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。

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[SO4] ⋅2H2O。

结构水(或称化合水)：常以H2O+表示，结构水呈H+、OH-、H3O+等离子形式参加矿物晶格。占据一定构造位置，具有一定比例。通常以OH-最常见。H3O+离子少见，也最不稳定，易分解：H3O+→H++ H2O。结构水如沸石水、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。

当然，以上只是化学式较简单的矿物，实际上由于类质同像替代的复杂性，一般矿物化学式只是一个近似的整数比。

4. 矿物化学式的书写

(1) 单质元素的化学式只写元素符号；

(2) 金属互化物的化学式按元素的电负性递增顺序从左到右排列，如Te、Ag的电负性分别为：2.1和1.8，所以碲银矿的化学式应写为AgTe；Bi和Te的电负性分别为：1.8和2.1，楚碲铋矿的化学式则为：BiTe。呈类质同像替代的元素用圆括号包括，按数量多少先后排列。

(3) 离子化合物的化学式的书写顺序为：正离子排左，负离子排右，正离子电价由低到高，相同电价依电负性大小由小到大；如钾长石K[AlSi3O8]、橄榄石(Mg,Fe)2[SiO4]。

附加的负阴离子放在主要的阴离子后面，如：孔雀石Cu2[CO3](OH)2；

矿物中的水分子写在化学式的最后，用点号隔开。如：石膏CaSiO4⋅2H2O。

二、矿物化学式的计算方法

1. 原子–分子计算法：直接把元素的百分含量换算成原子或分子比，在计算硫化物、卤素化合物或金属互化物时经常采用这种方法。

首先我们来看一下如果我们知道某个矿物的化学式，如何计算组成矿物的原子或

氧化物的重量含量。

如黄铜矿CuFeS2，Cu、Fe、S的原子量分别为63.54、55.85和32.07，黄铜矿“分子”的重量为：63.54+55.85+(2⨯32.07)=183.53；那么可分别计算得到三个元素的重量百分比：

Cu=(63.54⨯100)/183.53=34.64%;

Fe=(55.85⨯100)/183.53=30.42%;

S=(2⨯32.07⨯100)/183.53=34.94%。

反过来，如果我们已知黄铜矿的成分，则也可以计算得到其化学式。

从而得到黄铜矿的化学式CuFeS2。

在计算氧化物或含氧盐矿物时也可利用这种方法。

得到钙铁辉石的近似化学式为CaO⋅FeO⋅2SiO2。

2. 氧原子计算法

该方法的理论基础是矿物单位晶胞中所含的氧原子数是固定不变的，它不以阳离子的类质同像替代而改变，如钾长石的化学式中有8个氧，而钾被钠替代后，不管替代量多大，它的化学式中总是包含8个氧，另一个例子是斜长石系列的两个端员矿物：钠长石和钙长石，它们的分子式分别为Na[AlSi3O8]和Ca[Al2Si2O8]，虽然发生了Na+ + Si4+⇔ Ca2+ + Al3+的复杂替代，但它们的氧原子数总是8。

(1)已知氧原子数的一般计算法

该方法是已知矿物成分通式，即已知氧原子数或假定氧原子数，求阳离子在单位晶胞中的数量，计算公式为：

Y=Y’ ⨯ 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)

以Y n O m为例，

Y’=n⨯氧化物重量百分比/氧化物分子量；

X=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)