3矿物的化学成分之2.

矿石学基础矿物加工工程专业四、矿物的化学式及其计算矿物的化学式是以单矿物的化学全分析所得的相对百分含量为基础计算出来的。一）矿物化学式的表示方法1、实验式法实验式只表示矿物化学成分中各种组分数量比而不反映原子在矿物中相互结合的关系。实例：黄铜矿：CuFeS2，绿柱石Be3Al2Si6O18,对于含氧盐矿物，也可以用氧化物的组合形式来表示，如绿柱石可以写成3BeO.Al2O3.6SiO2矿石学基础矿物加工工程专业1）矿物实验式的计算方法先用单矿物化学全分析所得到的各组分质量分数除以各相应组分的原子量（分子量），将所得的商化为简单的整数比，最后用这些整数标定各相应组分的相对含量。矿石学基础矿物加工工程专业2）该方法的特点计算简单，书写方便，便于记忆。3）该方法的缺陷实验式不能反映出矿物中各组分之间的相互结合关系，对于成分复杂的矿物，还可能引起误解。实例：绿柱石Be3Al2Si6O18,当用氧化物(3BeO.Al2O3.6SiO2)表示时容易引起误解（其中并不含有氧化物）。因此矿物学中普遍采用的是结构式。矿石学基础矿物加工工程专业2、结构式法目前在矿物学中普遍采用“晶体化学式”(或称结构式)。晶体化学式既表明矿物中各组分的种类，又能反映矿物中各原子间的结合情况，书写方法如下：1）单质矿物用元素符号表示；若有类质同象代替，则按照数量由多到少排列，并用圆括号括起来，用逗号分开。2)对于金属互化物按照金属性递减的顺序从左到右排列，如砷铂矿---PtAs。矿石学基础矿物加工工程专业3)对于离子化合物书写基本原则是阳离子在前，阴离子在后。阳离子写在化学式前面，复盐中的阳离子按碱性的强弱顺序排列；当阳离子为同一元素而具有不同价态时，则按照电价由低到高排列。阴离子或络阴离子写在阳离子的后面；络阴离子用方括号[]括起来。附加阴离子通常写在主要阴离子或络阴离子的后面。如磷灰石。互为类质同象代替的离子用圆括号（）括起，之间用逗号分开，含量较多的元素写在前面，少者在后。矿石学基础矿物加工工程专业4）矿物中水的书写方式结构水写在矿物化学式的最后面，如高岭石Al4[Si4O10](OH)8结晶水写在与之相联系的阳离子后面，并用圆括号括起来。如Ni(H2O)6[SO4]沸石水写在化学式的最后面，用圆点分开，其含量以其上限为准。如钠沸石：Na2[Ai2Si3O10].2H2O矿石学基础矿物加工工程专业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：Na0.33(H2O)4{(Al1.67Mg0.33)[Si4O10](OH)2吸附水在结构式中不用表示。其中的胶体水因为含量不定，以nH2O或aq表示，写在最后，也用圆点分开，如蛋白石SiO2.nH2O。二、结构式的计算方法结构式的计算最常用的方法是以氧原子数为基准的氧原子计算法，其计算方法如下：矿石学基础矿物加工工程专业1)将矿物化学全分析结果各组分以氧化物质量百分数表示，并在总量中扣除不纯物质和烧失量(b项)；2)以总量为100％换算出的各组分相应的质量百分数(c项)；3)求出各组分的分子量(d项)；4)将各组分的质量百分含量除以分子量求出各组分的分子数(c／d)(e项)；5)氧原子系数的计算:用每个组分的分子数乘上该组分中的氧原子系数，求出每个组分的氧原子数(f项)；矿石学基础矿物加工工程专业6)阳离子数的计算:用每个组分的分子数乘上该组分的阳离子数，求出每个组分中的阳离子数(g项)；7)统计氧原子数总和。8）已知钠长石的晶体化学式Na(AISi3O8]中氧原子数为8，用氧原子总和除以8则得公约数，再以此值分别去除各阳离子元素的原子数(g项)，求出氧原子为8时各阳离子元素的原子数比(i项)。9)参照钠长石通式并分析类质同象代替关系写出该钠长石的晶体化学式为：(Na0.9587K0.0184Ca0.0111)0.9889[Al1.0333Si2.974908]矿石学基础矿物加工工程专业例1我国某钠长石的化学全分析和晶体化学式的计算矿石学基础矿物加工工程专业例2某黄铁矿结构式计算(硫原子数为基准)1)将黄铁矿化学全分析结果按100％进行修正；2)以修正后的各元素质量百分比除以原子量求得原子数；3)根据黄铁矿的一般化学式FeS2，设S的原子数为2，相应地求出其它元素的原子数比率(如Co=（0.0004÷1.6734）2＝0.0005)。4)根据元素的晶体化学性质判断Co、Ni与Fe为类质同象关系，其化学式为：(Fe0.9914Co0.0005Ni0.0002)0.9921S2矿石学基础矿物加工工程专业五、地壳的化学成分及元素的地球化学特征一）地壳的化学成分矿物是地壳中各种地质作用的产物，是地壳中各种化学成分分散、聚集、迁移、结合的结果。地壳的化学成分是形成各种矿物的物质前提，矿物的化学成分是地壳中化学成分的一种体现。矿石学基础矿物加工工程专业1．地壳中化学元素的丰度（page205)元素周期表中的绝大多数元素在地壳中都可以找到，但是各种元素在地壳中的含量却有很大的差异。美国学者克拉克(F．W．clark)从1882年起，对地壳中主要的、分布最广的元素进行了系统的计算。他与华盛顿(H．S．washington)于1924年最先提出了地壳中50余种化学元素的平均含量表。矿石学基础矿物加工工程专业随后许多研究者根据自己的研究成果对其作了进一步的补充和更正，或者另行编制了地球化学元素丰度表。但就地壳中分布最广泛、丰度较大的元素来说，其相对差别不大。克拉克值为了纪念克拉克的功绩，苏联学者费尔斯曼提议，把地壳中化学元素平均含量的质量百分数称为“克拉克值”，或称“质量克拉克值”。矿石学基础矿物加工工程专业原子克拉克值由于各元素的原子量不同，质量克拉克值的概念还不能如实反映地壳中元素的相对多少，而元素参加化学反应时，原子数目起着决定性的作用。1911年前苏联科学院院士、地球化学家、矿物学家A．E．费尔斯曼进行了元素的原子克拉克值的换算。将每一元素的质量克拉克值除以该元素的原子量得出元素的原子因数，然后将各种元素的原子因数化为百分数即为该元素的原子克拉克值。矿石学基础矿物加工工程专业注解：各种元素在地壳中的丰度相差很大，丰度最大的元素(O＝46.6％)和已知丰度最小的元素(Rn＝7×l0-16％)在质量上相差达1017倍之多。O、Si、A1、Fe、Ca、Na、K、Mg八种元素占了地壳总质量的98.59％，其中O近乎占地壳质量的一半（46.6％），Si占四分之一多（26.7％）。将质量百分比换算为原子百分比，考虑到元素离子半径的差异，再换算为体积百分比时，还可看到更有意义的特征。见下表。矿石学基础矿物加工工程专业注解：从原子堆积的角度来看，地壳基本上是由O的阴离子堆积而成，金属离子(主要是Si、Al、K、Na、Ca，Mg等)充填在其空隙之中。矿石学基础矿物加工工程专业2、地壳中元素丰度高低不同的原因分析根本原因在于各元素原子核的结构和稳定性不同。随着原子序数(z)的增大，核内质子间的斥力的增加大于核力的增加，核内的结合能降低，原子核趋于不稳定，元素的丰度也降低。因此丰度高的元素分布于周期表的开端部分，自Co(z＝27)以后，元素丰度有显著降低。矿石学基础矿物加工工程专业3．研究地壳中化学元素丰度的矿物学意义地壳中元素的丰度反映的是地壳的平均化学成分，决定着地壳中各种地质作用过程总的物质背景。元素的丰度大小在一定程度上影响着元素在成岩、成矿作用中的浓度，从而支配着新矿物种的生成。矿石学基础矿物加工工程专业在实验室里可以合成的化合物数以十万计，而地质作用中生成的化合物(矿物)数目却很有限，除因与矿物的形成和稳定条件以及与元素在地壳中只出现有限的原子价态有关外，也与地质作用中各元素的浓度受丰度的很大限制有关。实例：Na、K、Rb、Cs具有相似的化学性质，由于Na和K在许多地质作用中都可以有较大的浓度，可以形成许多独立的矿物;而Rb和Cs的丰度值低，总是难于达到饱和浓度，很难形成自己的独立矿物。矿石学基础矿物加工工程专业从已知矿物种的数目来看，丰度值高的元素形成的矿物种也多。由前所列的八种元素是地壳中丰度最大的元素，它们构成的矿物种数占已知矿物种数的绝大部分。这些矿物的数量最多，分布也最广，是构成地壳各类岩石的主要矿物成分。矿石学基础矿物加工工程专业矿石学基础矿物加工工程专业4、聚集元素与分散元素1）聚集元素概念矿物的形成不仅与元素在地壳中的相对数量有关，还决定于元素的地球化学性质。有些元素丰度虽然很低，但趋向于集中，可以形成独立矿物种，并可以富集成矿床，这些元素称为聚集元素。2）分散元素概念有些元素丰度虽然较高，但趋向于分散，不易聚集成矿床，甚至很少能形成独立矿物种，而是作为微量混入物赋存在由其它元素组成的矿物中，称为分散元素。如Rb、Cs、Ga、In等。矿石学基础矿物加工工程专业5、矿物化学成分变化的原因根据化学成分特征，矿物分为两种类型：单质和化合物。无论是单质或化合物，其化学成分都不是绝对固定不变，通常在一定的范围内有所变化，引起矿物化学成分变化的原因主要有：对晶质矿物而言，主要是元素类质同象代替。对胶体矿物来说，主要是胶体的吸附作用。某种矿物成分中含有的混入物，除因类质同象代替和吸附而存在的成分外，还包括一些以显微(及超显微)包裹体形式存在的机械混入物。矿石学基础矿物加工工程专业6、元素的地球化学分类元素在矿物中的结合主要取决于两种因素：其一是元素本身的性质(原子结构及其特性)；其二是矿物结晶时的物化环境条件（地质环境、物理化学条件等）。元素的地球化学分类是在元素周期表分类的基础上，结合其地球化学行为和元素在矿物中的组合特征进行分类。1）惰性气体族包括氦氖氩氪氙氡，具有稳定的8（或2）电子外层结构，一般作为气体单质存在于大气中。矿石学基础矿物加工工程专业2）氢在还原状态下，为原子状态的气体，在氧化态下为[OH]-离子，成为某些含氧盐和氢氧化物的组成部分；有时也以中性的水分子参与构成晶格。3）主要造盐（岩）元素族包括锂钠钾铷铯铍镁钙锶钡铝硅，这些元素可形成稳定的8电子惰性气体型离子。具有较大的半径，较弱的极化能力，容易以离子键与阴离子结合。通常与氧结合形成氧化物或含氧盐（特别是硅酸盐），组成大部分造岩元素（亲石元素，亲氧元素。）矿石学基础矿物加工工程专业硅与氧结合形成石英，并且与钠、钾、钙、镁、铝一起形成硅酸盐（如长石、云母、角闪石等）。钙与氧、碳一起形成碳酸盐（方解石）构成主要的造盐岩矿物，这些矿物占地壳总重量的95%，另外也可以形成卤化物矿物（如萤石）铷、铯、锶、钡的克拉克值较低，常呈现分散状态，在矿物中呈类质同象混入物存在。锂和铍具有小的离子半径，多见于伟晶作用形成的矿物中（如锂云母、绿柱石）。矿石学基础矿物加工工程专业4）矿化剂族硼、碳、氧、氟、磷、硫、氯主要形成简单的阴离子或络阴离子，对各种盐类矿物的形成起重要的作用。硼、氟、硫、氯、碳与水相伴成气体，可大量出现在火山喷气中，并相应形成与火山喷气有关的矿物（自然硫、硫化物、卤化物及碳酸盐矿物）。在地壳相当深度条件下，这些元素可与侵入体的围岩发生变质作用，形成接触变质矿物，在深度很大的岩浆体中，可促进伟晶岩矿物的形成；在外力作用过程中形成各种含氧盐及盐类矿物。矿石学基础矿物加工工程专业硼除见于伟晶岩矿物（电气石）外，常呈含水硼酸盐（主要是钠和钙的含水硼酸盐）出现在含硼岩层中，它的出现与火山活动有关。碳除了形成金刚石和石墨外，还与造岩元素和部分的铁锰等元素形成碳酸盐，广泛存在于外力作用及部分热液作用的产物中。氮和氧是大气的组成部分，氮可成为硝酸盐类矿物的组成部分。矿石学基础矿物加工工程专业氧具有较大的电负性，容易接受电子成为阴离子，同时氧的半径较小，对阳离子有较大的亲和力，易与阳离子通过离子键结合。在岩石圈内，越接近地表，氧的含量越高。在地下深处以低价铁的硅酸盐或硫化物存在，而在地表处由于氧化作用强烈，大多形成新的氧化物、氢氧化物、硫酸盐及其它富氧的化合物。硫离子由于电负性小（相对氧），半径