矿物晶体化学
矿物晶体化学式计算方法
矿物晶体化学式计算方法矿物晶体化学式计算方法一、有关晶体化学式的几个基本问题1.化学通式与晶体化学式化学通式(chemical formula)是指简单意义上的、用以表达矿物化学成分的分子式，又可简单地称为矿物化学式、矿物分子式。
晶体化学式(crystal-chemical formula)是指能够反映矿物中各元素结构位置的化学分子式，即能反映矿物的晶体化学特征。
举例：(1)钾长石的化学通式为：KAlSi3O8或K2O⋅Al2O3⋅6SiO2，而其晶体化学式则必须表示为K[AlSi3O8]；(2)磁铁矿的化学式可以写为：Fe3O4，但其晶体化学式为：FeO⋅Fe2O3。
(3)具Al2SiO5化学式的三种同质多像矿物：红柱石、蓝晶石和夕线石具有不同的晶体化学式：2. 矿物中的水自然界中的矿物很多是含水的，这些水在矿物中可以三种不同的形式存在：吸附水、结晶水和结构水。
层间水等。
由于H3O+与K+大小相近，白云母KAl2[AlSi3O10](OH)2在风化过程中K+易被H3O+置换形成水云母(K, H3O+)Al2[AlSi3O10](OH)2。
由于结晶水和结构水要占据一定的矿物晶格位置，所以在计算矿物晶体化学式要考虑它们的数量。
3. 定比原理定比是指组成矿物化学成分中的原子、离子、分子之间的重量百分比是整数比，即恒定值。
举例：(1) 某产地的磁铁矿的化学分析结果为：FeO=31.25%，Fe2O3=68.75%，已知它们的分子量分别为：71.85和159.70。
因此，FeO和Fe2O3的分子比为：FeO:Fe2O3=(31.25/71.85):68.75/159.70)=1.01:1因此，磁铁矿的化学式可写为：FeO Fe2O3或Fe3O4。
(2) 某金绿宝石的化学成分为BeO=19.8%，Al2O3=80.2%，它们的分子量分别为25和102，因此两者之间的分子比为：BeO:Al2O3=(19.8/25) 80.2/102)=1:1金绿宝石的化学式可简写为BeO Al2O3或BeAl2O4。
矿物晶体化学式计算方法汇总
------------------------------------------------------------精品文档-------------------------------------------------------- 成岩成矿矿物学––矿物晶体化学式计算方法矿物晶体化学式计算方法一、有关晶体化学式的几个基本问题1.化学通式与晶体化学式化学通式(chemical formula)是指简单意义上的、用以表达矿物化学成分的分子式，又可简单地称为矿物化学式、矿物分子式。
晶体化学式(crystal-chemical formula)是指能够反映矿物中各元素结构位置的化学分子式，即能反映矿物的晶体化学特征。
举例：(1)钾长石的化学通式为：KAlSiO或KO?AlO?6SiO，而其晶体化学式则282332必须表示为K[AlSiO]；83(2)磁铁矿的化学式可以写为：FeO，但其晶体化学式为：FeO?FeO。
3432(3)具AlSiO化学式的三种同质多像矿物：红柱石、蓝晶石和夕线石具有不同的晶52体化学式：2. 矿物中的水自然界中的矿物很多是含水的，这些水在矿物中可以三种不同的形式存在：吸附水、结晶水和结构水。
吸附水：吸附水以机械吸附方式成中性水分子状态存在于矿物表面或其内部。
吸附水不参加矿物晶格，可以是薄膜水、毛细管水、胶体水等。
当温度高于110?C 时则逸散，它可以呈气态、液态和固态存在于矿物中。
吸附水不写入矿物分子式。
结晶水：结晶是成中性水分子参加矿物晶格并占据一定构造位置。
常作为配位体围绕某一离子形成络阴离子。
结晶水的数量与矿物的其它组份呈简单比例。
如石膏：Ca[SO] ?2HO。
24++-+等离子形式参加H、OHH(或称化合水)：常以OO表示，结构水呈H、结构水32-+离子少见，O最常见。
H矿物晶格。
占据一定构造位置，具有一定比例。
通常以OH3+++与HO + HO。
结构水如沸石水、层间水等。
稀土矿物的比较晶体化学
稀土矿物的比较晶体化学岩浆作用发生于温度和压力均较高的条件下。
主要从岩浆熔融体中结晶析出橄榄石﹑辉石﹑闪石﹑云母﹑长石﹑石英等主要造岩矿物，它们组成了各类岩浆岩。
同时还有铬铁矿﹑铂族元素矿物﹑金刚石﹑钒钛磁铁矿﹑铜镍硫化物以及含磷﹑锆﹑铌﹑钽的矿物形成。
伟晶作用中矿物在～℃﹑外压大于内压的封闭系统中生成。
所形成的矿物颗粒粗大。
除长石﹑云母﹑石英外，还有富含挥发组分氟﹑硼的矿物如黄玉﹑电气石，含锂﹑铍﹑铷﹑铯﹑铌﹑钽﹑稀土等稀有元素的矿物，如锂辉石﹑绿柱石和含放射性元素的矿物形成。
热液作用中矿物从气液或热水溶液中形成。
高温热液(～℃)以钨﹑锡的氧化物和钼﹑铋的硫化物为代表;中温热液(～℃)以铜﹑铅﹑锌的硫化物矿物为代表;低温热液(～50℃)以砷﹑锑﹑汞的硫化物矿物为代表。
此外，热液作用还有石英﹑方解石﹑重晶石等非金属矿物形成。
风化作用中早先形成的矿物可在阳光﹑大气和水的作用下化学风化成一些在地表条件下稳定的其他矿物，如高岭石﹑硬锰矿﹑孔雀石﹑蓝铜矿等。
金属硫化物矿床经风化产生的cuso4和feso4溶液，渗至地下水面以下，再与原生金属硫化物反应，可产生含铜量很高的辉铜矿﹑铜蓝等，从而形成铜的次生富集带。
化学沉积中，由真溶液中析出的矿物如石膏﹑石盐﹑钾盐、硼砂等;由胶体溶液凝聚生成的矿物如鲕状赤铁矿﹑肾状硬锰矿等。
生物沉积可形成如硅藻土(蛋白石)等。
区域变质促进作用构成的矿物趋向于结构密切﹑比关键性和不含水。
在碰触变质促进作用中，当围岩为碳酸盐岩石时，可以构成夕卡岩，它由钙﹑镁﹑铁的硅酸盐矿物例如透辉石﹑透闪石﹑石榴子石﹑符山石﹑硅灰石﹑硅镁石等共同组成。
后期常充斥著热液矿化构成铜﹑铁﹑钨和多金属矿物的涌入。
围岩为泥质岩石时可以构成红柱石﹑堇青石等矿物。
矿物一般是自然产出且内部质点(原子、离子)排列有序的均匀固体。
其化学成分一定并可用化学式表达。
所谓自然产出是指地球中的矿物都是由地质作用形成。
地壳中存有的自然化合物和少数自然元素，具备相对紧固化学成分和性质。
矿物晶体化学式计算方法汇总
55.88 56.08 0.996 0.996 0.996 Ca2+ 10.01
3.72 19 0.196 0.196 0.196 F 1.968
101.66 2.672
1.57 -0.083
12.56 71.80 0.175 0.175 0.175 Fe2+ 0.201
19.32 40.31 0.479 0.479 0.479 Mg2+ 0.751
99.46
=1.569
A1 A2 A3 A4
重量百
(%) 氧化物分子量 分子数=A1/A2 阳离子系数Y’ 氧原子系数 阳离子数Y
已知通式中的氧原子数/(m氧化物重量百分比/氧化物分子量)
A1 A2 A3 A4
重量百
(%) 氧化物分子量 分子数=A1/A2 阳离子系数Y’ 氧原子系数 阳离子数Y
O3 57.89 101.96 0.568 1.136 1.704 Al3+ 1.782
O3 9.72 152 0.064 0.128 0.192 Cr3+ 0.200
Na[AlSi
O8]和Ca[Al2Si2O8]，虽然发生了Na+ +
4+ Ca2+ + Al3+的复杂替代，但它们的氧原子数总是8。
已知氧原子数的一般计算法
––矿物晶体化学式计算方法
X (Y为单位晶胞中的阳离子数；Y’为阳离子系数；X氧原子系数)
Y
Om为例，
氧化物重量百分比/氧化物分子量；
13.17 40.31 0.327 0.327 0.327 Mg2+ 2.913
4-5 矿物的化学成分、晶体化学和形态
四、胶体矿物的成分
胶体矿物：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。 如蛋白石、大多数粘土矿物。 滨海地带形成的赤铁矿、硬 锰矿等，岩石风化壳中的铝 土矿、褐铁矿、孔雀石，以 及氧化带潜水面以下形成的 辉铜矿都是胶体作用的产物， 有时还可形成大规模的矿床。
举例：闪锌矿ZnS Fe、Mn、Ga（镓）、In（铟）等常以类质同 像形式替代Zn，使Zn：S<1：1 类质同象晶体犹如两种化学成分的晶体“混合” 在一起形成的“混合晶体”，或者可理解为一种 矿物晶体“溶解”于另一种矿物晶体之中。 因此，类质同象矿物晶体又可称为固溶体 crystalline solution。
13
三、 类质同象
类质同象isomorphism：矿物晶体在结晶过
程中，结晶格子中的某种质点（原子、离 子和分子）的位臵，部分被介质中性质相 似的他种质点所取代共同结晶形成均匀的 单一相的混合晶体，取代前后除晶格常数 略有变化外，键性和晶体结构型式不发生 本质改变的现象。
14
类质同象
15
类质同象的概念
27
研究类质同象的意义
类质同象矿物的物理性质与类质同象混入物的类 型及含量有关→可根据矿物物理性质大致推断其 化学组成。
类质同象的形成受物理化学条件的制约→可根据 类质同像推断矿物形成时的物理化学条件。 大部分稀有元素不能形成独立矿物，而主要以类 质同象形式存在于与它性质相似的元素组成的矿 物中 →指导找矿和矿产资源的综合利用。 如闪锌矿中的Cd（镉）、In、Ga，辉钼矿中的 Re（铼），锆石中的Hf（铪）。
Ca[SO4].1/2H2O
Ca[SO4]
石膏
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半水石膏
结晶矿物学 第十讲 矿物晶体化学(三) 三、类质同象
3. 产生类质同象的条件（影响因素） （1）离子（原子）本身的性质：半径、电价、离子类型 ①半径：要求相互代替的质点大小相差不能太悬殊。 经验公式：
（R1－R2）∕R2 ＝X
X ＜ 15％ 15％＜ X＜30％ X＞30％ 易形成完全类质同象 形成不完全类质同象 难形成类质同象
②电价：必须遵守电价平衡的原则（异价类质同象代替时） ③类型：质点类质同象代替时不能改变晶体的键性。
（3）能量效应：由能量系数大的离子代替能量系数小的离子
时，有利于降低晶格的内能，代替易发生。 （一个离子从自由状态进入晶格时，所释放出多余的能 量，叫能量系数） （4）对角线法则：异价类质同象代替时，沿周期表对角线方 向上一般是右下方的高价阳离子代替左上方的低价阳离子。
（5）外部条件：矿物结晶时的温度、压力、组分浓度
温度对其影响最为明显，规律是： 高温条件下有利于类质同象的形成；
温度降低则类质同象不易发生，甚至发生分离。
压力对类质同象的影响尚不十分清楚，一般认为： 当温度一定时，压力增大，既可限制类质同象代替的 数量，又能促使类质同象混晶发生分离。 浓度对类质同象的影响，由定比定律和倍比定律来说明。
（1）位移性转变（改造式转变、高低温转变）：
当两个变体结构间差异较小，不需要破坏原有的键，
只要质点从原先的位置稍作位移，就可从一种变体转变
为另一种变体。转变一般是可逆的。 （2）重建式转变： 当变体结构间差异较大，在转变过程中需要首先破 坏原变体的结构，包括键性，配位数及堆积方式等的变 化，才能重新建立起新变体的晶体结构。这类转变一般 是不可逆的。
不完全类质同象（代替量受限制）
（2）根据晶格中相互代替的离子电价是否相等 等价类质同象 类质同象
矿物晶体化学红砷镍矿
红砷镍矿1. 【矿物名称及英文名称】sina+ccmcn/u/114^264542红砷镍矿Niccolite，是一种镍的砷化物，属于硫化物矿物。
砷镍矿常与红砷镍矿生在一起，因为后者就是由它变成的。
红砷镍矿是主要的含镍矿物，多呈粒状、蠕虫状、显微文象状等形态与其他金属硫化矿聚集成团粒细脉状。
2. 【矿物组分化学组成】化学组成NiAs，锡白至钢灰色，有时带浅灰色，磁黄铁矿族常见矿物，Ni 43.92%, AS56.08%。
混入物有Cu、Fe、Co、Bi、Sb、S 等，Sb可达6%,为热液成因矿物，硬度为5-5.5,比重7.6~7.8g /cm3。
六方晶系，单晶体呈六方柱状或板状，常呈致密块状集合体，粒状集合体，具有梳状、放射状结构的肾状体。
有时呈网状和树枝状。
3. 【矿物晶格】六方晶系，晶体结构为B8型。
Ni、As的配位数都是6,但Ni处在As的八面体配位中，As则处在Ni的三方柱体配位中，Ni、As的化学环境并不相同。
As按六方最紧密堆积，Ni充填所有八面体空隙。
［NiAs6］八面体共面平行c轴方向联成直线型链，在水平方向上［NiAs6］八面体共棱。
红砷镍矿中的键性明显地向金属键过渡。
（1）晶格价键图或离子堆积图红砷镍矿离子棍棒图红砷镍矿价键图红砷镍矿离子堆积图(2) 红砷镍矿化学组分分析结果Assay (%)Composition (需)Principal component PrincipalcontaminancsMinorconumiiuntsTrace CDntainind ntsAs54.6□7 niccolite nil^5 gtrsdorffiie<2 rammdsbergitcNi42.7<■ 1 quarLz止0.13--1 dolonitcBi025S0.72Cu^0.01Co0.35Pb0.02Zn0J1Mg rmSi0.30(3) 红砷镍矿X射线能谱分析红砷镍矿X射线能谱分析结果(%)成分Ni Co As S Fe Cu O36.79 3.9456.90 2.46---红砷镍41.580.7857.65—---矿各组分含量40.42 1.7656.380.760.410.27-32.30 6.4752.12 5.070.640.49 2.92(4) X-射线衍射分析(XRD)图及结果图2.1红砷镍矿X射线衍射图谱100- Niccolite40-o-40 60 80 100 1202-Theta/degree图22红砷镍矿X射线衍射图谱表2红砷镍矿X射线衍射数据晶面参数hklPDF#47-1737晶面参数hklPDF#47-1737I/I0 d (?) I/I0 d (?)100 313.46004 311.3871003 3.122025 1.330101 34 2.929211 31 1.27310110 2.6590043 1.260102 33 2.161212 32 1.183110 32 1.9952115 1.15510210 1.9012033 1.1461108 1.813114 32 1.139201 31 1.6492126 1.073103 31 1.6321 1.0582014 1.4993004 1.0471034 1.4791147 1.034202 31 1.46910.9997(4)晶格参数等相应的描述A. 六方晶系，晶体结构为B8型。
矿物晶体化学(第二章++晶体结构与化学键)
2.2 离子键
主要存在于离子晶体化合物中，本质
上可以归结为静电吸引作用。
常发生在活泼的金属元素—活泼的非
金属元素之间。NaCl是典型的离子键化合
物。
离子极化导致键能加强、键长缩短等
现象；离子键向共价键过渡，使化合物中
存在混合键型。
2.2.1 离子键及其特点
定义：正负离子间的静电吸引力叫做离子键。 特点：离子键既没有方向性也没有饱和性。
3、键角：指键之间的夹角 概念：表征化学键方向性、分子空 间结构的重要参数。 4、键矩：表征原子间键的正负电荷重心 不重合的程度。 键矩为零正负电荷重心重合，为非 极性键。 键矩不为零，为极性键；键矩越大， 键极性越强。
1.1.2 化学键的分类
范德华力 物理键 氢键 键的分类 离子键 化学键共价键 金属键
共价键的键型 键( 成键轨道）头 碰头
原子核连线为对称轴
键，肩并肩 穿过原子核连线有一 节面
共价键形成实例
HF的生成
N2的生成
键
键
2.3.2 杂化轨道理论
同一原子中，不同原子轨道的线性组合，改变原子轨道的
分布方向，有利于成键，但原子轨道的数目不变
杂化轨道的主要类型
sp sp2 sp3 dsp2 dsp3(sp3d) d2sp3(sp3d2) 直线型 平面三角形 正四面体形 平面四方形 三角双锥 正八面体 键角180 键角120 键角109 28’’ 键角90 120和90 90
玻恩-哈伯循环 NaCl 晶体的伯恩-哈伯循环与晶格能分别如下：
1 Ela (NaCl) = sub H m (Na)+Ei (Na)+ Ed (Cl2 ) Eea (Cl) Δ f H m (NaCl) 2
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海泡石晶体结构
第二章 原子结构
2－1 玻尔原子模型 2－2 现代的量子力学原子模型 2－3 原子轨道 2－4 原子轨道能级图 2－5 核外电子排布 2－6 元素周期表 2－7 原子性质的周期性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2－1 玻尔原子模型
连续光谱 线状光谱 原子光谱 玻尔氢原子模型
玻尔氢原子模型
海泡石属于海泡石一坡缕石粘土矿物族， 是一种无毒无害的镁质粘土矿物，理想 晶体的化学式为 {Mg8[Si12O30](OH)4(OH2)4}·8H2O。
海泡石晶体结构
海泡石晶体化学
海泡石的结构，由两层硅氧四面体片之间 夹一层金属阳离子，组成八面体片构成， 为2∶1型,两层硅氧四面体片各有六个硅氧 四面体，其顶端的氧原子朝向八面体片， 并与八面体片Mg 2+相连接，组成结构单位 层, 层的厚度为0.645nm，宽度相当于六个 硅氧四面体的宽度。
案例二、菱铁矿的晶体化学
案例二、菱铁矿的晶体化学
菱铁矿化学式FeCO3 （FeO 62.01 CO2 37.99） 常有 Mg、 Mn及Ca等类质同象混入物。 三方晶系 相对密度3.7—4.0， 硬度4。
[CO3]2-
[CO3]2-的半径为0.255nm？ Vp=(4+0+2)/2=3 中心分子价层为sp2杂化轨道伸展方向为正三角形
海泡石的特点
由于海泡石有着这种独特的结构，具有 开阔的层间孔道和较大的比表面积，因 而具有吸附离子和一些有机物的能力并 且吸附能力大于任何粘土。
讨论什么是矿物晶体化学 的内涵和外延？
《矿物晶体化学》研究内容到底是什么？
矿物晶体化学
第一章 矿物晶体化学的内涵和外延 第二章 化学基础之一——原子结构 第三章 化学基础之二——分子结构 第四章 化学基础之三——晶体结构 第五章化学基础之四——
几个晶体学概念
结点 结点上粒子 结点间距 晶格三要素 网面密度 晶格 晶胞
矿物晶体化学研究的主要内容
矿物晶体化学： 矿物晶体化学是研究矿物的化学成分、晶体结构，
及其与矿物的物理化学性质之间的相互关系，从而为 采矿与选矿工程服务的一门学科。
主要内容： 化学基础（原子结构、分子结构、晶体结构、晶体场 理论），实际矿物（硅酸盐矿、硫化物矿、氧化物矿 等）的化学组成、晶体结构、物理化学性质等。
单质硫矿
晶 系：斜方晶系
颜 色：亮黄至棕黄；有 时呈灰色，发红或发 绿
透明度：透明到半透明
光 泽：树脂质-油脂
条 痕：白色
硬 度：1.5～2.5
形 态：扁平，钟乳石状； 粒状纤维状或土状； 很少生有双晶
断 口：贝壳状至不整齐
比 重：2.0～2.1
检 验：不溶于水，不受 大多数酸的影响；溶 于二硫化碳和某些油
Fe2+
Fe2+电子构型为3d6 属 于(9-17)e-
半径为0.076nm [Fe]2+的电负性为1.8 碳酸盐的分解温度相
差很大，与金属离子 极化作用有关。
碳酸盐
FeCO3
r(Mn+)/pm
76
Mn+的电子 构型
(9-17)e-
分解温度/ ℃ 282
案例三、海泡石的晶体化学
海泡石晶体化学
晶体场理论在矿物晶体中的应用 第六章 实际矿物的晶体化学
第一章 矿物晶体化学的内涵和外延
矿物种类分类
单质矿物 硫化物 氧化物 碳酸盐 硅酸盐 硫酸盐 卤化物 其他
单质铜矿
晶 系：立方晶系 颜 色：红铜色失去光 泽后呈绿蓝和黑色 透明度：不透明 光 泽：金属般的 条 痕：红铜色 硬 度：2.5～3.0 形 态：多鳞，平展或 树枝状 断 口：锯齿状 比 重：8.9 检 验：溶于硝酸
矿物晶体化学
研究生课程
什么是矿物晶体化学？
“矿物晶体化学”研究内容是什么？
案例一、赤铁矿的晶体化学
赤铁矿的晶体化学
三方晶系
等轴晶系
1—三方菱面体晶格
2—立方晶格
赤铁矿的晶体化学
前者1为三方晶系，刚玉型结构，在自然 界稳定，称赤铁矿。
后者2为等轴晶系，尖晶石型结构，在自 然界呈亚稳态，称为磁赤铁矿。
定态轨道 轨道能级（基态、激发态） 原子发光原因 轨道能量量子化的概念 玻尔模型的优缺点
2－2 现代的量子力学原子模型
微观粒子与宏观粒子 微观粒子的波粒二象性 微观粒子运动的统计规律性 薛定谔方程 波函数 原子轨道（角度分布图） 电子云（角度分布图）
硫化物矿——黄铁矿
硅酸盐矿——透辉石
碳酸盐矿——孔雀石
孔雀石
孔雀石
（1）化学组成：Cu2[CO3](OH)2，含微量机械混入物； （2）结构特点：单斜晶系，点群2/m，空间群P21/a，
a0=0.948nm，b0=1.203nm，c0=0.321nm，β=9842′， Z=4，晶体结构中Cu2+为六个O2-和OH-所包围，形成八面体 配位。八面体共用棱相连接，组成一条平行于c轴的双链结构， C 4+在三个O2-之间组成[CO3]2-并连接各链； （3）晶体形态：单晶体呈柱状或针状，但极少见；双晶以(100) 为双晶面成接触双晶； （4）物理性质：深绿至鲜绿色，条痕淡绿色，玻璃光泽，纤维 状集合体呈丝绢光泽，土状者光泽暗淡，硬度3.5~4，解理平 行{201}完全，平行{010}中等，比重3.9~4.0； （5）鉴定特征：以其绿色、条痕淡绿色和肾状、葡萄状等为鉴 定特征。
Sp2
[CO3]2-
Sp2杂化
C、O键介于C-O与C=O之间，被认为是 碳氧原子间除形成σ键之外，还形成离 域的四中心六电子大π46键。
[CO3]2-
键角 120o 键长 每个C-O键长都等于1.30±0.01埃 键能 C=O的键能为740kJ/mol（实用化学
手册p273）, C-O的键能为84.0千卡/克分 子即351.54kJ/mol。
“表面”现象下面的内部实质问题是什么？
误区之一
粒子的规则排列！
一些基本概念
晶体与非晶的概念 如何鉴别一种固体是晶体 晶体化学的定义 矿物晶体化学研究的主要内容
晶体与非晶的概念
晶体 非晶 无定型体 单晶 多晶 晶体的性质
晶体的性质
均一性 异向性 对称性 最小内能 稳定性 有固定的熔点