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第十二章第十二章 矿物的化学成分矿物的化学成分o地壳中化学元素丰度对矿物化学成分的影响地壳中化学元素丰度对矿物化学成分的影响o元素的离子类型与矿物种类的关系元素的离子类型与矿物种类的关系o矿物化学成分变化的影响因素矿物化学成分变化的影响因素o矿物中的水矿物中的水o矿物的化学式及其计算矿物的化学式及其计算1一、地壳中化学元素的丰度一、地壳中化学元素的丰度o元素在地壳中的平均含量的百分数，叫克拉克值（美国学者克拉克（F.W.Clark）最先提出），可分为：质量克拉克值，原子克拉克值。o地壳中元素丰度极不均匀，最多的氧（O）与最少的氡（Rn）含量相差1018倍。o地壳中最常见的元素为：O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg 这8种，占地壳总质量的99。2常见常见8种元素的克拉克值种元素的克拉克值元元 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可以形象地比喻：整个地壳是由可以形象地比喻：整个地壳是由O离子作最紧密堆积，阳离离子作最紧密堆积，阳离子充填在空隙中。子充填在空隙中。3克拉克值对矿物化学成分的影响克拉克值对矿物化学成分的影响:o克拉克值高的元素组成的矿物种含量也高，地壳上克拉克值高的元素组成的矿物种含量也高，地壳上的矿物种主要是由前述的矿物种主要是由前述8种元素组成的硅酸盐（占地种元素组成的硅酸盐（占地壳总质量的壳总质量的3/4）和氧化物（占地壳总质量的）和氧化物（占地壳总质量的1/5）；o但是，地壳上的矿物种除了受克拉克值影响外，还但是，地壳上的矿物种除了受克拉克值影响外，还要受到元素的地球化学性质的影响，有的元素含量要受到元素的地球化学性质的影响，有的元素含量低，但它能够形成独立矿物种，低，但它能够形成独立矿物种，而有的元素尽管含而有的元素尽管含量多，却不能够形成独立矿物种。这就涉及到元素量多，却不能够形成独立矿物种。这就涉及到元素是趋于是趋于“聚集聚集”或或“分散分散”的地球化学性质。的地球化学性质。4克拉克值对矿物化学成分的影响克拉克值对矿物化学成分的影响:聚集元素：聚集元素：Au、Ag、Bi、Sb等，尽管克拉克值等，尽管克拉克值很低，但它们的地球化学性质是趋于聚集的，很低，但它们的地球化学性质是趋于聚集的，所以能够形成独立的矿物种，甚至富集成矿；所以能够形成独立的矿物种，甚至富集成矿；分散元素：分散元素：Ru、Cs、Ga、In等，尽管克拉克值等，尽管克拉克值较高，但它们的地球化学性质是趋于分散的，较高，但它们的地球化学性质是趋于分散的，所以不能够形成独立的矿物种，往往以微量元所以不能够形成独立的矿物种，往往以微量元素混入物（如类质同像形式）赋存于其他矿物素混入物（如类质同像形式）赋存于其他矿物种中。种中。5二、元素的离子类型与矿物种类的关系：二、元素的离子类型与矿物种类的关系：o惰性气体型离子：惰性气体型离子：外层电子外层电子8或或2o铜型离子：铜型离子：外层电子外层电子18或或182o过渡型离子：过渡型离子：外层电子外层电子917，有未满的，有未满的d电子。电子。外层电子构型直接外层电子构型直接影响到离子的化学影响到离子的化学键性质。键性质。6o惰性气体型离子：惰性气体型离子：易失去电子，与氧形成离子键，易失去电子，与氧形成离子键，形成氧化物、含氧盐矿物，故称为形成氧化物、含氧盐矿物，故称为亲氧元素亲氧元素或或亲石亲石元素元素；o铜型离子：铜型离子：电离势高，不易失去电子，与硫形成共电离势高，不易失去电子，与硫形成共价键，形成硫化物，故称为价键，形成硫化物，故称为亲硫元素亲硫元素或或亲铜元素亲铜元素；o过渡型离子：过渡型离子：性质介于上述两类离子之间，可形成性质介于上述两类离子之间，可形成氧化物、含氧盐，也可形成硫化物，取决于元素在氧化物、含氧盐，也可形成硫化物，取决于元素在周期表中的位置周期表中的位置(靠近惰性气体型离子还是靠近铜靠近惰性气体型离子还是靠近铜型离子型离子)，也取决于外部氧化还原条件。，也取决于外部氧化还原条件。二、元素的离子类型与矿物种类的关系：二、元素的离子类型与矿物种类的关系：7二、元素的离子类型与矿物种类的关系：二、元素的离子类型与矿物种类的关系：但是，元素的离子类型与矿物种的关系不是绝对但是，元素的离子类型与矿物种的关系不是绝对的，在极端外部条件下，也可改变，如：的，在极端外部条件下，也可改变，如：Cu+在氧化环境下也可形成氧化物：赤铜矿在氧化环境下也可形成氧化物：赤铜矿Cu2O.8三、矿物化学成分变化的影响因素：三、矿物化学成分变化的影响因素：o类质同像：类质同像：引起矿物化学成分变化的主要因素。特点：引起矿物化学成分变化的主要因素。特点：离子之间取代，占据晶格位置，可引起结构、物性等规离子之间取代，占据晶格位置，可引起结构、物性等规律性的变化；律性的变化；o胶体吸附与脱水：胶体吸附与脱水：引起胶体矿物（非晶态，准矿物）和引起胶体矿物（非晶态，准矿物）和含水矿物化学成分变化的主要因素。含水矿物化学成分变化的主要因素。(下面详叙下面详叙)o非化学计量性：非化学计量性：某些变价元素矿物，由于离子价态变化某些变价元素矿物，由于离子价态变化而引起的部分离子缺席空位造成矿物化学成分变化。如：而引起的部分离子缺席空位造成矿物化学成分变化。如：Fe1-XS，其中，其中x=00.125；o机械混入：机械混入：包裹体等。包裹体等。矿物化学成分的变化可以反映矿物形成时的物理化学条件，矿物化学成分的变化可以反映矿物形成时的物理化学条件，因而可作为标型特征。因而可作为标型特征。9关于胶体矿物：关于胶体矿物：o胶体的概念：细分散体系，含分散相（胶粒，一般胶体的概念：细分散体系，含分散相（胶粒，一般小于小于100nm）和分散媒（相当于溶剂，一般是水）和分散媒（相当于溶剂，一般是水），与真溶液是不同的与真溶液是不同的。当胶粒含量小于分散媒时，形成的是胶溶体，反当胶粒含量小于分散媒时，形成的是胶溶体，反之，形成的是胶凝体（固态）。之，形成的是胶凝体（固态）。o胶粒的特点：比表面积极大，带电荷，具有选择性胶粒的特点：比表面积极大，带电荷，具有选择性吸附。吸附。胶粒胶粒o胶体矿物：以水为分散媒的胶凝体，特点：非晶质胶体矿物：以水为分散媒的胶凝体，特点：非晶质或超显微隐晶质，具有选择吸附性，水含量不固定。或超显微隐晶质，具有选择吸附性，水含量不固定。这就导致了胶体矿物的化学成分极不稳定。这就导致了胶体矿物的化学成分极不稳定。10返回11例如：蛋白石，由许多许多的非常细的例如：蛋白石，由许多许多的非常细的SiO2胶粒及水胶粒及水组成。单个组成。单个SiO2胶粒可能有晶体结构，但太小了；胶粒可能有晶体结构，但太小了；许多胶粒组合是杂乱的，因此，整体不显晶态特征许多胶粒组合是杂乱的，因此，整体不显晶态特征而是非晶态或超显微隐晶态。而是非晶态或超显微隐晶态。胶粒堆积形成胶体矿物示意图胶粒堆积形成胶体矿物示意图12但是，胶体矿物不稳定，随着时间的推移，会慢慢转但是，胶体矿物不稳定，随着时间的推移，会慢慢转化为晶态，这就是胶体的晶化作用，也称胶体老化。化为晶态，这就是胶体的晶化作用，也称胶体老化。为什么？为什么？胶体晶化后形成的一般是纤维状的细小晶体集合体，胶体晶化后形成的一般是纤维状的细小晶体集合体，不可能形成一个大单晶。不可能形成一个大单晶。为什么？为什么？13四、矿物中的水四、矿物中的水 水是矿物中的一种特殊的化学成分。分水是矿物中的一种特殊的化学成分。分3种基本类型及种基本类型及2种过渡类型：种过渡类型：o吸附水：吸附水：H2O，被吸附在矿物微粒（胶粒）表面、裂隙，被吸附在矿物微粒（胶粒）表面、裂隙中等，不参加晶格，含量不固定，易脱水（中等，不参加晶格，含量不固定，易脱水（100125C），如：蛋白石），如：蛋白石SiO2nH2Oo结晶水：结晶水：H2O，参加晶格，一般在晶体结构中的大空隙，参加晶格，一般在晶体结构中的大空隙中，含量固定，较不易脱水（中，含量固定，较不易脱水（200500C），脱水后），脱水后结构改变，如：石膏结构改变，如：石膏CaSO4 2H2O。o结构水：结构水：OH-，H+，H3O+，以离子的形式存在于晶体，以离子的形式存在于晶体结构中，位置、含量固定，非常稳定，极不易脱水（结构中，位置、含量固定，非常稳定，极不易脱水（6001000C），脱水后结构完全改变，如：高岭石），脱水后结构完全改变，如：高岭石Al4Si4O10(OH)8。14另外还有两种过渡型水：另外还有两种过渡型水：o层间水：层间水：H2O，存在于层状结构矿物中的层间，存在于层状结构矿物中的层间大空隙中，与层状结构有一定的键合作用（分大空隙中，与层状结构有一定的键合作用（分子键），但很微弱，脱水后层状结构基本不改子键），但很微弱，脱水后层状结构基本不改变。稳定性介于吸附水与结晶水之间。变。稳定性介于吸附水与结晶水之间。层间水层间水o沸石水：沸石水：H2O，存在于沸石族矿物晶体结构中，存在于沸石族矿物晶体结构中的大空隙或通道中，脱水后结构基本不改变。的大空隙或通道中，脱水后结构基本不改变。稳定性介于吸附水与结晶水之间。稳定性介于吸附水与结晶水之间。15返回H2OH2OH2OH2OH2OH2O16五、矿物的化学式及其计算五、矿物的化学式及其计算o实验式：实验式：白云母：白云母：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O 或：或：H2KAl3Si3O12 仅仅表示各组分的含量比。仅仅表示各组分的含量比。o晶体化学式：晶体化学式：KAl2(Si3Al)O10(OH)2 不仅表示各组分的含量比，同时还表达了晶体结构信息。不仅表示各组分的含量比，同时还表达了晶体结构信息。络阴离子团络阴离子团结构单元层结构单元层17五、矿物的化学式及其计算五、矿物的化学式及其计算o晶体化学式的书写原则：晶体化学式的书写原则：1）阳离子在前，阴离子在后；）阳离子在前，阴离子在后；2）多个阳离子时，按碱性强）多个阳离子时，按碱性强弱排序，按价态低弱排序，按价态低高排序高排序；互为类质同像关系的阳离子用圆括号括起来，按含量多少排互为类质同像关系的阳离子用圆括号括起来，按含量多少排序；序；3）络阴离子团用方括号括起来，更大一级的结构单元用花）络阴离子团用方括号括起来，更大一级的结构单元用花括号括起来；一般附加阴离子写在所有阴离子的最后，中性括号括起来；一般附加阴离子写在所有阴离子的最后，中性水分子写在整个化学式最后，并用水分子写在整个化学式最后，并用“”分开。分开。例如：例如：白云母白云母KAl2(Si3Al)O10(OH)2 白云石白云石CaMgCO32 镁方解石（镁方解石（Ca，Mg）CO3 铁闪锌矿铁闪锌矿(Zn,Fe)S 蛋白石蛋白石 SiO2nH2O请同学们读懂上述晶体化学式的含义。请同学们读懂上述晶体化学式的含义。18晶体化学式的计算：晶体化学式的计算：o总的思路是：总的思路是：以矿物化学分析所得到的元素或以矿物化学分析所得到的元素或氧化物质量，换算成该矿物中各原子、离子氧化物质量，换算成该矿物中各原子、离子系数比例，再结合晶体化学知识判断是否为类系数比例，再结合晶体化学知识判断是否为类质同像关系、是否组成阴离子团等，写出晶体质同像关系、是否组成阴离子团等，写出晶体化学式。化学式。19晶体化学式的计算：晶体化学式的计算：o具体做法是：具体做法是：元素或氧化物质量元素或氧化物质量原子个数原子个数分子个数（换算成原子个数）分子个数（换算成原子个数）以某个原子在该矿物晶体以某个原子在该矿物晶体化学式的原子个数为准，化学式的原子个数为准，换算出其他原子在晶体化换算出其他原子在晶体化学式中的系数学式中的系数结合晶体化学结合晶体化学知识将各原子知识将各原子进行分配进行分配即：要求已知该矿物的晶体化学通式 20举例说明：举例说明：已知单斜辉石晶体化学通式：已知单斜辉石晶体化学通式：XYZ2O621以上举例为阴离子法，即以氧原子数为准计算，以上举例为阴离子法，即以氧原子数为准计算，也可以以阳离子总数为准计算，称阳离子法，也可以以阳离子总数为准计算，称阳离子法，计算的思路是一样的。计算的思路是一样的。但是，不能以某个阳离子为准计算，为什么？但是，不能以某个阳离子为准计算，为什么？请同学们思考。请同学们思考。22本章重点总结：o克拉克值、元素地球化学性质、离子类型与克拉克值、元素地球化学性质、离子类型与矿物种类的关系；矿物种类的关系；o矿物化学成分变化因素（类质同像、胶体吸矿物化学成分变化因素（类质同像、胶体吸附、非化学计量）；附、非化学计量）；o矿物中水的矿物中水的5种形式及其特点；种形式及其特点；o读懂晶体化学式并会计算。读懂晶体化学式并会计算。作业：本章习题作业：本章习题8。23