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1、选选矿矿学学第一篇第一篇矿石学基础矿石学基础贵州大学矿业学院矿物加贵州大学矿业学院矿物加工教研室工教研室选选矿矿学学第一第一篇篇矿石学基础主讲人：主讲人：张张杰杰教授教授1 1 晶体晶体1.11.1晶体及其基本性质晶体及其基本性质 古代，无论中外都把具有规则多面体形态的水晶古代，无论中外都把具有规则多面体形态的水晶称为晶体。后来扩展为用晶体称呼那些天然就具有称为晶体。后来扩展为用晶体称呼那些天然就具有规则多面体形态的固体规则多面体形态的固体,如食盐、水晶，方解石、如食盐、水晶，方解石、黄铁矿、绿柱石等。黄铁矿、绿柱石等。晶体：是内部质点在三维空间呈周期性重复排列晶体：是内部质点在三维空间呈周期
2、性重复排列的固体。或者说晶体是具有格子构造的固体。的固体。或者说晶体是具有格子构造的固体。1-1晶体结晶学与晶体化学基础晶体结晶学与晶体化学基础1.2 非晶体 与晶体相对应的是非晶体。其特点是内部结构不具有格子构造。广义上包括气体、液体和一部分固体物质，如玻璃、琥珀、松香、树脂、沥青、大部分塑料等。内部质点不作规则排列，不具格子构造的物质，称为非晶质或非晶质体。1.3 空间格子的几何要素1.3.1 结点 结点是空间格子中的点，它们代表晶体结构中的相当点。实际晶体中在结点的位置上可为同种质点所占据。1.3.2 行列 结点在直线上的排列即构成行列(图I-1-6)。空间格子中任意两个结点联结起来就是
3、一条行列的方向。行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距(如图I-1-6中的a)。1.3.3 面网 结点在平面上的分布即构成面网。空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以决定一个面网的方向，或者说任意两个相交的行列就可决定一个面网。面网上单位面积内结点的密度称为面网密度。1.3.4 平行六面体从三维空间来看，空间格子可以划出一个最小重复单位，那就是平行六面体。1.4 建立坐标系格子常数对于一个单位平行六面体，以交于一点、不在一个平面上的三个棱作为三个坐标轴，棱长a、b、c为坐标刻度，彼此的夹角为、。即可表示出它的形状。a、b、c及、合称为格子常数，对于实际晶体则称之为晶胞参数。1.5 晶
4、体的基本性质1.5.1自限性自限性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。由图1-5-1中可以看出晶体为平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱会聚成尖的角顶。图1-5-1晶面、晶棱、角顶与图1-5-2蓝晶石晶体的硬度面网、行列、结点的关系示意图AA-BB方向硬度不同1.5.2 均一性因为晶体是具有格子构造的固体，在同一晶体的各个不同部分，质点的分布是一样的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相同的，这就是晶体的均一性。1.5.3 异向性晶体结构中不同方向上的质点种类和排列方式不同，导致晶体的各种物理和化学性质随方向不同而异，这就是晶体的异向性。例如：蓝晶石的硬度，石墨的导
5、电性等随方向的差异很大。1.5.4 对称性 晶体具异向性，但这并不排斥在某些特定的方向上具有“相同的性质”。在晶体的外形上，也常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。1.5.5最小内能在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。1.5.6稳定性晶体具有最小内能，因而结晶态是一个相对稳定的状态。这种稳定性可由质点的运动状态来说明：1-2晶体生长的基本规律与晶体生长的基本规律与布拉维法则布拉维法则1.1结晶作用方式晶体是在物相转变的情况下形成的。1.2由液相转变为固相1.3.1从熔体中结晶当温度低于熔点时，晶体开始析出，即只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水低于0时结
6、晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。1.3.2从溶液中结晶溶液达到过饱和时析出晶体。1)温度降低，如岩浆期后热液随着远离岩浆源，渐次析出矿物晶体；2)水分蒸发，如天然盐湖盐类结晶；3)化学反应，生成难溶物质。1.4由气相转变为固相 条件：有足够低的蒸气压。火山口附近常直接生成硫、碘或氯化钠的晶体；雪花由水蒸气冷却直接结晶而成。1.5由固相再结晶为固相1.5.1 同质多象转变指某种晶体在热力学条件改变时，转变为另一种在新条件下稳定的晶体，而转变前后的成分相同，但晶体结构不同。如SiO2，温度达573以上由低温石英转变为晶体结构不同的高温石英。1.5.2原矿物晶粒逐渐变大1.5.3 固溶
7、体分解在一定温度下固溶体可以分离成为几种独立矿物。例如一定比例的闪锌矿(ZnS)和黄铜矿(CuFeS2)在高温时组成均一相固溶体，而在低温时就分离成为两种独立矿物。1.5.4 变 晶 矿物在定向压力下溶解，在垂直于压力方向上再结晶，形成一向或二向延伸的变质矿物，称为“变晶”。如角闪石、云母等。在变质岩中发育成斑状晶体称为“变斑晶”。1.5.5 由固态非晶质结晶火山熔岩迅速冷凝固结为非晶质的火山玻璃，经过千百年演变可逐渐转变为结晶质。1.6.1晶体的形成 晶体(crystal)生成的一般过程：先生成晶核，再逐渐长大。从液相或气相中生长有三个阶段：介质达到过饱和、过冷却阶段；成核阶段；生长阶段。1
8、.6.2晶核的形成若介质体系的质点同时进入不稳定状态形成新相，称为均匀成核作用。即各处的成核几率相等，这要克服相当大的表面能位垒，即需要相当大的过冷却度才能成核。在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它决定于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。另外，介质粘度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度。1.6.3 布拉维法则早在1855年，法国结晶学家布拉维(ABravis)从晶体具有空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系:即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网，这就是布拉维法则。所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直
9、方向上增长的厚度。1.6.4面角恒等定律面角恒等定律是指同种物质（成分构造相同）的所有晶体，其对应晶面间的夹角恒等。晶面夹角是指晶面法线间的夹角。1.6.5影响晶体生长的外部因素在不同生长条件下形成的同种晶体，形态上可能有所差别。【1】温度在不同的温度下，同种物质的晶体，其不同晶面的相对生长速度有所改变，影响晶体形态，如方解石(CaCO3)在较高温度下生成的晶体呈扁平状，而在地表水溶液中形成的晶体则往往是细长的。石英和锡石矿物晶体亦有类似的情况。【2】杂质溶液中杂质的存在可以改变晶体上不同面网的表面能，所以其相对生长速度也随之变化而影响晶体形态。例如，在纯净水中结晶的石盐是立方体，而在溶液中有
10、少量硼酸存在时则出现立方体与八面体的聚形。【3】粘度溶液的粘度也影响晶体的生长。粘度的加大，将妨碍涡流的产生，溶质的供给只有以扩散的方式来进行，晶体在物质供给十分困难的条件下生成。由于晶体的棱角部分比较容易接受溶质，生长得较快，晶面的中心生长得慢，甚至完全不长，从而形成骸晶。【4】结晶速度结晶速度大，则结晶中心增多，晶体长的细小，且往往长成针状、树枝状。反之，结晶速度小，则晶体长得粗大。如岩浆在地下缓慢结晶，则生长成粗粒晶体组成的深成岩，如花岗岩；但在地表快速结晶则生成由细粒晶体甚至于隐晶。1.7晶体的溶解与再生1.7.1晶体的溶解晶面溶解时，将首先在一些薄弱地方溶解出小凹坑，称为蚀像。1.7
11、.2晶体的再生 破坏了的和溶解了的晶体处于合适的环境又可恢复多面体形态，称为晶体的再生，如斑岩中石英颗粒的再生。1-3晶体的对称、对称组合和晶体分类1.1对称的概念对称对称就是物体相同部分有规律的重复。就是物体相同部分有规律的重复。晶体对称性(symmetry)最直观的表现在外形上,相同的晶面(plane)、晶棱(arris)和角顶(corner angle)作有规律的重复 1.2晶体对称的特点1)所有的晶体都具有对称性。2)晶体的对称是有限的。3)晶体的对称既是外形上的对称，同时也是物理性质上的对称。由于以上特点，晶体的对称可以作为晶体分类(classify crystal)的最好依据。1.
12、3晶体外形对称要素1.4 对称面(P)是一个假想的平面；相应的对称操作为对于此平面的反映。它将图形平分为互为镜像的两个相等部分。晶晶体体中中对对称称面面与与晶晶面面、晶晶棱棱可可能能有有如如下关系下关系 :1)垂直并平分晶面；2)垂直晶棱并通过它的中心；3)包含晶棱。1.5 1.5 对称轴对称轴(L Ln n)是一根假想的直线。相应的对称操作是围绕此直线的旋转。当图形围绕此直线旋转可使相等部分重复。旋转一周重复的次数称为轴次(n)。重复时所旋转的最小角度称基转角，360n。对对称称轴轴可可能能出出露露的的位位置置：晶晶面面的的中中心心、晶晶棱棱的的中中点点或角顶。或角顶。蝴蝶的对称蝴蝶的对称
13、对称的花冠对称的花冠1.61.6对称中心对称中心(C)(C)是一个假想的点；相应的对称操作是对此点的反伸(或称倒反)。如果通过此点作任意直线，则在此直线上距对称中心等距离的两端，必定可以找到对应点。1.71.7旋转反伸轴旋转反伸轴(L Li in n)是一根假想的直线；相应的对称操作是图形围绕此直线旋转一定角度后再对此直线上的一个点进行反伸，可使相等部分重复。L Li in n的轴次也可为的轴次也可为1 1、2 2、3 3、4 4、6 6次。次。因此，结晶多面体中可能存在的对称要素只有9种，分别是：对称轴L1、L2、L3、L4、L6 对称面 P 对称中心 C 旋转反伸轴Li4，Li6 单个晶体
14、中全部对称要素的组合称为该晶体的对称型。晶体中全部对称要素相交于一点(晶体中心)，在进行对称操作时至少有一点不移动，因此对称型也称为点群。对对称称要要素素的的组组合合必必须须满满足足组组合合定定理理，即即符符合合空空间间格格子子构构造造规规律律，因因此此对对称型是有限的。称型是有限的。按照晶体对称特点进行的分类，分类依据如下：1)把属于同一对称型的晶体归为一个晶类。晶体中存在32种对称型，亦即有32个晶类。2)根据是否有高次轴以及有几个高次轴，把32个对称型归纳为低级、中级、高级三个晶族。低级晶族 无高次轴 中级晶族 有一个高次轴 高级晶族 有多于一个的高次轴 3)在各晶族中，再根据对称特点划
15、分晶系，共有七个晶系。1-4晶体的理想形态、晶体的理想形态、晶体定向及晶面符号晶体定向及晶面符号 1.11.1单形单形 理想形态指的是晶体由理想晶面构成。即晶体上同种性质的面网能得到同等发育，形成同形等大的晶面。分为单形和聚形两种。单单形形的的概概念念由对称要素联系起来的一组晶面的总合。即藉对称型中全部对称要素的作用可以相互重复的一组晶面。单形上所有晶面不能封闭空间而占有一定体单形上所有晶面不能封闭空间而占有一定体积者称为开形。开形不能独立存在，必需与其积者称为开形。开形不能独立存在，必需与其他单形聚合才能形成封闭的几何形态。他单形聚合才能形成封闭的几何形态。闭形：单形上所有晶面能封闭空间而占
16、有一闭形：单形上所有晶面能封闭空间而占有一定体积者。定体积者。闭形能单独存在，也可以与其他单形相聚。1.2 四十七种几何单形 受对称要素的约束，47种单形在7个晶系中的分布有一定规律性。1.2.1低级晶族（7种）1.2.2 中级晶族（25种）1)1)柱类：由若干晶面围成柱体，晶面平行于高柱类：由若干晶面围成柱体，晶面平行于高次轴次轴(z(z轴轴)，横切面的形状，横切面的形状如图如图。注意：复三方、。注意：复三方、复四方和复六方不等于六方、八方和十二方，复四方和复六方不等于六方、八方和十二方，因为复柱晶面的交角是相间地相等。因为复柱晶面的交角是相间地相等。2)2)单锥类：属于本类的单形系由若干晶
17、面相交于单锥类：属于本类的单形系由若干晶面相交于高次轴上的一点而形成的单锥体。与柱的情况高次轴上的一点而形成的单锥体。与柱的情况 相相似，按其横切面的形状，可分为属于四方晶系的似，按其横切面的形状，可分为属于四方晶系的四方单锥、复四方单锥，属于三、六方四方单锥、复四方单锥，属于三、六方 晶系的三晶系的三方单锥、复三方单锥、六方单锥、复六方单锥等方单锥、复三方单锥、六方单锥、复六方单锥等六种单形。六种单形。3)双锥类4)四方四面体和复四方偏三角面体5)菱面体与复三方偏三角面体6)偏方面体组1.2.3 高级晶族1)四面体组 5种2)八面体组 5种3)3)立方体组立方体组 5 5种种 两个以上的单形
18、的聚合称为聚形。两个以上的单形的聚合称为聚形。单形的聚合不是任意的，必须是属于同一对称型的单形才能相聚；换句话说，也就是聚形也必属于一定的对称型，因此，聚形中的每一单形的对称型当然都与该聚形的对称型一致。1.2.4 1.2.4 聚形聚形1.2.5晶体定向晶体定向【1】晶体定向的概念晶体定向就是在晶体中确定坐标系统。目的：晶面和晶棱的空间方位可用一定的指数予以表征。1)晶轴2)轴角3)轴长与轴率4)晶体常数【2】晶轴选择晶轴的选择应遵循下列原则：1)符合晶体所固有的对称性。因此，晶轴应与对称轴或对称面的法线重合；若无对称轴和对称面，则晶轴可平行晶棱选取。2)在上述前提下，应尽可能使晶轴垂直或近于
19、垂直，并使轴长趋于或近于相等，即尽可能使之趋向于=90，a=b=c。3)使轴率尽可能为1：1：1，即轴单位尽可能相等。【3】晶轴安置1)三轴定向Z轴（c）-直立、正端朝上Y轴（b）-左右方向，正端朝右X轴（a）-前后方向，正端朝前2）四轴定向（只适用于三方和六方晶系）X、Y、U轴均与Z轴垂直，且正端互成120度夹角，Y-左右、X-左前，偏左30度、U-右前，正端朝后偏左30度【4】各晶系的晶体定向各晶系的对称特点不同，因而各有其具体选择晶轴的方法。其晶体常数特点也不一样。1）等轴晶系2）四方晶系3）三方及六方晶系4）斜方晶系5）单斜晶系6）三斜晶系【5 5】晶面符号晶面符号表征晶面空间方位的符
20、号，称为晶面符号。通常表征晶面空间方位的符号，称为晶面符号。通常采用米氏符号，系英国人米勒尔采用米氏符号，系英国人米勒尔(W.H.Mi11er)(W.H.Mi11er)于于18391839所创。所创。晶面符号的确定方法如下：1）取晶面在各晶轴上的截距系数的倒数比1/p：1/q：1/r；2）乘以分母的最小公倍数，化成最简单的整数比h：k：l=1/p：1/q：1/r，h、k、l为整数；3）去掉比例号，加上圆括号即为米氏符号，(hkl)，读作h,k,l。【6 6】整数定律整数定律整数定律晶面在晶轴上截距系数之比为简单整数比。【7】单形符号单形符号 单形符号是指在单形中选择一个代表面，把该晶面的晶面指
21、数用“”括起来，用以表征组成该单形的一组晶面。习惯上，选择代表晶面定形号时，一般是选择正指数最多的晶面，同时还遵循先前(即X轴上指数最大)、次右(即Y轴上的指数次大)、后上(即Z轴上的指数最小)的原则1-5 晶体化学晶体化学w 晶体化学的首要任务就是阐明晶体的化学组成与晶体结构的内在联系，指出互为因果的具体形式。1.1元素的离子类型 天然矿物，除少数为单质外，绝大多数属于离子化合物。在离子化合物中，阴阳离子间的结合，主要取决于由它们的外层电子构型所决定的化学性质。一般离子类型可以分为：1）惰性气体型离子 2）铜型离子 3）过渡型离子w1.2原子和离子半径w在晶体结构中，原子和离子的大小，特别是
22、相对大小具有重要的几何意义。一般有以下规律：w1）一般阳离子半径都小于阴离子半径。w2）同种元素的氧化态相同时，离子半径随配位数的增高而增大。w3）同种元素的原子半径，其共价半径总是小于金属原子半径。w1.3球体的最紧密堆积w在晶体结构中，质点之间趋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。w1.4配位数和配位多面体w晶体结构中，原子或离子总是按一定的方式与周围的原子与离子相接触的。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连接起来所获得的多面体称为配位多面体。w1.
23、5矿物中的键型与晶体类型w在晶体结构中，质点之间的相互维系力，称为化学键。化学键的形成，主要是由于相互作用的原子，他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的结果。w典型的化学键有四种，即分子键、离子键、共价键和金属键。w1.6类质同象w晶体结构中某种质点为其他种类似质点所代替，仅使晶格常数发生不大的变化，而结构形式并不改变，这种现象称为类质同象。w他是引起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，而主要是以类质同象混入物的形式赋存于与之性质相似的常量元素所组成的矿物晶格中。w1.7同质多象w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
24、构的晶体的现象，称为同质多象。第二章第二章矿物的化学成分矿物的化学成分金 Au镁 Mg钙 Ca硅 Si铜 Cu银 Ag矿物的化学成分是组成矿物的物质基础，是决矿物的化学成分是组成矿物的物质基础，是决定矿物各项性质的最基本因素之一。定矿物各项性质的最基本因素之一。u对于许多有用矿物来说，人们就是利用其中的某些对于许多有用矿物来说，人们就是利用其中的某些化学成分。例如从黄铜矿化学成分。例如从黄铜矿CuFeSCuFeS2 2中提炼铜，从辰砂中提炼铜，从辰砂HgSHgS中提炼汞等等。中提炼汞等等。辰砂汞 2-1 2-1 前言前言2-2矿物的化学成分类型矿物的化学成分类型1.单质由同种元素的原子自相结合
25、组成的矿物，称为单质由同种元素的原子自相结合组成的矿物，称为单质矿物，即自然元素矿物，如自然金矿物，即自然元素矿物，如自然金AuAu、自然铜自然铜CuCu、金刚石金刚石C C等。等。2.化合物由两种或两种以上不同元素的离子或络阴离子等组由两种或两种以上不同元素的离子或络阴离子等组成的矿物，称为化合物矿物，化合物按其组成特点成的矿物，称为化合物矿物，化合物按其组成特点又分为：又分为：w(1)简单化合物简单化合物w由一种阳离子和一种阴离子化合而成，如方铅矿由一种阳离子和一种阴离子化合而成，如方铅矿PbS、食盐、食盐NaCl、磁铁矿、磁铁矿Fe3O4等。等。w(2)络合物络合物w由一种阳离子和一种络
26、阴离子由一种阳离子和一种络阴离子(酸根酸根)组成的化合物。组成的化合物。这种类型的矿物最多。各种含氧盐一般都是络合物，这种类型的矿物最多。各种含氧盐一般都是络合物，如方解石如方解石CaCO3、钠长石、钠长石NaAlSi3O8等。等。w(3)复化合物复化合物w由两种或两种以上的阳离子与阴离子或络阴离子组由两种或两种以上的阳离子与阴离子或络阴离子组成的化合物。如黄铜矿成的化合物。如黄铜矿CuFeS2等。等。w水胶凝体是由水胶溶体凝结而成，其分散媒是水，分散水胶凝体是由水胶溶体凝结而成，其分散媒是水，分散相是固态的微粒，如蛋白石相是固态的微粒，如蛋白石(SiO(SiO2 2nHnH2 2O)O)、褐
27、铁矿褐铁矿(Fe(Fe2 2O O3 3nHnH2 2O)O)和许多粘土矿物；这是矿物学中通常所说和许多粘土矿物；这是矿物学中通常所说的胶体矿物。的胶体矿物。w结晶胶溶体又称结晶胶体，它的分散媒为固态晶质，分结晶胶溶体又称结晶胶体，它的分散媒为固态晶质，分散相为气体、液体或固体，如乳石英散相为气体、液体或固体，如乳石英(含气体分散相含气体分散相)、红色方解石红色方解石(含含FeFe2 2O O3 3分散相分散相)等，实际上是含有机械混入等，实际上是含有机械混入物的晶体。物的晶体。胶体是一种物质的微粒胶体是一种物质的微粒(粒径粒径100-l0000nm)100-l0000nm)分散于另一种分散于
28、另一种物质之中所形成的均匀的细分散系。前种物质称为分散相物质之中所形成的均匀的细分散系。前种物质称为分散相(或分散质或分散质)，后种物质称为分散媒，后种物质称为分散媒(或分散介质或分散介质)。2-3 胶体矿物胶体矿物胶核与胶粒胶核与胶粒w多数胶体的分散相质点都是晶质的，因此，它们多数胶体的分散相质点都是晶质的，因此，它们的表面电性不饱和，称这个微粒为胶核。的表面电性不饱和，称这个微粒为胶核。w胶核优先吸附存在于介质中的与自己组成相同胶核优先吸附存在于介质中的与自己组成相同(或或相似相似)的离子，在胶核外面形成一个吸附层，构成的离子，在胶核外面形成一个吸附层，构成带一定电荷的胶粒，为了平衡吸附层
29、的电荷，带带一定电荷的胶粒，为了平衡吸附层的电荷，带电的胶粒还要吸附介质中的其他异性离子，这种电的胶粒还要吸附介质中的其他异性离子，这种离子在介质中有一定的自由移动能力，因而形成离子在介质中有一定的自由移动能力，因而形成一个扩散层。一个扩散层。w胶粒就是胶核和吸附层的合称。胶粒就是胶核和吸附层的合称。胶体的选择吸附性胶体的选择吸附性w根据胶粒所带正负电荷的不同，可将胶体分为正胶根据胶粒所带正负电荷的不同，可将胶体分为正胶体和负胶体。地壳中常见的正胶体有：体和负胶体。地壳中常见的正胶体有：ZrZr、TiTi、ThTh、CeCe、CdCd、CrCr、AlAl、FeFe3+3+的氢氧化物；负胶体有的
30、氢氧化物；负胶体有AsAs、SbSb、CuCu、PbPb的硫化物，以及高岭石等粘土质点和腐的硫化物，以及高岭石等粘土质点和腐植质等；有时氢氧化铁也带有负电荷。在自然界中植质等；有时氢氧化铁也带有负电荷。在自然界中负胶体比正胶体分布广泛。负胶体比正胶体分布广泛。w胶体的选择吸附，是指胶粒在不同溶液中仅能吸附胶体的选择吸附，是指胶粒在不同溶液中仅能吸附某些与胶粒电荷相反的离子，而对其他物质吸附很某些与胶粒电荷相反的离子，而对其他物质吸附很少或完全不吸附。负胶体吸附介质中的阳离子，如少或完全不吸附。负胶体吸附介质中的阳离子，如MnOMnO2 2负胶体可以吸附负胶体可以吸附CuCu+、PbPb2+2+
31、、ZnZn2+2+、CoCo2+2+、NiNi2+2+、K K+、LiLi+等等4040余种阳离子；正胶体吸附介质中的阴离余种阳离子；正胶体吸附介质中的阴离子，如子，如Fe(OH)Fe(OH)3 3正胶体能吸附正胶体能吸附V V、P P、AsAs、CrCr等元素的等元素的络阴离子。络阴离子。w胶体对离子吸附的选择性，还表现在对一些离子胶体对离子吸附的选择性，还表现在对一些离子吸附的难易程度不同，进而表现为被吸附离子之吸附的难易程度不同，进而表现为被吸附离子之间的交换。最常见的是粘土矿物的离子交换现象。间的交换。最常见的是粘土矿物的离子交换现象。一般情况下，阳离子电价愈高，置换能力愈强，一般情况
32、下，阳离子电价愈高，置换能力愈强，一旦被粘土吸附，就难被置换。在电价相等时，一旦被粘土吸附，就难被置换。在电价相等时，置换能力随离子半径增大而增强，因为离子半径置换能力随离子半径增大而增强，因为离子半径愈大，水化能力减小，使水化半径减小，与胶核愈大，水化能力减小，使水化半径减小，与胶核中中O O2-2-的结合键能增加。金属阳离子置换能力按下的结合键能增加。金属阳离子置换能力按下列顺序递减列顺序递减(其中其中H H+是例外的是例外的)：wH+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+w此顺序称为霍夫曼斯特顺序。此顺序称为霍夫曼斯特顺序。3-1 3-1 胶体溶液胶体溶液w出离
33、地表的矿物或矿物集合体，在物理风化作用中，出离地表的矿物或矿物集合体，在物理风化作用中，由于机械破碎或磨蚀而形成胶粒大小的质点，当它由于机械破碎或磨蚀而形成胶粒大小的质点，当它们分散于水中即成为胶体溶液们分散于水中即成为胶体溶液(水胶溶体水胶溶体)；或因化；或因化学风化作用，使原生矿物分解成离子或分子状态，学风化作用，使原生矿物分解成离子或分子状态，然后进一步饱和聚集而成。胶体溶液是形成胶体矿然后进一步饱和聚集而成。胶体溶液是形成胶体矿物的物质基础。物的物质基础。3-23-2胶体溶液的凝聚胶体溶液的凝聚w己经形成的胶体矿物，随着时间的推移或热力己经形成的胶体矿物，随着时间的推移或热力学因素的改
34、变，进一步发生脱水作用，颗粒逐学因素的改变，进一步发生脱水作用，颗粒逐渐增大而成为隐晶质。最终可转变为显晶质矿渐增大而成为隐晶质。最终可转变为显晶质矿物。由胶体晶化而形成的晶质矿物特称为变胶物。由胶体晶化而形成的晶质矿物特称为变胶体矿物，如蛋白石变为石髓、石英体矿物，如蛋白石变为石髓、石英SiOSiO2 2等。这等。这种转化过程，称之为胶体的老化或陈化。种转化过程，称之为胶体的老化或陈化。w胶体溶液在迁移过程中或汇聚于水盆地后，或胶体溶液在迁移过程中或汇聚于水盆地后，或因与带有相反电荷的质点发生电性中和而沉淀，因与带有相反电荷的质点发生电性中和而沉淀，或因水分蒸发而凝聚，从而形成各种胶体矿物。
35、或因水分蒸发而凝聚，从而形成各种胶体矿物。3-3矿物中的水矿物中的水w吸附水以中性水分子吸附水以中性水分子(H2O)(H2O)存在，不参与组成矿存在，不参与组成矿物的晶体结构，而是被机械地吸附于矿物颗粒表物的晶体结构，而是被机械地吸附于矿物颗粒表面或缝隙中。吸附水不属于矿物的化学成分，不面或缝隙中。吸附水不属于矿物的化学成分，不写入化学式。它们在矿物中的含量不定，随温度、写入化学式。它们在矿物中的含量不定，随温度、湿度而变；常压下，当温度达到湿度而变；常压下，当温度达到100-110100-110时，时，吸附水就全部从矿物中溢出而不破坏晶格。吸附水就全部从矿物中溢出而不破坏晶格。w含在水胶凝体
36、中的胶体水，作为分散媒被微弱的含在水胶凝体中的胶体水，作为分散媒被微弱的联结力附着在胶体的分散相的表面，这是吸附水联结力附着在胶体的分散相的表面，这是吸附水的一种特殊类型。胶体水是胶体矿物本身固有的的一种特殊类型。胶体水是胶体矿物本身固有的特征，应当作为一种组分列人矿物的化学成分，特征，应当作为一种组分列人矿物的化学成分，但其含量变化很大，如蛋白石但其含量变化很大，如蛋白石SiO2nH2O(nSiO2nH2O(n表示表示水分子含量不固定水分子含量不固定)。吸附水吸附水结晶水结晶水w结晶水以中性水分子存在于矿物中，参与组成矿物的晶格，有固定的配位位置，是矿物化学组成的一部分。结晶水分子的数量与矿
37、物中其他组分的含量成简单的比例关系。结晶水往往存在于具有大半径络阴离子的含氧盐矿物中。如石膏CaSO42H2O、胆矾CuSO45H2O等。某些矿物中的结晶水以一定的配位形式围绕着阳离子(有时也围绕阴离子)形成所谓的结晶水化物。w结晶水由于受到晶格的束缚，结合较牢固。因此，要使它从晶格中释放出来，就需要有较高的温度，但一般不超过600，通常为100-200。结构水结构水w结构水也称化合水。是以(OH)-、H+或(H3O)+离子的形式参加矿物晶格的水，其中尤以(OH)-最为常见。如滑石(Mg3Si4O10(OH)2)、高岭石(Al4Si4O10(OH)3)等中的水，就属于这种类型。w结构水在晶格中
38、占有固定的位置，在组成上具有确定的含量比。由于与其他离子的联结相当牢固，因此，需要较高的温度(大约在600-1000之间)才能溢出，如高岭石的失水温度为580，滑石则为950。由于结构水是占有晶格位置的，所以失水后，晶格完全被破坏。沸石水沸石水w沸石水是存在于沸石族矿物中的中性水分子。沸石的结构水有大小不等的空洞及孔道，水就占据在这些空洞和孔道中，位置不十分固定。水的含量随温度和湿度而变化。由于沸石结构中，其空洞和孔道的数量及位置都是一定的，所以含水量有一个确定的上限值。此数值与矿物其他组分的含量成简单的比例关系。w沸石族矿物，当加热至80-400范围内，水即大量溢出，失水后原矿物的晶格不发生
39、变化，只是它的某些物理性质如：透明度、折射率和比重等随失水量的增加而降低。失水后的沸石仍能重新吸水，恢复原有的物理性质。可见沸石水具有一定的吸附水的性质，但是含水量的这种变化是有一定范围限制的，当超过这一范围时，晶格将有所变化，脱水后就不能再吸水复原。层间水层间水w层间水是存在于某些层状结构硅酸盐的结构层之间的中性水分子。它参与矿物晶格的构成，但数量可在相当大的范围内变动。这是因为某些层状硅酸盐矿物如蒙脱石等，其结构层本身，电价并未达到平衡，在结构层的表面还有过剩的负电荷，这部分过剩的负电荷还要吸附其他金属阳离子，而后者又再吸附水分子，从而在相邻的结构层之间形成水分子层，即层间水。水的含量多少
40、与吸附阳离子的种类有关。如在蒙脱石中，当吸附阳离子为Na+时，在结构层之间常形成一个水分子层；若为Ca2+时，则经常形成两个水分子厚的水层。此外，它的含量还随外界温度、湿度的变化而变化，常压下当加热至110时，水大量溢出，结构层间距相应缩小，晶胞轴长C0值减小，矿物的比重和折射率都增高；在潮湿的环境中又可重新吸水。矿物中含有各种不同形式的水，3-5矿物的化学式矿物的化学式w将矿物的化学成分用元素符号按一定原则表示出将矿物的化学成分用元素符号按一定原则表示出来，就构成了矿物的化学式。它是以单矿物的化来，就构成了矿物的化学式。它是以单矿物的化学全分析所得各组分的相对石分含量为基础计算学全分析所得各
41、组分的相对石分含量为基础计算出来的。其表示方法有两种，即实验式和结构式出来的。其表示方法有两种，即实验式和结构式(晶体化学式晶体化学式)。实验式实验式化学式的计算化学式的计算结构式（或晶体化学式）结构式（或晶体化学式）w结构式的书写方法如下：结构式的书写方法如下：w(1)(1)对于由单质元素构成的矿物，用元素符号表示，对于由单质元素构成的矿物，用元素符号表示，如自然金如自然金AuAu，金刚石金刚石C C。若有类质同象代替，则按数若有类质同象代替，则按数量多少排列，用圆括号括起来，并用逗号分开，如量多少排列，用圆括号括起来，并用逗号分开，如银金矿一银金矿一(Au(Au，Ag)Ag)。w(2)(2
42、)对于金属互化物，按金属性递减的顺序从左至右对于金属互化物，按金属性递减的顺序从左至右排列，如砷铂矿一排列，如砷铂矿一PtAsPtAs。w(3)(3)对于离子化合物，书写的基本原则是阳离子在前，对于离子化合物，书写的基本原则是阳离子在前，阴离子在后。具体的书写方法和意义如下：阴离子在后。具体的书写方法和意义如下：w阳离子写在化学式的最前面。当存在两种以上的阳离子写在化学式的最前面。当存在两种以上的阳离子时，要按碱性由强到弱的顺序排列，如白云阳离子时，要按碱性由强到弱的顺序排列，如白云石石CaMgCOCaMgCO3 3 2 2；当阳离子为同一元素而具不同价态；当阳离子为同一元素而具不同价态时，则
43、按电价由低至高排列，如磁铁矿时，则按电价由低至高排列，如磁铁矿FeFeFeFe2 2O O4 4(即即FeFe2+2+FeFe2 23+3+O O4 4)。w阴离子或络阴离子写在阳离子的后面，络阴离子阴离子或络阴离子写在阳离子的后面，络阴离子要用方括号要用方括号将它括起来，如方解石将它括起来，如方解石CaCOCaCO3 3，透辉，透辉石石CaMgSiCaMgSi2 2O O6 6。w若有附加阴离子时，通常将它写在主要阴离子或若有附加阴离子时，通常将它写在主要阴离子或络阴离子的后面，如磷灰石络阴离子的后面，如磷灰石CaCa5 5POPO4 4(F(F，ClCl)。w互为类质同象代替的离子，用圆括
44、号互为类质同象代替的离子，用圆括号()()括起来，括起来，它们中间用逗号它们中间用逗号，分开，含量多的元素写在前面，分开，含量多的元素写在前面，少者在后。如铁闪锌矿少者在后。如铁闪锌矿(Zn(Zn，Fe)SFe)S。矿物中水的书写方式矿物中水的书写方式w结构水，写在化学式的最后，如高岭石结构水，写在化学式的最后，如高岭石AlAl4 4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8。w结晶水，用圆括号括起来，写在与之相联系的结晶水，用圆括号括起来，写在与之相联系的阳离子后面，如阳离子后面，如Ni(HNi(H2 2O)O)6 6SOSO4 4。w沸石水，写在化学式的最后，用圆点分开，其沸石水，
45、写在化学式的最后，用圆点分开，其含量以其上限为准，如钠沸石含量以其上限为准，如钠沸石NaNa2 2AlAl2 2SiSi3 3O O10102H2H2 2O O。w层间水，用圆括号括起来，写在可交换的阳离层间水，用圆括号括起来，写在可交换的阳离子后面，如钠蒙脱石子后面，如钠蒙脱石NaNa0.330.33(H(H2 2O)O)4 4(Al(Al1.671.67MgMg0.330.33)Si)Si4 4O O1010(OH)(OH)2 2。w吸附水，在化学式中不予表示。胶体水应表示吸附水，在化学式中不予表示。胶体水应表示出来。因为含量不定，故以出来。因为含量不定，故以nHnH2 2O O或或aqa
46、q表示，写在表示，写在化学式最后，也用圆点分开，如蛋白石化学式最后，也用圆点分开，如蛋白石SiOSiO2 2nHnH2 2O O或或SiOSiO2 2aqaq。结构式的计算结构式的计算一、矿物的概念一、矿物的概念 矿物是地壳中的化学元素在各种地质作用下矿物是地壳中的化学元素在各种地质作用下形成的自然产物，是岩石的组成单位。形成的自然产物，是岩石的组成单位。形成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物可以形成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物可以是单一元素所组成的，也可以是几种元素组成的化是单一元素所组成的，也可以是几种元素组成的化合物。矿物的化学成分和内部构造都是比较均一的，合物。矿物的化学成分和内部构造都是比
47、较均一的，因而具有一定的物理和化学性质，并以各种形态因而具有一定的物理和化学性质，并以各种形态（固态、液态、气态）存在于自然界中。自然界的（固态、液态、气态）存在于自然界中。自然界的矿物绝大多数是固态，少数为液态或胶体状态。矿物绝大多数是固态，少数为液态或胶体状态。第第三三章章矿物的物理性质矿物的物理性质（一）原生矿物和次生矿物（一）原生矿物和次生矿物w 矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物 w1 1原生矿物原生矿物 由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结而形成的矿物称原生矿物。如石英、长石、云母、而形成的矿物称原生矿物。如石英、长石、
48、云母、辉石、角闪石等。辉石、角闪石等。w2 2次生矿物次生矿物 原生矿物经物理、化学风化作用，组原生矿物经物理、化学风化作用，组成和性质发生化学变化，形成的新矿物称次生矿物。成和性质发生化学变化，形成的新矿物称次生矿物。如方解石、高岭石等。如方解石、高岭石等。（二）结晶矿物和非结晶矿物（二）结晶矿物和非结晶矿物w 固体矿物按其内部构造不同，分为结晶质和非固体矿物按其内部构造不同，分为结晶质和非结晶质两种。结晶质两种。w1 1结结晶晶矿矿物物 结结晶晶矿矿物物指指各各种种原原子子在在三三维维空空间间有有序序地重复排列的矿物。绝大多数矿物是结晶矿物。地重复排列的矿物。绝大多数矿物是结晶矿物。w2
49、2非非结结晶晶矿矿物物 非非结结晶晶矿矿物物又又称称无无定定形形矿矿物物。原原子子作作无无序序或或短短程程有有序序排排列列，无无法法用用X X射射线线或或电电子子衍衍射射检检测其晶体结构的矿物或其他固态物质。如蛋白石等。测其晶体结构的矿物或其他固态物质。如蛋白石等。二、矿物的物理性质二、矿物的物理性质w矿矿物物的的物物理理性性质质是是多多方方面面的的，其其中中最最具具有有鉴鉴定定意意义义的的有有：颜颜色色、条条痕痕、光光泽泽、解解理理、断断口口、硬硬度度等，此外，尚有透明度、弹性、比重等。等，此外，尚有透明度、弹性、比重等。w（一）颜色（一）颜色 根根据据矿矿物物呈呈色色的的原原因因，分分为为
50、自自色色、他他色色和和假假色色三种。三种。w自色自色 w是是矿矿物物本本身身所所固固有有的的颜颜色色，它它与与矿矿物物的的成成分分和和构构造造有有关关，如如磁磁铁铁矿矿的的铁铁黑黑色色，孔孔雀雀石石的的翠翠绿绿色等。色等。w他色他色 w是是由由于于外外来来的的带带色色杂杂质质、气气泡泡等等色色体体所所引引起起的的，与与矿矿物物本本身身的的化化学学成成分分及及构构造造无无关关，易易变变化化而而不不稳稳定定，如如无无色色透透明明的的水水晶晶可可被被染染成成紫紫色色、玫玫瑰色、黑色等便是很好的例子。瑰色、黑色等便是很好的例子。w假色假色 w是是由由于于矿矿物物内内部部解解理理面面、表表面面氧氧化化膜