第五章 矿物的晶体化学.ppt

1、矿物学通论 Conspectus of mineralogy,矿物的晶体化学 crystalloid chemistry,矿物的化学成分 chemistry component,矿物的物理性质 physical characters,矿物的形态 configuration of mineral,矿物的形成与变化 forming and transformation of mineral,第六章 矿物的晶体化学 Chapter5 crystalloid chemistry of mineral,元素的离子类型 elementary ion type,球体的最紧密堆积 spheriform clo

2、sest packing,配位数和配位多面体 coordination number and coordination polyhedron,类质同像 isomorphism,晶体结构的有序无序、同质多像、多型 order-disorder structure, polymorphism，polytypism,何谓晶体化学？Whats crystalloid chemistry?,晶体化学 是研究单质或化合物中离子、分子或原子 在晶体内的分布规律，从而阐明化学成分与晶 体结构以及与晶体的物理性质、化学性质之间关 系的分支学科。,一、元素的离子类型 elementary ion type,惰性气

3、体型离子 （ns2np6，1s2）,铜型离子 （ns2np6nd10）,过渡型离子（ns2np6nd1-9）,不同价态的同种元素可能分属不同的离子类型 过渡型离子过渡元素,注意,原子半径和离子半径 atom radius and ion radius,有效半径,绝对半径,二、球体的最紧密堆积 spheriform closest packing,晶体结构,球体堆积,Why ?,具有一定有效半径的离子或原子 刚性小球,金属键和离子键都没有方向性和饱和性,晶体中原子或离子的化合遵循内能最小的原则,单元素晶体 等大球体 化合物 不等大球体,1、等大球体的最紧密堆积 isometric spherif

4、orm closest packing,三层重复 ABCABCABC. 最紧密堆积面（111）,立方最紧密堆积 cubic closest packing,两层重复ABABAB. 最紧密堆积面（0001）,六方最紧密堆积 Hexagonal closest packing,八面体空隙,四面体空隙,最紧密堆积 空隙率29.5% 当n个球做最紧密堆积时,四面体空隙数=2n 八面体空隙数=n,空隙的类型和数目,2、不等大球体的最紧密堆积 different spheriform closest packing,阴离子作最紧密堆积 阳离子充填其空隙,最紧密堆积原理可适用于许多晶体结构， 特别是金属晶格

5、和离子晶格,三 配位数和配位多面体 coordination number and coordination polyhedron,配位数 (coordination number C.N.),每个原子或离子周围与之呈配位关系的原子或异号离子的数目,配位多面体(coordination polyhedron),以任一原子或离子为中心，将其周围与之呈配位 关系或异号离子的中心联线所形成的几何图形,影响配位数的因素 influence factor of C.N.,质点的相对大小，堆积的紧密程度及质点间化学键的性质,配位数由金属键 离子键 共价键 降低,金属键做最紧密堆积时具最高配位数（12）,典

6、型共价键或以共价键为主的单质或化合物都 具有最低的配位数（CN=3,4),离子化合物晶体，配位数大小主要取决于阴、阳 离子半径的比值,温度增高 配位数减小 压力增大 配位数增高,外因,ra,rc,=0.414,rc阴离子半径 ra阳离子半径,配位多面体的自我调整,常见阳离子的配位数及配位多面体,配位数及配位多面体的形状,配位多面体的连接方式,晶体结构可视为由配位多面体 相互联结而成的体系,四 类质同像 isomorphism,1 概念 definition,晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）被其他类似的质点所代替，仅晶格常数发生不大的变化，而结构型式并不改变的这种现象,MgCO3(Mg,F

7、e)CO3(Fe,Mg)CO3FeCO3 菱镁矿 含铁的菱镁矿 含镁的菱铁矿 菱铁矿,ZnS(Zn,Fe)S Fe Zn26%,2 分类 classification,完全的类质同像：两种质点可以任意比例相互取代,有限类质同像：两种质点的相互代替局限在一个有限 的范围内,异价的类质同像 Na+Ca2+ Al3+Si4+,等价的类质同像 Fe2+Mg2+ Fe2+Zn2+,3 类质同像的形成条件 forming condition of isomorphism,内因,原子和离子半径,(r1 - r2 ),10-15%时,完全的类质同像,r2,(r1 - r2 ),15-30%时,高温完全类质同像

8、 低温有限类质同像,r2,(r1 - r2 ),30%时,高温有限类质同像 低温不形成类质同像,r2,离子电价,不同的方式(如下）,总电价平衡,简单的代替 橄榄石 Mg2+Fe2+,成对的代替,不等量的代替 云母中 2Al3+3Mg2+ 3Mg2+2Al3+,斜长石 Na+Si4+Ca2+Al3+,磷灰石 Ce3+Na+2Ca2+,萤石 Ca2+Y3+F- 绿柱石Li+Cs+Be2+,离子类型和化学键,离子类型相同，化学键相近,外因,温度增高有利于类质同像的产生，而温度降低则 将限制类质同像的范围并促使离,压力增大将限制类质同像代替的范围并促使其离溶,组分浓度 满足矿物组分之间的量比,Ca2+

9、(0.100nm) Hg2+(0.102nm),Al3+(0.026nm) Si4+(0.039nm) Si-O(0.161nm) Al-O(0.176nm),4、研究类质同像的意义 significance of isomorphism study,有助于阐明矿物床中元素赋存状态、寻找稀有分散元素、进行矿床的综合评价 有助于了解成矿环境。 类质同像代替所引起的矿物化学成分的规律变化，必然会导致矿物的一系列物理性质（如颜色、光泽、条痕、折光率、比重、硬度、熔点等等）的规律变化，系统地研究这些规律变化的相互关系就可以使我们根据矿物物性的测定来确定矿物组分的变化,五、晶体结构的有序无序、同质多相、

10、多型 order-disorder structure, polymorphism，polytypism,1 同质多相 polymorphism,概念,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,石墨和金刚石结构及物性对比,说明,同质多象的每一种变体都是矿物学中独立的矿物 种单独命名,同种物质的同质多象变体根据它们的形成温度从低 到高在其名称或成分之前冠以-, -, -等希腊字母,2同质多像变体的转变地质温压计,可逆转变 -石英-石英 573 不可逆转变 文石 方解石 石墨 金刚石,573,870,1470,1720,三方晶系,六方晶系,六方晶系,等轴晶系,-石英 -石英 -鳞石英 -方石英 熔体,2 晶体结构的有序无序 order-disorder structure of crystal,概念,有序结构,无序结构,高温,低温,(395),低温,(380),有序度（S）： S= 0 1,研究意义,（完全无序）,（完全有序）,有序度是温度的函数且决定矿物的对称,(550),(550),黄铜矿结构,占正确位置的原子比率减去占错误位置的原子比率,S=,p-r,1-r,p某种质点在正确位置上的百分数, r该质点在整个体系中所占的百分数,3 多型 polytypism,一种元素或化合物以两种或