矿物的化学成分和晶体结构

化学组成和晶体结构是每种矿物的基本特征﹐是决定矿物形态和物理性质以及成因的根本因素﹐也是矿物分类的依据﹐矿物的利用也与它们密不可分。

⑴矿物与地壳的化学组成

化学元素是组成矿物的物质基础。人们对地壳中产出的矿物研究较为充分。地壳中各种元素的平均含量(克拉克值)不同。氧﹑硅﹑铝﹑铁﹑钙﹑钠﹑钾﹑镁八种元素就占了地壳总重量的97%﹐其中氧约占地壳总重量的一半(49%)﹐硅占地壳总重的1/4以上(26%)。故地壳中上述元素的氧化物和氧盐(特别是硅酸盐)矿物分布最广﹐它们构成了地壳中各种岩石的主要组成矿物。其馀元素相对而言虽微不足道﹐但由于它们的地球化学性质不同﹐有些趋向聚集﹐有的趋向分散。某些元素如锑﹑铋﹑金﹑银﹑汞等克拉克值甚低﹐均在千万分之二以下﹐但仍聚集形成独立的矿物种﹐有时并可富集成矿床﹔而某些元素如铷﹑镓等的克拉克值虽远高于上述元素﹐但趋于分散﹐不易形成独立矿物种﹐一般仅以混入物形式分散于某些矿物成分之中。

⑵矿物晶体结构中原子的堆积(排列)与配位数

共价键的矿物(如自然金属﹑卤化物及氧化物矿物等)晶体结构中﹐原子常呈最紧密堆积(见晶体)﹐配位数即原子或离子周围最邻近的原子或异号离子数﹐取决于阴阳离子半径的比值。当共价键为主时(如硫化物矿物)﹐配位数和配位型式取决于原子外层电子的构型﹐即共价键的方向性和饱和性。对于同一种元素而言﹐其原子或离子的配位数还受到矿物形成时的物理化学条件的影响。温度增高﹐配位数减小﹐压力增大﹐配位数增大。矿物晶体结构可以看成是配位多面体(把围绕中心原子并与之成配位关系的原子用直线联结起来获得的几何多面体)共角顶﹑共棱或共面联结而成。

⑶矿物成分和晶体结构的变化

一定的化学成分和一定的晶体结构构成一个矿物种。但化学成分可在一定范围内变化。矿物成分变化的原因﹐除那些不参加晶格的机械混入物﹑胶体吸附物质的存在外﹐最主要的是晶格中质点的替代﹐即类质同象替代﹐它是矿物中普遍存在的现象。可相互取代﹑在晶体结构中占据等同位置的两种质点﹐彼此可以呈有序或无序的分布(见有序-无序)。

矿物的晶体结构不仅取决于化学成分﹐还受到外界条件的影响。同种成分的物质﹐在不同的物理化学条件(温度﹑压力﹑介质)下可以形成结构各异的不同矿物种。这一现象称为同质多象。如金刚石和石墨的成分同样是碳单质﹐但晶体结构不同﹐性质上也有很大差异。它们被称为碳的不同的同质多象变体。如果化学成分相同或基本相同﹐结构单元层也相同或基本相同﹐只层的叠置层序有所差异时﹐则称它们为不同的多型。如石墨2H 多型(两层一个重复周期﹐六方晶系)和3R 多型(三层一个重复周期﹐三方晶系)。不同多型仍看作同一个矿物种。