矿物学基础知识(矿物及其化学成分)

第二章矿物及其化学成分

第一节矿物的概念

在古代，矿物泛指从矿山采据且未经加工的天然物体，随着人类对自然认识的深入和科学技术的进步，矿物的概念也在不断发展变化。现代对矿物的定义是，地质作用或宇宙作用过程中形成的具有相对固定的化学组成以及确定的晶体结构的均匀固体。它们具有一定的物理、化学性质，在一定的物理化学条件范用内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。

现代的矿物概念，重点强调以下几个特征。

一、矿物是地质作用或宇宙作用的产物

这一特征使矿物区别于在工厂或实验室由人工制造的产物。由人工制造的、各方面性质与大然产出的矿物相同或相似的产物，可以称人造矿物或合成矿物，如人造水晶、人造金刚石等；而那些在自然界无对应矿物的人工合成物，则不能称为合成矿物，如钛酸锶、钇铝榴石等。那些来自月球或陨石的矿物，为了强调其来源，特别称为月岩矿物和陨石矿物，或统称宇宙矿物。

二、矿物具有相对固定的化学成分

矿物成分可用化学式来表达。如方解石、闪锌矿，其化学成分可分别用化学式CaCO3 和ZnS表示。然而，由于形成环境的复杂性，矿物的成分可在一定范围内变化。如闪锌矿中的Zn经常被Fe代替，但Fe的含量最高不能超过26%，向且Zn、Fe一起与S仍保持1:1的定比关系，化学式可表示为(Zn,Fe)S。因此，可以说矿物成分是相对固定的。

三、矿物具有确定的晶体结构

这表明矿物应该是晶体，但只有天然产出的晶体才属于矿物。外观表现为固体的无晶体结构的物质，如蛋白石、水铝英石等不能称为矿物，这类在地质作用或宇宙作用中形成的具有相对固定的化学成分，但无确定晶体结构的均匀固体，称为准矿物或似矿物。天然非晶质的火山玻璃，因无一定的化学成分，不属准矿物之列。

四、矿物是均匀固体

这一特征排除了天然产出的气体和液体，它们可以是自然资源，但不属于矿物，如自然汞；同时也与岩石和矿石区分开来。矿物作为组成岩石和矿石世界遗产大会开幕的基本单元，应该是各部分

均匀的。

五、矿物并非固定不变

任何矿物都稳定于一定的物理化学条件范围内，超出这个范围，矿物会发生变化，生成新条件下稳定的矿物。如黄铁矿FeS2在地表风化条件下氧化后，形成褐铁矿Fe2O3.nH2O。

第二节元素的离子类型与化学键

一、元素的离子类型

矿物晶体的内部结构主要是由组成它的原子或离子的性质决定的，其中起主导作用的因素是原子或离子的最外层电子的构型。通常根据离子的最外层电子的构型可将离子划分为三种基本类型(表2-1)。

表2-1 元素的离子类型

TR*

Ac*

注：1—惰性气体原子；2—惰性气体型离子；3a—亲氧性强的过渡型离子；3b—亲碳性强的过渡型离子；4—铜型离子。*TR与Ac分别为稀土族也铜族元素。

1、惰性气体型离子

指最外层具有8个或2个电子的离子。这类离子的最外层电子构型为由ns2np6或1s2，它具有与惰性气体原子相同的电子构型。主要包括碱金属、碱土金属及位于周期表右边的某些非金属元素。这些元素的电离势较低，离于半径较大，极化力弱，易与氧或卤素元素以离子键结合形成含氧盐、氧化物和卤化物，构成地壳中大部分造岩矿物。这一类元素常称为“亲氧元素”、“亲石元素”或“造岩元素”。

2、铜型离子

指最外层具有18个电子或（18+ 2）个电子的离子。它们的电子构型为ns2np6nd10或ns2np6nd10(1+2)s2，与Cu+法治论坛的最外层电子构型相同。主要包括位于周期表长周期右半部的有金属和半金属元素。这些元素的电离势较高，离子半径较小，极化能力很强，通常主要以共价键与硫结合形成硫化物、硫盐及其类似化合物，形成主要的金属硫化物矿床中的矿

石矿物，故称为“亲硫元素”、“亲铜元素”或“造矿元素”。

3、过渡型离子

指最外层电子数为9～17个电子的离子。它们的电子构型为ns2np6nd1～9，处于前两之间的过渡位置，主要包括周期表中Ⅶ～Ⅷ族的副族元素。离子的性质也介于惰性气体型离子和铜型离子之间。最外层电子数接近8的，易与氧结合，形成氧化物及含氧盐矿物；最外层电子数接近18的，且与硫结合，形成硫化物；最外层电子数居中者，如Fe、Mn等，则依所处介质条件的不同，既可形成氧化物，也可形成硫化物。这一类元素在地质作用中经常与铁共生，故也称之为“亲铁元素”。

二、化学键

在晶体结构中，质点间的相互维系力（结合力），称化学键。化学键的形成，主要是由于相互作用的原子，它们的价电子在原子核之间进行重新分配，以达到稳定的电子构型。不同的原子，由于它们得失电子的能力（电负性）不同，因而在相互作用时可以形成不同的化学键。典型的化学键有三种，即离子键、共价键、金属键；加上存在于分子之间的，相互吸引力较弱的分子键，共四种基本键型。

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很大的差异（表2-2）。

表2-2 键型与晶体物理、化学性质的关系

特征	金属键	离子键	共价键	分子键
键性	由弥漫的自由电子把金属型离子结合起来，元饱和性和方向性，键力一般不强	由阴、阳离子间静电引力相结合元饱和性和方向性，键力一般较强	由共用电子相对联系，有饱和性和方向性，键力一般很强	由分子间偶极引力相维系，无饱和性和方向性，键力一般较弱
光学性质	不透明，反射率高，金属光泽	透明或半透明，玻璃光泽	透明至半透明，玻璃～金刚光泽	多数透明，玻璃～金刚光泽
力学性质	硬度低～中等，高密度，强延展性	硬度中～高，脆性	硬度中～高至很高，脆性	硬度很低
电学性质	良导体	不良导体（熔融后导电）	不良导体（熔体亦不导电）	不良导体
热学性质	熔点高低不一，导热性能好	一般熔点高，热膨胀系数小	熔点高，热膨胀系数小	熔点低，易升华，热膨胀系数大
溶解度	易溶于氧化剂，在其它溶剂中难溶	易溶于水，随离子键能增强，溶解度减小，不溶于有机溶剂	不溶于水，在其他大多数溶剂中也较难溶	不溶于水，溶于有机溶剂
典型实例	自然金Au 自然铜Cu	石盐NaCl 萤石CaF2	金刚石C	自然硫S 雄黄As4S4

第三节矿物的化学成分类型

自然界的矿物，就其化学组成来说，可分为单质和化合物两大类。

－、单质

单质矿物且由同种元素的原子自相结合组成的矿物，如自然金（Au）、金刚石（C）等。二、化合物

化合物矿物是由两种或两种以上不同的化学元素组成的矿物。按其组成特点又分为：1、简单化合物

由一种阳离子和一种阴离子化合而成，如食盐NaCl、磁铁矿Fe3O4。

2、络合物

由一种阳离子和一种络阴离子（酸根）组成的化合物，如方解石Ca[CO3]纳长石Na[AIS3O8]。

3、复化合物

由两种或两种以上的阳离子与阴离子或络阴离子化合而成，如白云石CaMg[CO3]、黄铜矿CuFeS2。

无论是单质还是化合物，其化学组成绝对固定者极少，大多数可在一定范围内发生变化。引起矿物化学成分变化的原因，主要是类质同像代替、胶体的吸附作用、显微包裹体的存在等。

第四节类质同像

一、类质同像的概念

类质同像是指矿物结晶时，结构中性质相近的质点（离子、原子或分子）在保持原有晶体结构的情况下相互代替的现象。例如，在菱镁矿Mg[CO3]和菱铁矿Fe [CO3]之间，由于镁和铁可以互相代替，可以形成各种Mg、Fe含量不同的类质同像混合物（混晶），从而可以构成一个镁、铁成各种比例的连续的类质同像系列：

Mg[CO3]—（Mg，Fe）[CO3] —（Fe，Mg）[CO3] —Fe [CO3]

菱镁矿含铁的菱镁矿含镁的菱铁矿菱铁矿

又如，闪锌矿ZnS中的锌，可部分地（不超过26%）被铁所代替。在这种情况下，铁被称为类质同像混入物，富铁的闪锌矿被称为铁闪锌矿。

在书写类质同像混晶的化学式时，凡相互间成类质同像替代关系的一组元系均写在同一圆括号内，彼此间用逗号隔开，按所含原子百分数由高而低的顺序排列。例如，橄榄石（Mg，Fe）2 [SiO4]、铁闪锌矿（Zn，Fe）S。

二、类质同像的类型

从不同的角度出发，可将类质同像划分为不同的类型。

1、根据质点代替的程度划分

1)完全类质同像：在类质同像混晶中，若A、B两种质点可以任意比例相互取代，它们可以形成一个连续的类质同像系列，则称为完全类质同像系列。如上述菱镁矿-花木水菱铁矿系列中正丁醇镁、铁之间的代替。

2)不完全类质周像：在类质同像混晶中，若A、B两种质点的相互代替局限在一定范围内，

它们不能形成连续的系列，则称为不完全类质同像系列。如上述闪锌矿(Zn，Fe)S中，铁取代锌局限在一定的范国之内。

2、根据相互取代的质点的电价划分

1)等价类布吉成校质同像：晶格中互相代替的质点电价相等。如Mg2-与Fe2+之间的代替。

2)异价类质同像：晶格中互相代替的质点电价不相等。如在钠长石Na[AlSi3O6］与钙长石Ca[Al2Si2O6］系列中，Na+和Ca2+之间的代替以及Si4-时和Al3-之间的代替都是异价的，但由于这两种代替同时进行，代替前后总电价是平衡的。

三、类质同像的影响因素

1、原子和离子半径

显然，从几何角度来考虑，相互取代的原子或离子，其半径应当相近。

2、总电价平衡

在类质同像的代替中，必须保持总电价的平衡。

3、离子类型和化学键

惰性气体型离子在化合物中一般为离子键结合，而铜型离子在化合物中以共价键结合为主。离子类型不同，化学键不同，则它们之间的类质同像代替就不易实现。

4、温度

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间像的范围并促使类质同像混晶发生分解，即固溶体离溶。

5、压力

一般来说，压力的增大将限制类质同像代替的范围并促使其离溶。但这一问题尚待进一步的研究。

钠长石6、组分浓度

一种矿物晶体，其组成组分间有一定的量比。当它从熔体或溶液中结晶时，若某组分不能与上述量比相适应，即某种组分浓度不足时，则介质中将有与之类似的组分以类质同像的方式混入晶格加以补偿。

四、研究类质同像的实际意义

类质同像是矿物中普遍存在的现象，它是引起矿物化学成分变化的一个主要原因。地壳中有许多元素本身很少或根本不形成独立矿物，而主要是以类质同像混入物的形式贮存于一定的矿物的晶格中。例如，Re经常赋存于辉钼矿中，Cd、In、Ga经常存在于闪锌矿中。所以，研究类质同像的规律，对寻某些矿种和合理地综合利用各种矿产资源，有着极为重要的意义。同时，由于类质同象的形成与矿物的生成条件有关，因而类质同像的研究将有助于了解成矿环境。

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