第十三讲 矿物学通论(一)

一、矿物和矿物学

1.矿物定义:矿物是地质作用中形成的单质或化合物,具有相对固定的化学成分,晶质矿物还具有确定的内部结构,稳定于一定的物理化学条件,是组成岩石和矿石的基本单元。

目前,已发现的矿物种数有3000多种,基本上都产自地壳中,但目前的研究已经扩大到地幔和宇宙中的其它天体。

2. 矿物学-是研究天然矿物的一门学科,其研究内容不仅包括矿物的成分、结构、形态、性质、成因、产状和用途,还研究矿物在时间和空间的分布规律及其形成和变化历史。

矿物学是地质学科中最基本的学科之一,它是岩石学、矿床学、地球化学、构造地质学、地史学、水文地质学、工程地质学等学科的基础,而且与结晶学、数学、物理学和化学等基础科学密切相关。由此可见,学好本门课程是十分重要的。

3. 矿物学发展简史

矿物学是一门古老而近代又得到了迅速发展的学科。它在发展过程中,曾经经历过几次深刻的变革,其发展与变革都是与生产的发展以及新理论、新方法的引进密切相关。矿物学的发展可划分为以下四个阶段:

(1) 萌芽阶段:早在原始社会的石器时代,人们就开始利用矿物和岩石制作生产工具和装饰品。从奴隶社会到封建社会开始应用金属,并由铜器时代向铁器时代过渡,说明当时各种金属矿产以大量开采,矿冶事业得到发展。世界上最早技术矿物原料的书籍首推中国的《山海经》(成书于春秋末战国初,即公元前475年前后),该书中提到80多种矿物、岩石、矿石的名称。这个时期的总特点是对矿物肉眼鉴定外表特征为主。

(2) 描述矿物阶段:19世纪中叶,在化学元素学说、原子-分子学说、组成化合物原子的配比定律和门捷列夫周期表的提出之后,借助化学分析、偏光显微镜及晶体测角仪等方法开始系统的研究矿物,使矿物得以迅速发展,形成了独立的科学。这个阶段矿物学总的特点是对矿物种的描述和鉴定,且基本上是宏观的研究。

(3) 从宏观研究进入到微观研究的新阶段:19世纪末(1895年)伦琴发现了X射线后,1912年劳埃用晶体作为光栅,发现了晶体对X射线的衍射现象,使人们获得了用实验方法研究晶体内部结构的重要手段,从而使矿物学从宏观研究跃进到微观研究的新领域。

(4) 现代矿物学阶段:最近二十年来,由于物理学、化学中的一些近代理论如晶体场理论、配位场理论、分子轨道理论、能带理论被应用于矿物学研究;一系列电子光学和激光测试技术的引入;各种波谱手段的建立;矿物热力学性质数据测定新技术,特别是高温超压等实验技术的实现;电子计算机技术的配合使用,等等,促使矿物学发生了全面深刻的变化,导致矿物学的第四次变革,使矿物学进入近代矿物学阶段。

中国自建国以来,矿物学得到迅速发展。1950年发现了我国第一个新矿物-香花石;至今陆续发现并被国际矿物学会(IMA)通过的中国新矿物已达数十种。

(5) 现代矿物学的应用

矿物学的应用主要包括两大方面:

  1. 应用于地质找矿;
  2. 研究作为矿产资源的矿物本身的开发和应用。

现代矿物学的发展,不断与相关科学相互渗透,从而产生了一些新兴的边缘学科和新分支。成因矿物学(genetic mineralogy)和找矿矿物学(prospecting mineralogy),揭示岩石和矿床的成因及地质构造变动条件,指导找矿勘探、矿床的工业评价和矿石的加工利用等,不断深化矿物结晶化学理论。

矿物物理学(mineral physics)和量子矿物学(quantum mineralogy)揭示矿物的物理性质及表面态、化学吸附等本质,了解和控制各种矿物性能的变化,扩大矿物的应用范围,综合利用矿物资源,促进矿物材料的研究。

实验矿物学(experimental mineralogy),是研究矿物的合成以及在各种条件下模拟和探索矿物的形成和演变过程的一门矿物学的分支学科,不仅为成矿理论提供了基础资料,也为高新技术领域功能材料的合成奠定了基础。

应用矿物学(applied mineralogy),是矿物学向材料科学方向延伸而产生的矿物学新分支,是矿物材料研究及许多相关应用科学的重要基础,在矿物材料合成(包括宝石的人工合成及天然宝石的优化处理等)、尖端科技材料(如光学材料、超导材料、磁性材料等)等方面的研究应用十分重要,其研究是工业、农业及材料工业等发展的动力。

当前,对矿物材料或原料的应用日益提出更高的要求,而自然界矿物资源有限且日渐枯竭,矿产资源危机已成为当今世界令人瞩目的问题。故当务之急:不断挖掘资源潜力,开拓矿物应用新领域,开发矿物应用新品种,加速提高采、选、冶工艺技术及矿物的人工合成和改性技术等。

二、 矿物的化学组成

化学组成变化

  • 化学组成基本固定的矿物
  • 化学组成不固定的矿物
  • 非化学计量矿物

1. 地壳的化学成分

矿物是地壳中各种地质作用的产物,所以地壳的化学成分限制了矿物的化学成分。

丰度是元素在地壳中的平均含量。美国的克拉克和华盛顿1882年提出了地壳中50多种化学元素平均含量表。把地壳中化学元素平均含量的重量百分数称为“克拉克值”。

O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg这八种元素占地壳总重量的98.59%,其中O占地壳重量的一半,Si占地壳重量的1/4多。

O占地壳体积的93%以上。可以说地壳由O的阴离子组成,金属阳离子(Si、Al、K、Na、Ca等)充填其空隙中。

克拉克值分重量克拉克值(即元素平均含量的重量百分比)和原子克拉克值(即将每一元素的重量克拉克值除以该元素的原子量,得出该元素的原子数, 然后将各元素的原子数再以百分数来表示)。一般常用的是重量克拉克值。

在矿物学上,还常用到以下两种克拉克值:

  • 矿物克拉克值——化学元素在各种矿物中的平均含量;
  • 浓度克拉值——某地区某元素的平均含量与该元素在整个地壳中的平均含量之比。

一般来说,克拉克值高的元素形成矿物的数量和种类较多。但地壳中元素是否能富集,不单决定于其克拉克值的高低,还决定于元素本身的性质。占克拉克值总量99%的元素主要形成大量的氧化物和含氧盐,特别是硅酸盐,是构成地壳的主要造岩矿物;而克拉克值并不高的Cu、Pb、Zn、Au等却能形成较多的独立矿物,可构成重要的矿石矿物,这与它们的熔点高、沸点高、电离势大、溶解度低,半径和化合价趋于中等的性质有关,因为:

半径、化合价中等,则与其它元素结合的适应性大;而熔点、沸点高,电离势大,溶解度低,则使它们形成矿物后性质比较稳定而不易分解。若元素的性质与之相反,则尽管它们的克拉克值可能较大,但却往往是类质同象关系混入到其它元素的矿物中去,很难形成独立矿物,如K、Na、Rb、Sr、V等元素;

氢的重量克拉克值比起前8种元素少得多,仅为0.14%。但氢的原子量很小,因而其原子克拉克值很高,所以氢并不少,其原子克拉克值达3%,仅次于O、Si、Al,居第四位,因此,自然界含水(以H2O、OH-、H+、H3O+、H2O-等形式)矿物的数量很多,土址的主要组分粘土矿物,都是含水的硅酸盐或氧化物、氢氧化物。

2. 元素的离子类型

由带正电荷的原子核和核外运动的带负电荷的电子所构成的呈电中性的物质点称为原子;原子失去或夺得一定数量的电子而呈带电性的物质质点称为离子。原子和离子的化学行为,首先取决于它们外电子层的构型。对于矿物晶体而言,大多数都属于离子化合物,而阴阳离子间的结合,在很大程度上取决于金属阳离子的性质。因此,根据外电子层的构型,将金属阳离子划分为三种基本类型:

(1)惰性气体型离子

指最外电子层具有8个电子(ns2np6)或2个电子(1s2)的离子。主要包括ⅠA、ⅡA主族以及与它们邻近的某些元素的离子。其特点是:

① 电子层结构稳定,其离子在一般情况下不变价;

② 与半径和电价相似的其它类型离子相比,电负性最低,明显地趋向于形成离子键性的化合物;

③ 主要形成卤化物、氧化物和含氧盐矿物,而含氧盐矿物又是构成岩石的主要造岩矿物。因此,在地球化学上又把此类元素称之为亲氧元素,在岩石学上把此类元素称之为造岩元素。

(2)铜型离子

指最外电子层具有18个电子(ns2np6nd10)的离子,如Cu+、Zn2+或18+2个电子为离子如Pb2+、Sb3+,主要包括ⅠB、ⅡB副族以及它们右邻的元素的离子。如赵教材P184表12-2中Ⅱ区的离子,它们具有以下特点:

① 电子层结构仍相当稳定,除个别离子(主要是Cu+)外,一般情况下不变价,或只在18和18+2两种构型间变化(如Pb4+和Pb2+);

② 与电价和半径相似的其它类型阳离子相比,电负性最高,因此,当它们与电负性不太高的阴离子(如S2-、Se2+等)结合时,其化学键强烈地向共价键和金属键过渡;

③ 主要形成硫化物、含硫盐或类似的化合物,而这些矿物又是构成金属硫化物矿床的主要矿石矿物。因此,在地球化学上又把它称之为亲硫元素,在岩石学上又把它称之为造矿元素。

(3)过渡型离子

指最外层电子数介于8~18之间的离子。主要包括各副族元素以及它们右邻的某些元素的离子,如赵教材P184表12-2中Ⅲ区的离子,它们具有以下特点:

① 具有不满的d电子亚层,其结构不稳定,因而较易变价,如Fe2+、Fe3+或Mn2+、Mn3+、Mn4+等都是常见的离子,其化合物常具顺磁性;

② 离子的电负性、化合物的键性,皆位于上述两类型离子间,具过渡性;

③ 其化合物经常呈现深浅不同的颜色,主要是由过渡型离子引起的,因而这类离子又称为色素离子;

④ 本类离子的性质,以Fe分界,左边的较接近于惰性气体型离子,常加入含氧盐晶格;右边的比较接近于铜型离子,常加入硫化物晶格。此外,易形成稳定的氧化物矿物是过渡型离子的重要特点,如金红石TiO2、软锰矿MnO2、赤铁矿Fe2O3等。

Fe具两性,既可亲氧,也可亲硫;即铁的氧化物和硫化物都比较常见。值得提醒注意的是,不要把过渡型离子与过渡元素离子两个概念混淆起来。过渡元素离子包括所有副族元素的离子,如Cu+1、Cu2+、Zn2+等均属于过渡元素离子,而其中Cu+1和Zn2+属于铜型离子,Cu2+则属于过渡型离子。过渡型离子是地球化学上的划分,过渡元素离子是化学上根据d电子轨道的充填划分的。

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