矿物晶体化学(第二章++晶体结构与化学键)
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第二章矿物及其化学成分第一节矿物的概念在古代,矿物泛指从矿山采据且未经加工的天然物体,随着人类对自然认识的深入和科学技术的进步,矿物的概念也在不断发展变化。
现代对矿物的定义是,地质作用或宇宙作用过程中形成的具有相对固定的化学组成以及确定的晶体结构的均匀固体。
它们具有一定的物理、化学性质,在一定的物理化学条件范用内稳定,是组成岩石和矿石的基本单元。
现代的矿物概念,重点强调以下几个特征。
一、矿物是地质作用或宇宙作用的产物这一特征使矿物区别于在工厂或实验室由人工制造的产物。
由人工制造的、各方面性质与大然产出的矿物相同或相似的产物,可以称人造矿物或合成矿物,如人造水晶、人造金刚石等;而那些在自然界无对应矿物的人工合成物,则不能称为合成矿物,如钛酸锶、钇铝榴石等。
那些来自月球或陨石的矿物,为了强调其来源,特别称为月岩矿物和陨石矿物,或统称宇宙矿物。
二、矿物具有相对固定的化学成分矿物成分可用化学式来表达。
如方解石、闪锌矿,其化学成分可分别用化学式CaCO3和ZnS表示。
然而,由于形成环境的复杂性,矿物的成分可在一定范围内变化。
如闪锌矿中的Zn经常被Fe代替,但Fe的含量最高不能超过26%,向且Zn、Fe一起与S仍保持1:1的定比关系,化学式可表示为(Zn,Fe)S。
因此,可以说矿物成分是相对固定的。
三、矿物具有确定的晶体结构这表明矿物应该是晶体,但只有天然产出的晶体才属于矿物。
外观表现为固体的无晶体结构的物质,如蛋白石、水铝英石等不能称为矿物,这类在地质作用或宇宙作用中形成的具有相对固定的化学成分,但无确定晶体结构的均匀固体,称为准矿物或似矿物。
天然非晶质的火山玻璃,因无一定的化学成分,不属准矿物之列。
四、矿物是均匀固体这一特征排除了天然产出的气体和液体,它们可以是自然资源,但不属于矿物,如自然汞;同时也与岩石和矿石区分开来。
矿物作为组成岩石和矿石的基本单元,应该是各部分均匀的。
五、矿物并非固定不变任何矿物都稳定于一定的物理化学条件范围内,超出这个范围,矿物会发生变化,生成新条件下稳定的矿物。
矿物的晶体结构和成因矿物是自然界中固态的物质,通常具有特定的化学组成和晶体结构。
矿物的晶体结构和成因是研究矿物学的重要内容,对了解矿物的物理性质和地质意义具有重要意义。
一、矿物的晶体结构矿物的晶体结构指的是矿物的原子排列方式和晶体的几何形态。
矿物的晶体结构决定了矿物的物理和化学性质,并对其在地球中的分布和形成起到重要影响。
矿物的晶体结构是由原子通过原子键连接而成的,原子键可以是共价键、离子键或金属键。
矿物中最常见的是离子键,即不同电荷的离子通过电磁作用力相互吸引而形成的键。
离子键的特点是结构稳定,熔点高,具有良好的电导性和光学性质。
矿物的晶体结构可以通过X射线衍射等方法来确定。
X射线衍射通过测定矿物晶体中X射线的散射情况,可以确定晶体中原子的位置和排列方式。
通过研究晶体结构,可以推测矿物的性质和成因。
二、矿物的成因矿物的成因指的是矿物形成的物理和化学过程。
矿物的成因有很多种,常见的包括热液矿床、岩浆矿床、沉积矿床等。
1. 热液矿床热液矿床是由地壳中的热液作用形成的矿床。
热液是地壳中的水或气体在高温高压条件下形成的流体,其中含有大量的溶解物质。
当热液在地壳中流动时,会与周围的岩石和矿物发生反应,形成新的矿物。
例如,金矿、铜矿等许多金属矿床就是由热液作用形成的。
2. 岩浆矿床岩浆矿床是由岩浆中的溶解物质在岩浆冷却过程中析出形成的矿床。
岩浆是地壳中的熔融岩石,具有高温高压的特点。
当岩浆冷却时,其中的溶解物质会逐渐凝固并形成矿物。
例如,石英、长石等许多硅酸盐矿物就是由岩浆形成的。
3. 沉积矿床沉积矿床是由沉积作用形成的矿床。
沉积作用是地壳中碎屑颗粒和溶解物质在水或风等介质的作用下沉积并形成沉积岩的过程。
在沉积岩中,常常含有一些矿物颗粒或晶体。
例如,煤矿、石灰石等就是由沉积作用形成的。
不同的矿物具有不同的形成条件和成因。
矿物学家通过研究矿物成因可以了解地球内部和地壳演化的过程,揭示矿床形成的规律,对矿产资源的勘查和开发具有重要价值。
第二章晶体结构内容提要大多数无机材料为晶态材料,其质点的排列具有周期性和规则性。
不同的晶体,其质点间结合力的本质不同,质点在三维空间的排列方式不同,使得晶体的微观结构各异,反映在宏观性质上,不同晶体具有截然不同的性质。
1912年以后,由于X射线晶体衍射实验的成功,不仅使晶体微观结构的测定成为现实,而且在晶体结构与晶体性质之间相互关系的研究领域中,取得了巨大的进展。
许多科学家,如鲍林(Pauling)、哥希密特(Goldschmidt)、查哈里阿生(Zachariason)等在这一领域作出了巨大的贡献,本章所述内容很多是他们研究的结晶。
要描述晶体的微观结构,需要具备结晶学和晶体化学方面的基本知识。
本章从微观层次出发,介绍结晶学的基本知识和晶体化学基本原理,以奠定描述晶体中质点空间排列的理论基础;通过讨论有代表性的无机单质、化合物和硅酸盐晶体结构,以掌握与无机材料有关的各种典型晶体结构类型,建立理想无机晶体中质点空间排列的立体图像,进一步理解晶体的组成-结构-性质之间的相互关系及其制约规律,为认识和了解实际材料结构以及材料设计、开发和应用提供必要的科学基础。
2.1 晶体化学基本原理由于天然的硅酸盐矿物和人工制备的无机材料制品及其所用的原料大多数是离子晶体,所以在这一节主要讨论离子晶体的晶体化学原理。
一、晶体中键的性质(键性的判别)过去的教学中,以电子云的重要情况讨论键型。
Na-Cl认为是典型的离子键。
硅酸盐晶体中比较典型的结合键方式:Si-O Al-O M e-O (M代表许多碱、碱土金属)Me-O、Al—O键通常认为是比较典型的离子键,而Si-O键中Si-O键离子键、共价键成分相当。
为了方便,通常也认为是离子键。
那么键的成分是如何确定的?即通常如何判断键的类型呢?Pauling通过大量的研究发现,可以根据各元素的电负性差别判断键的类型(由于电负性反映元素粒子得失电子的能力)。
元素电子的电负性x=元素电子的电离能力I+元素原子的电子亲和能E。