结晶学与矿物学chap10.ppt

Chap.10 氧化物 和 氢氧化物矿物大类,氧化物和氧化物矿物： 金属阳离子和某些非金属阳离子 (如Si等)与O2-或(OH)-化合而成的 矿物。,1 概 述,地壳中分布广泛，仅次于含氧盐 矿物大类。已知的矿物超过200种， 占地壳总重量的17%：石英族 矿物分布最广，占12.6%，最常见 的石英是主要的造岩矿物；Fe的 氧化物和氢氧化物占3.9%；次有 Al、Mn、Ti、Cr 的氧化物和氢氧 化物。,意义： 1）许多矿物为重要的造岩矿物； 2）许多为提取黑色金属和有色金属 （Fe、Mn、Cr、Al、Sn等）、稀有金属 （Ti、Nb、Ta等）、放射性金属（U、 Th、Y、TR等）及非金属的 矿物原料 以及耐火材料等。 3）为仪表轴承或研磨材料、无线电 工业原料、工艺美术原料及宝石的重要 来源。,一、化学组成化学组成 阴离子： 主要为O2-、(OH)- 阳离子： 40种左右。 主要为惰性气体型（ Si、Al、 Mg、U等）和过渡型（ Fe、Mn、Ti、 Cr、V、Nb、Ta等）离子； 铜型离子 极少见（ Sn、Cu、 Pb、Zn、Sb、Bi等）。 少数氧化物中附加阴离子（F-、Cl-） 和水分子。,1）铜型离子往往见于由硫化物氧化 而成的次生矿物中，且含量很少。 2）变价元素Fe、Mn、U等在氧化物中 往往呈 高价态。 3）氧化物中类质同像（尤其是异价 类质同像）替代较硫化物广泛，完全 类质同像替代在成分复杂的氧化物中 较常见。氢氧化物中类质同像替代少见， 而吸附作用使其化学组成复杂化。,二、晶体化学特点 1氧化物氧化物 氧化物中O2-常作立方或六方最紧密 堆积或近似最紧密堆积，阳离子充填 四面体或八面体空隙。键性以离子键 为主，且以低价惰性气体型离子的 氧化物中为最强，如方镁石MgO。,由于阳离子具不同程度的极化性质， 刚玉（Al2O3）、石英（SiO2）等的 键性趋于向共价键过渡；而磁铁矿 （FeFe2O4）、软锰矿（MnO2）等 则有向金属键过渡的趋势。,1）阳离子电价增高，其共价键 的成分趋于增多，如： Na+ Mg2+Al3+ Si4+ 离子键 共价键 2）键性因阳离子的类型而异： 惰性气体型过渡型铜型离子， 共价键性趋于增强，CN趋向减小。,2氢氧化物 (OH)- 或 (OH)- 和 O2- 共同 形成紧密堆积，后者中 (OH)-与O2- 通常成互层分布。 多数矿物为层状结构，层内为 离子键，层间以分子键或氢键联结； 部分矿物为链状结构，链内为离子键， 沿链的方向联结力较强，链间为氢键。,三、形态 氧化物常具完好的晶形。集合体常成 粒状和致密块状。,氢氧化物多属三方、六方、斜方或单斜晶系。具层状结构者常呈板状、片状、鳞片状；具链状结构者多呈柱状、针状、纤维状。但更常见成细分散胶态混合物，呈鲕状、豆状、肾状、葡萄状、钟乳状多孔状、土状、致密块状等。,四、物理、化学性质 1光学性质 主要取决于阳离子类型 （1）惰性气体型离子（Mg、Al、Si等） 的氧化物和氢氧化物：通常为无色、 白色或浅色的颜色及条痕，玻璃光泽 为主，透明半透明。,（2）过渡型离子（Fe、Mn、Cr、Ti等） 和铜型离子（Sn、Cu等）的氧化物 和氢氧化物： 深色或暗色，常呈 各种彩色或钢灰色铁黑色，条痕 深色(黄、褐、黑色)，半金属或金刚 光泽，半透明不透明。,2力学性质及其他性质 决定于其晶体结构 1）氧化物 大部分矿物为离子键向共价键 过渡，结构的紧密程度高。,通常具较高的硬度（一般5.5， 最高达9）；较大的比重（多数4.0， 仅架状结构的石英族较低，为2.65）； 解理不发育；含铁矿物具强弱不等 的磁性；含放射性元素者具放射性； 熔点高；溶解度低。,2）氢氧化物 层状结构者的硬度和比重均较相应 的氧化物稍低或低得多，常具一组 极完全完全解理；链状结构者的 硬度和比重皆相对稍大些，其解理 中等。 氢氧化物因产于地表，常为 胶态或隐晶质，解理的意义不大。,五、成因产状 1）氧化物： 广泛形成于内生、外生和变质作用中。 （1）对变价元素：低价态(Fe2+、Mn2+、 V3+、Cr3+等)的氧化物多形成于内生( 主要是热液、岩浆作用，次为伟晶作用) 或变质作用较为还原的环境中；而高价态 (Fe3+、Mn4+、Sb5+、W6+等)的氧化物则主要 形成于外生(表生作用，如岩石或矿床的 风化壳 )或内生作用的较氧化的环境中。,（2）Fe在不同的氧化 还原条件下， 易于相互转变为不同价态的氧化物 矿物。 （3）非变价元素的氧化物，绝大部分 在岩浆、伟晶、热液或变质作用均可 形成，也常见于砂矿中。 （4）少数氧化物具单成因性，如 铬铁矿属典型岩浆成因，只产于 超基性、基性岩浆岩中。,2）氢氧化物： 往往为低温表生作用的产物，主要产于 地表或近地表，由风化作用及化学沉积 而形成： 多见于金属矿床的 氧化带和水化带或 岩石风化壳；在湖沼盆地中可形成规模 巨大的沉积矿床，其中尤以Fe、Mn、Al 的氢氧化物最为典型，为风化作用和 沉积作用过程中的胶体溶液凝聚形成的。 少数氢氧化物可产于热液矿脉。,六、分类,七、鉴定方法 鉴定氧化物，主要依据晶形、 条痕、解理，以及其他物理性质 (如磁性等)，必要时可作简易化学实验 (如锡镜反应或试Ti、试Mn、试U等)。,氢氧化物粒细，多为细分散胶态 混合物，肉眼难以准确鉴别。因常含 (OH)-、H+、H2O，一般需利用差热 分析、红外吸收光谱分析，并配合 X射线分析、化学分析及电子显微镜 等方法方能奏效。也可试Mn或试Al。,一、氧化物矿物 刚玉： Al2O3 化学组成： 一般含微量Cr3+、Fe2+、Ti4+、Mn2+、 V5+、Ga3+等，常见赤铁矿、钛铁矿、 金红石、尖晶石、石榴子石等包裹体。,2 主要矿物,晶体结构： 三方晶系，对称型 m 刚玉型结构刚玉型结构：O2-呈六方最紧密堆积构成氧离子层，Al3+在两层 O2-之间，充填2/3的八面体空隙。 = 4 ， = 6 。,鉴定特征鉴定特征： 晶体常呈完好的腰鼓状、桶状或 短柱状。常依( )呈聚片双晶。 晶面上常见相交的几组条纹。,通常呈 蓝灰、黄灰色，含杂质可呈 各种颜色： 红宝石：含Cr，红色； 蓝宝石：含Ti 和Fe2+，蓝色； 黑星石：含Fe2+、Fe3+， 黑色、透明； 白宝石：纯净无色透明的晶体； 含Co、V、Ni呈绿色； 含Ni呈黄色； 含Fe3+、Mn2+呈玫瑰红色。,玻璃光泽金刚光泽。透明半透明。 在某些红(蓝)宝石的0001面上 可见因含有定向分布的针状金红石 包裹体而呈现的六射星光，称为 星光红(蓝)宝石星光红(蓝)宝石。 H 9。无解理；常因聚片双晶或微细 包裹体而产生0001或 的裂开。,成因产状： 各种成因。多形成于高温、 富Al贫Si的条件下。 有岩浆结晶作用形成；产于碱性 伟晶岩中；形成于岩浆岩与石灰岩的 接触带；可产于粘土质岩经区域变质 而成的结晶片岩中；也见于砂岩中。,用途： 作研磨材料及精密仪器、仪表 和钟表的轴承； 色泽美丽透明的晶体可作宝石； 合成红宝石单晶可作激光材料。,赤铁矿： Fe2O3 化学组成： 常含Ti、Al、Mn、Fe2+、Mg、Ca 和少量的 Ga、Co等类质同像混入物， 以及 金红石、钛铁矿等显微包裹体。 致密块体常含SiO2、Al2O3、粘土等 机械混入物。 晶体结构： 三方晶系，对称型 m 刚玉型结构刚玉型结构。,鉴定特征： 常成各种集合体形态： 镜铁矿镜铁矿：具金属光泽的片状集合体； 云母赤铁矿云母赤铁矿：具金属光泽的细小鳞片状集合体； 铁赭石：红色土状(粉末状)集合体； 鲕状、豆状、肾状赤铁矿鲕状、豆状、肾状赤铁矿：鲕状、豆状、肾状的集合体。 尚有致密块状集合体。,显晶质者呈钢灰铁黑色；隐晶质及 胶态者呈暗红色、红褐色。条痕樱红色 或红棕色，金属半金属光泽，或 土状光泽。H 5.56，土状者显著降低。 无解理。无磁性，性脆。 注意： 镜铁矿常因含磁铁矿微细包裹体 而具较强的磁性。,成因产状： 形成于各种地质作用。 主要有 热液成因、沉积成因 （著名产地有河北宣化、湖南宁乡等） 和沉积变质成因（著名产地如辽宁 鞍山等）。,赤铁矿（Fe2O3）和 磁铁矿（FeFe2O4） 易相互转变：在自然条件下，当氧的 浓度增大，磁铁矿可氧化成赤铁矿，并 保留其晶形，称假像赤铁矿；当氧浓度 减小，赤铁矿可还原为磁铁矿，若 原晶形不变，称穆磁铁矿。,用途： 提炼铁的矿物原料之一； 纯净的粉末状赤铁矿是天然的 矿物颜料； 可综合利用成分中的Ti、Ga、 Co等。,钙钛矿： CaTiO3,金红石： TiO2 化学组成： 常含Fe2+、Fe3+、Nb5+、Ta5+、Cr3+、 Sn4+等类质同像混入物。 金红石具成分标型性：碱性岩中富Nb； 基性岩和岩浆成因的碳酸岩中的含V； 伟晶岩及热液矿床中者往往富Sn； 月岩中的金红石富 Nb 和 Cr。,晶体结构晶体结构： 四方晶系，对称型 4/mmm 。 金红石型结构：O2-近似成六方最紧密 堆积，Ti4+ 位于变形八面体空隙中， =6。O2-位于以Ti4+为角顶所组成 的平面三角形之中心， = 3 。 TiO6彼此上、下共棱联结成c轴的链， 链间由TiO6共角顶相连。,鉴定特征鉴定特征： 晶体呈短柱状、长柱状或针状， 柱面有纵纹。双晶依 (101) 成膝状双晶、 三连晶或环状双晶。致密块状集合体。 通常为褐红、暗红或褐色，富Fe者黑色； 条痕浅褐色黄褐色；金刚光泽；微透明。 110完全解理；H66.5。G4.24.3。 试Ti反应：粉末溶于热H3PO4，冷却， 稀释后，加H2O2或Na2O2，溶液呈黄褐色。,成因产状： 高温成因。 主要产于伟晶岩和区域变质岩系 的含金红石石英脉中以及砂矿床中。,用途： 提炼Ti的主要原料：Ti 具密度小、 强度高、耐腐蚀、抗高温等优良性能； 钛合金 广泛应用于化工、军事和空间 技术中（用于喷气发动机、飞机机体、 导弹火箭 等及碱工业等用的反应塔、 蒸馏塔、热交换器、阀门等设备和 部件上）。,钛白粉可作高级白色油漆、涂料、 人造丝的减光剂、白色橡胶和高级纸张 的填料。 金红石可作半导体检波器。 人造金红石可 制作优质电焊条。,石英族 包括SiO2的一系列同质多像变体， 常见的有： 常压下，,1）尤以-石英最常见。 2）石英应为-石英和-石英之总称， 但一般指低温石英（即-石英）。 3）将含水的SiO2矿物 蛋白石， 也列入本族内。,-石英-石英（低温石英， -quartz）： SiO2 晶体结构： 三方晶系，对称型 32 结构中SiO4四面体以角顶相连， c轴呈螺旋状排列，有左、右旋之分。,鉴定特征鉴定特征： 常呈柱状晶体，六方柱面上具横纹， 为10 0 和 10 1 之聚形纹。常见 道芬双晶和巴西双晶。集合体呈粒状、 致密块状或晶簇状。 通常为无色、乳白色、灰白色，因含 杂质色心或细分散包裹体而呈各种颜色； 玻璃光泽，贝壳状断口油脂光泽；透明 半透明。无解理；H 7。G 2.65。具 压电性。,异种： 主要有： 1）显晶质异种： 水晶簇水晶簇：纯净者无色透明。 紫水晶紫水晶：微量Fe3+Si4+产生色心 而致紫色。加热退色。,烟水晶烟水晶：Al3+H+或Na+Si4+，在 x射线或射线作用下，AlO键电子对中 的一个电子离位产生空穴色心而成烟黄 暗褐色、黑色。加热至225开始缓慢 褪色，至400烟色渐消失。 注： 黑色透明者称墨晶；茶褐色者 称茶晶。,黄水晶：黄色透明者，可能为Fe2+ 所致。 蔷薇石英蔷薇石英（芙蓉石）：蔷薇红色或 粉红色，可能由Ti、Mn造成。通常 呈致密块状。加热至575褪色； 日光下长期暴晒颜色变浅。,乳石英：乳白色半透明的块体， 含大量细分散的气、液包裹体及微裂隙。 蓝石英：蓝色。含Ti较高，次有Al、 Mn。加热至300400，褪色或变为 紫色。 发晶发晶：细小针状金红石、电气石或 角闪石等包裹体呈发状、纤维状。,猫眼石、虎睛石、鹰眼石：由于石英 交代并胶结石棉纤维而具丝绢光泽的 黄褐、棕黄、棕红、深蓝或蓝灰色的 致密块体。 砂金石(东陵石) ：含鳞片状金云母、 赤铁矿等包裹体且分布均匀的次生 石英岩或水晶晶体，琢磨后呈闪烁的 金黄色、褐黄色、粉红色或绿色。,2）隐晶质异种： 玉髓（石髓）：呈钟乳状、肾状、 葡萄状、皮壳状等外貌，具蜡状光泽 半透明的纤维状异种，常呈乳白、黄、 褐、深蓝等色，尚有红褐色(光玉髓)、 苹果绿（绿玉髓）、绿色中夹有红色 碧玉小斑点(血玉髓，血滴石，鸡血石)。,玛瑙： 不同颜色的玉髓条带或 同心环状相间分布。 有缠丝玛瑙、 苔纹玛瑙、缟玛瑙、 截子玛瑙等。,碧玉：含氧化铁 (可20%)的致密 块状石英。可呈暗红、紫红、褐色黄色、 蓝色、青绿色等。 燧石：暗色(浅灰褐黑等色)无光泽， 呈结核状、瘤状、透镜状、条带状、 似层状的坚韧极致密的隐晶质石英。,成因产状： -石英分布广泛，是三大岩类许多岩石 的主要造岩矿物，为花岗伟晶岩脉和 大多数热液脉的主要矿物成分。 压电水晶和宝石原料(包括各种水晶) 主要源自伟晶岩脉晶洞及热液脉中。 紫水晶的形成温压相当低；烟水晶只在 较高的温度下形成。水晶也见于残坡积 及冲积砂矿中。,花岗伟晶岩的核心部位常见有蔷薇 石英大块体。 乳石英见于各种石英脉和石英岩中。 蓝石英 产于岩浆岩和高变质相的 变质岩中。 玉髓有低温热液成因(常产于喷出岩 气孔或热液脉及温泉沉积物中)和表生 成因（见于风化壳和氧化带）。,玛瑙为低温热液之胶体成因，主要 产于喷出岩气孔中；也见于残坡积及 冲积层中。 碧玉广泛产于沉积岩、变质岩中。 燧石主要产于石灰岩及白垩层中， 多为成岩交代成因。,用途： 纯净的一般石英大量用作玻璃、 陶瓷、混凝土、冶炼硅钢的原料， 以及硅质耐火材料、建筑材料、 研磨材料、瓷器配料等。还可用于 提取单晶硅以制造太阳能电池。,无裂隙、双晶和包裹体等缺陷的 无色透明晶体（666mm3）作 压电材料用于无线电工业中振荡器 元件及光学仪器材料（用以制光谱 棱镜、透镜等）、耐酸耐高温的器材。 颜色美丽者可作工艺品及宝石原料。 色泽差的玛瑙和玉髓可作研磨器具。 熔炼水晶是电子工业和技术的矿物 材料。, - 石英 - 石英（高温石英，-quartz ）：SiO2 六方晶系，对称型 622 鉴定特征： 呈特征的六方双锥晶形(六方柱 发育差)。颗粒较小，晶体几乎总呈 浑圆状，表面粗糙。灰白色，乳白色， 玻璃光泽，断口油脂光泽。,成因产状： 常呈分散粒状的 斑晶产于 酸性喷出岩（如流纹岩）中。 常压下， 573即转变为 -石英，但仍保留 六方双锥晶形 呈副像。,蛋白石蛋白石（欧泊）： SiO2nH2O 非晶质，但扫描电子显微镜研究发现其内部 存在SiO2小球体堆积。 鉴定特征： 无定形，通常呈肉冻状致密块体或葡萄状、 钟乳状、皮壳状、多孔状、结核状。 颜色不定，通常为蛋白色、无色，含杂质 可呈各种颜色；微透明；玻璃光泽或蜡状光泽， 具美丽的变彩。H55.5。比重较小(1.92.3)。 易脱水龟裂而呈白色。,成因产状： 低温热液成因。其中从火山温泉 沉积物中沉淀而成的称硅华。 外生条件下，可由硅酸盐矿物经风化 分解而产生的硅酸溶液 凝聚而成。硅酸 溶液即硅胶就地沉积或带至海水中被硅藻、 放射虫等生物吸收后构成硅质骨骼， 死后堆积成硅藻土。,用途： 色泽美丽的致密块状贵蛋白石或 火蛋白石可作名贵的宝石及工艺品材料。 硅藻土质轻多孔，是优良的隔音、 隔热材料，建筑材料、研磨材料、陶瓷 原料、炸药原料；可用于制作过滤剂， 及炼油、制糖的吸附剂和净化剂；作为 催化剂的载体应用于化学工业上。,尖晶石族 化学通式： AB2O4 A： 主要为Mg2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+ 及Ni2+、Co2+、Cu2+等； B：主要为Al3+、Fe3+、Cr3+及V3+、Ti4+等， 也可有Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、 Ni2+、Mn3+等。 阳离子间类质同像替代极为普遍而复杂。,据R3+的不同，可划分为三个系列三个系列： （1）尖晶石系列（ Al尖晶石 ）； （2）磁铁矿系列（ Fe尖晶石 ）； （3）铬铁矿系列（ Cr尖晶石 ）。,晶体结构晶体结构： 等轴晶系，对称型 m3m 。 结构中O2-近似成立方最紧密堆积， 阳离子充填其中的四面体空隙和八面体 空隙，配位四面体和配位八面体以共角顶 联结。单位晶胞中有8个A组的R2+和16个 B组的R3+。,（1）正尖晶石型结构 ： AIV(B2)VIO4 全部A2+充填1/8的四面体空隙； 全部B3+充填1/2的八面体空隙。 注：尖晶石MgAl2O4、铬铁矿FeCr2O4 属正尖晶石型结构。,（2）反尖晶石型结构： BIV(AB)VIO4 1/2的B3+充填1/8的四面体空隙； 全部A2+及另1/2的B3+充填1/2的 八面体空隙。 注：磁铁矿属反尖晶石型结构。,注意： （1）尚有混合型结构： （A1-xBx)IV(AxB2-x)VIO4 ， 如镁铁矿MgFe2O4，锰铁矿MnFe2O4 。 （2）尖晶石型结构尖晶石型结构的矿物，反映在形态上通常呈111、110 ,在物性上为硬度高、无解理等特征。,磁铁矿： FeFe2O4 化学组成： 常含Ti4+、V3+、Cr3+、Al3+、Si4+等 替代Fe3+；Fe2+易被Mg2+、Mn2+、Ni2+、 Co2+、Zn2+、Ca2+等替代。 含杂质高的异种有： 钛磁铁矿、 铬磁铁矿、钒磁铁矿、钒钛磁铁矿等。,鉴定特征鉴定特征： 晶体常为111或110，在 110 的晶面上常可见有沿长对角线方向 的条纹。常见粒状和块状 集合体。 铁黑色，条痕黑色，半金属金属光泽， 不透明。 H 5.56 ，无解理，有时具 111裂开，性脆。G较大，具强磁性。,成因产状： 主要有岩浆成因（如四川攀枝花）、 接触交代成因（如湖北大冶）、气化 高温热液成因、沉积变质成因（如辽宁 鞍山）、火山作用成因。 也常见于砂矿中。 用途： 提炼铁的最重要的矿物原料之一； 可综合利用V、Ti、Cr。,铬铁矿： FeCr2O4 化学组成： Cr3+可为Al3+、Fe3+ （Ti、V）替代； Fe2+可被Mg2+（Mn2+、Zn2+、Ca2+） 替代。,鉴定特征鉴定特征： 晶体呈细小八面体。通常为粒状或 致密块状 集合体。 黑色，条痕棕色、褐色，半金属光泽， 不透明。H 5.56.5，无解理，不平坦状 断口。具弱磁性。 试Cr反应：用浓H3PO4溶解铬铁矿粉末， 冷却，稀释后，呈翠绿色。,成因产状： 岩浆成因矿物，常产于超基性岩中； 也见于砂矿中。 我国主要产地在甘肃、西藏、青海、 四川等。,用途： 提炼Cr的唯一矿石矿物：Cr用以炼 特种钢（铬钢和铬镍钢）；金属表面 镀铬可防腐蚀；Cr也用于化学工业制 稳定颜料、铬酸和重铬酸盐。 低品位 (含Cr2O3少，而FeO、Fe2O3多) 的铬铁矿矿石可作耐火材料、化工原料等。,二、氢氧化物矿物 （一）Mg 的氢氧化物 水镁石 Mg(OH)2,（二）Al 的氢氧化物 包括： 硬水铝石： -AlO(OH) 软水铝石： -AlO(OH) 三水铝石： Al(OH)3,其中以硬水铝石最常见。通常， 上述三种矿物与数量不等的高岭石、 蛋白石、赤铁矿、针铁矿等形成 细分散胶态混合物，统称“铝土矿”。,铝土矿： Al2O3nH2O 鉴定特征鉴定特征： 常呈鲕状、豆状、致密块状、多孔状、 土状集合体。 一般为青灰、灰白、灰褐、灰黄色等色， 有时具红褐色斑点；条痕白色浅黄褐色； 土状光泽。H一般34。脆性，水泡后易 崩解成细小棱角状碎块