矿物的化学性质

矿物的化学性质

（一）矿物的化学成分

自然界的矿物除少数是单质外，绝大多数都是化合物。前者就是由同一元素自相结合而成的矿物，如自然金（Au）、自然铜（Cu）、石墨（C）等；后者则是由两种或两种以上元素化合而成的矿物，如石英（SiO2）、萤石（CaF2）、赤铁矿（Fe2O3）等。无论是单质或化合物，其化学成分都不是绝对固定不变的，通常都是在一定的范围内有所变化。引起矿物化学成分变化的原因，对晶质矿物而言，主要是元素的类质同象代替。对胶体矿物来说，则主要是胶体的吸附作用。通常说某种矿物成分中含有的某些混入物，除因类质同象代替和吸附而存在的成分外，还包括一些以显微（及超显微）包裹体形式存在的机械混入物。

（二）类质同象和同质异象

1.类质同象

晶体结构中的某些离子、原子或分子的位置，一部分被性质相近的其他离子、原子或分子所占据，但晶体结构型式、化学键类型及离子正负电荷的平衡保持不变或基本不变，仅晶胞参数和物理性质（如折射率、密度等）随置换数量的改变而作线性变化的现象。成类质同象的晶体称为“类质同象混晶”。类质同象有两种情况：

（1）两种组分能以任何比例相互混溶，从而形成连续的类质同象系列，称为完全类质同象。例如在菱镁矿Mg〔CO3〕和菱铁矿Fe〔CO3〕之间，由于镁和铁可以互相代替，可以形成各种Mg、Fe含量不同的类质同象混合物（混晶），从而可以构成一个镁与铁成各种比值的连续的类质同象系列：

固体矿产探采选概论

菱镁矿—含铁的菱镁矿—含镁的菱铁矿—菱铁矿

在这个系列中，矿物的结构型相同，只是晶格常数略有变化。

（2）两种组分不能以任意比例相互混溶，称为有限类质同象。例如，闪锌矿ZnS中的锌，可部分地（不超过26%）被铁所代替，在这种情况下，铁被称为类质同象混入物，富铁的闪锌矿被称为铁闪锌矿。由于铁代替锌可使闪锌矿的晶胞参数（a0）增大。

类质同象混合物是一种固溶体。所谓固溶体是指在固态条件下，一种组分溶于另一种组分之中而形成的均匀的固体。它可以通过质点的代替而形成“代替固溶体”（即类质同象混晶）；也可以通过某种质点侵入它种质点的晶格空隙而形成“侵入固溶体”，矿物中经常出现的是代替固溶体，也就是类质同象。但侵入固溶体也是存在的，一部分是以机械混入物形式出现的杂质，即属于侵入固溶体。不论是哪一种固溶体，都是造成晶质矿物化学成分不固定的原因。

形成类质同象代替的原因，一方面取决于代替质点本身的性质，如原子离子半径大小、电价离子类型、化学键性等；另一方面取决于外部条件，如形成代替时的温度、压力、介质条件等。

2.同质异象

化学成分相同的物质，在不同的物理化学条件下，可以生成具有不同的结晶构造，从而具有不同形态和不同物理性质的矿物，这种现象称为同质异象。最典型的例子是金刚石和石墨，虽然它们都是由碳元素（C）组成的，但两者的结晶构造和物理性质却截然不同。

（三）胶体矿物

胶体是一种物质的微粒，粒径0.001～0.1μm，分散于另一种物质之中所形成的不均匀的细分散系。前者称为分散相（或分散质），后者称为分散媒（或分散介质）。无论是固体、液体或气体，既可作分散相，也可作分散媒。在胶体分散体系中，当分散媒远多于分散相时，称为胶溶体；而当分散相远多于分散媒时，称为胶凝体。

地面上的水时常含有大于0.001μm的微粒，因此不是真溶液，而是胶体溶液（即水胶溶体），例如泥浆。固态的胶体矿物基本上只有水胶凝体和结晶胶溶体两类。就胶体矿物形成的过程来说，胶体颗粒通常是原岩（或原矿）的微细碎屑，而分散介质一般是水，两者在一起便构成了胶体溶液（溶胶）。胶体颗粒间或胶体颗粒与带异电荷离子间发生相互作用时，胶体颗粒便相互中和而失去电荷，从而凝聚下沉而与介质分离，经逐渐固结后，就形成了固态的胶体矿物。如带负电荷的SiO2胶体颗粒和带正电荷的Fe（OH）3胶体颗粒相遇时，就凝聚而成含二氧化硅的褐铁矿。由于这一原因，胶体矿物的化学组成常常是不很固定的。例如胶体成因的硬锰矿（mMnO2·MnO·nH2O），不仅其主要组成MnO2和MnO的含量变化很大，而且还常混入少量的K2O、BaO、CaO、ZnO等组分，这是由于带负电荷的MnO2胶体颗粒能够从水溶液中吸附K+、Ba2+、Ca2+、Zn2+等阳离子所致。除此而外，分散介质的干枯、温度的变化、生物的活动等都可以促使胶体凝聚。

胶体矿物中微粒的排列和分布是不规则和不均匀的，外形上不能自发地形成规则的几何多面体，一般多呈钟乳状、葡萄状、皮壳状等形态；在光学性质上具非晶质体特点，故通常将胶体矿物看作非晶质矿物。但它的微粒本身可以是结晶的，因粒径太小，是一种超显微的晶质（如粘土矿物）。但必须说明的是，随着时间的增长，以及温度和压力的变化，胶体会发生陈化，在陈化的过程中，质点趋向于规则的排列，也就是由非晶质逐渐转变为晶质，如蛋白石（SiO2·nH2O）转变为石髓和石英，即是其例。

（四）矿物中的水

水是很多矿物的重要组成部分，矿物的许多性质都与其含水有关。根据矿物中水的存在形式以及它们在晶体结构中的作用，可以把水分为两类：一类是不参加晶格，与矿物晶体结构无关的，统称为吸附水；另一类是参加晶格或与矿物晶体结构密切相关的，包括结晶水、沸石水、层间水和结构水。

1.吸附水

不参加晶格的吸附水，是渗入在矿物集合体中，为矿物颗粒或裂隙表面机械吸附的中性的H2O分子。吸附水不属于矿物的化学成分，不写入化学式。含在水胶凝体中的胶体水，是吸附水的一种特殊类型，如蛋白石（SiO2·nH2O）。

2.结晶水

以中性分子存在于矿物中，在晶格中具有固定的位置，起着构造单位的作用，是矿物化学组成的一部分，如石膏Ca〔SO4〕·2H2O、胆矾Cu〔SO4〕·2H2O等。

3.沸石水

是存在沸石族矿物中的中性水分子。沸石的结构中有大的空洞及孔道，水就占据在这些空洞和孔道中，位置并不十分固定。水的含量随温度和湿度而变化。

4.层间水

是存在于层状硅酸盐的结构层之间的中性水分子。如蒙脱石中，水分子联结成层，水的含量多少受交换阳离子的种类、温度、湿度的控制。加热至110℃时，层间水大量逸出；在潮湿环境中又可重新吸水。

5.结构水

又称化合水，是以（OH）-、H+、（H2O）+离子形式参加矿物晶格的“水”，如高岭石Al4 〔Si4 O10〕（OH）8。结构水在晶格中占有固定的位置，在组成上具有确定的含量比，以（OH）-形式最为常见。

（五）矿物的化学式

矿物的化学成分用化学式来表示，其表示方法有实验式和构造式两种。

1.实验式

它只表示矿物组成元素的种类及其分子（原子）数量比，如闪锌矿是ZnS，正长石是KAlSi3O8。

2.构造式（或称晶体化学式）

它不仅表示元素的种类和数量比，还反映各元素的原子在分子构造中的相互关系。其书写方法是：阳离子写在前面，阴离子接着写在阳离子的后面，络阴离子用方括号［］括出，以此与阳离子相区别。如孔雀石是Cu2〔Co3〕（OH）2，正长石是K〔AlSi3O8）。

对类质同象混合物，是将存在替换的原子或离子用圆括号括出，按含量多少依次排列，并以逗点分开，如黑钨矿是（Mn，Fe）〔WO4〕。

对含水化合物的水分子，一般是在化学式的最后面，写出所含水分子的数量，并用圆点分开，如石膏是CaSO4·2H2O；当含水量不定时，通常以nH2O来表示，如蛋白石是SiO2·nH2O。