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

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1 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

2 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，

3 结晶学与矿物学 简单氧化物矿物－－概述

4 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。

5 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{ }六方双锥

6 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。

7 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

8 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。

9 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{ }六方双锥

10 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。

11 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

12 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。

13 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。

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

15 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

16 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

17 -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）

18 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。

19 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

20 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

21 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

22 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。

23 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）

24 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

25 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。

26 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。

27 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

28 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。

29 结晶学与矿物学 氢氧化物矿物－－水镁石 水镁石的晶体结构

30 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。

31 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。

32 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。

33 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?