第二章 矿物的化学成分

五. 矿物中的水
1. 根据矿物中的水的存在形式及在矿物结构中的作用，矿物中的水 分为吸附水和结合水。在常量元素的分析结果上分别以H2O- 和H2O+。 2. 结合水包括：结晶水和结构水。 3. 具有双重性质的水：沸石水和层间水。 4. 吸附水：是指被机械地吸附于矿物颗粒表面及裂隙中，或渗透入 到矿物集合体中的中性水分子。其不参与晶格中，不属于矿物的化学 组成。矿物中的吸附水含量是不固定的随环境的温度和湿度而变化，， 常压下，在温度为100~110℃条件下，吸附水全部从矿物中逸出而不 破坏矿物的结构。
第二章 矿物的化学成分
一．地壳的化学成分
1. 丰度：地质体中的化学元素含量即为丰度。 2. 克拉克值：地壳中化学元素的含量即为克拉克值。 3. 地壳中分布最广的八种元素:详见表2-1，前八种元素总量占99% 以上，因此可以说地壳主在是由这八种元素所组成。但人们常要开 采的重要矿产资源如：铜、铅、锌、金、银、铀、钨等矿产资源都 不在此八元素之列。 4．聚集元素：有一些元素虽然丰度值低，但它们趋于集中，易形成 独立的矿物，甚至富集成矿床，这些元素即为聚集元素，如：Sb、 Bi、Hg、Ag、Au等。 5．分散元素：有一些元素虽然丰度值高，但它们趋于分散，很少形 成独立的矿物，常常作为微量元素的混入物赋存于其它矿物中，这 些元素即为分散元素，如：Rb、Cs、GA、In、Sc等。这些元素多为 碱金属、碱土金属元素等。 6．小结：地壳中矿物形成不仅与丰度值有关，还与矿物的地球化学 性质有关
四. 胶体矿物的成分
胶体矿物是以水为分散媒，以固相为分散相的水胶凝体而形成的 非晶质或超显微隐晶质的矿物，前者如蛋白石（SiO2.nH2O），后者 如大多数粘土矿物。严格地讲，胶体矿物只是含水量吸附水的准确 性矿物。
由于胶体微粒非常小，具有极大的比表面积和很高的表面能，具有吸 附其他物质和自发地转化为能量更低的结晶质的趋势。另外，由于胶 体表电荷未达到平衡，要吸附带电离子，以达到电荷平衡。由于这两 方面，胶体矿物随着时间的推移，胶粒逐步长大，变成隐晶质，最终 变成显晶质矿物。这种胶体矿物老化形成的隐藏晶质和显晶质矿物称 为变胶体矿物。 由此，胶体矿物的化学元素组成是可变性和复杂性。这种化学成分 的复杂性，表现在含水量的可变性和被吸附的离子数量的可变性。
三．矿物化学成分的变化
1. 化学计量矿物：在自然界中只有很少的矿物其化学成分是相当固 定的，其化学组成遵照定比定律和倍比定律，这一类在各晶格位置 上的化学组分遵循定比定律，具有严格化合比的矿物称为化学计量 矿物。如水晶，其化学成分为纯SiO2。有的矿物虽然化学成分是变 化的但遵循定比定律，如橄榄石（Mg，Fe）2SiO4 2. 非化学计量矿物：自然界中许多矿物，特别是某些含有变价元素 的矿物，其矿物成分偏离理想的化合比，这是由于在不同的氧化还 原条件下，价态会生变化，为了电价平衡，矿物内部出现某种晶格 缺陷， 从而使其化学组成偏离化学计量的定比定律，如磁黄铁矿Fe （1-x）S，x变化于0~0.125。这类矿物就是非化学元素计算所矿物。
5. 结晶水：是以中性水分子形式存在于矿物晶格中，它是矿物化 学组成的重要组成 部分，水分子在矿物中是固定，与其他成分的 含量常成简单的比例关系。 结晶水以一定的配位形式环绕小半径的阳离子，形成水化阳离子， 使阳子的体积增大，从而与其他大的阴离子形成稳定的结构。 结晶水参与了晶体结构，结合牢固，脱水温度很高，一般为 200~500℃，个别矿物达600℃。由于结晶水参与了矿物的结构，脱 水后晶体的结构遭受破坏，从而形成新的结构或熔融。 6. 结构水（亦称化合水）：是指以(OH)+、H+、(H3O)+ 离子形式存 在于晶格中的一定位配位位置上，并有确定的含量比，其中以最为 常见，主要存在于氢氧化物和层状结构硅酸盐等到矿物中。如水镁 石Mg(OH)2、高岭石Al4[Si4O10](OH)8等矿物中。 结构水在晶格中与其他离子结合非常牢固，常压下脱结构水温度 很高可达600~1000℃，在高压下甚至可达1200~1400℃。脱水后晶 格遭受破坏，并有可能伴随有熔融的出现。 7. 层间水：是存在于层状结构矿物硅酸盐（如某些粘土矿物）晶 体结构中结构层之间的中性水，它们主要与层间阳离子结合成水合 阳离子。
表2-1
元素 质量克拉克值/(%)
地壳中克拉克值最高的前八种种元素
原子克拉克值/(%) 元 素 质量克拉克值/(%) 原子克拉克值.55
Ca
3.63
1.94
Si
27.72
21.22
Na
2.83
2.64
Al
8.13
6.47
K
2.59
1.42
Fe
5.00
1.92
Mg
2.09
1.84
二．元素的离子类型
1．惰性气体型离子：即外层电子为2或8电子的离子，外层电子构型 为1S2或n S2n P8，与惰性气体原子的外层电子构型相同，故称为惰 性气体型离子。主要有碱金属、碱土金属、一些非金属离子。碱金 属和碱土金属元素的电离势较低、离子半径大，易与氧及卤素元素 以离子键结合，形成含氧盐、氧化物和卤化物。这类元素离子半径 大，极化能力低，与氧或卤素元素形成离子键为主的化合物。因此 这类元素也被子称为造岩元素、亲石元素、亲氧元素。 2． 铜型离子：即外层电子为 18个电子或18+2个的离子，外层电子 构型为nS2nP8 nd10或nS2nP8 nd10 （n+1）S2，与铜离子相似，故称为 铜型离子。本类离子的半径小、外层电子多，极化能力很强，易与 半径大、又易被极化的S2-结合生成共价键为主的化合物，主要形成 金属矿物，因此这类元素也被称为造矿元素、亲硫元素、或亲铜元 素。 3．过渡型离子：即外层电子为9~17的离子，外层电子构型为 nS2nP8 nd1~9。各种特性介于前两者之间。
2. 晶体化学式的书写原则：晶体化学式是最常用的，晶体化学式的书写原 则为： (1) 阳离子在前，（络）阴离子在后，络阴离子用方括号，如石英SiO2、 方解石Ca[CO3] (2) 对复化合物，阳离子按其碱性由强到弱、价态由低到高排列，如白云 石CaMg[CO3]2、磁铁矿FeFe2O4（即Fe2+Fe3+2O4）。 (3) 附加阴离子写在阴离子和络阴离子之后，如白云母 Kal2[（Si3Al） O10]（OH）2。 (4) 中性水分子写在化学式最后，当含水量不固定时，则用nH2O或aq表示， 如石膏CaSO4· 2H2O (4)类质同象替代的离子用圆括号，并依含量的多少顺序按列，以逗号分隔。 (5) 在具体书写矿物的结构式时，习惯上将其具体数值分别写在各元素之 右 下 角， 类质同象之间不再用逗号分隔 。如某单斜辉石的晶体化学式 (Ca0.960Na0.040)1.00(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030Mn0.020Ti0.020)1.000[(Si1.920Al0 .080)2.00O6 3. 矿物晶体化学式的计算方法及实例：（略）
8. 沸石水：主要存在于沸石簇矿物晶格中的宽大的空腔和通道中的 中性水分子，与其中的阳离子结合成水合阳离子，与层间水性质相 近，沸石水也兼有吸附水和结构水的性质。 9. 研究矿物中水的方法：热分析方法及红外吸收光谱、X射线衍射、 电子衍射和中子衍射
六. 矿物的化学式及其计算
1. 矿物的成分的表示方法：矿物的化学成分是以化学元素符号按一 定的原则书写出来，是以单矿物化学成分分析所得出的各种组分相 对百分含量为基础而计算出来的。具体有两种表示方法：实验式和 晶体化学式。实验式只表示矿物中各种氧化物的种类及其比例，不 能反应矿物中各组之间的相互关系，如石膏CaO· SO3· 2H2O；目前用得 最多的是晶体化学式（即结构式），它即能表明矿物中各种组分的 种类及其数量比，又能反应它们在晶格中相互关系及其存在形式， 如石膏的结构式为CaSO4· 2H2O。