矿物岩石学56时第一讲

矿物岩石学（56课时）地球科学院地质系主讲：余少雄联系电话：[phone]Email:[e-mail]办公室：地科楼107课时安排矿物学：6（理论）+14（实验）岩石学：18（理论）+18（实验）教学的最基本的目的：掌握最常见的矿物和岩石的手标本鉴定方法。第一讲1矿物的概念2晶体和非晶体的概念3晶体的基本性质4矿物的化学组成5矿物结构中质点排列的基本规律6类质同象矿物学部分一、矿物的概念ConceptofMineral1．古代矿物的概念：矿写为“—||—”象形当时的采矿工具，其发育为“Kung”，表示采矿的声音。由此将矿物定义为：从矿山采掘出来而未经加工的天然物体称为矿物。2.现代矿物定义：1）自然界各种地质作用（含宇宙作用）产生的单质或化合物；（2）一定的化学成分和内部结构；（3）一定的形态、物理和化学性质；（4）在一定的地质和物理化学条件下稳定；（5）组成岩石和矿石的基本单位。理解要点1矿物是地质作用的形成物，而不是其它途径的形成物；2．我们所研究的矿物是无机的固体化合物和单质，而不是气态、液态及有机化合物和单质；3．矿物具有相对固定的化学成分，但在不破坏内部结构的条件下可有一定范围的变化；4．矿物随环境的物理化学条件变化而变化，一定成分和结构的矿物反映一定的物理化学条件；5．矿物、岩石和矿石是三个不同的概念：矿物是组成岩石的基本单位。矿物是组成岩石和矿物基本单元，显然，岩石是矿物的集合体，岩石和矿石既可以是各种矿物的集合体，也可以是某一种矿物的集合体，矿石与岩石和矿物在概念上的根本不同点在于：具有工业利用价值的岩石或矿物称之为矿石。金刚石石英（水晶）二晶体与非晶体crystalandamorphous水晶方解石1晶体绝大多数矿物都是晶体，只有晶体矿物才具有特定的内部结构；近代应用X射线分析的方法，揭示了大量晶体的内部结构，结果表明：一切晶体，不论其外形如何，化学组成如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都是作规律性排列的。也就是说，只要是晶体，其内部质点都是有规律排列的。前例提到的粗盐（具立方体外形）与细盐（粉状），仅管其外形不同，但它们内部质点Na与Cl的排列规律都是一样的。由NaCl结构模型的观察我们会发现，晶体内部质点的规则排列表现为质点的周期重复（举Na与Cl的周期重复排列的例子）。我们将质点的这种周期性重复排列称之为格子构造。因此，凡是内部质点作规律排列，即具有格子构造的物质即为晶体。综上所述，我们对晶体作出如下定义：晶体是具有格子构造的固体。格子构造是一切晶体最本质的特征。2非晶质体的概念及其与晶体的关系（一）非晶质体的概念：指内部原子或离子在三维空间不呈规律性重复排列的固体。非晶质体不具格子构造，它不是真正意义上的固体，而是一种呈凝固态的过冷凝体。非晶质体如玻璃、琥珀、松香等，这些物质的内部质点的分布类似于液体，在非晶质体的各个部位上，没有任何两部分的内部结构是完全相同的，它们只是统计意义上才是均一的。因此，非晶质体不具有晶体那样的性质。（二）非晶质体与晶体间的转化晶体的格子构造是晶体实现最小内能的结果；晶体只有在得到外来能量时，发生吸热反应，从而吸收热能使之向非晶质转化；当晶体吸收热能达到开始熔化时的温度点即为晶体的熔点，故晶体具有一定的熔点。非晶质体由于内部质点不作规律排列，各部分质点分布的稀疏程度不一，因而熔化各部分的温度就有高低之分，所以，非晶质体不具有一定的熔点。非晶质体中的质点位能较大，故总是趋向于达到最小内能，以便使自身趋于稳定，故非晶质体有自发地转化为晶体的趋向。实验证明，当物体由非晶态过渡到结晶状态时，都是放热反应，这些析出的热能，即为质点多出的位能。结论：对同成分的晶体和非晶体而言，晶体是稳定的，而非晶体是不稳定的，非晶质体有自发地向晶体转化的必然趋势，但晶体决不会自发地向非晶质体转变。3空间格子（格子构造）概念（一）空间格子是从实际晶体构造中抽象出相当点组成的一种几何图形，是晶体格子构造中质点排列规律的形象表征。（二）相当点——质点种类相同，环境也相同的点。（三）相当点的分布体现了晶体格子构造中所有质点的重复规律，并且在三度空间作无限规律重复排列，因而空间格子为抽象的无限几何图形。综上所述，空间格子定义如下：用以表征和研究晶体格子构造中质点重复和生长规律的一种抽象出相当点组成的无限几何图形。晶体（远古年代的定义：自发形成规则形态的物体；（如上图）现代的定义：内部结构具有周期重复性，即具有格子构造的物体。）格子构造（晶体结构的周期重复规律，这种规律是可以用格子状的图形－空间格子表示的。）空间格子（表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形要画出空间格子，就一定要找出相当点。）相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）晶体是内部质点在三维空间周期性重复排列而形成的固体。那么非晶体则内部质点在三维空间不作周期性重复排列而形成的固体。由晶体的格子构造会导致晶体的基本性质。★自限性:晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。★均一性:同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同。晶体是绝对均一性，非晶体是统计的、平均近似均一性。三晶体的基本性质★异向性：同一晶体不同方向具有不同的物理性质。例如：蓝晶石的不同方向上硬度不同。思考：均一性与异向性有矛盾吗？异向性与自限性有什么联系?★对称性：同一晶体中，晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几个部分）有规律地重复出现。例如下面的晶体形态是对称的：★最小内能性：晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。★稳定性：晶体比非晶体稳定。﹡要学会用格子构造规律解释这些基本性质！（请同学们自己解释。）化学组成变化化学组成基本固定的矿物非化学计量矿物化学组成不固定的矿物类质同象矿物含层间水和沸石水矿物胶体矿物如NaCl，Mg(OH)2如Fe1-xS四矿物的化学组成1地壳中元素丰度及其矿物学意义元素在地壳中的平均含量的百分数，叫克拉克值（美国学者克拉克（F.W.Clark）最先提出），可分为：质量克拉克值，原子克拉克值。地壳中元素丰度极不均匀，最多的氧（O）与最少的氡（Rn）含量相差1018倍。地壳中最常见的元素为：O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg这8种，占地壳总质量的99％。地壳中元素丰度地壳中元素的丰度与矿物化学组成硅酸盐:75%,氧化物:17%可以形象地比喻：整个地壳是由O离子作最紧密堆积，阳离子充填在空隙中元素丰度的矿物学意义克拉克值高的元素组成的矿物种含量也高，地壳上的矿物种主要是由前述8种元素组成的硅酸盐（占地壳总质量的3/4）和氧化物（占地壳总质量的1/5）；但是，地壳上的矿物种除了受克拉克值影响外，还要受到元素的地球化学性质的影响：聚集元素：Au、Ag、Bi、Sb等，尽管克拉克值很低，但它们的地球化学性质是趋于聚集的，所以能够形成独立的矿物种，甚至富集成矿；分散元素：Ru、Cs、Ga、In等，尽管克拉克值较高，但它们的地球化学性质是趋于分散的，所以不能够形成独立的矿物种，往往以微量元素混入物（如类质同像形式）赋存于其他矿物种中。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：元素离子类型与矿物化学组成硅酸盐:75%,氧化物:17%（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。如I区的离子，其电子层构型和惰性气体完全一样，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+、Cu2+、Zn2+等均属于过渡元素离子，而其中Cu+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。4化学键与晶格类型化学键就是质点间的作用力。具有不同化学键的晶体，在晶体结构、物理性质和化学性质上都有很大的差异。1）.离子晶格－离子键在离子晶格中，各种元素的原子相互结合时，电子重新配置，电子从一个原子转移到另一个原子，从而形成相对稳定的阳离子和阴离子，它们之间靠静电引力相互联系起来，从而形成离子键。离子键使晶格具有最紧密堆积，有较高的配位数；为了保持电性中和，异号离子保持一定的数量比例；质点间的电子密度很小，对光的吸收较小，光子易通过，表现为透明或半透明、低折射率和反射率、非金属光泽、不导电等；晶体的机械性能、硬度、熔点较高。2）.原子晶格－共价键在此晶格中，原子以共用电子对的方式达到电子壳的稳定。二原子的电子云发生重叠，因而使介于原子间的电子密度增高，形成所谓的负电桥，把带正电荷的原子核联系起来，从而构成了牢固的共价键。共价键中共用电子对通常是由两个原子供给的，但也可以由一个原子单独提供，形成所谓的配位键。晶体结构的紧密程度比离子晶格低，配位数也小；不导电；透明或半透明；非金属光泽；一般具有较高的熔点和较大的硬度。3）.金属晶格－金属键金属原子一般倾向于丢失电子，在金属晶格中，这些电子作为自由电子而弥散于整个晶体中，失去了电子的金属阳离子为自由电子所联系，从而形成金属键。在晶体中有原子、阳离子和自由电子共存。金属键不具有方向性和饱和性，晶格做最紧密堆积，具有较高的配位数。由于自由电子的存在，晶体