矿物晶体化学式计算方法
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矿物晶体化学式计算方法
一、有关晶体化学式的几个基本问题
1.化学通式与晶体化学式
化学通式(chemical formula)是指简单意义上的、用以表达矿物化学成分的分子式,又可简单地称为矿物化学式、矿物分子式。
晶体化学式(crystal-chemical formula)是指能够反映矿物中各元素结构位置的化学分子式,即能反映矿物的晶体化学特征。
举例:(1)钾长石的化学通式为:KAlSi3O8或K2O⋅Al2O3⋅6SiO2,而其晶体化学式则必须表示为K[AlSi3O8];
(2)磁铁矿的化学式可以写为:Fe3O4,但其晶体化学式为:FeO⋅Fe2O3。
(3)具Al2SiO5化学式的三种同质多像矿物:红柱石、蓝晶石和夕线石具有不同的晶体化学式:
2. 矿物中的水
自然界中的矿物很多是含水的,这些水在矿物中可以三种不同的形式存在:吸附水、结晶水和结构水。
吸附水:吸附水以机械吸附方式成中性水分子状态存在于矿物表面或其内部。吸附水不参加矿物晶格,可以是薄膜水、毛细管水、胶体水等。当温度高于110︒C时则逸散,它可以呈气态、液态和固态存在于矿物中。吸附水不写入矿物分子式。
结晶水:结晶是成中性水分子参加矿物晶格并占据一定构造位置。常作为配位体围绕某一离子形成络阴离子。结晶水的数量与矿物的其它组份呈简单比例。如石膏:Ca[SO4] ⋅2H2O。
结构水(或称化合水):常以H2O+表示,结构水呈H+、OH-、H3O+等离子形式参加矿物晶格。占据一定构造位置,具有一定比例。通常以OH-最常见。H3O+离子少见,也最不稳定,易分解:H3O+→ H+ + H2O。结构水如沸石水、层间水等。由于H3O+与K+大小相近,白云母KAl2[AlSi3O10](OH)2在风化过程中K+易被H3O+置换形成水云母(K,
H3O+)Al2[AlSi3O10](OH)2。
由于结晶水和结构水要占据一定的矿物晶格位置,所以在计算矿物晶体化学式要考虑它们的数量。
3. 定比原理
定比是指组成矿物化学成分中的原子、离子、分子之间的重量百分比是整数比,即恒定值。
举例:
(1) 某产地的磁铁矿的化学分析结果为:FeO=31.25%,Fe2O3=68.75%,已知它们的分子量分别为:71.85和159.70。因此,FeO和Fe2O3的分子比为:
FeO:Fe2O3=(31.25/71.85):68.75/159.70)=1.01:1
因此,磁铁矿的化学式可写为:FeO⋅Fe2O3或Fe3O4。
(2) 某金绿宝石的化学成分为BeO=19.8%,Al2O3=80.2%,它们的分子量分别为25和102,因此两者之间的分子比为:
BeO:Al2O3=(19.8/25) 80.2/102)=1:1
金绿宝石的化学式可简写为BeO⋅Al2O3或BeAl2O4。
当然,以上只是化学式较简单的矿物,实际上由于类质同像替代的复杂性,一般矿物化学式只是一个近似的整数比。
4. 矿物化学式的书写
(1) 单质元素的化学式只写元素符号;
(2) 金属互化物的化学式按元素的电负性递增顺序从左到右排列,如Te、Ag的电负性分别为:2.1和1.8,所以碲银矿的化学式应写为AgTe;Bi和Te的电负性分别为:1.8和2.1,楚碲铋矿的化学式则为:BiTe。呈类质同像替代的元素用圆括号包括,按数量多少先后排列。
(3) 离子化合物的化学式的书写顺序为:正离子排左,负离子排右,正离子电价由低到高,相同电价依电负性大小由小到大;如钾长石K[AlSi3O8]、橄榄石(Mg,Fe)2[SiO4]。
附加的负阴离子放在主要的阴离子后面,如:孔雀石Cu2[CO3](OH)2;
矿物中的水分子写在化学式的最后,用点号隔开。如:石膏CaSiO4⋅2H2O。
二、矿物化学式的计算方法
1. 原子–分子计算法:直接把元素的百分含量换算成原子或分子比,在计算硫化物、卤素化合物或金属互化物时经常采用这种方法。
首先我们来看一下如果我们知道某个矿物的化学式,如何计算组成矿物的原子或氧化物的重量含量。
如黄铜矿CuFeS2,Cu、Fe、S的原子量分别为63.54、55.85和32.07,黄铜矿“分子”的重量为:63.54+55.85+(2⨯32.07)=183.53;那么可分别计算得到三个元素的重量百分比:
Cu=(63.54⨯100)/183.53=34.64%;
Fe=(55.85⨯100)/183.53=30.42%;
S=(2⨯32.07⨯100)/183.53=34.94%。
反过来,如果我们已知黄铜矿的成分,则也可以计算得到其化学式。
从而得到黄铜矿的化学式CuFeS2。
在计算氧化物或含氧盐矿物时也可利用这种方法。
得到钙铁辉石的近似化学式为CaO⋅FeO⋅2SiO2。
2. 氧原子计算法
该方法的理论基础是矿物单位晶胞中所含的氧原子数是固定不变的,它不以阳离子的类质同像替代而改变,如钾长石的化学式中有8个氧,而钾被钠替代后,不管替代量多大,它的化学式中总是包含8个氧,另一个例子是斜长石系列的两个端员矿物:钠长石和钙长石,它们的分子式分别为Na[AlSi3O8]和Ca[Al2Si2O8],虽然发生了Na+ + Si4+⇔ Ca2+ + Al3+的复杂替代,但它们的氧原子数总是8。
(1)已知氧原子数的一般计算法
该方法是已知矿物成分通式,即已知氧原子数或假定氧原子数,求阳离子在单位晶胞中的数量,计算公式为:
Y=Y’ ⨯ X (Y为单位晶胞中的阳离子数;Y’为阳离子系数;X氧原子系数)
以Y n O m为例,
Y’=n⨯氧化物重量百分比/氧化物分子量;
X=已知通式中的氧原子数/∑(m⨯氧化物重量百分比/氧化物分子量)
X=4/∑=1.569
X=8/∑=2.626
由此得到钠长石的化学式为(Na0.967K0.005Ca0.005)[Al1.003Si3.002O8]。
阳离子电荷总数为:15.999,基本等于阴离子电荷16。
(2) 含(OH)–矿物化学式的计算法
如果矿物结构中含有氢氧根,则根据下列关系式换算:
2(OH)– = H2O + O2-
亦即每两个氢氧根相当于一个氧化物分子和一个氧原子。余下方法同上。