第二章 矿物的化学成分

聚集元素(aggregated element)：
丰度很低，但趋于集中，形成 独立的矿物种，甚至富集成矿床。 如锑（Sb）、铋（Bi）、汞 （Hg）、银（Ag）、金（Au）等。
分散元素(dispersed element)：
丰度远比聚集元素为高，但趋于
分散，很少能形成独立的矿物种， 而常常作为微量的类质同像混入物 赋存于主要由其他元素所组成的 矿物中。如铷（Rb）、铯（Cs）、镓
二、矿物晶体化学式的计算
（一）依据
① 单矿物的化学全分析数据； ② 晶体化学理论及晶体结构知识， 对矿物中各元素的存在形式作出 合理的判断，并按照电价平衡原则， 将其分配到适当的晶格位置上； ③ x射线结构分析资料。
注意：
单矿物的化学全分析的结果， 其一般允许误差≤1%，即矿物中 的各元素或氧化物的质量百分含量 （WB%）之总和应在99%～101%。
1）矿物的化学计量性（stoichiometry）
少数矿物的化学成分相当固定， 其化学组成遵守物理化学分配定律
——定比定律和倍比定律，各组分间
具严格的化合比，其化学组成可由理想
化学式表示。如 水晶（SiO2）。
天然矿物并非理想化学纯的物质。 由于环境的复杂性，大多数矿物 因类质同像替代致使其化学组成在 一定范围内变化，但各晶格位置上 成类质同像关系的各组分数量总和 之间仍遵循定比定律。如 橄榄石 (Mg,Fe)2[SiO4]等。
注意：
某些矿物，特别是在高温条件下， 相对地容许存在大量空位。如FeS
化合物，可以高温下通过暴露在真空
或高硫蒸气压下，极易改变其化学 计量性，而变为磁黄铁矿的成分（ Fe1-xS），高温下x = 0～0.125， 其阳离子空位随机分布（Putnis, A.,
1992）。
2．研究意义
矿物总是以成分非化学计量性 显示其标型特征。如含金硫化物的
胶体微粒的性质：
① 分散相与分散媒的量比不固定；
② 具极大的比表面积和很高的 表面能；
③ 表面的电荷未达到饱和，故具 极强的吸附性。 （能吸附与其电荷相反的其他离子）
2．胶体矿物
由以水为分散媒、以固相为分散相 的水胶凝体而形成的非晶质或超显微 的隐晶质矿物。严格地说，它只是 含吸附水的准矿物。如蛋白石（ SiO2·nH2O）、大多数粘土矿物。
胶体矿物不稳定，具有吸附其他物质
和自发地转变为结晶质的趋势。
胶体的老化：胶体矿物形成后，随着 时间的推移或热力学因素的改变，胶粒 会自发地凝聚，进一步发生脱水作用，
颗粒逐渐增大而成为隐晶质，最终 可转变为显晶质矿物。
变胶体矿物：
由胶体矿物老化形成的隐晶质 或显晶质矿物，往往可保留原胶体 矿物的外貌。如蛋白石经老化成为 玉髓。
偏离化学计量的元素比即具标型性。
二、矿物化学成分变化的原因
1．主要原因
1）类质同像替代 2）非化学计量性
2．其他因素
1）阳离子的可交换性 2）胶体的吸附作用 3）矿物中含水量的变化（含 沸石水或层间水） 4）以显微包裹体形式存在的 机械混入物等
§3 胶体矿物及其化学成分特点
一、胶体矿物的概念
1．胶体
（二）方法
1．成分较简单的矿物化学式计算 步骤：
① 检查矿物化学分析结果是否符合精度要求。
前8种元素丰度最高，占地壳总重量
的99%以上，是地壳中各类岩石的
基本成分。含氧盐和氧化物矿物分布 最广，其中硅酸盐矿物占矿物总种数 的24%，占地壳总重量的3/4；氧化物
矿物占矿物种总数的14%，占地壳 总重量的17%。
地壳中分布最广泛的八种元素
元素
质量克拉克值
（%）
原子克拉克值
（%）
O
46.60
(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O
具明显的吸水膨胀的特性；
而蛭石蛭石
(Mg,Ca)0.5(Mg,Fe+,Al)3[(Si,Al)4O10](OH)2·4H2O
则表示出显著的热膨胀性。
5．沸石水
主要存在于沸石族矿物晶格中 宽大的空腔和通道中的H2O，与 其中的阳离子结合成水合离子。
表示： ① 质量百分数（weight percent） —— 质量克拉克值
② 原子百分数（atom percent） —— 原子克拉克值
二、地壳中化学元素的分布特征
1）元素分布的极不均匀性
丰度最大者： O —— 46.6%
丰度最小者： Rn —— 7×10-16 %
2）地壳的主要化学组成为O、Si、 Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti 等十种。
化学元素符号按一定原则表示矿物的
化学成分。是以单矿物的化学全分析
所得的相对质量百分含量为基础而 计算出来的。
2．表示方法
1）实验式：
仅表示矿物中各组分的种类及其数量比。 如白云母 H2KAl3Si3O12 或
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
2）结构式：
即晶体化学式。既能表明矿物中 各组分的种类及其数量比，又能 反映出它们在晶格中的相互关系 及其存在形式。 如白云母 KAl2[(Si3Al)O10](OH)2
一种或多种物质的微粒（粒径一般 1～100nm ห้องสมุดไป่ตู้分散在另一种物质之中 而形成的不均匀的细分散系。前者称
分散相(分散质)，后者称分散媒(分散剂)。
注意：
1）胶体系两相或多相物质的混合物。
2）分散相和分散媒均可是固体、 液体或气体。
3）胶体：
① 胶溶体：分散媒远多于分散相 ② 胶凝体：分散媒远少于分散相
Chap.2
矿物的化学成分
研究意义：
① 矿物的化学成分是区别不同矿物
的重要依据；
② 矿物化学成分的变化特点常作为
反映矿物形成条件的标志；
③ 矿物化学成分是人类利用矿物
资源的一个重要方面。
§1 地壳中化学元素的丰度
一、元素克拉克值
克拉克值（clarke）： 各种化学元素在地壳中的平均含量 (即元素在地壳中的丰度(abundance)) 之百分数。
4）失水后，矿物晶格即完全被 破坏、改造而成新的结构。
3．结构水（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、 并有确定的含量比的“水”。
注意：
1）尤以(OH)－最常见，主要存在于 氢氧化物和层状硅酸盐等矿物中。如：
水镁石水镁石 Mg(OH)2， 高岭石高岭石Al4[Si4O10](OH)8， 天然碱 Na3H[CO3]·2H2O， 水云母 (K,H3O)Al2[AlSi3O10](OH)2等。
如多水高岭石Al4[Si4O10](OH)8·4H2O等。
2）失水温度一般100～250℃±。 通常加热至几十度即开始脱水， 常压下至110℃±则大量失水。
3）失水后，晶格并不被破坏， 仅结构层之间距离缩短，晶胞参数 c0减小，矿物的比重和折射率增大； 且在潮湿的环境中又可重新吸水。
如蒙脱石蒙脱石
注意：
1）结晶水出现于大半径络阴离子 的含氧盐矿物中。
2）结晶水的作用： 通过以一定的 配位形式环绕小半径的阳离子形成 水化阳离子，以增大阳离子的体积而 不改变其电价，从而与大的络阴离子 组成稳定的化合物，如石膏：
Ca[SO4]·2H2O 。
3）结晶水的失水温度一般均在 200～500℃，个别可高达600℃。
注意：
在计算出矿物中各元素的离子数之后， 书写晶体化学式时，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的各元素之间 无需再加逗号，并在小括号之后下角 列出小括号内各元素离子数之总和。
如某单斜辉石
(Ca0.960Na0.040)1.000(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030 Mn0.020Ti0.020)1.000[(Si1.920Al0.080)2.000O6]
§4 矿物中的水
一、水的存在形式
H2O、(OH)－、H+和(H3O)+
二、“水” 的类型
据“水”在矿物中的存在形式 及
其在晶体结构中的作用，主要分为 吸附水、结晶水和结构水三种基本 类型，以及层间水和沸石水两种 过渡类型。
1．吸附水
被机械地吸附于矿物颗粒的表面 和裂隙中，或渗入矿物集合体中的 中性水分子(H2O)。它不参加晶格， 不属于矿物的化学组成。
3）沸石水易失去也易复得，其得失 不会破坏晶格，只是矿物的晶格常数 和某些物理性质稍有变化。失水后的 沸石可重新吸水，并恢复到原来的 含水限度，再现其原来的物理性质。 如钠沸石 Na2[(Al2Si3O10]·2H2O 。
需说明：
1）单矿物的化学全分析数据中， H2O－称负水，通常意指不参加晶格 的吸附水，当样品烘干到110℃之前即
62.55
Si
27.72
21.22
Al
8.13
6.47
Fe
5.00
1.92
Ca
3.63
1.94
Na
2.83
2.64
K
2.59
1.42
Mg
2.09
1.84
体积百分比
（%）
93.77 0.86 0.47 0.43 1.03 1.32 1.83 0.29
3）聚集元素和分散元素
矿物的形成，取决于： ① 元素的丰度； ② 元素的地球化学性质
2）结构水的失水温度一般约在
600～1000℃。失水后结构完全被破坏。
4．层间水
存在于某些层状结构硅酸盐（ 如粘土矿物）晶格中结构层之间结构 的H2O，其主要与层间阳离子结合 成水合离子。
1）结构层表面存在过剩的负电荷， 可吸附其他金属阳离子，后者再 吸附H2O，从而在相邻结构层之间 形成水分子层，即层间水。其含量 随所吸附的阳离子的种类、环境的 温度和湿度而异，可在相当大的 范围内变化，并可有确定的上限值。