08 氧化物和氢氧化物矿物 结晶学与矿物学 需要掌握的矿物 简单氧化物矿物 复杂氧化物矿物 氢氧化物矿物 复习思考题 08 氧化物和氢氧化物矿物 需要掌握的矿物 刚玉, 赤铁矿, 金红石, 锡石, 石英 钛铁矿, 钙钛矿, 尖晶石, 磁铁矿, 黑钨矿 水镁石, 三水铝石, 针铁矿, 硬锰矿 简单氧化物矿物 复杂氧化物矿物 氢氧化物矿物 复习思考题

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－概述 氧化物矿物和氢氧化物是一系列金属阳离子与O2-与OH-相化合的化合物。这类矿物的种数约在200种左右。它们占地壳总重量的17%左右，其中石英族矿物就占了12.6%，而铁的氧化物和氢氧化物占了3.9%。 化学成分 阳离子主要是惰性气体型离子(如Si、Al等)和过渡型离子(如Fe、Mn、Ti、Cr等), 及少量铜型离子(如Cu、Sb、Bi等) 。此外，在少数氧化物中还含有水分子。 晶体化学特征 氧化物中以离子键为主，随着离子电价的增加，共价键的成分趋向增多。另方面, 随着从惰性气体型、过渡型离子向铜型离子改变时，共价键性则趋向增强。氢氧化物的晶体结构主要是层状或链状，除离子键外，还往往存在氢键。由于氢键的存在，以及(OH)-的电价较O2-为低而导致阳离子与阴离子间键力的减弱，因此与相应的氧化物比较，其比重和硬度都趋向减小，

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－概述

简单氧化物矿物－－刚玉 结晶学与矿物学 化学组成: Corundum Al2O3。有时含微量Fe、Ti或Cr等。 结构特点:三方晶系；点群3m。空间群R3c；a0=4.75Å，c0=12.97Å；Z=6。晶体结构中，O2-成立方最紧密堆积；而Al3+则在两氧离子层之间，充填三分之二的八面体空隙，组成共面的Al-O6。 晶体形态:一般呈近似腰鼓状晶形，常依菱面体(-1011)，较少依（0001）成聚片双晶。 物理性质: 蓝灰、黄灰色，含铁者呈黑色；含铬而呈红色者，称红宝石(ruby)；含钛而呈蓝色者称蓝宝石(sapphire)；玻璃光泽。硬度9；无解理；常因聚片双晶或细微包体产生(0001)或(10-11)裂理。比重3.95~4.10。 鉴定特征: 以其晶形，双晶条纹和高硬度作为鉴定特征。

简单氧化物矿物－－刚玉 结晶学与矿物学 沿(10-10)面的投影 c{0001}平行双面，a{11-20}六方柱，r{10-11}菱面体，n{22-43}，z{22-41}、w{14.14.-28.1}六方双锥

简单氧化物矿物－－赤铁矿 结晶学与矿物学 化学组成: Hematite Fe2O3。有时含TiO2、SiO2、Al2O3等混入物。 结构特点: 三方晶系；点群3m。空间群R3c；a0=5.029Å，c0=13.73Å；Z=6。晶体结构属刚玉型。 晶体形态: 单晶体常呈板状，主要由板面与菱面体等所形成之聚形。 物理性质: 显晶质的赤铁矿呈铁黑至钢灰色。硬度5.5~6，土状者显著降低；性脆；无解理。比重5.0~5.3。 鉴定特征: 樱红色条痕是鉴定赤铁矿的最主要特征。

简单氧化物矿物－－赤铁矿 结晶学与矿物学 c{0001}平行双面 r{10-11}、e{01-12}、z{01-18}菱面体n{22-43}六方双锥

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物 －－金红石 本族化合物属AX2型，主要包括金红石、锡石和软锰矿。它们的晶体结构均属金红石型。另外还包括TiO2的其余两个同质多象变体锐钛矿和板钛矿。 化学组成: TiO2, 常含Fe、Nb、Ta、Cr、Sn等。 结构特点:四方晶系；点群4/mmm。空间群P42/mnm。晶体结构表现为氧离子近似成六方紧密堆积，而钛离子位于变形八面体空隙中，构成Ti-O6八面体配位。钛离子配位数为6，氧离子配位数为3。Ti-O6配位八面体沿c轴成链状排列链间由配位八面体共顶相连。 晶体形态: 单晶体呈短柱状、长柱状或针状 物理性质: 通常褐红色；条痕浅褐色；金刚光泽；微透明。硬度6；性脆；解理平等{110}中等。比重4.2~4.3。 鉴定特征:以其四方柱形、双晶、颜色为特征。

简单氧化物矿物 －－金红石 结晶学与矿物学 a{100}、m{110}四方柱 e{101}、s{111}四方双锥 r{320}复四方柱 z{321}复四方双锥 z{22-41}、w{14.14.-28.1}六方双锥

简单氧化物矿物－－锡石 结晶学与矿物学 化学组成: Cassiterite SnO2。常含Fe、Ti、Nb、Ta等元素。 结构特点: 四方晶系；点群4/mmm。空间群P42/mnm；a0=4.72Å，c0=3.17Å；Z=2。晶体结构属金红石型。 晶体形态:单晶体常呈由四方双锥和四方柱所组成的双锥柱状聚形；以(101)为双晶面之肘状双晶常见。 物理性质:纯净的无色，一般为黄棕色至深褐色；条痕白色至淡黄色；金刚光泽，断口油脂光泽。硬度6~7；性脆；解理平等{110}不完全；贝壳状断口。比重6.8~7.0。 鉴定特征: 锡石的晶形和颜色很相似于金红石、磷钇矿和锆石，但其比重远较后三者为大。

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－锡石 a{100}、m{110}四方柱e{101}、s{111}四方双锥

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－石英族 本族矿物包括同一SiO2成分的一系列同质多象变体；α-石英、β-石英、α-鳞石英、β1-鳞石英、β2-鳞石英、α-方石英、β-方石英、柯石英、斯石英等。此外，把含H2O的SiO2矿物蛋白色合并在内。 化学组成: Quartz SiO2, 为α-石英和β-石英的总称。两者相转变温度在570℃。常含不同数量的气态、液态和固态物质的机械混入物。 结构特点: α-石英属三方晶系，点群32。空间群P312或P322；a0=4.91Å，c0=5.40Å；Z=3。晶体结构典型. β-石英属六方晶系。点群622。空间群P642或P622；a0=5.01Å，c0=5.47Å；Z=3。 晶体形态: α-石英的单晶体通常呈六方柱{10-10}和菱面体{10-11}等单形所成之聚形。柱面上常具横纹。有时还出现三方双锥{1121}或{2111}和三方偏方面体{5161}或{6151}单形的小面。β-石英的单晶体常呈完好的六方双锥。最常见的双晶是由两个六方双锥依（30-32）而成接触双晶。

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－石英族 隐晶质的石英称石髓(玉髓chalcedony), 具有不同颜色条带的或花纹相间分布的石髓称为玛瑙(agate)。 物理性质: 纯净的α-石英无色透明，因含微量色素离子或细分散包裹体，或存在色心而呈各种颜色，并使透明度降低；玻璃光泽，断口呈油脂光泽。硬度7；无解理；贝壳状断口。比重2.65。具压电性。β-石英通常呈灰白色、乳白色；玻璃光泽，断口油脂光泽。比重2.53。在常温常压下均已转变为α-石英，此时其比重增大至2.65。 鉴定特征: α-石英以其晶形、无解理、贝壳状断口、硬度为其特征。如由β-石英转变而成，则仍保持六方双锥的假象。

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－石英族 SiO2相图 (Swamy & Saxena, 1994)

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－石英族 -石英和-石英的晶体结构

结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－石英族 -石英形态 -石英形态

-石英的道芬双晶（A）、巴西双晶（B）和日本双晶（C） 结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－石英族 蛋白石的扫描电镜照片 -石英的道芬双晶（A）、巴西双晶（B）和日本双晶（C）

结晶学与矿物学 复杂氧化物矿物 －－钛铁矿 化学组成: Ilmenite FeTiO3。常含类质同象混入物Mg和Mn。常含有细鳞片状赤铁矿包体。 结构特点: 三方晶系；点群3。空间群R3；a0=5.083Å，c0=14.04Å；Z=6。晶体结构属刚玉型。与刚玉不同之处在于铝的位置相间地被铁和钛所代替。 晶体形态: 单晶体少见，偶有呈厚板状，通常成不规则细粒。 物理性质:钢灰至黑色；条痕黑色，含赤铁矿者带褐色；半金属光泽；不透明。硬度5~6；无解理，次贝壳状断口。比重4.72。微具磁性。 鉴定特征:钛铁矿可依其晶形、条痕和弱磁性与其相似的赤铁矿、磁铁矿相区别。

c{0001}平行双面，m{10-10}六方柱，r{10-11}、s{02-21}、n{22-43}菱面体 结晶学与矿物学 复杂氧化物矿物 －－钛铁矿 钛铁矿的理想晶体形态 c{0001}平行双面，m{10-10}六方柱，r{10-11}、s{02-21}、n{22-43}菱面体

结晶学与矿物学 复杂氧化物矿物－－钙钛矿 本族化合物属ABX3型。A代表大阳离子, B代表小阳离子, 类质同象十分发育. 在地幔矿物学和材料学领域有很重要的意义。 化学组成: Perovskite CaTiO3 结构特点: 高温变体为等轴晶系，点群m3m。空间群Pm3m；a0=3.85Å，Z=1。低温变体为正交晶系，点群mmm；空间群Pbnm。在高温变体结构中，钙离子位于立方晶胞的中心，为12个氧离子包围成配位立方-八面体，配位数为12；钛离子位于立方晶胞的角顶，为6个氧离子包围成配位八面体，配位数为2。 晶体形态: 单晶体少见，呈立方体晶形。 物理性质: 褐至灰黑色；条痕白至灰黄色；金刚光泽。硬度5.5~6；解理不完全；参数状断口。比重3.97~4.04

结晶学与矿物学 复杂氧化物矿物－－钙钛矿 钙钛矿的晶体结构

结晶学与矿物学 复杂氧化物矿物－－尖晶石 本族化合物属AB2X4型。A代表二价的镁、铁、锌、锰；B代表三价的铁、铝、铬。广泛发育着完全和不完全的类质同象置换。 化学组成: Spinel MgAl2O4。常含Fe、Zn、Mn、Cr等组份。 结构特点: 等轴晶系；点群m3m。空间群Fd3m；a0=8.09Ǻ; Z=8。晶体结构属正常尖晶石型，氧离子近于成立方密堆积，二价阳离子充填1/8的四面体空隙，三价阳离子充填1/2的八面体空隙。配位四面体和配位八面体共有角顶的连接。 晶体形态: 单晶体常呈八面体形，有时八面体与菱形十二面体组成聚形。双晶依尖晶石律(111)成接触双晶。 物理性质: 无色者少见，通常呈红色(含Cr)、绿色(含Fe3+)或褐黑色(含Fe2+和Fe3+); 玻璃光泽。硬度8；无解理；偶有平行(111)裂理。比重3.55。

尖晶石的晶体结构（A）和配位多面体的配置图（B） 结晶学与矿物学 复杂氧化物矿物－－尖晶石 尖晶石的晶体结构（A）和配位多面体的配置图（B）

结晶学与矿物学 复杂氧化物矿物－－尖晶石 o{111}八面体，d{110}菱形十二面体

复杂氧化物矿物－－磁铁矿 结晶学与矿物学 化学组成: Magnetite FeFe2O4, 常含Mg、Mn、Ti、V、Cr等元素。 结构特点: 等轴晶系；点群m3m。空间群Fd3m；a0=8.40；Z=8。晶体结构属倒置尖晶石型。即在它的结构中半数的三价阳离子充填1/8的四面体空隙，另外半数的三价阳离子和二价阳离子一起充填1/2的八面体空隙。 晶体形态: 单晶体常呈八面体，较少呈变形十二面体。 物理性质: 铁黑色；条痕黑色；半金属光泽；不透明。硬度6；无解理；有时具(111)裂理；性脆。比重5.20。具强磁性。 鉴定特征: 以其晶形，黑色条痕和可磁性可与其相似的矿物如赤铁矿、铬铁矿等相区别。

复杂氧化物矿物－－黑钨矿(钨锰铁矿) 结晶学与矿物学 化学组成: Wolframite (Fe, Mn)WO4, 一般FeO4.8~18.9%之间，MnO介于4.7~18.7%之间。常含Mg、Ca、Nb、Ta、Sn、Zn等。 结构特点: 晶体结构中, 六个O2-围绕Mn2+(Fe2+)构成Mn(Fe)-O6配位八面体，它们以棱相连接平行C轴方向成锯齿形的链体分布；W6+同样与其周围六个O2-连接而形成W-O6配位八面体，它们亦构成链体, 并位于Mn(Fe)-O6配位八面体所成的链体之间，以其四个角顶与上下链体相连接。因而晶体结构可以看为平行于c轴的链状结构。 晶体形态: 单晶体少见，常见板状，短柱状。 物理性质: 红褐色至黑色；条痕黄褐色至黑色。硬度4~4.5；解理平行{010}完全，比重7.12~7.2。微具磁性。 鉴定特征: 黑钨矿以其板状形态，褐黑色，{010}完全解理和比重较大为其鉴定特征。

复杂氧化物矿物－－黑钨矿(钨锰铁矿) 结晶学与矿物学 晶体结构和形态 a{100}、b{010}、c{001}、t{102}平行双面 m{110}、l{210}、f{011}、q{121}斜方柱

氢氧化物矿物－－水镁石 结晶学与矿物学 化学组成: Brucite Mg(OH)2 结构特点: 三方晶系，点群3m。空间群R3m；a0=3.125, c0=4.72; Z=1。晶体结构具有层状特点, 羟离子成六方最紧密堆积，镁离子充镇于每两层相邻的羟离子之间的全部八面空隙；组成配位八面体的结构层。结构层内属离子键，结构层间以氢键相维系。 晶体形态: 单晶体呈厚板状，常见片状集合体和纤维状集合体。 物理性质: 白至淡绿色，含有锰或铁者呈红褐色；玻璃~珍珠光泽。硬度2.5；解理平行{0001}极完全；薄片具挠性。比重2.35 。 鉴定特征:以其形态、低硬度和{0001}极完全解理为鉴定特征。

结晶学与矿物学 氢氧化物矿物－－水镁石 水镁石的晶体结构

氢氧化物矿物－－三水铝石 结晶学与矿物学 化学组成: Gibbsite Al(OH)3。常有少量的铁和镓可以置换铝。 结构特点: 单斜晶系；点群2/m。空间群P21/n；a0=8.64, b0=5.07, c0=9.72, β=94°34′；Z=8。晶体结构属层状类似水镁石结构, 但铝离子充填于每两层相邻的羟离子之间的2/3八面体空隙；组成配位八面体的结构层。结构层内属离子键，结构层间以氢键相维系。 晶体形态: 单晶体少见。 物理性质: 白色，常带灰、绿和褐色；玻璃~珍珠光泽。硬度2.5~3；解理平行{001}极完全。比重2.35。 鉴定特征: 以其极完全解理、低硬度、小比重为鉴定特征。 通常所谓的铝土矿(bauxite)，实际上并不是一个矿物种，而是以极细的三水铝石、一水硬铝石或一水软铝石为主要组份，并包含数量不等的高岭石、蛋白石、赤铁矿、针铁矿等而成的混合物。

氢氧化物矿物－－针铁矿 结晶学与矿物学 化学组成: Goethite a-FeO(OH) 。混入物组份与针铁矿成因有关。 结构特点: 正交晶系；点群mmm。空间群Pbnm；a0=4.64, b0=10.0, c0=3.03 ；Z=4。 晶体形态: 单晶体少见，呈针状或鳞片状。常成肾状、钟乳状、结核状或土状集合体。 物理性质: 褐黄至褐红色；条痕褐黄色；半金属光泽；硬度5~5.5；解理平行{010}完全；参差状断口；性脆。比重4.28。 鉴定特征:以其胶体形态和褐黄色条痕为特征。 通常所谓的褐铁矿(Limonite)，实际上并不是一个矿物种，而是以针铁矿或水针铁矿为主要组份，并包含数量不等的纤铁矿、含水氧化硅、粘土等而居的混合物。

结晶学与矿物学 氢氧化物矿物－－硬锰矿 化学组成: Psilomelane BaMn2+Mn4+9O2 0·3H2O, 成分变化很大。其中所含的水，类似于沸石水的性质，在500℃以前可以逐步放出。其化学式尚未能最后确定。 结构特点: 单斜晶系；点群2/m。空间群C2/m；a0=9.56, b0=2.88, c0=13.85, β=92°30′；Z=1。或正交晶系，点群222；空间群P222；a0=9.15., b0=13.90, c0=5.75, Z=2。晶体结构是由Mn-O6配位八面体组成的双链和三链相连接，围成中空的通道。链和通道平行于b 轴延伸。Ba2+和H2O分子位于通道之中 。 晶体形态: 通常成葡萄状、钟乳状、树枝状或土状集合体。单晶体极为罕见。 物理性质: 灰黑至黑色；条痕褐黑至黑色；半金属光泽至暗淡。硬度5~6；性脆。比重4.71。 鉴定特征: 以胶体形态，黑色条痕和硬度较高为鉴定特征。

复习思考题 结晶学与矿物学 说明萤石和石盐分别具有{111}和{100}解理的原因? 简单氧化物和复杂氧化物的区别何在? 氧化物常见有砂矿, 而硫化物则没有, 为什么? 以金红石, 尖晶石和水镁石为例, 说明它们各自的结构与形态和物理性质之间的关系 同属于刚玉型结构的刚玉和赤铁矿, 为何两者在物理性质上差异如此明显? 水镁石和辉钼矿同属于片状矿物, 其晶体结构之间有何不同? 三水铝石与刚玉的晶体结构之间有什么区别? 如何区别金红石和锡石, 钛铁矿, 铬铁矿和磁铁矿? 钙钛矿的晶体结构特点, 其地质意义何在?