第二章-岩石与矿物PPT课件.ppt

第二章 矿物与岩石一、矿物的概念 矿物（mineral）是地壳中的化学元素经各种地质作用形成的，并在一定条件下相对稳定的单质和化合物。如金刚石，石英、长石和高岭石。矿物具有较均一的成分和内部结构，也多具有一定的几何形态、物理性质与化学性质。矿物是岩石的组成单位。到目前为止，地球上已发现矿物33003300多种，加上异种、变种达70007000余种。晶体：石英、长石、高岭石、辉石、角闪石、金刚石、刚玉、大理石;非晶石：燧石、鲕铁矿（胶体沉积，非晶体结构）水、石油、天然气不在矿物，矿物之列，属于自然资源。矿产：相对于一定经济条件的具有工业价值的矿床、储量、品位、开采条件、成本、技术、稀缺程度。矿床（mineraldeposit）由地质作用形成的、有开采利用价值的有用矿物的聚集地。包括地质的和经济的双重含义。矿床是地质作用的产物，但又与一般的岩石不同，它具有经济价值。矿床的概念随经济技术的发展而变化。19世纪时，含铜高于5的铜矿床才有开采价值，随着科技进步和采矿加工成本的降低，含铜0.4的铜矿床已被大量开采。1.有人把液态的(如自然汞)、气态的（如火山喷气）以及有机物（如琥珀）算作矿物，但它们仅有数十种。绝大多数矿物都是无机化合物和单质，仅有极少数是通过无机作用形成的有机物（如草酸钙石等）。来自地球以外其他天体（如月岩及陨石）的天然单质或化合物，称为宇宙矿物。由人工方法合成，而各方面特性均与天然产出的矿物相同或类同的产物，如人造金刚石、人造水晶等，称为人工合成矿物。矿物原料和矿物材料是极为重要的一类天然资源，广泛应用于工农业及科学技术的各个领域。人造矿物（工艺矿物）实验室条件下和生产工艺过种中，得到的人工合成的矿物，非地质作用自然产物，但在成分和性质与自然类似。如SiC和莫来石。注意：SiC在陨石中发现过(莫桑石），但地球上还没发现天然的SiC，莫来石，是典型的工艺矿物，日用陶瓷的主晶相。人造宝石：红宝石，蓝宝石，金刚石，祖母绿等名贵宝石，自然界资源很少了，物以稀为贵，加上利益的刺激，很多人造的，尤其是红宝石，蓝宝石（主要成分都是Al2O3),市场上大约有85%是人造的。（晶体生长理论）随着科学技术的发展，一方面，矿物的开发利用与研究越来越显示它的重要作用，矿物的用途越来越广泛；另一方面，新型生产过程又可以生产出许多的工艺矿物，需要人们更深入研究，开发利用。2.二、矿物的化学成分与化学式（一）矿物的化学成分 矿物在形成过程中及形成以后，要经历多种地质作用，迁移、分散、聚集。自然环境对矿物有很重要的影响，矿物的组成成分也很复杂。只有少数矿物由同种元素组成。矿物按化学成分分为两类：单质与化合物。11单质矿物 单质是由同种元素自相结合而成。这类矿物的元素以原子状态存在，如自然金、自然铜、石墨、金刚石。它们在整个矿物种类中，只占极小一部分。22化合物 由两种或两种以上的元素化合而成的一类矿物。在矿物中占绝大多数，按其组分可以分为几种类型。A A、简单化合物 由一种阳离子与一种阴离子化合而的矿物，如很常见的硫化物、氧化物。B、络合物 由阳离子和一种络阴离子化合而成的矿物，如硅酸盐、碳酸盐 C、复化合物 两种或两种以上的阳离子与阴离子或络阴离子组成的化合物，如白云石（CaCO3），橄榄石(FeMgSiO4)。3.（二）矿物的化学成分和结构的变化1 类质同象 类质同象是矿物在晶体形成过程中，晶体中的某些质点（离子、原子、络阴离子或分子）的位置，被类似的质点占据后，只是稍微改变其晶格常数，而不改变其晶格类型。具有类质同象的晶体很象两种固体的均匀混合，又称为固溶体。掺杂（不能是机械混合物、包裹体，而是占据晶格节点的位置。或者说进入晶格内部。Fe3+掺杂一定量后引起了TiO2的结构变化-相变）4.TiO2和1.0%Fe2O3/TiO2的XPS全谱（a）和窄扫描谱（b）Fig.5 XPS Spectra of TiO2 and 1.0%Fe2O3/TiO2a:scanning in wide range;b:scanning in narrow rangeXPSXPS是表面分析，对表面的组成进行价态和含量分析5.类质同象替换有三个条件：A、互相替换的原子或离子半径相等或相近；B、互相替换的原子或离子类型及极化性相似；C、互相替换的离子的总电价相应。（也可以置换的离子价态不同，但要借 助其他离子来平衡电价，OH-，F-，Cl-,Na+,K+等，所以矿物的化学成分应 该是相对稳定的，有一定量的杂质离子。）2 类质同象类型A、完全类质同象：组分间可以任意相互取代，以至完全取代。如橄榄石中的铁与镁。(Ca,Mg)(CO3)3中的Ca和MgB、不完全类质同象：替代组分受量的限制，不能完全取代。如闪锌矿中铁可代锌，但不超过30。C、异电价类质同象。6.3 同质多象 同种化学成分的物质在一定的外界条件下可以生成内部结构、形态、物理性质均有差异的矿物的现象称为同质多象。在同质多象中，每一种矿物称为一种同质多象体，它们各自为一种独立的矿物。如碳可以是石墨，也可以是金刚石,也可以是无定形碳，碳纤维或碳纳米管结构。二氧化硅的同质多象更多，它们是在不同的温度压力条件下形成的。相变：成分不发生变化，但晶体结构明显不同，ZrO2,TiO24 胶体吸附作用 对于某些胶体矿物，因胶体的吸附作用，会引起矿物的化学成分的变化。胶体是一种微小团粒，具有很强的吸附作用，能吸附多种离子。胶体矿物有蛋白石，软锰矿等。7.纳米TiO2的TG和DTA热分析图The results of TG of nano-sized TiO2纳米TiO2不同温度处理下的红外光谱图 The IR-spectra of nano-sized TiO2 atdifferent heated-treatment temperaturea:sol at room temperature;b:100;c:200;d:300;e:400;f:5008.5矿物中的水 矿物中不同形式存在的水，影响矿物的化学成分与结构。水的形式有：A、吸附水 因吸附而存在于矿物的裂隙中，不进入晶格，加热到100110度即可全部释放。粘士矿物中的吸附水，SiO2胶体吸附的水SiO2.nH2O（玛瑙研么不能在烘箱中烘干)。B、结晶水 以分子形式存在于晶格中，占一定的位置，多出现于大半径络阴离子含氧盐中，含结晶水的矿物失水温度较高（100300），但不超过600度。随脱水晶格被破坏。H2O分子可以占据晶格中的结点位置 CuSO4.5H2O（胆凡）、Na2CO3.10H2O（苏打）、CaSO4.2H2O（石膏）CuSO4.5H2O吸热峰的面积比=2：2：12H2O：2H2O：H2O结晶H2O的失去温度较高，一般在100300C之间C、结构水 以离子形式存在于矿物晶体结构中，数量固定，占一定的结构位置，在高温下（6001000）才失水并结构随之瓦解。(解释：TiOTiO2 2的红外光谱中500500下还有-OH-OH吸收，TiOTiO2 2表面羟基化的意义）矿物的脱水与吸附的特性人们早已利用，如石膏造型，膨润土吸附等。9.E、沸石水（重要）存在于沸石族矿物中的中性水分子。占据其空洞与孔道。加热到400800脱水，只引起物性变化，可重新吸水。沸石有特殊的结构孔道体系，表面积大，孔道内的水很难失去，一般要在400以上，甚至1000D、层间水 是层状硅酸盐矿物结构层之间的中性水分子。加热脱水，层间距离变窄，又可重新吸水，蛭石矿物，层间吸水膨胀，象水蛭一样。黏土矿物，层间吸水，层间可以膨胀，滑移，显示塑性。加热有明显的起泡沸腾现象，所以取名沸石（补充资料，详细讲解）瑞典矿物学家B.克朗斯特（B.cronst 1756年）发现命名。沸石：是沸石族矿物的总称，是一种含水的碱金属或碱土金属架头硅酸矿物，已发现的沸石族矿物有40多种，目前利用较多的是斜发沸石和丝光沸石。沸石族矿物的一化学结构为：AmBqO2q.Nh2oA=Ca,Na,K,Ba,Sr B=Al,SI q=阳离子电价 m=阴离子数 n=水分子数 钠沸石：Na Al2Si3O10 .3H2O 斜方 钙沸石：Ca Al2Si3O10 .3H2O 单斜 方沸石：Na AlSi3O6 .H2O 等轴 菱沸石：(Ca,Na2)Al2Si4O12 .6H2O 三方 片沸石：(Ca,Na2)Al2Si6O16 .5H2O 单斜10.沸石族矿物硬度较低（3.5-5.5），相对密度小,空隙率大，多呈淡红色、淡黄色、浅绿色、无色；具玻璃光泽（透明）纤维状的呈丝绢光泽。准确鉴定需要借助X-RAY，光学显微镜，热分析（失水的特征温度），红外光谱。Na，K，Ca处于离子状，Si-O4 四面体中的Si有一部分被Al取代，结构比较松散，还有些结点被H2O占据，Na+、K+、Ca2+易被其他离子取代，所以工业上与K+或NH+4的交换容量作为工业指标（沸石在我国尚处于摸索阶段，无严格的工业要求）。边界指标：K+交换量大于等于10mg/g，或NH+4交换量大于等于100mmol(毫克当量)/100g（相当于沸石总量的40%）工业指标：K+交换量大于等于10mg/g；NH+4交换量大于等于130mmol(毫克当量)/100g（相当于沸石总量的55%）沸石具独特的结构和结晶化学性质，显示其特殊的工业技术特性，如离子交换性能、吸附分离性能、催化性能、稳定性能。沸石在我国利用程度低，99%的沸石矿主要用于水泥掺合料，在立窑中改善水泥的安定性，提高水泥质量，增加水泥标号节约能耗的作用。由于比重低，是很好的轻质填料11.沸石的结构与其工艺技术特性的关系 沸石结构的基础是硅（铝）氧四面体，硅氧四面体SiO4 是由一个硅离子和与之成四面体配位的四个氧离子乐形成。SiO4 中的Si4+可以部分地被Al3+所置换，置换后则形成AlO4，带有负电荷（Al3+多带一个负电荷）SiO4之间只能通过公用顶点（既氧离子，又称氧桥）相连接，而不能用共用模或面连接。两个AlO4一般不能直接连接。SiO4在平面上通过氧桥连接形成各种封闭的环。由4个SiO4围成的环形称为四元环，依此类推有五元环、六元环、八元环、十元环、十二元环等。上述众多的硅四面体环，再通过在三度空间上相连接，则形成各种形状规则的多面体，构成沸石的孔穴或笼。如立方体笼、六角柱笼、八角柱笼、八面沸石笼。这些笼或环，在三度空间中以不同的方式连接和组合形成了沸石的一维、二维、三维孔道体系。一维孔道体系的代表浊沸石：SiO4由四元环、六元环和十元环组成，最大的能道为平行A轴的十元环，孔经4.0-5.6A。二维孔道体系的代表丝光沸石：它是由四、五、八、十二元环组成，主孔道平行C轴（十二元环），最大孔经7.0A，最小孔经为5.8A，平均6.6A，主孔道间平行B轴的八元环，八元环排列并不规则，孔经也较小（约有2.8A）。故丝光沸石吸附分子是通过主孔道进发的。12.三维孔道体系的代表八面沸石：八面沸石的结构比较复杂，它是由笼按金刚石中碳原子的四面体方式排列的。笼之间则通过六方柱笼相连，从而完成一个八面沸石笼。八面沸石又通孔经7.4A的十二元环与之相邻的4个八面沸石笼相通，形成四通八达的三维也道体系。以上沸石的骨架结构情况，在骨架外还存在一些碱金属离子。这些阳离子是由于骨架中Si4+被Al3+取代后，为平衡多余的负电荷而进入沸石中的，此外在沸石的各种孔道和孔隙中，还充满了大量的“沸石水”，当加热沸石时，这些水将逸去，留下空旷的孔道和孔穴，使沸石具有很多特殊的性质。A、A高效吸附性及分子筛效应（分子筛和介孔材料）沸石内部存在大小均匀的相互联通的孔道和孔隙，它们孔经一般比较小，在几个A十几个A，处于脱水沸石的孔道、孔穴中的分子，受到各方面孔壁表面的吸附，便产生孔壁场迭加，形成超孔效应，使沸石具有特别强的色散力，由于原子所受的引力不平衡，存在这剩的自由能。沸石的空旷结构，静电力和色散力的共同作用是沸石具有高效吸附性的原因。沸石分子筛效应：沸石的孔道和孔隙，不象一般多孔性物质（如活性炭、硅胶），而有因定的尺寸大小，规则的几何形状。而且孔隙大小在几个A十几个A，直径比沸石孔道直径小的分子可以进入孔穴，大者则被拒之门外。使沸石具有分子筛效应。13.B B 阳离子交换能力 沸石骨架外的阳离子，可以与其他阳离子进行交换，而且这种交换具有选择性，因此，沸石是极好的无机离子交换剂。影响因素：Si/Al比，孔穴大小，阳离子位置以及进行义换阳离子的性质。Si/Al比高Si多Al少SiO4中形成负电荷少进入沸石的阳离子自然少交换容量低。孔道大小：如方沸石孔道为2.6A，凡阳离子直径小于2.6A都可进入沸石交换，大于2.6A则不能进行交换。（显然与孔道大小有关）阳离子位置：一方面：静电作用，沸石结构中最稳定位置的阳离子首先被交换（因为具静电力、色散力大）。另一方面：位于大笼中的阳离子易被交换，位于小笼中的阳离子交换困难，甚至交换不了。进行交换离子的性质：与离子半径和电阶有关，大半径的离子对孔道的屏密作用大，使沸石的有效孔径相对变小，交换能力就低（Ca2+2K+可使部分孔穴被击空增加有效孔径）。14.C C 催化活性 沸石英具有高的催化活性，而且耐高温，耐酸和抗中毒性，是良好的催化剂和催化剂载体。沸石的催化性能，主要与结构中的酸性位置（路易斯酸活性中心）、孔道体系、孔穴大小和阳离子交换能力有关。为中和AlO4-负电性，而进入沸石的阳离子，使沸石晶体产生局部高电场和格架上酸性位置，格架中的Al、Si、O和格架外的金属离子一起组成催化活性中心。由于金属离子处于高度分散状态，使沸石的活性和抗中毒性比一般金属催化剂要高。结构中相互连通的孔道和孔穴，使反应分子自由扩散创造了有得的条件，特别是三维体系孔道的沸石，更有利于反应出或产物的出入。所以在石油炼制中广泛使用沸石作催化剂，催化重整。催化裂化、氢化裂化、石油化工的异构化、重整、烷基化、歧化和烷烃环化等作用。沸石还是大量使用于建材工业部门，主要用作水泥原料、轻质砖瓦、固结材料。沸石作水泥的掺合能提高水泥的质量、改善水泥的安定性。此外沸石还用于土壤改良剂，饲料加剂、造纸、塑料、树脂、涂料等工业中作充填剂，也是陶瓷原料之一。沸石的潜在用途很大，是一种大有作为的非金属矿产资源。15.补充介孔材料（Mesoporous Materials)Mesoporous Materials)1、介孔材料的结构特点及性质周期有序的多孔材料在许多领域具有广泛的应用，按孔径分布可把多孔材料分成3类：大孔材料、介孔材料和微孔材料，其中介孔材料的孔径分布为1-25nm1-25nm（孔半径）。介孔分子筛的结构和性能介于无定形无机多孔材料和具有晶体结构的无机多孔材料之间，它具有比表面积大、孔隙率高、孔径分布窄，而且在结构上具有短程即原子水平无序，长程即介观水平有序的特点，在X射线衍射图谱上低角度方向有强的Bragg衍射峰是介孔材料的结构特征。这种孔的孔径正好位于纳米尺度范畴，它可以是结构性的有序孔，也可以是颗粒团聚过程中形成的间隙孔。前者属于结构性的介孔，后者属于随机性的介孔。其中具有有序介孔结构的骨架规整的多孔性物质，一般称为介孔分子筛，如M41SM41S系列的介孔分子筛。由于介孔材料的其孔径容易控制，在催化、吸附、分离等领域具有广阔的应用前景，因而它的出现立即引起了人们的关注，成为当今研究的热点和前沿之一。16.2 2 硅型介孔分子筛 1992年,美国Mobil公司首次通过添加表面活性剂成功地合成了有序介孔硅分子筛,从而开创了材料科学新的研究领域。这种新型的介孔分子筛具有稳定的骨架结构，排列有序，孔径分布窄等结构特点。此外与经典的沸石分子筛相比，介孔分子筛不仅具有较大的孔径，同时还具有较大的比表面积（约1000m2/g）,大的孔容(0.8cm3/g)和孔径大小可以由实验条件的不同任意调节等许多优点。因此该材料一经问世，即引起从事多相催化，吸附分离以及高等无机材料等学科领域研究人员的高度重视。M41S系列硅基分子筛主要包括以下三种：六方相的MCM-41MCM-41；立方相的MCM-48；层状的MCM-50。其中研究和应用最广泛的介孔分子筛是六方相MCM-41 17.3 3、制备方法（化学自组装，模板法）长链的阳离子型模板剂是形成介孔分子筛的模板剂，它们在水溶液中形成圆柱状结构，表面活性剂亲油的一端聚在中间，亲水的一端分散在外。正硅酸乙酯水解或氧化硅溶解生成SiO44-，硅物种SiO44-与表面活性剂亲水一端以静电吸引而靠近并且相互作用。与此同时，SiO44-之间也相互作用，缩合，在表面活性剂胶束外，围绕着胶束搭成无机端，最终形成六方相结构。图1-4是MCM-41的形成过程示意图。从直观的高分辨电镜照片上可以得知六方相的MCM-41MCM-41孔道特征：孔道截面呈六角形，孔道为一维线性直孔道且排列规则整齐。18.TiOTiO2 2介孔材料 溶胶-凝胶法因很难准确控制材料沉淀和晶化的倾向，一般很难形成介孔TiO2，在去除有机模板剂的同时，TiO2的晶化会导致介孔结构的倒塌和破坏。尽管不少人尝试合成热稳定介孔TiO2材料，但只有很少成功的报道。1995年，Antonelli和Ying12首次合成了热稳定的有六面体结构的介孔TiO2材料，其中烷氧基钛和磷酸根阴离子基团强烈地相互作用是形成介孔结构的关键，提出了合成非硅系介孔材料的共价键液晶模板机理 POPO4 43-3-可以稳定介孔结构。磷酸根或硫酸根往往牢固地键合于分子筛骨架，使该法所得介孔结构实际上为磷酸氧钛或硫酸氧钛型介孔结构，这类杂原子的存在改变了纯氧化钛介孔分子筛的表面结构，很大程度上改变了二氧化钛介孔分子筛的氧化还原、水解及晶相转化能力，同时，也影响其热稳定性的大小。19.图X 形成非硅系介孔分子筛的共价键液晶模板机理Fig.X LCT mechanism of non-silicon meso-sieve 20.介孔材料的表征5nm21.22.（三）矿物的化学式 矿物的化学式是表示矿物化学成分的方式。有：1 实验式 表示矿物化学成分中各组分之间的原子数量之比的化学式叫实验式，或用元素的简单氧化物组合形式表示。如方解石CaCO3表示为CaO.CO2。实验式只反映矿物中主要组分的分子数量之比。2 结构式 结构式又叫晶体化学式，不仅表示矿物组成元素种类及原子数之比，又反映原子在晶体构造中的相互关系。书写形式为：A 阳离子写前，顺序为碱性由强到弱，同种元素电价由低到高。B 阴离子写后，用括起。C 多种阴离子时，主要者写前。D 类质同象替换离子用（，）隔开，多者写在前。E 水分子附后，结晶水要表示出水分子数。23.三 矿物的形态及物理性质（一）矿物的形态A 矿物的外部形态是由矿物的化学性质及内部结构决定的，同时受环境的制约，不同的矿物形态各异，相同的条件下形成的同种矿物形态相同。所以形态也是矿物的鉴定标志之一。矿物的形态分析是岩相分析的重要内容，矿物的结晶性、双晶规则、集合体形态都是说明矿物的外形。矿物的理想形态是单形，但大多数矿物都是不按单形产生的，与结构的晶体生长环境有很大的关系 结构和形体的关系：角闪石、辉石这类矿物是链状硅酸盐。络阴离子团成链状排列，晶体生长习性为一面延伸，形成纤维状、细柱状。片状云母，石墨等 此外，晶体中最发育的晶面是面网密度较大的面网或行列（布拉维法则）晶体单项形生长发育也尊循这一规律。食物、石榴石就是如此。矿物晶体的结晶形态，还受结晶空间的影响，所以常常是长出歪晶，但理想形态相比，对应方向上的晶面夹角是相等的，受空间格子构造控制，通过面角守恒定律可以恢复晶体的理想形态。由于存在条件变化，原来的晶体可能发生变化，包括成分和结构的变化，但晶体的外形还保持原来的形态结晶假象B 矿物的形态有单体形态、连生体形态、集合体形态。24.1 单体形态 自然界中的矿物单体即晶体的理想形态，如单形与聚形。同成分矿物在相同的环境下能长成一定的习见形态，这称之为结晶习性。按矿物的三度空间的发育程度，可以分为三类结晶习性：A 一向伸长，晶体一个方向伸长成柱状、针状、纤维状。B 二向伸长，晶体面状发育，成板状、片状。C 三向等长，晶体发育成等轴状、粒状 矿物结晶虽有一定习性，但受环境影响也较大，如石英在不同条件下可以发育成不同形态。一维：电气石、石棉（蓝晶石、矽线石、红柱石）、刚玉（柱状、针状、纤维状）（a=bc）三维：等轴晶系矿物、金刚石、萤石、石榴石（粒状）（a=b=c）矿物的形态与形成条件有关环境：晶体的形态与与其生长发育的关系较复杂，主要表现为争夺结晶空间。还与浓度、温度、时间有关。但是，晶体形态有个特点，不管生长环境和结构的影响，晶面彼此之间的关系、相对位置和角度关系是理想形态一致的（非理想形态也叫“歪晶”）。石英的理想形态，复三方双堆，不管歪晶怎么歪，各个面角之间的夹角是不会改变的（面角守恒定律）。25.2 矿物的集合体形态 集合体形态是指多个单体聚集在一起的整体形态。分为柱、片、粒等。水晶晶簇，纤维状集合体的石棉（石膏也有纤维状、针状聚合体），片状石墨组成的块状集合体，粒状橄榄石，泉华状的白云石，柱状石磷灰石Ca5PO43（OH）26.3 矿物的连生体形态 （聚形分析，是同种矿物，否则就是矿物之间大接触关系）矿物的多个单体规则连生在一起，称为连生体，常见的有双晶。双晶是两个或两个以上的单体按一定的对称规律构成的连生体，它有双晶面、双晶轴、双晶中心。双晶可分为简单双晶、聚片双晶、穿插双晶等。长石的卡斯巴双晶（教材P47 图2-6(a):专指长石类的矿物，以Z轴为双晶轴的双晶。（卡斯巴：地名）石英的巴西双晶：一个左形和一个右形的石英晶体，按平行Z轴的方向规则连生。石英的空间群是P32(L33L2),无对称中心，但左右形规则连生，就使聚合体产生了一个相当于对称中心的对称，所以没有压电效应。由于左右形的光性方位不一致，光线进入巴西双晶中会不断折射，不能做光学材料。石英的道芬双晶：指石英的两个左形或者两个右形按平行Z轴的方向规则连生（结合面不整洁）。同样不能做压电水晶，但由于两个单体的光性方位是一致的，可以做光学材料。双晶的规则连生和接触方式，用肉眼判断比较困难，但在偏光现微镜很容易看出来，因为他们的光光性方位不同，不可能同时明暗和消光的，有明暗的不同，其明暗的界面，就是双晶的接触面。27.（二）矿物的物理性质 矿物的物理性质由其化学成分、内部结构所决定。是鉴定、利用矿物的主要依据。1 光学性质 矿物的光学性质是矿物在光的作用下所表现出来的各种特征。主要有以下几个方面：A A 矿物的透明度 矿物的透明度是指矿物在0.03mm厚度下的透明程度。矿物可分为透明矿物、半透明矿物、不透明矿物。一般金属矿物为不透明矿物(吸收性晶体，光线的强度随着传播的距离按指数级减弱和消失，不能透过晶体0.03mm），非金属矿物为透明矿物(光线的强度随传播距离减弱不明显，能透过0.03mm,光强变化不大）。光强I与透过晶体距离x的关系：-dI=aIdx(a为比例常数，与晶体的种类有关）dI/I=-axln(Ix/I)=-axIx=Ie-ax金属矿物：吸收率高，不透明，Fe3O4,FeS2非金属矿物：吸收率低，透明或半透明。28.B B 颜色 矿物的颜色是矿物对白光中的不同波长选择性吸收的结果。透明矿物的颜色是透射光的混合色，不透明矿物的颜色是反射光的混合色。根据产生颜色的不同原因，可将矿物分为：自色矿物本身固有的颜色。自色产生的主要原因是含有色素离子。如二价锰离子呈玫红色，三价铁离子呈红褐色，二价铜离子为绿色。不含色素离子的矿物为白色或无色。内部结晶缺陷也能引起自色。自色是鉴定矿物的依据。水晶孔雀石狗头金29.他色由外来带色杂质或气泡等引起的颜色。与矿物的本质结构及成分无关。绿柱石玛瑙黑云母金红石刚玉30.假色入射光受矿物内部解理或表面薄膜的反射干涉所呈现出的颜色。烟晶，紫晶的颜色都是由于晶体结构的缺陷造成的（色心）（位垒）珍珠的珠光效应，云母珠光颜料的制备（表面薄膜反射干涉引起的）“和氏碧”的变彩，钻石的火彩（色散）31.C C 条痕 矿物的粉末的颜色。即矿物在白色无釉瓷板上刻划后留下的粉末的颜色。条痕能消除假色，减弱他色，也使矿物颜色更固定。FeS2墨绿色，Fe2O3樱红色 透明矿物与半透明矿物条痕均为浅色，无鉴定意义。D D 光泽 矿物表面对光的反射能力（R）。根据反射能力由强到弱的顺序，可将矿物的光泽分为以下几个等级：金属光泽 R大于25，如同金属制品所呈现的颜色，耀眼反光，其化学成分多为重金属的自然元素或硫化物。古代铜镜，辉锑矿SbSb2 2S S5 5（典型矿物）半金属光泽 R2519，反射能力强但不及金属光泽，此类矿物为某些金属的氧化物或硫化物。典型矿物赤铁矿Fe2O3 金刚光泽 R1019，反射能力较强，象金刚石一样光辉灿烂。典型矿物金刚石、锆英石ZrSiO4 玻璃光泽 R小于10，反射能力较弱，表面象玻璃一样反光清沏，具有玻璃光泽的矿物全为透明矿物。典型矿物石英、萤石。矿物的光泽是矿物平坦表面或解理面对光的反射能力，当矿物表面不平坦或为集合体时，由于光的反射及内反射等光学现象，常产生一些特殊（变异光泽如油脂光泽、丝绢光泽32.2 矿物的力学性质 矿物的力学性质是矿物在外力的作用下所表现出来的各种性质。有鉴定意义的力学性质有硬度、解理、断口、比重。A A、断口 矿物受力以后形成的不规则的破裂面。无解理的矿物断口发育，如石英为贝壳状断口。常见断口有贝壳状，锯齿状，平坦状。一般结构致密且均匀者断口贝壳状，结构均匀而松散者断口为平坦状，各向异性差异大者多呈锯齿状，参差状33.B B、解理 矿物的解理是矿物在外力作用下，总沿着一定的结晶方向裂开成平直光滑的面的性质。裂开的平直面叫解理面。解理是矿物异向性的表现，内部质点排列的方式不同是决定解理的重要原因之一。解理面一般平行于面网密度最大的面，平行于电性中和的面，平行于化学键性最强的方向。解理的夹角是有鉴定意义的（辉石和角闪石）解理的程度可以分为五级：（肉眼一般分三级：完全、中等和不发育）极完全解理：解理面平直、光滑。如只有一组的云母(001),石墨(0001)。完全解理：解理面显著、平直。如方解石(1011)，棱面有三组。中等解理：解理面清楚，但有不平整阶梯和锯齿状。如长石，辉石，角闪石 不完全解理：解理面不明显，断续可见。如橄榄石。极不完全解理：不能裂开成平直的面，如石英。34.C C、硬度 硬度是矿物抵抗外力的机械作用（如压入、刻划、研磨等）的强度。是较固定的物理性质。一般常用互相刻划的方法测量矿物的相对硬度。国际上通用选用十种标准矿物，从硬度最低的滑石到硬度最高的金刚刚石依次排列成十级。这个相对硬度系列称为摩氏（Mohs)硬度。排列前面的矿物可以被后面的矿物刻划。摩氏硬度与压入法绝对硬度比较代表矿物硬度等级 数值代表矿物硬度等级 数值滑石1 24 石膏 2 36方解石 3 109 萤石 4 189磷灰石 5 536 正长石 6 759石英7 1120 黄玉 8 1427刚玉9 2060 金刚石 10 10060绝对硬度单位：每平方毫米公斤 刻划过程中的滑感和阻涩感的判据 硬物的绝对硬度是通过显微镜硬度计来测定的35.D D、密 度 密度是纯净的矿物与摄氏4度时同体积的水的质量之比。不同矿物的密度差异较大。肉眼鉴定时一般分为三级，轻级2.52.5以下，中级2.52.54 4，重级4 4以上。E E、影响硬度与解理的因素 影响矿物晶体硬度和解理的根本因素是矿物晶体的质点排列方式及矿物晶体中各种类型的质点的结合方式两个根本因素。影响解理的主要因素是矿物晶体的质点排列方式，解理平行于面网密度最大的面网，平行于电性中和的面网，平行于化学键最强的方向。面网间距越大，化学键力越弱，解理越发育。影响硬度的主要因素为质点结合方式即化学键型，共价键结合力最强，其矿物硬度最大，离子键次之，分子键之间的结合力最弱，其矿物硬度最小。其次，矿物晶面面网密度越大，硬度越大，面网密度越小，硬度越小。SiC,C（金刚石和石墨）金属晶体的硬度相对要小 金刚石的（111），（110），（100）硬度的差异，金刚石的切割和加工36.此外矿物还有磁性、电性、挠性、发光性等磁 性：磁铁矿、磁黄铁矿Fe1-xS顺磁性：（强电磁可吸引，但不能吸铁），磁化后 不 再保留磁性，赤铁矿、墨云母逆磁性：电磁排斥，自然Bi、黄铁矿 FeS237.第二节 矿物的分类一、矿物的分类 矿物按化学组成分为单质和化合物，满足不了3000多个矿物的系统研究的需要，虽然分类方法有多种，但普遍被接受的是晶体化学分类法。以晶体化学分类最为科学，依据最充分。按此分类方式，矿物分为五大类。第一大类自然元素第二大类硫化物及其类似化合物第三大类卤化物第四大类氧化物及氢氧化物第五大类含氧盐 （SeealsoP.51intheteachingmaterial)38.二 硅酸盐矿物的结构形式 硅酸盐类矿物属于含氧盐大类中的硅酸盐亚类，目前发现矿物有800多种，分布广泛，占地壳总重量的80，是三大岩的主要造岩矿物，是工业上尤其是硅酸盐工业重要的非金属矿产资源。组成硅酸盐矿物的主要元素为:O,Si,Al,Fe,Ca,Mg,Na,K。次为：Mn,Ti,Be,B,Zr,Li,H,F。在硅酸盐晶体构造中，每一个硅原子周围都有四个氧原子包围，四个氧原子等角分布构成硅氧四面体，这是硅酸盐的基本构造单元。根据硅氧四面体在晶体中的联结方式，又可分为五种结构：39.硅酸盐矿物的结构类型 A A 岛状结构a.孤立的硅氧四面体络阴离子SiO44-。如锆石ZrSiO4、橄榄石 FeMgSiO4。b.双硅氧四面体络阴离子Si2O76-Zn4 Si2O7(OH)2.H2O 异极矿 Ca2(Al,Fe)3 Si2O7 SiO4(OH)绿帘石 孤立四面体、双四面体、同时存在）阳离子沉浸在SiO4海洋中SiO4与半径较小的阳离子、离子键合,如Ti,Zr,Al,Fe,Mg,Fe,CaSi2O7双面体，与阳离子半径中等的离子键合，如Ca,Zn B B 环状结构a.三方环络阴离子Si3O96-b.四方环络阴离子Si4O128-c.六方环络阴离子Si6O18112-,如绿柱石Be3Al2Si6O1840.C 链状结构a.单链络阴离子SiO3n2n-,如透辉石CaMgSi2O6b.双链络阴离子Si4O11n6n-,如透闪石Ca2Mg5Si4O112(OH)D 层状结构层状络阴离子Si4O10n4n-,如滑石Mg3Si4O10(OH)41.E E 架状结构 架状硅酸盐通式AlxSin4-xO2nx-,如正长石KAlSi3O8硅酸盐矿物中类质同象替代极为普遍，阳离子之间存在广泛的同价及异价类质同象替代，阴离子团之间也有替代现象。42.三、硅酸盐制品及原料中常见的矿物 主要介绍一些硅酸盐原料及制品中常见的矿物，要掌握它们的矿物名称、化学式、鉴定特征、物理性质、用途等几个方面。1 1 萤石 CaF2,硬度4，紫外线下显萤光性，八面体、立方体晶形，八面体解理 中等，玻璃光泽。用于光学透镜，冶炼溶剂，制HF酸，陶瓷中用于配 釉料。43.2 2 石英 SiO2,硬度7，常见六方柱与锥的聚形，无解理，断口贝壳状，典型 油脂光泽。用于工艺品原料、陶瓷玻璃原料、研磨料。电子器件。无色透明，没有双晶、裂隙、色体及其他缺陷。把它切割成单晶片后制成的谐振器、滤波器，具有最高的频率稳定性，频率读差可小至1010-9-9以内。光学水晶要求无色透明，无巴西双晶和裂缝等，用于制作石英折射计、红外线分析窗口，光谱仪等。熔炼水晶是电子工业技术的矿物材料。工艺水晶包括各种颜色美丽的石英晶体，它们有的也可作为宝石材料，如黄水晶、紫水晶、烟水晶等。水晶矿主要为热液型，伟晶岩型和残积、冲积成因。巴西是世界著名的水晶出产国。中国广西、海南、青海、云南、江苏等地也有产出。44.3 3 刚玉 Al2O3,硬度9，晶形桶状，晶面有横纹，玻璃光泽。结晶完整者称为 宝石，含铬离子者为红宝石、含钛离子者为蓝宝石。纯者无色。用 于陶瓷原料、高铝耐火材料、轴承、激光器件等。晶体属三方晶系，多呈腰鼓形的六方柱状，有的呈针状或板状。集合体呈块状或柱状。通常呈白、灰、黄等色。若含少量Cr3+呈红色，名红宝石；若含少量Ti4+和Fe2+则呈蓝色，名蓝宝石；有的晶体中含有六次对称分布的针状金红石或其他包裹体，则可产生六射星芒，称星光红宝石或星光蓝宝石，都是名贵宝石。刚玉为玻璃光泽，无解理，但因常存在依底面或菱面体面形成的聚片双晶而出现裂理。比重3.98。产于相对贫硅的火成岩和变质岩中，并常见于冲积砂矿中。美国的北卡罗林纳州和乔治亚州，俄罗斯的乌拉尔山脉、南非特兰斯瓦等为主要产地。45.4 4 方解石 CaCO3,硬度3，菱面体及复三方偏三角面体晶形，菱面体解理完全.双 晶纹平行菱面体解理的长对角线，高折射率，与冷盐酸反应。用于光 学材料、冶金溶剂、化工原料、建材、玻璃陶瓷水泥配料等。三方晶系，晶形多种多样，常见复三方偏三角面体或菱面体与六方柱的聚形。聚片双晶常见。集合体常呈晶簇状、粒状、致密块状、土状、多孔状、鲕状、纤维状、钟乳状等。白色或无色，有时被铁、锰等杂质元素染成浅黄、浅红、褐黑等各种颜色。玻璃光泽。具平行菱面体的完全解理。莫氏硬度3。比重2.62.9。遇冷稀盐酸即放出二氧化碳气体而剧烈起泡。无色透明的方解石称为冰洲石。方解石是分布最广的矿物之一。在海相沉积条件下能形成巨厚的石灰岩层；或从矿泉中沉积形成石灰华；在岩浆、热液等内生作用过程中也是很常见的矿物。在风化过程中易被溶解形成重碳酸钙进入溶液，在适宜的环境下，随着二氧化碳的逸出而产生方解石的沉淀，形成石钟乳、石笋等。方解石是组成石灰岩、白云质灰岩和大理岩的主要矿物成分，这些岩石已被广泛应用于建筑、冶金、化工等原材料。46.5 5 白云石 CaMg(CO3)2硬度3.5，晶形解理与方解石相近双晶纹平行菱面体解理的 短对角线。主要用于冶金溶剂，作釉料玻璃中作镁剂。碳酸盐矿物。成分为CaMgCO32。常有铁、锰等类质同象代替镁。当铁或锰原子数超过镁时，称为铁白云石或锰白云石。三方晶系，晶体呈菱面体，晶面常弯曲成马鞍状，聚片双晶常见。集合体通常呈粒状。纯者为白色；含铁时呈灰色；风化后呈褐色。玻璃光泽。菱面体解理完全。莫氏硬度3.54。比重2.853.2。遇冷稀盐酸时缓慢起泡。是组成白云岩的主要矿物。海相沉积成因的白云岩常与菱铁矿层、石灰岩层成互层产出。在湖相沉积物中，白云石与石膏、硬石膏、石盐、钾石盐等共生。热液中可直接结晶形成白云石，也可由含镁的热水溶液交代石灰岩或白云质灰岩而形成。主要用作碱性耐火材料和高炉炼铁的熔剂；生产钙镁磷肥和制取硫酸镁；以及生产玻璃和陶瓷的配料 47.6 6 石膏 CaSO4.2H2O,硬度2，板状晶形及燕尾双晶，透明者为透石膏，纤维状者 为纤维石膏，纤维石膏为典型的丝绢光泽。用于水泥、造纸、装饰、造型 及建材等。单斜晶系，晶体呈板状，少数呈柱状，常见燕尾形双晶。白色至灰色，因含杂质而呈浅黄、浅褐等色。玻璃光泽。解理完全，解理面显珍珠光泽。薄片具挠性，莫氏硬度1.52，比重2.3。石膏呈多种形态产出：无色透明的晶体称透石膏；雪白色、半透明的细粒块体称雪花石膏；纤维状集合体并具丝绢光泽的称纤维石膏；光泽暗淡的疏松土状集合体称土石膏。主要由化学沉积作用形成。潟湖盆地中沉积的石膏层，规模巨大，常与硬石膏、石盐和钾石盐等共生。内陆盐湖盆地由蒸发而沉积的石膏矿床常存在于红色砂岩和页岩中。原生沉积的硬石膏层接近地表部分，因外部压力减低和受地表水的作用，可以水化成石膏。中国的石膏储量在世界上名列前茅，以湖北应城最为著名。石膏煅烧后得到的烧石膏大量用于塑造模型和建筑上的胶结材料；也可用作造纸、油漆的充填剂等。大量的石膏用于制取硫酸铵、生产硅酸盐水泥的缓凝剂、冶炼锌的助熔剂。可作中药，有清凉解热之功效。48.7 7 锆石 ZrSiO4,岛状硅酸盐。硬度7.5，四方柱与双锥的聚形，金刚光泽。用于 耐火材料及提取锆。49.8 8 橄榄石(Fe,Mg)SiO4,硬度6.57，岛状硅酸盐，短柱或厚板状，玻璃光泽。用于作耐火材料、宝石。正交（斜方）晶系，晶体呈短柱状；常成粒状集合体。富镁的色浅，常带黄色色调