第13章化学组成

1、第十三章第十三章 矿物的化学成分矿物的化学成分CHEMICAL COMPOSITION OF MINERAL本章概要：本章概要：（1）地壳中元素的丰度及其矿物学意义）地壳中元素的丰度及其矿物学意义（2）元素的离子类型及其特征）元素的离子类型及其特征（3）矿物的晶体化学式书写规则及其计算）矿物的晶体化学式书写规则及其计算（4）胶体矿物及其特性）胶体矿物及其特性（5）矿物中的水）矿物中的水第一节第一节 地壳化学元素丰度及其矿物学意义地壳化学元素丰度及其矿物学意义1、丰度（、丰度（abundance）：）：是指元素在地壳中的平均百分含量，常以克拉克（clark）值来表示。 地壳中的元素约地壳中的元素

2、约100种，其丰度相差最高达种，其丰度相差最高达1017倍，分布极不均匀。其中含量最倍，分布极不均匀。其中含量最多的多的8种元素占地壳中元素总合种元素占地壳中元素总合98.5% 。 表13-1 地壳中丰度居前八位的元素克拉克值（wB%）-元 素 O Si Al Fe Ca Na K Mg -质量克拉克值 46.6 27.72 8.13 5.00 3.63 2.83 2.59 2.09 -第十三章第十三章第十三章第十三章第二节第二节 元素的离子类型元素的离子类型ION TYPE OF ELEMENT惰性气体型离子惰性气体型离子铜型离子铜型离子过渡型离子过渡型离子按照离子核外电子构型划分按照离子核

3、外电子构型划分第十三章第十三章铜型离子：铜型离子：指最外层电子有18或18+2个构型，也称作亲亲硫元素硫元素或造矿元素造矿元素 过渡型离子：过渡型离子：过渡型离子指最外电子层为917个电子的不稳定离子 惰性气体型离子惰性气体型离子:最外电子层具8个或2个电子构型,也常称作亲氧元素亲氧元素或亲石元素亲石元素第十三章第十三章第三节第三节 矿物晶体化学式矿物晶体化学式一、矿物晶体化学式的书写一、矿物晶体化学式的书写 矿物化学成分的两种表达式：矿物化学成分的两种表达式：1）实验式（实验式（experimental formula）：顺序表示组成矿物的元 素种类和数量比。 如：白云母的实验式写作K2O3

4、Al2O36SiO22H2O；2）结构式结构式或晶体化学式（晶体化学式（crystallochemical formula）：）：不 仅表示组成矿物的元素种类和数量比，还以一定的规则表示 元素在晶体结构中的配置关系。 如：白云母的晶体化学式写作KAl2AlSi3O10(OH)2第十三章第十三章晶体化学式的书写规则：晶体化学式的书写规则： (1) 阳离子在前，阴离子（络阴离子）在后。呈类质同象的各阳离子用圆括号括起来，依前多后少次序排列并用逗号隔开；络阴离子用方括号括起来。如：橄榄石（Mg，Fe）2SiO4；硅灰石Ca3Si3O9。（2）对于复盐矿物，其阳离子按碱性由强至弱顺序书写，若碱性相同时

5、，按离子电价由低至高顺序书写。如：白云石CaMgCO32（Ca2碱性强于Mg2）。（3）如存在附加阴离子，将其写在主阴离子或主络阴离子之后。如：氟磷灰石Ca5PO43 F。（4）矿物中的水分子以H2O形式写在最后，并用圆点与前面的组分隔开，水分子前写上水的系数，若含水量不定，系数记为n。如：石膏CaSiO42H2O、蛋白石SiO2nH2O。若水以（OH）- 形式存在时，按一般附加阴离子对待。如黄玉Al2SiO4（F，OH）2。（5）若结构比较复杂，结构较为紧密的成分用括号括在一起，以示结构的层次。如：白云母KAl2AlSi3O10(OH)2， 中的成分构成硅氧骨干， 中的成分构成结构单元层。第

6、十三章第十三章二、矿物晶体化学式的计算二、矿物晶体化学式的计算 阴离子法：依据阴离子法：依据阴离子作紧密堆积，单位分子内数量 不变而以其为基数进行晶体化学式计算 。阳离子法：依据阳离子法：依据矿物结构中小空隙晶格位上占据的高 电价、小半径、低配位阳离子数目较固定， 而以其为基数进行晶体化学式的计算 。第十三章第十三章(1) 检查化学分析结果是否符合精度要求。必要时进行修正。(2) 查出各组分相对分子质量。 (3) 将各组分的质量分数(wB%)除以该组分的相对分子质量，求各组分的摩尔数。 (4) 用各组分的摩尔数乘以其氧原子系数得到各组分的氧原子数。(5) 用各组分的摩尔数乘以其相应的阳离子的系

7、数，得各组分的阳离子数。 (6) 将各组分的氧原子数相加得各组分的氧原子数总和O。(7) 以矿物单位分子（即通式）中的氧原子理论数Of.u 除以氧原子数总和O，得换算 系数(即Of.u./O)。(8) 以各组分的阳离子数乘以换算系数得单位分子中的阳离子数。(9) 据类质同象理论和矿物化学通式，将各阳离子分配到相应的晶格位置。如有Al代替Si 占据晶格位置时，一般优先考虑配平替代Si的四面体位置，其余分配到八面体位置。(10) 进行电价平衡检验计算，基本平衡时写出矿物的晶体化学式。注意：注意：氧原子法适于不含水的氧化物和含氧盐矿物晶体化学式计算。 对含OH-、F-、Cl-、S2-等附加阴离子的矿

8、物，可采用阳离子法进行计算。计算步骤：计算步骤：第十三章第十三章某单斜辉石某单斜辉石(化学通式为化学通式为XYZ2O6)为例为例，说明按氧原子法计算矿物晶体化，说明按氧原子法计算矿物晶体化 学式的步骤：学式的步骤：12345678组分质量分数（w%）修正后的质量分数（w%）分子量摩尔数氧原子数阳离子数单位分子中阳离子数SiO252.5052.5460.080.87451.74900.87451.9242TiO20.720.7279.900.00900.01800.00900.0198Al2O32.542.54101.940.02490.07470.04980.1096Fe2O31.811.81

9、159.700.01130.03390.02280.0502FeO1.951.9571.850.02710.02710.02710.0596MnO0.640.6470.940.00900.00900.00900.0198MgO14.9714.9840.300.37150.37150.37150.8174CaO24.3824.4056.080.43470.43470.43470.9565Na2O0.560.5661.980.00900.00900.01800.0396H2O0.110.11总合100.18100.00O=27269表表133 某单斜辉石晶体化学式计算表某单斜辉石晶体化学式计算表(

10、Ca0.96,Na0.04)1.00(Mg0.82,Fe2+0.06,Fe3+0.05,Al0.03,Ti0.02,Mn0.02)1.00(Si1.92,Al0.08)2.00O6.00 第四节第四节 矿物化学组成的计量特性及其变化矿物化学组成的计量特性及其变化 化学计量特性（化学计量特性（stoichiometry）：）： 在理想的物理化学条件下形成的矿物，其各元素间满足一定的比例关系，这种关系 称 定比定律或倍比定律。矿物化学成分间满足定比或倍比定律的性质称作矿物的 化学计量特性。1）化学计量矿物（）化学计量矿物（stoichiometric mineral）：）： 处于不同结构位的元素服

11、从定比或倍比定律的矿物称作化学计量矿物。 例如，橄榄石(Mg,Fe)2SiO42）非化学计量矿物（）非化学计量矿物（nonstoichiometric mineral）：）： 矿物中便出现空位或填隙等缺陷而使其基本化学组成偏离理想的定比或倍比关系， 这种矿物称非化学计量矿物。如磁黄铁矿(Fe1-xS) 第十三章第十三章化学组成计量特性变化及其意义：化学组成计量特性变化及其意义： （1）自然界非化学计量的矿物是很少的。 （2）非化学计量特性记录并反映了矿物形成过程中物理化学条件的变化，利用非化学计量特性可以解析矿物的成因史。例如：例如：与金矿物共生的黄铁矿（理想化学式为FeS2），其基本化学组成

12、（Fe和S）的非化学计量性能指示金的成矿深度和矿床剥蚀深度，当Fe/(S+As)值明显大于0.5时形成深度小；当Fe/(S+As)值小于或略大于0.5时成矿深度大。第十三章第十三章第五节第五节 胶体矿物及其组成胶体矿物及其组成 胶体（胶体（colloid）的概念：）的概念：是一种或多种物质的微粒（直径约为1-100nm）分散在 另一种物质中构成的细分散体系。前者为分散质，后者为分散媒，它们均可以气、 液、固三相存在。胶凝体胶凝体(gel)：分散质的量远大于分散媒；胶溶体胶溶体(sol)：分散质的量远小于分散媒 。水胶凝体：水胶凝体：分散媒为水而分散质为固相的胶凝体。胶体矿物胶体矿物(collo

13、idal mineral) ：胶体凝固而成的矿物。注意：注意：（1）绝大多数胶体矿物由天然水胶凝体形成。胶体矿物中分散质和胶体 水的量比不定。（2）胶体矿物不是单一相体系而是多相体系，其固相的分散质可以为晶 质也可为非晶质。（3）胶体矿物存在老化现象。第十三章第十三章胶体矿物有几个很重要的特点：胶体矿物有几个很重要的特点：（1）胶体矿物的比表面积极大，表面张力也极大，其 形态多为球状或半球状。（2）胶体矿物很不稳定，随时间推移很易脱水聚合而 转化为隐晶质甚至显晶质矿物（胶体的老化或陈 化）。（3）胶体矿物吸附能力很强。第十三章第十三章第六节第六节 矿物中水的赋存状态矿物中水的赋存状态吸附水（物

14、理水）吸附水（物理水）结晶水结晶水结构水结构水层间水层间水沸石水沸石水5种类型种类型过渡型水过渡型水第十三章第十三章（1） 吸附水吸附水(hydroscopic water)机械地吸附于矿物颗粒表面或裂隙中的分子水（H2O）称作吸附水。 （1）可呈气态、液态或固态；（2）不进入矿物晶格，不属于矿物的化学组成，不写入化学式。（3）含量随环境温度和湿度的不同而变化，在常压下被加热到 100以上时可全部逸出且不破坏矿物晶格。（4）胶体水是一类特殊的吸附水。约250时才能全部逸出。注意：注意：胶体水含量不定，但属于胶体矿物的必要组成成分，须写入其化学式。如蛋白石SiO2nH2O。第十三章第十三章(2)

15、 结晶水结晶水(crystallization water)：（1）结晶水在矿物中的含量固定，与其它组分比例关系不变；（2）结晶水因受晶格的束缚，其逸出温度一般在200600；（3）结晶水逸出后原矿物将转变为新的矿物。 例如，石膏CaSO42H2O中的结晶水在100120可全部逸 出，变为硬石膏。（4）结晶水写入矿物的晶体化学式。 书写规则为：在H2O分子前写上系数，置于分子式最后，以圆点与 前面隔开。指在矿物中占据特定晶格配位位置的分子水 (H2O)。第十三章第十三章 (3) 结构水结构水(constitution water)： 指占据矿物晶格中确定位置的(OH)-、H+或(H3O)+离子

16、，以(OH)-为最常见。 （1）结构水在晶体结构中的作用等同于阴、阳离子；（2）逸出温度高达6001000。如果结构水逸出，原矿物晶体结 构即完全解体。（3）结构水须写入矿物的晶体化学式。 书写规则等同于其它离子。如高岭石Al4Si4O10(OH)8。第十三章第十三章(4) 层间水层间水(interlayer water)： （1）硅酸盐上下结构单元层本身电荷未达平衡而导致水分子进入层结构之间；（2）不同层状硅酸盐其层间水的含量有明显差异；（3）环境温度和湿度影响层间水的含量。（4）层间水的逸出温度较低，常压下约110左右。层间水逸出后结构单元层间 距会减小，表现为与结构单元层方向垂直的晶胞参

17、数C0变小。（5）层间水影响矿物物理性质。如，脱除层间水的矿物相对密度和折射率会相 应增大。蒙脱石在常温下可吸取超过自身体积几倍甚至十几倍的水，表现 出显著的吸水膨胀性；蛭石被加热时，结构单元层间隙撑开可达40倍， 表 现出强烈的热膨胀性。（6）层间水写入晶体化学式。 如蒙脱石（Na,Ca,K）(H2O)0-4(Al2-x,Mgx)2(Si,Al)4O10(H2O)2 。特指存在于层状硅酸盐结构单元层间的分子水（H2O）。第十三章第十三章(5) 沸石水沸石水(zeolitic water)：（1）沸石水与其他组分的关系符合定比定律。写入晶体化学式。 如钠沸石的晶体化学式可写作Na2Al2Si3O102H2O。（2）沸石水含量受环境影响而改变。（3）不同矿物中的沸石水逸出温度差别较大（80400）。（4）沸石水逸离前后矿物的某些物理性质将发生变化。 如：除沸石水后，矿物的透明度和折射率增大，相对密度减小。特指存在于沸石族矿物结构孔道中的分子水（H2O）。第十三章第十三章人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所