chap6矿物的化学成分和内部结构

第六章矿物的化学成分和内部结构一、十四种空间格子二、紧密堆积原理三、配位数和配位多面体四、晶格类型五、同质多像的概念六、类质同像的概念1完整版课件ppt第六章矿物的化学成分和内部结构一、十四种空间格子1完整版课一、十四种空间格子（十四种布拉维格子）

1．平行六面体的选择对于每一种晶体结构而言，其结点(相当点)的分布是客观存在的，但平行六面体的选择是人为的。2完整版课件ppt一、十四种空间格子（十四种布拉维格子）2完整版课件ppt平行六面体的选择原则如下：1）所选取的平行六面体应能反映结点分布整体所固有的对称性；2）在上述前提下，所选取的平行六面体中棱与棱之间的直角关系力求最多；3）在满足以上二条件的基础上，所选取的平行六面体的体积力求最小。

3完整版课件ppt平行六面体的选择原则如下：3完整版课件ppt下面两个平面点阵图案中，请同学们画出其空间格子：

4mmmm24完整版课件ppt下面两个平面点阵图案中，请同学们画出其空间格子：4完整版课件4mm5完整版课件ppt4mm5完整版课件ppt

mm2引出一个问题：空间格子可以有带心的格子；6完整版课件ppt6完整版课件ppt上述画格子的条件实质上与前面所讲的晶体定向的原则是一致的（回忆晶体定向原则？），也就是说，我们在宏观晶体上选出的晶轴就是内部晶体结构中空间格子三个方向的行列。

7完整版课件ppt上述画格子的条件实质上与前面所讲的晶体定向的原则是一致的（回2．各晶系平行六面体的形状和大小平行六面体的形状和大小用它的三根棱长（轴长）a、b、c及棱间的夹角（轴角）

、

、

表征。这组参数（a、b、c；

、

、

）即为晶胞参数.在晶体宏观形态我们可以得到各晶系的晶体常数特点，是根据晶轴对称特点得出的.宏观上的晶体常数与微观的晶胞参数是对应的,但微观的晶体结构中我们可以得到晶胞参数的具体数值。8完整版课件ppt2．各晶系平行六面体的形状和大小8完整版课件ppt各晶系平行六面体的形状9完整版课件ppt各晶系平行六面体的形状9完整版课件ppt3．平行六面体中结点的分布（即格子类型）1）原始格子（P）：结点分布于平行六面体的八个角顶上。2）底心格子（C、A、B）：结点分布于平行六面体的角顶及某一对面的中心。3）体心格子（I）：结点分布于平行六面体的角顶和体中心。4）面心格子（F）：结点分布于平行六面体的角顶和三对面的中心。10完整版课件ppt3．平行六面体中结点的分布（即格子类型）1）原始格子（P）：其中底心、体心、面心格子称带心的格子，我们在前面画格子的例子中已经知道有带心格子的存在，这是因为有些晶体结构在符合其对称的前提下不能画出原始格子，只能画出带心的格子。11完整版课件ppt其中底心、体心、面心格子称带心的格子，4．十四种布拉维格子七个晶系---七套晶体常数—七种平行六面体种形状。每种形状有四种类型，那么就有7×4=28种空间格子？但在这28种中，某些类型的格子彼此重复并可转换，还有一些不符合某晶系的对称特点而不能在该晶系中存在，因此,只有14种空间格子，也叫14种布拉维格子。（A.Bravais于1848年最先推导出来的）12完整版课件ppt4．十四种布拉维格子七个晶系---七套晶体常数—七种平行六面例1：四方底心格子＝四方原始格子所以，在14种布拉维格子中，四方底心格子不需要保留。13完整版课件ppt例1：四方底心格子＝四方原始格子13完整版课件ppt例2：立方底心格子不符合等轴晶系对称。所以，在14种布拉维格子中，立方底心格子不存在。那么请思考：立方底心格子符合什么晶系的对称？14完整版课件ppt例2：立方底心格子不符合等轴晶系对称。14完整版课件ppt还应指出的是：对于三、六方晶系的四轴定向也可转换成三轴定向，变为菱面体格子。我们一般都用四轴定向。四轴定向的格子形状为菱形柱.

另外，六方原始格子为六方柱的顶底面加心，不要误认为六方底心格子。

十四种空间格子见表7-1。15完整版课件ppt还应指出的是：对于三、六方晶系的四轴定向也可转换成三轴定向，晶系原始格子（P）底心格子（C）体心格子（I）面心格子（F）三斜

C=II=FF=P单斜

I=F

F=C斜方

16完整版课件ppt晶系原始格子（P）底心格子（C）体心格子（I）面心格子（F）四方C=PF=I三方与本晶系对称不符I=FF=P六方与本晶系对称不符与空间格子的条件不符与空间格子的条件不符等轴与本晶系对称不符17完整版课件ppt四方C=PF=I三方与本晶系对称不符I=FF=P六方与本晶系在我们研究过晶体内部结构的对称性，是将晶体内的所有质点按几何点来考虑的。本章要将晶体内部质点作为原子、离子来考虑了。二、最紧密堆积原理将晶体内的质点作为球体来考虑。因为在离子键和金属键的晶体结构中，离子键和金属键是没有方向性的，核外电子云的分布是球形，可以作为球形来考虑。所以对于离子键和金属键的晶体结构，可以用球体最紧密堆积原理来研究。18完整版课件ppt在我们研究过晶体内部结构的对称性，是将晶体内的所有质点按几何

二、

球体紧密堆积原理在晶体结构中，质点间趋向于尽可能地相互靠近，形成最紧密堆积，以达到内能最小，而使晶体处于最稳定状态。二维平面内等大球体的最紧密堆积注意两种不同方向的空隙ABC1、堆积过程与基本形式：(CAI课件演示)19完整版课件ppt二、

球体紧密堆积原理在晶体结构中，质点间趋向于尽可能地相两层等大球体的最紧密堆积注意：一种空隙被第二层球体全部盖上，而另一种空隙没有被盖上，用“”表示。ABC20完整版课件ppt两层等大球体的最紧密堆积注意：一种空隙被第二层球体全部盖上，三层等大球体的最紧密堆积注意：“”空隙穿过了3层。ABC21完整版课件ppt三层等大球体的最紧密堆积注意：“”空隙穿过了3层。ABC第一种方式是第三层球的位置重复第一层球的位置；即按ABAB……或ACAC……等两层重复一次的规律重复堆积，此时球体在空间的分布恰好与空间格子中的六方格子一致，故这种方式的堆积称之为六方最紧密堆积。2、堆积结构的对称性：(CAI课件演示)22完整版课件ppt第一种方式是第三层球的位置重复第一层球的位置第二种则是第三层球堆积在既不重复第一层也不重复第二层球的位置上。即按ABCABC……或ACBACB……等三层重复一次的规律重复堆积。则球体在空间的分布与空间格子中的立方面心格子一致。此种方式的堆积称之为立方最紧密堆积。立方最紧密堆积：ABCABC…..23完整版课件ppt第二种则是第三层球堆积在既不重复第一层也不重

四面体空隙

八面体空隙N个等大球体作最紧密堆积时，产生N个八面体空隙和2N个四面体空隙。空隙类型：24完整版课件pptN个等大球体作最紧密堆积时，产生N个八面

不等大的球体进行堆积时，其中较大的球做最紧密堆积，而较小的球则依自身体积的大小填入其中的八面体空隙或四面体空隙中，形成不等大球体的紧密堆积。

HaliteClClClClNa石盐25完整版课件ppt不等大的球体进行堆积时，其中较大的球

三、配位数和配位多面体(CAI课件演示)

在晶体结构中，原子或离子是按照一定方式与周围的原子或离子相接触的，每个原子或离子周围最邻近的原子或异号离子的数目称为该原子或离子的配位数。以一个原子或离子为中心，将其周围与之成配位关系的原子或离子的中心联接起来，所获得的多面体称为配位多面体。重要的是阳离子的配位数。

四面体，配位数：4八面体，配位数：626完整版课件ppt三、配位数和配位多面体(CAI课件演示)四面体，配位对于离子键晶体，我们将半径较大的阴离子视为等大球最紧密堆积，半径较小的阳离子充填到空隙中，因此，在等大球最紧密堆积结构中，阳离子的配位多面体为四面体或八面体，配位数为4或6。对于金属键晶体，可视为同种金属原子的等大球最紧密堆积，空隙中并不充填原子；因此，原子的配位数为12，配位多面体为立方八面体。27完整版课件ppt对于离子键晶体，我们将半径较大的阴离子视为等四、化学键与晶格类型

化学键就是质点间的作用力。具有不同化学键的晶体，在晶体结构、物理性质和化学性质上都有很大的差异。1.

离子晶格－离子键（请看CAI课件鲍林法则的演示）在离子晶格中，各种元素的原子相互结合时，电子重新配置，电子从一个原子转移到另一个原子，从而形成相对稳定的阳离子和阴离子，它们之间靠静电引力相互联系起来，从而形成离子键。离子键使晶格具有最紧密堆积，有较高的配位数；为了保持电性中和，异号离子保持一定的数量比例；质点间的电子密度很小，对光的吸收较小，光子易通过，表现为透明或半透明、低折射率和反射率、非金属光泽、不导电等；晶体的机械性能、硬度、熔点较高。28完整版课件ppt四、化学键与晶格类型28完整版课件ppt2.原子晶格－共价键在此晶格中，原子以共用电子对的方式达到电子壳的稳定。二原子的电子云发生重叠，因而使介于原子间的电子密度增高，形成所谓的负电桥，把带正电荷的原子核联系起来，从而构成了牢固的共价键。共价键中共用电子对通常是由两个原子供给的，但也可以由一个原子单独提供，形成所谓的配位键。晶体结构的紧密程度比离子晶格低，配位数也小；不导电；透明或半透明；非金属光泽；一般具有较高的熔点和较大的硬度。29完整版课件ppt2.原子晶格－共价键29完整版课件ppt3.金属晶格－金属键金属原子一般倾向于丢失电子，在金属晶格中，这些电子作为自由电子而弥散于整个晶体中，失去了电子的金属阳离子为自由电子所联系，从而形成金属键。在晶体中有原子、阳离子和自由电子共存。金属键不具有方向性和饱和性，晶格做最紧密堆积，具有较高的配位数。由于自由电子的存在，晶体为良导体，不透明，高反射率，金属光泽，有延展性，硬度一般较小。30完整版课件ppt3.金属晶格－金属键30完整版课件ppt4.分子晶格－分子键在分子晶格中，存在着中性分子，在分子内部通常为共价键结合，分子之间为相当弱的分子间力所联系。这是由于分子电荷分布不均匀而形成偶极，从而在分子间形成了电性引力。分子晶体的物性，既取决于分子键，如低熔点、低硬度；也取决于分子内部的键性，如不导电、透明、非金属光泽等。

31完整版课件ppt4.分子晶格－分子键31完整版课件ppt32完整版课件ppt32完整版课件ppt

注意：在一些矿物中，只存在某种单一的键力，如自然金的金属键，金刚石的共价键等。这样的晶体被称为单键型晶体。对有过渡型键的晶体，两种键性融合在一起不能明显分开的，从键本身来说仍然只是单一的一种过渡型键，也属于单键型晶体。其晶格的归属，依占主导地位的键为准。如金红石中，Ti－O间的键性是以离子键为主，向共价键过渡的过渡型键，便归属于离子晶格。还有一些晶体，如方解石的结构中，在C－O之间存在着以共价键为主的键性，而Ca－O之间则为离子键，这两种键性在结构中是明显分开的，这类晶体属于多键型晶体。它们的晶格类型归属，以晶体的主要性质取决于哪种键性为划分依据。33完整版课件ppt注意：在一些矿物中，只存在某种单一的键力，如自然金的典型结构许多晶体的结构是等型的，例如：石盐（NaCl）、方铅矿(PbS)、方镁石(MgO)….，它们具有相同的结构构型，只是改变了阴、阳离子。我们将这类结构称典型结构，并以其中之一的晶体名称来命名，即这种结构统称“NaCl型结构”。此外,有些晶体结构是在典型结构的基础上稍加变形,这类结构就称为该典型结构的衍生结构,如黄铁矿(FeS2)的结构为NaCl型结构的衍生结构,因为结构形式是一样的,但用哑铃状的[S2]代替了Cl.34完整版课件ppt典型结构许多晶体的结构是等型的，例如：石盐（NaCl）、方铅

五、同质多象同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件下，形成不同结构的晶体的现象，称为同质多象。这样一些物质成分相同而结构不同的晶体，则称为同质多像变体。

同质多象个变体之间的转变温度是较为固定的，所以某种矿物变体的存在或转化过程，可以帮助我们推测该矿物所存在的地质体的形成温度，因此，称之为“地质温度计”。下面要介绍的是晶体成分、结构发生变化的一些现象。例如：金刚石与石墨，

-石英和

-石英。35完整版课件ppt五、同质多象下面要介绍的是晶体成分、结构发生变化的一SiO2同质多像变体相图同种物质的同质多象变体，依它们的形成温度从低到高，在其名称前冠以α－、β－、γ－。36完整版课件pptSiO2同质多像变体相图同种物质的同质多象变体，依它们的形成同质多象的转变分为可逆的和不可逆的两种类型。

α－石英β－石英方解石文石

一种变体继承了另一种变体之晶形的现象，称为副象。例如:

-石英(六方双锥)转变为

-石英后,依然保留六方双锥形状.37完整版课件ppt同质多象的转变分为可逆的和不可逆的两种六、

类质同象1.类质同象的概念晶体结构中某种质点被它种类似的质点所代替，仅使晶格常数发生不大的变化，而结构型式不变，这种现象称为类质同象。例如镁橄榄石Mg2[SiO4]晶体，其晶格中Mg2+可以被Fe2+所替代占据，由此形成的橄榄石(Mg,Fe)2[SiO4]晶体。并且Mg2+被Fe2+替代可以任意比例，形成一个系列：Mg2[SiO4]-----------------------------------Fe2[SiO4]镁橄榄石橄榄石混晶或固溶体铁橄榄石

这种情况称完全类质同像系列。38完整版课件ppt六、

类质同象38完整版课件ppt但是，在闪锌矿ZnS中，部分的Zn2+可被Fe2+类质同象替代，其替代量最大只达到原子数的30.8%，如果代替量大于30.8%，闪锌矿的结构将被破坏。

ZnS-------------FeS

这种情况称不完全类质同像系列。在类质同像系列的中间产物称类质同像混晶，它是一种固溶体.

所谓固溶体,是指在固态状态下一种组分溶于另一组分中,分两种：（1）填隙固溶体（2）替位固溶体----类质同像混晶39完整版课件ppt但是，在闪锌矿ZnS中，部分的Zn2+可被Fe2+类质下面两种情况不能称为类质同像：1、例如，在白云石CaMg[CO3]2，其Ca∶Mg的原子数之比必须是1:1，不能写为（Ca，Mg）[CO3]22、例如，金红石TiO2与锡石SnO2结构相同，但Ti与Sn之间并没有代替关系。类质同象的类型：完全类质同象系列-----不完全类质同象系列

(前面已经介绍)

等价类质同象--------异价类质同象例如：霓辉石（Na,Ca）(Fe3+,Fe2+)[Si2O6]

存在两种取代:Na+-----Ca2+Fe3+------Fe2+

取代后总电价平衡40完整版课件ppt下面两种情况不能称为类质同像：40完整版课件ppt

2.类质同象代替的条件1)原子或离子半径形成类质同象的容积条件。当两种质点的半径差不超过较小质点的半径之15%时，就可以在晶体结构中互相代替。

10－15%一般形成完全类质同象

20－25%在高温时形成完全类质同象，当温度下降时，固熔体就发生离溶。

25－40%在高温下也只能形成不完全类质同象，在低温时更不能形成类质同象。41完整版课件ppt2.类质同象代替的条件41完整版课件ppt2)离子类型与键性

离子类型：Ca2+、Hg2+半径分别为0.1nm和0.102nm化学键：Al3+和Si4+均为惰性气体型离子，它们的半径差值比很大（50%），但Al-O、Si-O的化学键均为离子键与共价键之间的过渡型键，且Si-O、Al-O的间距分别为0.161nm和0.176nm，两者较为接近。因此Al3+可以占据四面体配位位置取代Si4+3)离子电价

对离子化合物来说，代替与被代替的离子电价总和必须保持不变。异价替代时电价平衡是主要条件,半径大小退居次要地位。42完整版课件ppt2)离子类型与键性42完整版课件ppt

外因:温度：高温易发生,低温不易发生