻璃光泽 金属光泽 矿物光泽 土状光泽 油脂光泽 丝绢光泽 珍珠光泽 矿物光泽 自然金 金属光泽 硬锰矿 半金属光泽 金刚石 金刚光泽 石英 玻璃光泽 白钨矿 油脂光泽 滑石 蜡状光泽 石膏 丝绢光泽 砷铝矿 松脂光泽 矿物透过光线的程度 可分为三级透明 矿物象玻璃那样能透过光线 如水晶 冰洲石均是透明矿物 半透明 只有边缘薄处才能透过少量的光线如闪锌矿 辰砂等 不透明 矿物一点光线也透不过去 如黄铁矿 磁铁矿等 矿物的透明程度常与矿物的光泽有关 一般玻璃光泽 油脂光泽 金刚光泽的矿物都是透明至半透明的矿物 金属光泽和半金属光泽的矿物都是不透明矿物 矿物的透明度 透明矿物 不透明矿物 半透明矿物 矿物的透明度 摩氏硬度计 矿物的硬度 德国FriedrichMohs于1812年提出 野外缺少摩氏标准矿物时 可用其它简便工具进行测试 指甲的硬度约为2 2 5铜钥匙的硬度约为3小钢刀的硬度约为5 5 5玻璃的硬度约为6 矿物的硬度用 刻划能力 来衡量 取决于原子和离子结合在一起的化学键的强度 矿物被敲打后 沿一定方向规则破裂的性质 叫做解理 这种破裂面就称为解理面 解理面一般非常平滑而有光泽 不同矿物或同一矿物的不同方向上 解理发育的程度是不一样的 矿物的解理只有一个方向 称一组解理 矿物的解理有两个方向 称二组解理 矿物甚至有三个或四个方向的解理 称多组解理 解理 矿物的解理 一组解理 矿物的解理 二组解理 矿物的解理 三组解理 NaCl 矿物的解理 多组解理 CaF2 矿物断口 贝壳状断口 矿物受打击后所产生的不规则的破裂面 贝壳状断口 矿物破裂后具有弯曲的凸面或凹面和同心状构造 很象贝壳 如石英的断口 平坦状断口 断口面虽然粗糙 但比较平整 如高岭石的断口 参差状断口 断口面粗糙极不平整 许多矿物具有此种断口 如电气石 锯齿状断口 断口面狼牙锯齿 突起尖锐 如自然金属矿物的断口 矿物的其它物理性质 轻4 比重磁性 磁铁矿是典型的磁性矿物 密度和比重 矿物的肉眼鉴定 赤铁矿 橄榄石 辉石 角闪石 黑云母 白云母 正长石 斜长石 斜长石39 钾长石12 石英12 辉石11 角闪石5 云母5 稀土矿物4 6 橄榄石3 方解石1 5 白云石0 9 磁铁矿 钛铁矿 1 5 其他矿物4 5 常见矿物 1 石英SiO2具有规则的几何外形的晶体 其中无色透明者通常称为水晶 晶形呈六方柱状 柱面有横纹 颜色很多 常见者为无色 乳白色 石英常呈斑状或块状 硬度7 相对密度2 67 晶面上呈玻璃光泽 无解理 断口呈贝壳状 断口上呈油脂光泽 石英用途很广 可做玻璃原材料 制做石英器皿 颜色鲜艳和纯净无缺陷的水晶可做宝石和光学材料 具压电性的晶体可用做无线电通讯器材 2 正长石KAlSi3O8晶体呈短柱状 通常为粒状或块状 颜色常为肉红 褐黄色 硬度6 相对密度2 5 玻璃光泽 两组解理 可制作瓷釉 并可提制钾肥 常见矿物的特征 3 斜长石斜长石是钠长石 NaAlSi3O8 与钙长石 CaAl2Si2O8 混合组成的系列矿物的总称 晶形呈柱状 厚板状 常为粒状或块状 颜色多呈灰白色 有时微带浅棕 浅蓝及浅红色 硬度6 6 5 相对密度2 61 2 76 玻璃光泽 两组解理 也可用作陶瓷原料 4 白云母KAl2 AlSi3O10 OH F 2晶体呈假六方柱状 无色或白色 常带浅绿 浅黄及 浅灰色 硬度2 3 相对密度2 7