矿物晶体化学式
2020-01-15 · 技术研发知识服务融合发展。
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一、矿物晶体化学式的书写
矿物的化学成分可以两种化学式表示。其一是只顺序表示组成矿物的元素种类和数量比，称实验式（experimental formula），如白云母的实验式写作 K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O 或H2KAl3Si3O12；其二是不但表示组成矿物的元素种类和数量比，还以一定的规则表示元素在晶体结构中的配置关系，称结构式（structural formula）或晶体化学式（crystallochemical formula），如白云母的晶体化学式写作K｛Al2［AlSi3O10］（OH）2｝（元素在结构中的配置关系见层状硅酸盐部分）。后者是目前矿物学中普遍采用的方式，其一般的书写规则如下：
1）阳离子在前，阴离子或络阴离子在后。呈类质同象的各阳离子用圆括号括起来，依前多后少次序排列并用逗号隔开；络阴离子用方括号括起来，如橄榄石（Mg，Fe）2［SiO4］；硅灰石Ca3［Si3O9］。
2）对于复盐矿物，其阳离子按碱性由强至弱顺序书写，若碱性相同时，按离子电价由低至高顺序书写。如白云石CaMg［CO3］2（Ca2+碱性强于Mg2+），磁铁矿FeFe2O4（前面的铁离子是+2价，后面是+3价）。
3）如存在附加阴离子，将其写在主阴离子或主络阴离子之后，如氟磷灰石Ca5［PO4］3F。
4）矿物中的水分子以H2O形式写在最后，并用圆点与前面的组分隔开，水分子前写上水的系数，若含水量不定，系数记为n。如石膏Ca［SO4］·2H2O，方沸石Na2［AlSi2O6］2·2H2O，蛋白石SiO2·nH2O。若水以（OH）-形式存在时，按一般附加阴离子对待，如黄玉Al2［SiO4］（F，OH）2。
5）若结构比较复杂，结构较为紧密的成分用括号括在一起，以示结构的层次。如白云母K｛Al2［AlSi3O10］（OH）2｝，［］中的成分构成硅氧骨干，｛ ｝中的成分构成结构单元层。类质同象组分用（）括起来表示，其具体方法见“晶体化学”。
二、矿物晶体化学式的计算
矿物的化学成分是可以在一定范围内变化的。在实际工作中，通常要求根据单矿物的化学成分分析数据（一般以元素或氧化物的质量分数给出，允许误差≤1%）计算矿物的晶体化学式，以获得实际矿物的成分特征，从而对矿物、岩石或矿床的成因进行探讨，对矿床的找矿远景进行分析。
矿物晶体化学式有多种计算方法，均遵循占位离子数最合理、总电价近平衡的原则。阴离子法和阳离子法是最常用的两种方法，简要介绍如下。
1.阴离子法
本法是基于已知矿物晶体化学通式，阴离子作最紧密堆积，在单位分子内数目不变而以其为基数进行晶体化学式计算的方法。含氧盐和氧化物矿物的晶体化学式就可以单位分子内氧的数目为基数进行计算，称为氧原子法。现以某单斜辉石（化学通式为XY［Z2O6］）为例（表13-3），说明按氧原子法计算矿物晶体化学式的步骤。
表13-3 按阴离子法计算某单斜辉石晶体化学式
注：矿物的化学全分析数据据徐登科，1979。
1）检查化学分析结果是否符合精度要求。如本例第2列，H2O-为吸附水，不参加计算，其他各组分质量分数总和（∑wB）为100.07%，符合精度要求。必要时进行修正，如本例第3列。
2）查出各组分相对分子质量，如本例第4列。
3）将各组分的质量分数（wB/%）除以该组分的相对分子质量，求各组分的摩尔数，如本例第5列。
4）用各组分的摩尔数乘以其氧原子系数得到各组分的氧原子数，如本例第6列。
5）用各组分的摩尔数乘以其相应的阳离子的系数，得各组分的阳离子数，如本例第7列。
6）将各组分的氧原子数相加得各组分的氧原子数总和ΣO。
7）以矿物单位分子（即通式）中的氧原子理论数Of.u.（本例为6）除以氧原子数总和∑O，得换算系数（即Of.u./∑O）。本例为6/2.7269=2.2003。
8）以各组分的阳离子数乘以换算系数得单位分子中的阳离子数，如本例第8列。
9）据类质同象理论和矿物化学通式，将各阳离子分配到相应的晶格位置，如本例中的X、Y、Z位。此处注意Al占据两种晶格位置，分配时一般优先考虑配平替代Si的四面体位置，即替代Si四面体位置的Al为2.00-1.92=0.08，其余分配到八面体位置。
10）进行电价平衡检验计算，基本平衡时写出矿物的晶体化学式，如
（Ca0.96，Na0.04）1.00（Mg0.82，
氧原子法适于不含水的氧化物和含氧盐矿物晶体化学式计算。对含OH-、F-、Cl-、S2-等附加阴离子的矿物，可采用阳离子法进行计算。
2.阳离子法
本法考虑到矿物结构中小空隙晶格位上占据的高电价、小半径、低配位阳离子数目较固定，而以其为基数进行晶体化学式的计算。阳离子法对于成分和结构较复杂的链状、层状硅酸盐矿物的化学式计算较为适用。下面以黑云母化学通式为A｛B3［T4O10］（OH）2｝为例（表13-4），说明按阳离子法计算晶体化学式的步骤。
表13-4 按阳离子法计算某黑云母晶体化学式
注：矿物化学全分析数据见徐登科，1979。
1）检查化学分析数据是否符合精度要求，如本例第2列。必要时进行修正，如本例第3列。
2）查出各组分的相对分子质量，如本例第4列。
3）用各组分的质量分数（wB/%）除以其相应的相对分子质量，求各组分的摩尔数，如本例第5列。
4）将各组分的摩尔数乘以其各自的阳离子的系数，得各组分的阳离子数，如本例第6列。
5）按类质同象理论和矿物化学通式，将各阳离子分配到适当的晶格位置上，求出作为基准的结构位置上各阳离子数之和ΣMe，如本例为1.7477。
6）由矿物化学通式中基准位置上的阳离子理论数（本例为8）除以ΣMe得换算系数（即8/ΣMe），如本例为4.5774。
7）将各组分的阳离子数乘以换算系数得矿物单位分子中各阳离子数，如本例第7列。
8）矿物的阴离子总数采用通式中的理论值［本例（O2-+OH-+F-+Cl-）=12］。对于具附加阴离子［本例中（OH-+F-+Cl-）=2］的矿物，依据电价平衡原则，分别计算各种阴离子的数目。本例中首先按照阳离子H+求得OH-数量，再按照阴离子法求得F-和Cl-的数量，计算结果发现附加阴离子（OH-+F-+Cl-）之和小于理论值2，说明还有少量附加阴离子O2-存在。以阴离子总数（本例为2）减去（OH-+F-+Cl-）之和即得附加阴离子O2-的数量。
9）进行电价平衡检验计算，可以写出矿物的晶体化学式，如（K0.93Na0.03Ca0.02）0.98（Mg1.83
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