null晶体化学与晶体结构
晶体化学与晶体结构
金属及金属互化物
氧化物
氢氧化物
晶体化学与晶体结构 金属及金属互化物
氧化物
氢氧化物
晶体化学与晶体结构1 矿物学和矿物材料
矿物及矿物学
(1)在各种地质作用中所形成的天然单质或化合物;3000多种矿物。
(2)具有一定的化学成分和内部结构,有一定的形态、物理性质和化学性质。
(3)在一定的地质条件和物理化学条件下是稳定的。
(4)岩石和矿石的基本单位。
(5)地质学基础科学。
矿物材料
材料科学研究的重要内容。1 矿物学和矿物材料
矿物及矿物学
(1)在各种地质作用中所形成的天然单质或化合物;3000多种矿物。
(2)具有一定的化学成分和内部结构,有一定的形态、物理性质和化学性质。
(3)在一定的地质条件和物理化学条件下是稳定的。
(4)岩石和矿石的基本单位。
(5)地质学基础科学。
矿物材料
材料科学研究的重要内容。
2 矿物的化学成分
地壳的化学成分(见
表
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)
(1)质量克拉克值:地壳中化学元素的平均含量的质量百分数。
(2)原子克拉克值:用各元素的原子数在地壳中所有元素的总原子数中所占的百分数。
(3)体积百分比。
(4)氧(O)的质量克拉克质为46.60,原子克拉克质为62.55,氧离子的半径为0.140nm,体积百分比93.77。
3 矿物分类及命名
(1)自然元素:金属元素、半金属元素、非金属元素
(2)硫化物及类似化合物:简单硫化物、复硫化物、硫盐
(3)氧化物和氢氧化物
(4)硅酸盐类矿物
(5)硼酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氟化物
4 矿物成因
岩浆成因(酸性、中性、基性、超基性、碱性、热液型、伟晶型)\沉积成因\变质成因。
5 矿物物性
形态、光学、电学、磁学、力学、放射性等 6 自然元素矿物
等大球紧密堆积
金属互化物的晶体结构
在晶体结构中,质点之间尽可能相互靠近,占有最小空间,相互作用力达到平衡,内能达到最小,晶体为最稳定。
在离子晶格中和金属晶格中离子键、金属键无方向性和饱和性。
晶体结构可看成大的质点(大的原子、阴离子和少数分子)作球体最紧密堆积,小的质点(小的原子、小阳离子)充填大质点堆积的空洞。 6 自然元素矿物
等大球紧密堆积
金属互化物的晶体结构
在晶体结构中,质点之间尽可能相互靠近,占有最小空间,相互作用力达到平衡,内能达到最小,晶体为最稳定。
在离子晶格中和金属晶格中离子键、金属键无方向性和饱和性。
晶体结构可看成大的质点(大的原子、阴离子和少数分子)作球体最紧密堆积,小的质点(小的原子、小阳离子)充填大质点堆积的空洞。 等大球体最紧堆积
位置有三种用ABC表示。
立方最紧密堆积表示
为 …ABCABCABCABC…,…ACBACBACBACB…;
六方最紧密堆积表示
为 …ABABABAB…,…ACACACAC…。
还有立方六方混合堆积。…ABCACBABCACB…
在n个等大球体作最紧密堆积中会有n个八面体空洞(六次配位) ,2n个四面体空洞(四次配位) 。
*在金属晶格为主的自然金属元素矿物中,自然金(Au)的晶体结构,可看成Au原子作立方最紧密堆积而成;自然锇(Os)的晶体结构,可看成Os原子作六方最紧密堆积而成。 等大球体最紧堆积
位置有三种用ABC表示。
立方最紧密堆积表示
为 …ABCABCABCABC…,…ACBACBACBACB…;
六方最紧密堆积表示
为 …ABABABAB…,…ACACACAC…。
还有立方六方混合堆积。…ABCACBABCACB…
在n个等大球体作最紧密堆积中会有n个八面体空洞(六次配位) ,2n个四面体空洞(四次配位) 。
*在金属晶格为主的自然金属元素矿物中,自然金(Au)的晶体结构,可看成Au原子作立方最紧密堆积而成;自然锇(Os)的晶体结构,可看成Os原子作六方最紧密堆积而成。
金属元素、半金属元素、非金属元素
①概述 等大球最紧密堆积\立方、六方\n个八面体空洞、2n个四面体空洞\A、B、C三种堆积方式。
②自然金Au
金属元素,等轴晶系,立方最紧密堆积,Fm3m,a=0.4078nm, Z=4
③自然铜Cu \自然银Ag
④自然铂Pt
金属元素,等轴晶系,立方最紧密堆积,Fm3m,a=0.3913nm,Z=4
⑤自然钯Pd、自然铱Ir;自然Os
六方最紧密堆积,P63/mmc,
a=0.27341nm、c=0.43197nm,Z=2。
⑥自然铋Bi
半金属元素,R-3m
⑦自然硫 S
非金属元素
⑧金刚石C\石墨C\富勒烯C60
7 氧化物和氢氧化物
等大、非等大球最紧密堆积问题,成分问题
*在离子晶格为主的氧化物矿物中,晶体结构可看成质点(氧原子、离子)作球体最紧密堆积,阳离子规律充填一些八面体、四面体空洞。
(1)氧最紧密堆积、小阳离子充填有关空洞。如刚玉Al2O3中,氧沿3次轴作六方最紧密堆积,Al充填2/3的八面体空隙。
(2)由氧和大阳离子最紧堆积,小阳离子充填有关空洞,例如钙钛矿CaTiO3。
(3)氧最紧密堆积、中等阳离子充填有关空洞,结构发生变形,如Nb、Ta、W等氧化物。
(4)共价键为主的矿物结构,如石英SiO2等。 7 氧化物和氢氧化物
等大、非等大球最紧密堆积问题,成分问题
*在离子晶格为主的氧化物矿物中,晶体结构可看成质点(氧原子、离子)作球体最紧密堆积,阳离子规律充填一些八面体、四面体空洞。
(1)氧最紧密堆积、小阳离子充填有关空洞。如刚玉Al2O3中,氧沿3次轴作六方最紧密堆积,Al充填2/3的八面体空隙。
(2)由氧和大阳离子最紧堆积,小阳离子充填有关空洞,例如钙钛矿CaTiO3。
(3)氧最紧密堆积、中等阳离子充填有关空洞,结构发生变形,如Nb、Ta、W等氧化物。
(4)共价键为主的矿物结构,如石英SiO2等。null复杂氧化物的晶体结构与晶体化学 null 图 彭志忠石-6H结构模型
尼日利亚石:(Fe,Zn,Al)4(Sn,Fe)2Al10O22(OH)2
黑铝镁铁矿:(Mg,Zn,Fe,Al)4Al8O16
彭志忠石: Mg2(Fe,Zn,Al)2(Sn,Fe)2Al10O22(OH)2尼日利亚石
属三方晶系,空间群
P-3m1—Pm1
8 硅酸盐的晶体化学与晶体结构
硅酸盐的基本特征
(1)成分
(2)硅氧骨干:
岛、环、链(单、双)、层、架、过渡型
(3)铝的作用
(4)类质同像
(5)附加阴离子
(6)化学键
(7)硅酸盐中的“水”,(OH)、H2O。
硅酸盐的晶体化学分类
(1) 岛状
(2) 环状
(3) 链状
(4) 层状
(5) 架状
(6) 过渡状
岛状硅酸盐
(1)锆石
Zr[SiO4]
I41/amd, a=0.662nm、b=0.602nm,Z=4
(2)橄榄石
(Mg,Fe)2[SiO4] ,
Mg2[SiO4]--Fe2[SiO4]
Pbnm, a=0.4754nm、b=1.0197nm,Z=4
环状硅酸盐
(1)电气石
Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18][BO3]3(OH,F)4
R3m , a=1.584-1.603nm, c=0.709-0.722nm,Z=3
(2)绿柱石
Be3Al2[Si6O18]
P63/mmc ,a=0.9188nm、c=0.9189,Z=2
链状
(1)辉石(单链)透辉石
CaMg[Si2O6]-CaFe[Si2O6]
C2/c,a=0.9746-0.9845nm、b=0.8899-0.9024、 c=0.5251-0.5245nm
(2)角闪石(双链)透闪石
Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2
C2/m,a=0.984、b=1.805nm、c=0.528nm
层状硅酸盐
(1)滑石
Mg3[Si4O10](OH)2
C2/c,a=0.527、b=0.912、c=1.855nm, β=100,Z=4
(2)叶腊石
Al2[Si4O10](OH)2
C2/c,a=0.515、b=0.892、c=1.895nm,β=99.55,Z=2
(3)白云母
K{Al2[AlSi3O10](OH)2}
C2/c,a=0.519、b=0.900、c=2.010nm,β=95.11,Z=4
(4)高岭石
Al4[Si4O10](OH)8
P1,a=0.514、b=0.893、c=0.737nm,α=91.8、β=104.7、γ=90 ,Z=1
架状硅酸盐
(1)正长石
K[AlSi3O8]
C2/m,a=0.8562、b=1.2996、c=0.7193nm,β=116.09,Z=4
(2)斜长石
Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]
1)Na[AlSi3O8]
a=0.8135、b=1.2788、c=0.7154nm,α=94. 13、β=116.31、γ=87.42,Z=4
2)Ca[Al2Si2O8]
a=0.8177、b=1.2877、c=1.4169nm,α=93. 10、β=115.51、γ=91.13,Z=8
图1 岛型型硅氧骨干的不同类型的
(a)孤立硅氧四面体;(b)双硅氧四面体;
(c)三硅氧四面体;(d)中心为铝氧四面体,其他硅氧四面体1 岛状基型硅酸盐矿物 null图2 单层环硅氧骨干及斧石环硅氧骨干的不同类型
(a)三方环;(b)四方环;(c)六方环;(d)三环和九环共存;(e)斧石环;(带耳的六环)2 环状基型硅酸盐矿物 null图3 三种类型的双层环硅氧骨干
(a)双三环;(b)双四环;(c)双六环null(a)辉石[Si2O6]链;(b)高温Ba2[Si2O6]链(合成);
(c)硅灰石[Si3O9]链;(d)水硅钡石[Si4O8(OH)4]链;
(e)硅钒锶石[Si4O12]链(归入层状基型;3 链状基型硅酸盐矿物 null(f)蔷微辉石[Si5O15]链;(g)硅钙锡石矿[Si7O21]链;(h)三斜锰辉石[Si2O6]链;
(i)Ⅲ铁辉石[Si9O27]链(合成);(j)铅辉石[Si12O36]链;null (k)铝钛硅石链(归入架状基型);(l)钛铁钠石链;(m)星叶石链。(l)和(m)也可归入层状基型
图4 单链类型的硅氧骨干null图5 双链的类型
(a)夕线石链;(b)闪石[Si4O11]链;(c)Li4[SiGe3O10]链 (合成);
(d)硬硅钙石[Si6O17]链;(e)板晶石[Si6O15]链;(f)紫钠铝硅石[Si12O30]链null图6 似管链
(a)硅铁钠钛钾石[Si8O20]链;(b)短柱石[Si8O20]链,可归入架状基型 null图7 阳离子配位多面体与链的类型之间的制约关系
(a)辉石键;(b)硅灰石键;(c)高温Ba2[Si2O6]链null4 层状基型硅酸盐矿物 null图8 不同类型的六方网层
(a)硅钡石六方网层;(b)云母网层;(c)叶蛇纹石网层(d);海泡石网层;(e)坡缕石网层null图9 具六方网层的层状基型硅酸盐矿物的晶体结构断面单位图
(a)云母;(b)蒙脱石;(c)绿泥石;
(d)高岭石或蛇纹石;(e)多水高岭石;(f)尚未发现,可能存在的结构null图10 具单层六方网层的层状基型硅酸盐矿物的晶体结构断面图(长方空框示阳离子层)
(a)高岭石;(b)蛇纹石;(c)叶蛇纹石;(d)皂石;(e)坡缕石;null图11 鱼眼石网层图12 片硅碱钙石双层网层
图13 碱硅钙石双层网层 null图14 水硅钙石网层 图15 黄长石网层 图16 钡铁钛石网层 图17 星叶石网层 null图18 葡萄石网层 图19 菱钾铁石网层null5 架状基型硅酸盐矿物 图20 透长石晶体结构
(在c轴方向呈现四环链)图21 方柱石晶体结构
(a)方柱石晶体结构在(001)面上的投影;
(b)在(010)面上的投影null图5.22 钠沸石晶体结构
(a)钠混石晶体结构的一部分在(001)面上的投影;
(b)、(c)钠混石(b)和杆沸石
(c)的晶体结构中[SiO4]和[AlO4](阴影部分)所占的位置
9 硼酸盐
磷酸盐
硫酸盐
碳酸盐
氟化物等
10 矿物的分选、提纯、深加工
11 矿物的开发利用
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