4第四讲 自然元素及其类似物矿物大类

第十五章 自然元素及其 类似物矿物大类
一 概述
概念：包括仅有一种元素构成的单质和由两种或 两种以上金属元素构成的类质同象混晶。 种数：50种以上。 分布：占地壳总重量不足0.1%，不均匀 ——自然金、自然铜、自然铂、金刚石、石墨 等富集成矿床——意义。
1. 化学成分
金属元素：贵金属8元素和Cu，铁陨石中常见Fe、Co、Ni。 金属元素间的类质同象十分普遍，形成金属混晶矿物如银 金矿（Au，Ag）；也可形成互化物如铁镍矿(Ni3Fe)。 半金属元素：有As、Sb、Bi（Se、Te）。 As与Sb在高温下形成类质同象混晶，低温时分解成自然砷 和自然锑或砷锑互化物AsSb；Sb与Bi可形成连续类质同象系列 ，而As与Bi即使在熔融态下也不混合。 非金属元素：主要有C和S。Si可呈微粒包体产于地幔岩中。 C、Si、N、P形成碳化物、硅化物、氮化物和磷化物。
金刚石型结构：碳原子分布于立方晶胞的8个角顶、 6个面心和晶胞所分8个小立方体的4个相间的小立方 体中心。碳原子以共价键与周围的另外4个碳原子相 连,键角109°28′16″，形成四面体配位。平行{111} 面网密度大，间距也大。
金刚石沿{111}成解理


形态：粒状晶体，常见晶形有八面体、菱形十二面体、立 方体、四面体和六八面体及他们的聚形。 不同单形的晶面上蚀像不同，如八面体晶面上呈三角形凹 坑，立方体晶面上呈四面体凹坑，双晶可形成接触双晶、 穿插双晶及轮式双晶。
（3）由于Au和Ag的原子半径相近、晶体结构类型相同、 地球化学性质相似，故可形成完全类质同象。而铜的原子半径 较小，在高温时才与金形成类质同象。
铜型结构：铜原子呈立方面心排列， 以金属键联系。
自然铜

化学组成：Cu 原生自然铜中往往含有少量或微量Fe、Ag、 Au、Hg、Bi等，次生铜较纯净。 晶体结构：等轴晶系，原子呈立方最紧密堆积。属于铜型 结构。 形态：对称型m3m，完好晶形少见，常呈不规则树枝状、 片状或扭曲的铜丝状、纤维状。次生铜多呈粗糙的粉末状， 或岩石或者裂隙中呈片状、细脉状。
金刚石
【物理性质】 无色透明，常因 含微量元素而呈不同色调：含 Cr呈天蓝色，含Al呈黄色，还 可有褐、灰、白、绿、红、紫等 色调，含石墨包体者呈黑色；晶 面金刚光泽，断口油脂光泽；经 日光曝晒后置暗室发淡青蓝色磷 光。解理{111}中等、{110}不完 全。硬度10（显微硬度比石英高 1000倍，比刚玉高150倍），八 面体晶面的硬度>菱形十二面体 晶面的硬度>立方体晶面的硬度。 相对密度3.52。性脆，抗磨性强。 不导电。导热性好，室温下其导 热率是铜的5倍。熔点高达 4000℃，空气中燃烧温度850～ 1000℃。疏水而亲油。
【物理性质】硫黄色也有呈密黄色或黄棕色者； 因含杂质呈不同色调的黄色；晶面金刚光泽,断 面油脂光泽。不完全解理；贝壳状断口。硬度 1～2。相对密度2.05～2.08。性脆。不导电，摩 擦带负电。







成因及产状： 1火山喷发型，由硫蒸汽直接凝华或地下的硫化物矿床与 高温水蒸汽作用生成H2S经不完全氧化或和二氧化硫反应 而自然硫。 2H2S + O2 —— 2S + 2H2O 2H2S + SO2 ——3S + 2H2O 2.沉积型。与生物化学作用有关，一般是硫酸盐类物质在 封闭条件下经菌解作用生成。 3.风化型。金属硫化物（主要是黄铁矿）或硫酸盐氧化分 解而成。 FeS2(黄铁矿)→ FeSO4 → Fe2(SO4)3 Fe2(SO4)3 + FeS2 → 3FeSO4 + 2S(自然硫) 用途：化学工业的基本原料，用于生产硫酸，还可用于造 纸、纺织、橡胶、炸药、农用化肥。
砷型结构
砷
物理特征
形态：大多数呈钟乳 石状，块状或放射状； 颜色：锡白色，氧化 后呈深灰色至黑色， 灰或白色； 条痕：黑色； 透明度：：不透明； 光泽：亚金属光泽； 硬度：3-4； 解理和断口： （0001）解理完全， 断口不整齐； 比重：5.6～5.7 g/cm3；g/cm3
四 非金属元素矿物类
1、自然硫族 自然硫 S
自然硫



化学组成：S 自然硫具有三种同质多像变体，即α-硫为 斜方晶系，β-硫和γ-硫变体为单斜晶系。自然条件下稳定 的只有斜方变体，温度高于95.6℃时α-硫转变为β-硫。 晶体结构：斜方晶系。 自然硫为分子结构，硫分子是由8个硫原子以共价键组成， 每个原子和它相邻的二原子都有一部分彼此切割，且原子 相互交错排列在两个平面上成环状。
本族矿物一般为银白色和钢灰色，硬度比自然金族高， 也具有与自然金族类似的其他金属特性。
铂族


自然铂 Pt 化学组成：成分中经常含有Ir、Pd、Fe、Cu等，自然铂 中当这些元素含量较高时，可分为自然铂的变种。 晶体结构：等轴晶系。

形态及物性：六八面体类，呈粉末或葡萄状，偶见立方体 晶形。锡白色，表面一般带浅黄色，条痕烟灰色至银白色， 金属光泽。无解理，硬度为4。相对密度21.5。具延展性。
2. 晶体化学
结构型：
1）配位型： 金属元素及其互化物矿物具立方面心式紧密堆积 的铜型（配位数为12）、六方最紧密堆积的锇型（配位 数为12）和立方体心式紧密堆积的铁（α -Fe）型（配 位数为8），金刚石和β-碳硅石SiC具四面体配位型。 2）环状（自然硫）、链状（自然碲）、层状（石墨、 自然砷）、架状（陨碳铁矿Fe3C）。
自然金

用途：主要用于装饰、货币、和工业技术。 由于金具有高导电、导热性及极好的延展性和稳定性，在 工业上，特别是在电子工业上用途很大。随着航天技术的 发展，要求稳定性很高的无线电、电子元件，而黄金正具 有这种稳定性能。
2.自然铂族
分为具铜型结构的自然铂和锇型结构的自然锇两个亚族
。
前者包括自然铂、自然钯、自然铱和自然铑，为等轴晶 系，可见八面体或立方体晶形。 后者包括自然锇、自然钌等，为六方晶系，呈六方板状 晶形，硬度（约为6）明显高于前者（约为4）。
4. 成因产状
地壳：自然金、自然银、自然铜、自然铂、自然 硫、金刚石和石墨； 地幔和核-幔边界：金刚石、石墨、自然铁、自 然硅和自然镍； 陨石：铁纹石、镍纹石、亮石墨、自然钼、金刚 石、陨磷铁矿和陨碳铁矿等。
铂族元素矿物主要出现于基性、超基性岩浆岩中,常与铜镍硫 化物和铬铁矿共生。自然金、自然银和自然铜及半金属元素矿 物主要为热液作用产物。金刚石主要产于超基性的金伯利岩和 高压相的榴辉岩中，石墨多是变质作用产物，而自然硫则以火 山作用和生物作用形成的最重要。
5. 分类
根据元素的属性和元素间的结合方式，将 本大类矿物划分为：
金属元素（含金属互化物）矿物、 半金属元素矿物、 非金属元素矿物、
二 金属元素矿物类
1、自然铜族（自然金-银系列矿物、自然铜） （1）包括自然铜、自然银、自然金等矿物。 （2）铜型结构：结构中Cu、Au、Ag原子呈立方最紧密堆 积，配位数为12。原子占据立方体单位晶胞的角顶及每个面的中 心。
2、金刚石族
金刚石C

化学组成：天然金刚石的化学成分为C，与石墨同是碳的 同质多象变体。在矿物化学组成中，总含有Si、Mg、Al、 Ca、Mn、Ni等元素，并常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、 Ti、N等杂质元素，以及碳水化合物。

晶体结构：等轴晶系， 晶体结构具有立方面心晶胞。 碳原子位于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。单 位晶胞中碳原子间以同极键相连结。
三 半金属元素矿物类
（1）主要有自然砷、自然锑、自然铋等。 （2）均具砷型结构：即可视为由NaCl型结构沿L3发生 畸变而呈略显层状的菱面体格子结构。 （3）具{0001}完全解理。 （4）粒状或片状集合体。 （5）新鲜断面呈锡白色或银白色，金属光泽，具抗磁 性。随元素的金属性渐强矿物则更多地显现金属矿物的性质。
3 形态与物理性质
具配位型、架状和环状的矿物自形晶主要为粒状，其中金 属元素矿物少见自形而多为它形不规则状；
具层状结构的半金属元素矿物和石墨主要为片状。
金属元素及其互化物矿物在物理性质上呈现典型的金 属特性
——金属色、金属光泽、不透明、低硬度（锇、铱为例
外）、无解理、大比重、强延展性、强导电性和强导热性
化学键：
1）金属元素及其互化物矿物具特征的金属键； 2）半金属元素矿物按元素的金属性递增而 从金属键+共价键的多键型向金属键转变。 3）非金属元素和类似物矿物变化很大。
同质多象：
本大类非金属元素矿物的同质多象较常见，如C 的同质二象、S的同质三象。
对称程度：
金属元素及其互化物矿物多为等轴晶系，少数 金属元素（锇）为六方晶系；半金属元素（ As 、Sb、Bi ）矿物为三方晶系。 非金属元素和类似物矿物变化很大。
铂矿
【形态和物理性质】 六八面体类，呈粉 末或葡萄状，偶见 立方体晶形。锡白 色，表面一般带浅 黄色，含铁高时呈 钢灰色；条痕钢灰 色至银白色；金属 光泽；不透明。无 解理；断口锯齿状。 硬度4～4.5。相对 密度21.5(纯铂)。熔 点1774°C。强延展 性。微具磁性。电 和热的良导体。
自然铂（含金）
硫的八原子 环型分子：
8个硫原子以共价键联 系, 上下两个四方环交 错排列，构成环状分
子。

形态:斜方双锥类，晶形常呈双锥状或厚板状。主要单形： 平行双面，斜方双锥，斜方柱。往往呈致密块状，粒状。 条带状，疏松状，土状，粉末状，球状，钟乳状等。
自然硫
【鉴定特征】 黄色、油脂光 泽、低硬度、 性脆、硫臭味、 易熔。
。
半金属元素（As、Sb、Bi）矿物从自然砷、自然锑到自
然铋，金属特性逐渐增强，颜色从锡白色变化为银白色，条 痕灰色，金属光泽增强，低硬度变得更小，由于其层状结构 而发育的{0001}完全解理完好程度下降，高相对密度增大， 从无延展性变为弱延展性，从无导电性变为具导电性。 非金属元素和类似物矿物的晶体化学特点不同而使不 同矿物在物性上变化甚大。
自然铜在氧化条件下不稳定，经常转变为铜的氧化物和 碳酸盐，如赤铜矿、黑铜矿、孔雀石、蓝铜矿、这些次 生矿物是寻找原生矿物的重要标志。 鉴定特征：铜红色，表面氧化膜为棕黑色，相对密度大， 延展性强。常与孔雀石、蓝铜矿伴生。
金

化学组成：自然界中纯金极少，常有Ag类质同象代替。 此外，可含有少量Cu、Pd、Pt及Te、Se等元素。 可形成金-银完全类质同象系列。 Ag少于5%称为金，5%-15%含银自然金，15-50%称银金矿。 50-85%称金银矿，85-95%含金自然银，95-100%自然银。 自然金的含量用成色来表示。 晶体结构：等轴晶系，原子呈立方最紧密堆积，形成立方 面心排列的铜型结构。 形态：完好晶形少见。常见单形，立方体、菱形十二面体、 八面体以及四六面体，四角三八面体。可见平行连生晶形。 一般呈不规则粒状，还可见团块状、网状、树枝状、纤维 状。

成因产状： 1.岩浆-热液矿床 2.火山或次火山-热液金矿 3.沉积-变质金矿床 4.地下热水溶滤金矿床 5.风化壳金矿床 6.沉积金矿床 此外还有伴生矿产，伴生金矿床主要赋存在Cu、Pb、Zn、 Fe以及黄铁矿等矿床中。
砂金矿
【鉴定特征】 金黄色， 强金属光泽，相对密度 大，低硬度，强延展性； 化学性稳定，火烧不变 色。
【物理性质】 铜 红色，表面常因 氧化而出现棕黑 色锖色；条痕铜 红色；金属光泽， 不透明。无解理； 断口呈锯齿状。 硬度2.5～3。相 对密度8.95(纯 铜)。具延展性。 熔点1.083°C。 为热和电的良导 体。
树枝状自然铜
成因和产状：自然铜产出比较少，是各种地质作用中还 原条件下得产物。形成于原生热液矿床。也见于含铜硫 化物矿床氧化带下部。往往与赤铁矿、孔雀石，有时与 辉铜矿及其他矿物伴生。 也见于富有机质沉积岩中。
狗头金
彩金

自然金的晶形形态随形成的深度而变化，一般形成的浅部 的形态形态较复杂，深部者较简单。 八面体为主的自然金主要形成于深部，菱形十二面体为主 的主要形成于中等深部，而四六面体为主的自然金在中等 深部和浅部都可见。
物理性Biblioteka ：颜色和条痕均为 黄色，强金属光泽。无解理。 硬度2-3，相对密度15.6-18.3。 纯金为19.3。延展性强，可抽 成细丝或压成金箔。具良好 的导电性、导热性能。化学 性质稳定，只溶于王水，火 烧不变色。