矿物的化学成分课件

Chap.2 矿物的化学成分矿物的化学成分 研究意义研究意义：矿物矿物的化学成分化学成分是区别不同矿物区别不同矿物 的重要依据重要依据；矿物矿物化学成分化学成分的变化特点变化特点常作为 反映矿物形成条件反映矿物形成条件的标志标志；矿物矿物化学成分化学成分是人类利用矿物利用矿物 资源资源的一个重要方面。一一、元素克拉克值元素克拉克值 克拉克值克拉克值（clarke）：各种化化学学元元素素在地地壳壳中中的平平均均含含量量(即元素元素在地壳中地壳中的丰度丰度(abundance)之百分数百分数。1 地壳中化学元素的丰度地壳中化学元素的丰度 表示表示：质量百分数质量百分数（weight percent）质量克拉克值质量克拉克值 原子百分数原子百分数（atom percent）原子克拉克值原子克拉克值 二、二、地壳中化学元素的分布特征地壳中化学元素的分布特征 1）元素分布元素分布的极不均匀性极不均匀性 丰度丰度最大最大者：O 46.6%丰度丰度最小最小者：Rn 710-16%2）地壳地壳的主要化学组成主要化学组成为O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti 等十种。前前8种元素种元素丰度最高，占地壳总重量地壳总重量 的99%以上以上，是地壳地壳中各类岩石各类岩石的 基本成分基本成分。含氧盐含氧盐和氧化物氧化物矿物分布矿物分布 最广最广，其中硅酸盐矿物硅酸盐矿物占矿物总种数矿物总种数 的24%，占地壳总重量地壳总重量的3/4；氧化物氧化物 矿物矿物占矿物种总数矿物种总数的14%，占地壳地壳 总重量总重量的17%。地壳地壳中分布最广泛分布最广泛的八种元素八种元素元元 素素质量克拉克值质量克拉克值（%）原子克拉克值原子克拉克值（%）体积百分比体积百分比（%）O46.6062.5593.77Si27.7221.220.86Al8.136.470.47Fe5.001.920.43Ca3.631.941.03Na2.832.641.32K2.591.421.83Mg2.091.840.29 3）聚集元素和分散元素聚集元素和分散元素 矿物矿物的形成，取决于：元素元素的丰度丰度；元素元素的地球化学性质地球化学性质 聚集元素聚集元素(aggregated element)：丰度很低丰度很低，但趋于集中趋于集中，形成形成 独立独立的矿物种矿物种，甚至富集成矿床富集成矿床。如Sb、Bi、Hg、Ag、Au等。分散元素分散元素(dispersed element)：丰度丰度远比聚集元素聚集元素为高高，但趋于趋于 分散分散，很少很少能形成能形成独立的矿物种矿物种，而常常作为微量微量的类质同像混入物类质同像混入物 赋存于主要由其他元素其他元素所组成的 矿物矿物中。如Rb、Cs、Ga、In、Sc等。一一、矿物的化学成分类型矿物的化学成分类型 1单质单质：由同一种元素同一种元素的原子原子自相结合 而成的矿物。如自然元素矿物自然元素矿物。2 矿物的化学成分矿物的化学成分 2化合物化合物：由两种两种或两种以上元素两种以上元素组成的 矿物。如含氧盐含氧盐、氧化物氧化物和氢氧化物氢氧化物、卤化物卤化物、硫化物及其类似化合物硫化物及其类似化合物 矿物。二二、矿物的化学计量性与非化学计量性矿物的化学计量性与非化学计量性 1概念概念 1）矿物的矿物的化学计量性化学计量性（stoichiometry）少数矿物少数矿物的化学成分相当固定化学成分相当固定，其化学组成化学组成遵守物理化学分配定律物理化学分配定律 定比定律定比定律和倍比定律倍比定律，各组分间 具严格严格的化合比化合比，其化学组成可由理想理想 化学式化学式表示。如 水晶水晶（SiO2）。天然矿物并非理想化学纯并非理想化学纯的物质。由于环境环境的复杂性复杂性，大多数矿物 因类质同像类质同像替代替代致使其化学组成在 一定范围内变化，但各各晶格位置晶格位置上 成类质同像关系的各各组分数量总和组分数量总和 之间之间仍遵循定比定律遵循定比定律。如 橄榄石橄榄石 (Mg,Fe)2SiO4等。化学计量矿物化学计量矿物：在各各晶格位置晶格位置上的组分之间组分之间 遵守定比定律定比定律、具严格化合比严格化合比 的矿物。2）矿物的非化学计量性非化学计量性 非化学计量矿物非化学计量矿物：某些含变价元素含变价元素的矿物，因形成过程中 常处于不同的氧化还原条件不同的氧化还原条件下，其价态价态会发生变化变化。由于受化合物电中性化合物电中性的制约制约，其内部必然存在某种晶格缺陷晶格缺陷，致使其化化学组成偏离理想化合比学组成偏离理想化合比，不再遵循定比定不再遵循定比定律律。注意注意：某些矿物，特别是在高温高温条件下，相对地容许存在大量空位大量空位。如FeS 化合物，可以高温高温下通过暴露暴露在真空真空 或高硫蒸气压高硫蒸气压下，极易改变改变其化学化学 计量性计量性，而变为磁黄铁矿磁黄铁矿的成分（Fe1-xS），高温下高温下x=00.125，其阳离子空位随机分布阳离子空位随机分布（Putnis,A.,1992）。2研究意义研究意义 矿物总是以成分成分非化学计量性非化学计量性 显示其标型特征标型特征。如含金硫化物含金硫化物的 偏离化学计量偏离化学计量的元素比元素比即具标型性标型性。二二、矿物化学成分变化的原因矿物化学成分变化的原因 1主要原因主要原因 1）类质同像替代类质同像替代 2）非化学计量性非化学计量性 2其他因素其他因素 1）阳离子阳离子的可交换性可交换性 2）胶体的吸附作用胶体的吸附作用 3）矿物中含水量的变化（含矿物中含水量的变化（含 沸石水或层间水）沸石水或层间水）4）以显微包裹体形式存在的以显微包裹体形式存在的 机械混入物等机械混入物等 一一、胶体矿物的概念胶体矿物的概念 1胶体胶体 一种一种或多种物质多种物质的微粒微粒（粒径一般 1100nm）分散分散在另一种物质另一种物质之中 而形成的不均匀不均匀的细分散系细分散系。前者称 分散相分散相(分散质分散质)，后者称分散媒分散媒(分散剂分散剂)。3 胶体矿物及其化学成分特点胶体矿物及其化学成分特点 注意注意：1）胶体胶体系两相两相或多相物质多相物质的混合物混合物。2）分散相分散相和分散分散媒媒均可是固体固体、液体液体或气体气体。3）胶体胶体：胶溶体胶溶体：分散媒远多于分散相分散媒远多于分散相 胶凝体胶凝体：分散媒远少于分散相分散媒远少于分散相 胶体微粒胶体微粒的性质性质：分散相分散相与分散媒分散媒的量比量比不固定不固定；具极大极大的比表面积比表面积和很高很高的 表面能表面能；表面表面的电荷未达到饱和电荷未达到饱和，故具 极强极强的吸附性吸附性。（能吸附吸附与其电荷相反电荷相反的其他离子离子）2胶体矿物胶体矿物 由以水水为分散媒分散媒、以固相固相为分散相分散相 的水胶凝体水胶凝体而形成的非晶质非晶质或超显微超显微 的隐晶质矿物隐晶质矿物。严格地说，它只是 含吸附水吸附水的准矿物准矿物。如蛋白石蛋白石（SiO2nH2O）、大多数粘土矿物粘土矿物。胶体矿物胶体矿物的特点特点：多形成于表生作用表生作用中，少数为热液热液 或火山成因火山成因。主要形成Fe、Mn、Al、Si、P质质等 矿物。为隐晶质隐晶质或非晶质体非晶质体，故呈现鲕状鲕状、肾状肾状、钟乳状钟乳状和葡萄状葡萄状等特殊形态。由于形成时胶体胶体的吸附作用吸附作用，故成成分变化大分变化大。胶体矿物胶体矿物的化学成分化学成分具有不固定性不固定性 和复杂性复杂性。二二、胶体的老化胶体的老化 胶体矿物胶体矿物不稳定不稳定，具有吸附其他物质吸附其他物质 和自发地转变为结晶质自发地转变为结晶质的趋势。胶体胶体的老化老化：胶体矿物胶体矿物形成后，随着 时间时间的推移推移或热力学因素热力学因素的改变改变，胶粒胶粒 会自发地凝聚凝聚，进一步发生脱水脱水作用，颗粒颗粒逐渐增大增大而成为隐晶质隐晶质，最终 可转变为显晶质矿物显晶质矿物。变胶体矿物变胶体矿物：由胶体矿物胶体矿物老化老化形成的隐晶质隐晶质 或显晶质显晶质矿物，往往可保留原胶体保留原胶体 矿物矿物的外貌外貌。如蛋白石蛋白石经老化成为 玉髓玉髓。一一、水的存在形式水的存在形式 H2O、(OH)、H+和(H3O)+4 矿物中的水矿物中的水 二二、“水水”的类型的类型 据“水水”在矿物中的存在形式存在形式及 其在晶体结构晶体结构中的作用作用，主要分为 吸附水吸附水、结晶水结晶水和结构水结构水三种基本基本 类型类型，以及层间水层间水和沸石水沸石水两种 过渡类型过渡类型。水在矿物中的作用水在矿物中的作用水的主要类型水的主要类型矿物和矿物集合体中矿物和矿物集合体中水的种类水的种类 不参加不参加晶格晶格 吸附水吸附水（中性的H2O分子）汽态水 湿存水 液态水 （薄膜水 毛细管水）胶体水 固态水 参加参加晶格晶格 结晶水结晶水（中性的H2O分子）结晶水化物的水 沸石水沸石水 层间水层间水 结构水结构水（OH-,H+,H3O+离子）1吸附水吸附水 被机械地吸附于矿物颗粒吸附于矿物颗粒的表面表面 和裂隙裂隙中，或渗入矿物集合体中渗入矿物集合体中的 中性水分子中性水分子(H2O)。它不参加晶格不参加晶格，不属于矿物的化学组成。注意注意：1）吸附水吸附水含量不定含量不定，随温度温度和湿度湿度而异。常压下，温度增至100110时，矿物中 吸附水吸附水即全部失去而不破坏晶格不破坏晶格。2）吸附水吸附水的一种特殊类型胶体水胶体水，是胶体矿物胶体矿物本身的固有特征，应列入 矿物的化学式，如蛋白石蛋白石：SiO2nH2O。胶体水胶体水的失水温度失水温度一般100250。2结晶水结晶水 以H2O的形成存在于矿物晶格中晶格中 一定位置上一定位置上的水，是矿物固有组分矿物固有组分 之一，水含量一定水含量一定，其数目数目与其他其他 组分组分的含量含量成简单简单的比例关系比例关系。注意注意：1）结晶水结晶水出现于大半径络阴离子大半径络阴离子 的含氧盐含氧盐矿物中。2）结晶水结晶水的作用作用：通过以一定的 配位形式环绕小半径环绕小半径的阳离子阳离子形成 水化阳离子水化阳离子，以增大阳离子增大阳离子的体积体积而 不改变不改变其电价电价，从而与大大的络阴离子络阴离子 组成稳定稳定的化合物，如石膏石膏：CaSO42H2O。3）结晶水结晶水的失水温度失水温度一般均在 200500，个别可高达600。4）失水后，矿物晶格晶格即完全被完全被 破坏破坏、改造改造而成新的结构。3结构水结构水（化合水化合水）以(OH)、H+或(H3O)+离子形式 存在于矿物晶格中一定位置上、并有确定确定的含量比含量比的“水”。注意注意：1）尤以(OH)最常见，主要存在于 氢氧化物氢氧化物和层状硅酸盐层状硅酸盐等矿物中。如：水镁石水镁石水镁石水镁石 Mg(OH)2，高岭石高岭石高岭石高岭石Al4Si4O10(OH)8，天然碱天然碱 Na3HCO32H2O，水云母水云母(K,H3O)Al2AlSi3O10(OH)2等。2）结构水结构水的失水温度失水温度一般约在 6001000。失水后结构完全被破坏失水后结构完全被破坏。4层间水层间水 存在于某些层状结构硅酸盐层状结构硅酸盐（如粘土矿物粘土矿物）晶格中结构层之间结构层之间结构结构 的H2O，其主要与层间阳离子层间阳离子结合 成水合离子水合离子。1）结构层表面结构层表面存在过剩过剩的负电荷负电荷，可吸附吸附其他金属阳离子金属阳离子，后者再 吸附吸附H2O，从而在相邻结构层结构层之间 形成水分子层水分子层，即层间水层间水。其含量 随所吸附所吸附的阳离子阳离子的种类种类、环境环境的 温度温度和湿度湿度而异，可在相当大的 范围内变化，并可有确定确定的上限值上限值。如多水高岭石多水高岭石Al4Si4O10(OH)84H2O等。2）失水温度失水温度一般100250。通常加热至几十度几十度即开始脱水开始脱水，常压下至110则大量失水。3）失水后，晶格晶格并不被破坏不被破坏，仅结构层之间距离缩短结构层之间距离缩短，晶胞参数晶胞参数 c0减小减小，矿物的比重比重和折射率增大折射率增大；且在潮湿的环境中又可重新吸水重新吸水。如蒙脱石蒙脱石蒙脱石蒙脱石 (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si,Al)4O10(OH)2nH2O 具明显的吸水膨胀吸水膨胀的特性；而蛭石蛭石蛭石蛭石(Mg,Ca)0.5(Mg,Fe+,Al)3(Si,Al)4O10(OH)24H2O 则表示出显著的热膨胀性热膨胀性。5沸石沸石水水 主要存在于沸石族矿物晶格沸石族矿物晶格中 宽大的空腔空腔和通道通道中的H2O，与 其中的阳离子结合成水合离子水合离子。丝光沸石结构照相 注意注意：1）水的含量随温度温度和湿湿度而异，上限值上限值与其他组分含量具简单比例简单比例 关系关系。2）失水一般从80开始，至400时 沸石水沸石水可全部失去。3）沸石水沸石水易失去易失去也易复得易复得，其得失 不会破坏晶格不会破坏晶格，只是矿物的晶格常数晶格常数 和某些物理性质物理性质稍有变化。失水后的 沸石沸石可重新吸水重新吸水，并恢复恢复到原来的 含水限度含水限度，再现再现其原来的物理性质物理性质。如钠沸石钠沸石 Na2(Al2Si3O102H2O。需说明需说明：1）单矿物单矿物的化学全分析数据化学全分析数据中，H2O称负水负水，通常意指不参加晶格不参加晶格的吸附水吸附水，当样品烘干到110之前之前即全部逸去；而正水正水H2O+系指参加晶格参加晶格的结构水结构水或结晶水结晶水，其失水失水温度温度通常高高于于110。2）有些参加晶格参加晶格的层间水层间水、沸石水沸石水 及部分部分结晶水结晶水在低于低于110也可逸出 晶格，故分析时应以特殊方法处理特殊方法处理 样品样品中的水水。一一、矿物的化学式矿物的化学式 1概念概念 矿物的化学式化学式：以组成矿物的 化学元素符号化学元素符号按一定原则一定原则表示矿物的 化学成分化学成分。是以单矿物单矿物的化学全分析化学全分析 所得的相对质量百分含量相对质量百分含量为基础而 计算出来的。5 矿物的化学式及其计算矿物的化学式及其计算 2表示方法表示方法 1）实验式实验式：仅表示矿物中各组分组分的种类种类及其数量比数量比。如白云母白云母 H2KAl3Si3O12 或 K2O3Al2O36SiO22H2O 2）结构式结构式：即晶体化学式晶体化学式。既能表明矿物矿物中 各组分各组分的种类种类及其数量比数量比，又能 反映出它们在晶格中的相互关系相互关系 及其存在形式存在形式。如白云母白云母 KAl2(Si3Al)O10(OH)2 矿物晶体结构式晶体结构式的书写原则书写原则：基本原则基本原则是阳离子在前阳离子在前，阴离子阴离子 或络阴离子络阴离子在后在后。络阴离子络阴离子需用方括号方括号 括起来。如石英石英SiO2，方解石方解石CaCO3。对复化合物复化合物，阳离子按碱性阳离子按碱性 由强强弱弱、价态价态从低低高高排列。如 白云石白云石 CaMgCO32，磁铁矿磁铁矿 FeFe2O4 （即Fe2+Fe3+2O4）附加阴离子附加阴离子通常写在阴离子阴离子 或络阴离子络阴离子之后之后，如 氟磷灰石氟磷灰石 Ca5PO43F，白云母白云母 KAl2(Si3Al)O10(OH)2 矿物中的水分子水分子写在化学式化学式的 最末尾最末尾，并用圆点圆点将将其与其他组分 隔开隔开。若含水量不定含水量不定，则常用nH2O 或aq表示，如 石膏石膏 CaSO42H2O，蛋白石蛋白石 SiO2nH2O或SiO2aq。成类质同像替代关系类质同像替代关系的离子离子，用小括号小括号括起来，并按含量由多含量由多 少少排列，中间用逗号逗号分开。如 铁闪锌矿铁闪锌矿(Zn,Fe)S，黄玉黄玉 Al2SiO4(F,OH)2。注意注意：在计算出矿物矿物中各元素的离子数离子数之后，书写晶体化学式晶体化学式时，习惯上，将其具体 数值分别写在各元素符号之右下角，同时成类质同像替代关系类质同像替代关系的各元素之间 无需再加逗号逗号，并在小括号小括号之后下角 列出小括号小括号内各元素离子数之总和各元素离子数之总和。如某单斜辉石单斜辉石 (Ca0.960Na0.040)1.000(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030 Mn0.020Ti0.020)1.000(Si1.920Al0.080)2.000O6 二二、矿物晶体化学式的计算矿物晶体化学式的计算（一）依据依据 单矿物单矿物的化学全分析数据化学全分析数据；晶体化学理论晶体化学理论及晶体结构知识晶体结构知识，对矿物中各元素的存在形式存在形式作出 合理的判断，并按照电价平衡原则电价平衡原则，将其分配到适当的晶格位置晶格位置上；x射线结构分析资料射线结构分析资料。注意注意：单矿物单矿物的化学全分析化学全分析的结果，其一般允许误差允许误差1%，即矿物中 的各元素各元素或氧化物氧化物的质量百分含量质量百分含量 （WB%）之总和总和应在99%101%。（二）方法方法 1成分较简单成分较简单的矿物化学式矿物化学式计算 步骤步骤：检查检查矿物化学分析结果矿物化学分析结果是否符合符合精度精度要求要求。将各组分的摩尔数摩尔数化为简单的整数。写出矿物的化学式化学式。某黄铜矿黄铜矿的化学式计算化学式计算组分组分质量百分数质量百分数（WB%）原子量原子量组分摩尔数组分摩尔数组分摩尔数组分摩尔数之比之比化学式化学式Cu34.5463.550.54351CuFeS2Fe30.3055.850.54251S35.0332.061.09262合量合量99.87 2成分复杂成分复杂的矿物化学式计算矿物化学式计算 计算原则计算原则：尽量使占位占位的离子数目保持合理离子数目保持合理；尽量使正负电荷总数保持平衡正负电荷总数保持平衡。计算前提计算前提：必须有矿物的化学全分析数据化学全分析数据；必须已知矿物的化学通式化学通式。1）阴离子法阴离子法 2）阳离子法阳离子法返回返回鲕状鲕状肾状肾状返回返回下一页下一页返回返回下一页下一页下一页下一页返回返回返回返回返回返回下一页下一页返回返回Mg(OH)2内部结构内部结构下一页返回返回(Si,Al)O4AlO4(OH)2白云母白云母KAl2AlSi3O10(OH)2返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回下一页下一页返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回