现代矿物学课件 4.矿物的晶体结构
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【晶体结构】 四方晶系。氧、钛离子构成Ti－O6八面体配位。CN钛 6，CN氧3。Ti—O6配位八面体沿c轴共棱成链状排列。链间由 配位八面体共角顶相连。
【形态】 四方短柱状、长柱状或针状。 【物理性质】 褐红、暗红色，含Fe者呈黑色；条痕浅褐色；金刚
光泽；微透明。解理平行{110}中等。硬度6～6.5。相对密度 4.2～4.3。性脆。铁金红石和铌铁金红石均为黑色，不透明。 铁金红石相对密度4.4，而铌铁金红石可达5.6。
（亚类） 族
例
自然金 Au 自然铋 Bi 金刚石、石墨 C
方铅矿 PbS 黄铁矿 Fe[S2]
硅酸盐： 岛、环、链 、层、架状
刚玉 Al2O3 水镁石 Mg[OH]2
石榴石、辉石、 云母、长石
萤石 CaF2
二、Zoltai-Stout矿物结构分类 （1984）
依据：化学键类型＋对称性
特点：三端元分类 三端元： 多面体骨架结构；
2.1.2 多面体骨架结构分类
依据：
a. 骨架的配位多面体； b. 骨架的维的延伸（dimensional extent）； c. 骨架中多面体基团的种类； d. 共用多面体角顶的数目（共用系数S）； e. 一个不对称单位或多面体环路内的多面
体数目。
零维四 面体骨 架—— 岛状和 环状
一维 四面 体骨 架
【晶体结构】 四方晶系。氧离子近似成六方紧密堆积，而钛
离子位于变形八面体空隙中，构成Ti－O6八面体配位。钛离 子配位数为6，氧离子配位数为3。在金红石的晶体结构中
Ti—O6配位八面体沿c轴共棱成链状排列。链间由配位八面体 共角顶相连。
滑石(Talc) Mg3［Si4O10］(OH)2
纯者为白色，含杂质时呈其他浅色。玻璃光泽，解理面 显珍珠光泽晕彩。解理｛001｝极完全；贝壳状断口。硬度1。 相对密度2.58～2.83。有滑腻感。解理片具挠性。
单键的静电强度＝阳离子电荷Z/配位阴离子数CN
为什么能结合在一个点上的配位多面体的数目和种类受严 格限制？如： A. 不能有两个以上的[SiO4]四面体共1个氧； B. 只能有3个2价阳离子八面体与1个Si四面体共1个氧。
4、金红石族（金红石、锡石、软锰矿）
金红石(Rutile) TiO2
【化学组成】 常含Fe、Nb、Ta、Cr、Sn等。当其中富含Fe时称为 铁金红石。
矿物的晶体结构 Crystal Structures
of Minerals
一.矿物分类体系回顾 二. Zoltai-Stout矿物结构分类 三.矿物分类体系与各类矿物晶体结构再认识 四.矿物结构与形态性质关系
一、矿物分类体系回顾
一、晶体化学分类原则及依据
（1）同一化合物类型，相同的化学键类型——大类；
受2个配位多面体阳离子间距影响。
几种配位体阳离子间距
Linus Pauling法则(1920)
D、多面体要素共用b：在含有不同阳离子的 晶体中，高电价、低配位的阳离子倾向于不 共用多面体要素。
为什么：在硅酸盐矿物中，[SiO4]四面 体孤立或只共角顶，而能与Mg、Fe等 其他阳离子的配位多面体共棱？
Linus Pauling法则(1920)
E、节约原则：晶体结构中本质相异的组分种 类数目倾向于最少。
结晶学上不同位置的数目是小的 并彼此成小的整数比。
为什么离子键占优势的矿物倾向于形成多面 体骨架结构？
按照Pauling法则，阳离子相斥、 配位多面体不共棱不共面的趋势， 迫使多面体彼此远离，形成由各 种多面体连接成的开放骨架。
（2）同一大类不同阴离子（或络阴离子）——类；
同一大类络阴离子的结构——亚类；
（3）同一类阳离子或晶体结构型——族；
同一类结构型相同阳离子不同——亚族；
（4）化学组成和晶体结构均确定——种。
完全类质同象端员组分的差异——亚种。
晶体结构、组分或物性稍异者——异种或变种。
二、晶体化学分类体系
大类 类 亚类 族 亚族 种 亚种
二 维 四 面 体 骨 架
三 维 四 面 体 骨 架
2.1.3共用系数 Sharing Coefficient
——骨架内不对称单位中共用一个角顶的多面体 数目的平均值。
S＝∑imi/C(CN)
=(m1+ 2m2+ 3m3+···+ imi)/ C(CN)
为什么能结合在一个点上的配位多面体的数 目和种类受严格限制？如：
A. 不能有两个以上的[SiO4]四面体共1个氧； B. 只能有3个2价阳离子八面体与1个Si四面 体共1个氧。
Linus Pauling法则(19பைடு நூலகம்0)
C、多面体要素共用a：2个配位多面体共棱， 特别是共面时离子结构的稳定性将降低。
对称堆积结构； 分子结构
2.1 多面体骨架结构 Polyhedral Frame Structures
大多数造岩矿物（硅酸盐）、氧化物、 氢氧化物、硼酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钨 酸盐的组成离子以离子键联系。
阴离子以高对称形式围绕阳离子构成 配位多面体。而多面体以共用角顶氧连成 不同骨架。
2.1.1 Linus Pauling法则(1920) ——离子晶格适用
超基性岩、白云岩水热蚀变产物。 与叶蜡石相似。在素瓷板上滴一滴水，以矿物碎块轻磨 得乳浊液，用石蕊试纸检验，滑石pH约为9，叶蜡石pH约为6。
用于陶瓷、造纸、涂料、塑料、橡胶、化妆品，高频电 瓷绝缘材料；滑润剂，镁质化肥等。
层间域 TOT型
滑
三石
八 面
的
型 性
晶
结体
构
结
构
金红石结构的静电价平衡 滑石结构的静电价平衡
A、原子间距：配位多面体内阳－阴离子 间距由它们的半径和决定，阳离子的配 位数由它们的半径比决定。
为什么小配位多面体更重要？
配位数、配位体与离子半径比允许范围
若干配位体的几何学
阴离子间距为1个单位
Linus Pauling法则(1920)
B、静电价原理：配位多面体内阳离子的 电价为其配位阴离子的电价所平衡。
晶体化学分类体系
第一大类 第二大类 第三大类 第四大类 第五大类 卤化物矿物
大类
类
自然元素
自然金属 自然半金属 自然非金属
硫化物及其 类似化合物
简单硫化物 复硫化物 硫盐
氧 化 物 和 氢 氧化物
氧化物
氢氧化物
含氧盐 卤化物
硅酸盐 [SiO4] 碳酸盐 [CO3] 硫酸盐 [SO4] 磷酸盐 [PO]
【形态】 四方短柱状、长柱状或针状。 【物理性质】 褐红、暗红色，含Fe者呈黑色；条痕浅褐色；金刚
光泽；微透明。解理平行{110}中等。硬度6～6.5。相对密度 4.2～4.3。性脆。铁金红石和铌铁金红石均为黑色，不透明。 铁金红石相对密度4.4，而铌铁金红石可达5.6。
（亚类） 族
例
自然金 Au 自然铋 Bi 金刚石、石墨 C
方铅矿 PbS 黄铁矿 Fe[S2]
硅酸盐： 岛、环、链 、层、架状
刚玉 Al2O3 水镁石 Mg[OH]2
石榴石、辉石、 云母、长石
萤石 CaF2
二、Zoltai-Stout矿物结构分类 （1984）
依据：化学键类型＋对称性
特点：三端元分类 三端元： 多面体骨架结构；
2.1.2 多面体骨架结构分类
依据：
a. 骨架的配位多面体； b. 骨架的维的延伸（dimensional extent）； c. 骨架中多面体基团的种类； d. 共用多面体角顶的数目（共用系数S）； e. 一个不对称单位或多面体环路内的多面
体数目。
零维四 面体骨 架—— 岛状和 环状
一维 四面 体骨 架
【晶体结构】 四方晶系。氧离子近似成六方紧密堆积，而钛
离子位于变形八面体空隙中，构成Ti－O6八面体配位。钛离 子配位数为6，氧离子配位数为3。在金红石的晶体结构中
Ti—O6配位八面体沿c轴共棱成链状排列。链间由配位八面体 共角顶相连。
滑石(Talc) Mg3［Si4O10］(OH)2
纯者为白色，含杂质时呈其他浅色。玻璃光泽，解理面 显珍珠光泽晕彩。解理｛001｝极完全；贝壳状断口。硬度1。 相对密度2.58～2.83。有滑腻感。解理片具挠性。
单键的静电强度＝阳离子电荷Z/配位阴离子数CN
为什么能结合在一个点上的配位多面体的数目和种类受严 格限制？如： A. 不能有两个以上的[SiO4]四面体共1个氧； B. 只能有3个2价阳离子八面体与1个Si四面体共1个氧。
4、金红石族（金红石、锡石、软锰矿）
金红石(Rutile) TiO2
【化学组成】 常含Fe、Nb、Ta、Cr、Sn等。当其中富含Fe时称为 铁金红石。
矿物的晶体结构 Crystal Structures
of Minerals
一.矿物分类体系回顾 二. Zoltai-Stout矿物结构分类 三.矿物分类体系与各类矿物晶体结构再认识 四.矿物结构与形态性质关系
一、矿物分类体系回顾
一、晶体化学分类原则及依据
（1）同一化合物类型，相同的化学键类型——大类；
受2个配位多面体阳离子间距影响。
几种配位体阳离子间距
Linus Pauling法则(1920)
D、多面体要素共用b：在含有不同阳离子的 晶体中，高电价、低配位的阳离子倾向于不 共用多面体要素。
为什么：在硅酸盐矿物中，[SiO4]四面 体孤立或只共角顶，而能与Mg、Fe等 其他阳离子的配位多面体共棱？
Linus Pauling法则(1920)
E、节约原则：晶体结构中本质相异的组分种 类数目倾向于最少。
结晶学上不同位置的数目是小的 并彼此成小的整数比。
为什么离子键占优势的矿物倾向于形成多面 体骨架结构？
按照Pauling法则，阳离子相斥、 配位多面体不共棱不共面的趋势， 迫使多面体彼此远离，形成由各 种多面体连接成的开放骨架。
（2）同一大类不同阴离子（或络阴离子）——类；
同一大类络阴离子的结构——亚类；
（3）同一类阳离子或晶体结构型——族；
同一类结构型相同阳离子不同——亚族；
（4）化学组成和晶体结构均确定——种。
完全类质同象端员组分的差异——亚种。
晶体结构、组分或物性稍异者——异种或变种。
二、晶体化学分类体系
大类 类 亚类 族 亚族 种 亚种
二 维 四 面 体 骨 架
三 维 四 面 体 骨 架
2.1.3共用系数 Sharing Coefficient
——骨架内不对称单位中共用一个角顶的多面体 数目的平均值。
S＝∑imi/C(CN)
=(m1+ 2m2+ 3m3+···+ imi)/ C(CN)
为什么能结合在一个点上的配位多面体的数 目和种类受严格限制？如：
A. 不能有两个以上的[SiO4]四面体共1个氧； B. 只能有3个2价阳离子八面体与1个Si四面 体共1个氧。
Linus Pauling法则(19பைடு நூலகம்0)
C、多面体要素共用a：2个配位多面体共棱， 特别是共面时离子结构的稳定性将降低。
对称堆积结构； 分子结构
2.1 多面体骨架结构 Polyhedral Frame Structures
大多数造岩矿物（硅酸盐）、氧化物、 氢氧化物、硼酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钨 酸盐的组成离子以离子键联系。
阴离子以高对称形式围绕阳离子构成 配位多面体。而多面体以共用角顶氧连成 不同骨架。
2.1.1 Linus Pauling法则(1920) ——离子晶格适用
超基性岩、白云岩水热蚀变产物。 与叶蜡石相似。在素瓷板上滴一滴水，以矿物碎块轻磨 得乳浊液，用石蕊试纸检验，滑石pH约为9，叶蜡石pH约为6。
用于陶瓷、造纸、涂料、塑料、橡胶、化妆品，高频电 瓷绝缘材料；滑润剂，镁质化肥等。
层间域 TOT型
滑
三石
八 面
的
型 性
晶
结体
构
结
构
金红石结构的静电价平衡 滑石结构的静电价平衡
A、原子间距：配位多面体内阳－阴离子 间距由它们的半径和决定，阳离子的配 位数由它们的半径比决定。
为什么小配位多面体更重要？
配位数、配位体与离子半径比允许范围
若干配位体的几何学
阴离子间距为1个单位
Linus Pauling法则(1920)
B、静电价原理：配位多面体内阳离子的 电价为其配位阴离子的电价所平衡。
晶体化学分类体系
第一大类 第二大类 第三大类 第四大类 第五大类 卤化物矿物
大类
类
自然元素
自然金属 自然半金属 自然非金属
硫化物及其 类似化合物
简单硫化物 复硫化物 硫盐
氧 化 物 和 氢 氧化物
氧化物
氢氧化物
含氧盐 卤化物
硅酸盐 [SiO4] 碳酸盐 [CO3] 硫酸盐 [SO4] 磷酸盐 [PO]