第2章 矿物成因及其物理化学性质
-
矿物的成因
-
分类的依据:地质作用的性质和能量来源
\[形成矿物的地质作用 \begin{cases} 内生作用 \begin{cases} 岩浆作用\\ 伟晶作用\\ 热液作用\\ 火山作用 \end{cases} \\\\ 外生作用 \begin{cases} 风化作用 \begin{cases} 物理风化\\ 化学风化\\ 生物风化 \end{cases} \\\\ 沉积作用 \begin{cases} 机械沉积\\ 胶体沉积\\ 结晶沉积\\ 生物沉积 \end{cases} \end{cases} \\\\ 变质作用 \begin{cases} 接触作用\\ 区域变质 \end{cases} \end{cases} \] -
内生作用:能源来自地球内部的作用
-
岩浆在地下深处冷凝:三个阶段
-
岩浆作用阶段
当岩浆在地下逐渐冷却时,首先结晶析出的是含量最高的硅酸盐矿物,一般呈等粒状结构、块状或浸染状构造,然后组成各种各样的侵入岩【1】。
形成的主要矿物及其结晶析出的顺序依次:
- Mg,Fe硅酸盐:橄榄石、辉石、角闪石、黑云母;
- K,Na,Ca硅酸盐:斜长石、正长石、微斜长石以及石英等造岩矿物;
【注】1侵入岩:地壳深处的岩浆向地表移动在地壳中冷却凝固而形成的岩石。
-
伟晶作用阶段
伟经岩浆:挥发性组分不能迅速逸出而形成的富含挥发性组分。
伟晶岩是
稀有金属
的宝库,稀有元素
、稀土元素
的主要来源,也包含许多宝石。 -
热液作用阶段
当岩浆中聚集的挥发性组分进入周围岩石的裂隙中逐渐冷却,温度下降到水的临界温度以下时,高温气体即形成高温液体:热液,
特种和有色金属
的最主要的来源。
-
-
喷溢地表后迅速冷凝:火山作用
-
火山热液
充填于火山岩气孔或交代火山岩,主要矿物有沸石、蛋白石、方解石、自然铜等;
-
火山喷气
凝华后的产物有自然硫、雄黄、雌黄、硫化物和石盐等;
-
-
-
外生作用:外力(太阳能、水、大气和生物)地质作用
-
风化作用
-
物理风化
矿物破碎而不形成新矿物;
-
化学风化
矿物分转入溶液或改造为新矿物;
-
生物风化
生物亦有可能参与物理风化,同时亦有化学风化;
矿物的抗风化能力:自然元素
>
硅酸盐、氧化物>
硫化物、碳酸盐;风化作用形成的矿物集合体,常具有
多孔状
、土状
、皮壳状
等形态; -
-
沉积作用
-
机械沉积
不产生新物质,但会使某些矿物富集;
-
胶体沉积
难溶物质
大部分以水胶体的形式搬运到湖、海等水盆地中沉积下来;常形成致密状、鲕状、豆状、肾状等形态;
-
结晶沉积
过饱和情况下的沉积;
-
生物沉积
生物有机体沉积而成;
-
-
-
变质作用
-
区域变质作用
区域中已形成的岩石因
区域构造变动
产生的高温、高压使岩石的矿物成分发生变化的作用称为区域变质作用。-
向生成不含\(\mbox{OH}\)的方向发展;
-
向体积小、比重大(\(V\)小\(\rho\)大)的矿物转化;
-
-
接触变质作用
当
岩浆
侵入到围岩中,改变了周围岩石的物理化学条件,使原有矿物得到改造而形成新矿物的作用,称为接触变质作用。-
接触热变质作用
岩浆侵入围岩受到热的影响而引起的变质作用。
引起围岩的重结晶,也可形成新的矿物。
-
接触交代作用
中酸性岩浆侵入与碳酸盐岩石间接触发生成分交换的交代反应。
-
-
-
-
煤的形成与地质年代
-
煤的形成
煤是由
植物
遗体经过生物化学作用和物理化学作用,演变而成的有机沉积岩(准矿物)。高等植物:腐植煤类,低等植物:腐泥煤类,共同形成:腐植腐泥煤类。
-
泥炭化阶段【生物化学作用为主】
植物遗骸在水中微生物作用下,不断进行分解作用和化合作用,从而形成泥炭。
-
煤化作用【物理化学作用为主】
-
成岩作用
泥炭层\(\rightarrow\)褐煤。腐殖酸\(\downarrow\),含碳量\(\uparrow\),含氧量\(\downarrow\)。
-
变质作用
褐煤\(\rightarrow\)烟煤\(\rightarrow\)无烟煤。
-
-
-
成煤地质年代【中国】
-
石炭纪
炼焦煤、无烟煤,其他烟煤。
-
二叠纪
炼焦煤、无烟煤,其他烟煤。
-
侏罗纪
褐煤、烟煤、无烟煤。
-
-
-
矿物的形态
-
矿物的单体形态【三维空间发育和延伸情况】
-
单向伸长
单体延一个方向伸长,形态为柱状。
-
二向延伸
单体沿两个方向伸长,具有坚强的构造层,形态为片状、板状。
-
三向等长
单体在三维空间发育程度基本相等,形态为粒状。
-
-
矿物集合体形态【矿物颗粒的大小】
-
显晶集合体
肉眼可辨其中矿物单体。
柱状、针状、板状、片状、鳞片状、叶片状和粒状等。
-
隐晶集合体
借助显微镜可辨其中矿物单体。
结核、鲕状及豆状、钟乳状集合体,分泌体,葡萄状和肾状。
-
胶态集合体
显微镜下也不能辨别其中矿物单体。
结核、鲕状及豆状、钟乳状集合体,分泌体,葡萄状和肾状。
-
-
-
矿物的分类与命名
-
矿物的工业分类【按性质和用途分类】
-
金属矿物类
- 黑色金属矿物;
- 有色金属矿物;
- 稀有金属矿物;
- 分散元素;
- 放射性金属矿物;
-
非金属矿物类
- 冶金辅助原料非金属矿物;
- 化工原料非金属矿物;
- 特种非金属矿物;
- 建筑材料及其他非金属矿物;
- 煤炭为准矿物,是一种可燃有机沉积岩,属于能源矿产;
-
-
晶体化学分类法【按化学成分和晶体结构分类】
-
晶体化学的分类体系和原则
级序 划分依据 举例 大类 化合物类型 含氧盐大类 小类 阴离子或络阴离子种类 硅酸盐 亚类 络阴离子结构 链状硅酸盐亚类 簇 晶体结构型和阳离子性质 辉石族 亚簇 阳离子种类 单斜辉石亚族 种 一定的晶体结构和化学成分 普通辉石 亚种 晶体结构相同,成分/性质/形态有差异 钛辉石 -
晶体化学分类法的重要大类
-
自然元素大类
- 自然金属类;
- 自然半金属类;
- 自然非金属类;
-
硫化物及其类似化合物大类【\(\mbox{S}^{2-}\)】
- 简单硫化物类;
- 复硫化物类;
- 硫盐类;
-
氧化物和氢氧化物大类【\(\mbox{O}^{2-},\mbox{(OH)}^{1-}\)】
- 氧化物类;
- 氢氧化物类;
-
含氧盐大类【含氧的络阴离子:\([\mbox{SiO}_4]^{4-},[\mbox{SO}_4]^{4-},[\mbox{PO}_4]^{4-},[\mbox{CO}_3]^{3-}\)】
- 硅酸盐类;
- 碳酸盐类;
- 磷酸盐、硼酸盐类等;
-
卤化物大类【卤族元素:\(\mbox{F}\)、\(\mbox{Cl}\)、\(\mbox{Br}\)、\(\mbox{I}\)】
- 氟化物类;
- 氯化物类;
- 溴化物类;
- 碘化物类;
-
-
-
矿物的命名
-
命名原则
- 依化学成分命名;
- 依物理性质命名;
- 依晶体形态命名;
- 依人名、地名命名;
-
命名依据
\[命名依据 \begin{cases} 矿物本身的特征& \begin{cases} 化学成分&:自然金、钛铁矿; \\ 形态&:石榴石、十字石; \\ 物理性质&:橄榄石、方解石、重晶石; \end{cases} \\\\ 物理性质+化学成分&:磁铁石、黄铜矿; \\ 物理性质+形态&:绿柱石; \\ 首次发现该矿的地名&:高岭石、包头矿; \\ 首次发现该矿物的人名&:鸿钊石; \end{cases} \] -
名称涵义
- “石”结尾:非金属外表、非金属矿;
- “矿”结尾:金属外表、用于提取金属的矿物;
- “玉”结尾:宝石;
- “晶”结尾:透明晶体;
- “华”结尾:产于地表附近,呈松散被膜状,如钴华、钼华等;
- “矾”结尾:易溶于水的硫酸盐;
-
-
-
矿物的物理化学性质
-
矿物的化学成分
-
地壳中的化学成分
用
重量克拉克值
来表示地壳中化学元素平均含量的重量百分数。元素 重量克拉克值 离子半径 体积百分比 O 46.6 1.40 93.77 Si 27.72 0.42 0.86 Al 8.13 0.51 0.47 Fe 5.00 0.74 0.43 Ca 3.63 0.99 1.03 Na 2.83 0.97 1.32 K 2.59 1.33 1.83 Mg 2.09 0.66 0.29 合计 98.59 100 -
元素的离子类型
-
矿物的化学成分类型
-
单质
同种元素的原子自相结合组成的单质矿物。
-
化合物
两种或两种以上不同的化学元素的原子组成的化合物矿物。
- 简单化合物:由一种阳离子和一种阴离子化合而成;
- 络合物:由一种阳离子和一种络阴离子(酸根)组成的化合物;
- 复化合物:由两种或两种以上的阳离子与阴离子或络阴离子组成的化合物;
-
-
胶体矿物的成分结构和特点
胶体:物质的微粒\((100\sim10000\mbox{nm})\)分散在另一物质之中所形成的不均匀的细分散系。
固态胶体可分为
水胶凝体
和结晶胶溶体
,通常默认为是水胶凝体
。为何将胶体矿物视为
非晶质矿物
: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,在光学性质上具非晶质体特点。 -
矿物中的水【分类依据为存在形式和在晶体结构中的作用】
-
吸附水
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\(H_2O\)分子。不属于矿物的化学成分,不写入分子式。 -
结晶水
以中性分子存在于矿物中,在晶格中有固定的位置,是矿物化学
组成
的一部分。当结晶水失去时,晶体的结构遭到破坏
和重建
,形成新的结构。 -
结构水
即
化合水
。以\({(OH)}^-\)、\({H}^+\)离子的形式参加矿物晶格的“水”,\({(OH)}^-\)形式最为常见。
-
沸石水
存在于沸石族矿物中的中性水分子,占据在沸石的空洞和孔道中。
-
层间水
存在于某些层状结构硅酸盐的结构层之间的中性水分子。
温度\(\uparrow\),层间水\(\downarrow\),矿物的比重和折射率\(\uparrow\)。但是在潮湿的环境中又可以吸收水分。
-
-
矿物的化学式
-
实验式
以各种
简单化合物
的形式来表示矿物的化学成分。优点:各组分一目了然;
缺点:不能反映原子在矿物中的结合关系;
-
结构式
又称为
晶体化学式
,表明矿物化学成分中各组分的晶体化学作用
和矿物的结构类型
。- 阳离子写在前面。如有数种阳离子,则按碱性自强而弱的顺序排列;
- 阴离子写在后面,络阴离子用方括号括住;
- 附加阴离子写在主要阴离子后面;
- 结晶水写在最后面,以圆点隔开;
- 类质同象互相代替的几种元素用括号括起,含量多的排在前面,以逗号分开;
白云母\(K{Al}_2[{Al}{Si}_3O_{10}]{(OH)}_2\);苏打\({Na}_2{CO}_3\cdot10H_2O\);闪锌矿\((Zn,Fe,Cd)S\);
-
-
-
矿物的光学性质
-
矿物的颜色
-
决定颜色的因素
- 过渡金属元素的内部电子跃迁;
- 元素或离子间的电子转移;
- 能带间电子跃迁(满带\(\rightarrow\)导带);
-
矿物颜色的命名及描述方法
标准色谱法
:利用标准色谱来描述矿物的颜色;类比法
:以生活中最常见的实物颜色来描述矿物的颜色;二名法
:后面的为主要颜色, 前面的为次要颜色;
-
常见矿物呈色的过渡型离子
-
-
矿物的条痕
- 矿物的条痕是矿物
粉末
(在白色无釉瓷板
上划擦时留下)的颜色; - 矿物的条痕可以与其本身的颜色一致,也
可以不一致
; - 矿物的条痕可以
消除假色
,减弱他色
,因而要比矿物的颜色稳定
得多;
- 矿物的条痕是矿物
-
矿物透明度【矿物透过可见光波的能力】
分为3类:透明矿物、半透明矿物和不透明矿物。
-
矿物的光泽【矿物表面反光的能力】
分为2大类,4小类:金属光泽、非金属光泽(半金属光泽,金刚光泽,玻璃光泽)。
-
矿物的发光性【吸收高能量发射低能量】
矿物在外加能量如紫光、紫外光和X射线等的
照射
下能发射可见光
的性质。其实质是矿物晶格吸收
了较高
外加能量,然后以较低
能量再发射
出来造成的。 -
矿物透明度、光泽、颜色和条痕的关系
-
-
矿物的力学性质
-
矿物的解理、裂开与断口
- 解理和裂开:严格沿着一定方向破裂;
- 断口:沿着任意方向破裂;
-
矿物的硬度
-
摩氏硬度【定性测量】
根据矿物与标准硬度矿物间的相互刻划对比来测定。
-
显微硬度【定量测量】
根据矿物表面(晶面、解理面等)上所能承受的重量来测定硬度。
-
-
矿物的比重和密度
-
矿物的比重
纯净、均匀的单矿物在空气中的重量与同体积水在4℃时重量之比。
-
矿物的密度
矿物单位体积的质量。数值上等于矿物的密度。
-
-
矿物的脆性和延展性
- 脆性是离子键矿物的一种特性;
- 延展性是金属键矿物的一种特性;
-
矿物的弹性和挠性
- 弹性:弯曲后取消外力,物体恢复原状;(余键不变)
- 挠性:弯曲后取消外力,物体保持现状;(余键改变)
-
-
矿物的电学性质
-
导电性
矿物对电流的传导能力,很大程度上依赖于
化学键的类型
。 -
介电性
某些矿物在电场中被极化的性质。通常用测定其介电常数(电容率)来研究。
-
压电性
在机械作用的压力或张力影响下,因变形效应而呈现的荷电性质。只发生在无对称中心,具有极性轴的各晶类的矿物中(如石英)。
-
-
矿物的磁学性质
-
抗磁性
磁化方向与外磁场方向相反;
-
顺磁性
磁化方向与外磁场方向相同;
-
铁磁性
具有自发磁化的性质;
-
-
矿物的导热性、热膨胀性和熔点
矿物晶体的导热性和热膨胀性均具
异向性
,它与光性相似,可分为均质体与非均质体。
导热性最强者为自然金属
矿物,而石棉
、蛭石
则是良好的绝热
材料。 -
矿物的放射性
-
-
煤的结构与性质
-
煤的基本组成
-
煤的岩石类型【宏观煤岩成分】
- 镜煤和丝炭(结构和组分简单);
- 暗煤和亮煤(结构和组分复杂);
- 镜煤和亮煤(煤质(含碳量)较高);
- 暗煤和丝炭(煤质(含碳量)较低);
-
煤的显微组分【微观显微组分】
-
镜质组(最重要)
与煤质成
正比
,越高越易浮选;由植物的木质纤维组织受凝胶化作用转变而成。
-
壳质组(最稳定)
来源于植物的孢子、角质层、木栓、树脂、脂肪等。
-
惰质组(丝质组)
与煤质成
反比
,越高越难浮选;包括微粒体、粗粒体、半丝质体、菌类体和惰屑等显微组分。
-
-
-
煤炭大分子结构及其模型
煤是以有机体为主,并具有不同分子量、不同化学结构的一组“相似化合物”的混合物。
煤是一种多环芳香族高分子化合物。由大量本核结合而成的芳香族化合物,由多层平面炭网组成,并存在有侧链。
碳化(变质)程度\(\uparrow\),含碳量\(\uparrow\),侧链含氧官能团【1】\(\downarrow\),炭网层间距\(\downarrow\),硬度\(\uparrow\),电阻率\(\uparrow \downarrow\)导电性\(\downarrow \uparrow\)(
长焰煤
为转折点),比磁化率【2】\(\uparrow\nearrow\uparrow\)。【注】
1含氧官能团。含氧官能团的吸附活性很强,具有亲水性。
2比磁化率。单位质量的磁化系数\(K_0\),\(\abs{K_0}\uparrow\),则越容易被磁化。
-
煤的一般性质
-
煤的密度
-
煤的真密度
惰质组的密度最大,镜质组次之,壳质组最低。随煤化程度的提高这种差别减小,到无烟煤阶段趋于一致。其原因是,矿物质的密度较煤的有机质高,因而煤中矿物质含量高则真密度大。
-
煤的堆积密度(\(\mbox{BRD}\))
指20℃时单位体积(包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙)煤的质量。
-
-
煤的机械性质
-
煤的硬度
惰质组的硬度最大,镜质组次之,壳质组最低。
随着煤化程度的提高,硬度增加,无烟煤的硬度最大。
随着煤化程度的加深,煤的显微硬度\(\nearrow\searrow\uparrow\)(极大值点在75%$\sim$80%之间)。
-
煤的可磨性
煤磨碎成粉的难易程度。普遍采用哈特葛罗夫法评定煤的可磨性(Hard grove grind ability index, HGI)。\(\mbox{HGI}\)越大,表示煤的可磨性越好,煤越容易被磨碎。
-
-
煤的电学性质
-
煤的导电性
随着煤化程度的加深,电阻率\(\nearrow\searrow\downarrow\),极大值点为长焰煤,
-
煤的介电常数
随着煤化程度的加深,介电常数\(\searrow\uparrow\)。其原因是,年轻煤的极性含氧官能团多,
极性大
,所以\(\epsilon\)较大;随煤化程度的加深,含氧官能团减少,\(\epsilon\)也减少;而年老煤的\(\epsilon\)增大是因为其导电性
增大之故。首先由极性决定,而后由导电性决定。
-
-
煤的磁学性质
煤的有机质一般具有抗磁性,常用比磁化率\(\chi\)表示物质磁性的大小。随着煤化程度的加深,比磁化率\(\uparrow\nearrow\uparrow\)(转折出现在79%~91%之间)。
-
煤的孔隙率
煤内部孔隙的体积占煤的整个体积的百分数,对浮选影响很大。
-
-
煤的结构特性
- 煤的主体是多苯芳香核,在分选中起主要作用的是
芳香核
的性质; - 煤易氧化,且煤的变质程度对煤的可选性有很大的影响;
- 在芳香核的碳网上,有数量不等的侧链,在变质和氧化过程中很容易生成
含氧官能团
; - 组成
不均一
,各种组分实际无法完全分离
,分选好坏与各组分含量和性质有很大的关系; - 煤的结构中还含有一定数量的
矿物质
,多数矿物质具有一定极性
; - 煤表面上的含氧官能团和无机矿物质,虽使煤具有了一定
亲水性
,但这些部位也有较高的化学活性
,捕收剂中的少量杂极性分子可以吸附在这些活性部位,从而改变其亲水性质;
- 煤的主体是多苯芳香核,在分选中起主要作用的是
-