MineralScience.ppt
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1、Mineral Science 641,675,Cornelis Klein The University of New Mexico 22nd,23rd Edition after James D Dana 2002,2008 John Wiley & Sons Inc.,1)黄禹锡? 2)德国防长? 3)日本的新旧石器? 4)写文章抄袭他人发表的文章段落不注明,是为了学习? 5)科学家最悲惨的是什么?最最悲惨的是什么?最最最悲惨的是什么?.,科学家应有的素质?,课程介绍矿物科学,矿物学的发展人类历史 感官,棍子,镐头,简单工具,尺子,量角器,小刀, 测角仪1780, 显微镜1828, 衍射
2、1912,衍射仪1924 电子探针1960, 电子显微镜(扫描电镜、透射电镜)1970。 你们将使用的新仪器?,课程介绍矿物科学,Roebling奖(1937-2001,39,42,43,44,51) 43 USA, Nobel Prize,1954,1962 5 UK, Nobel Prize,1915 2 Swiss 2 Japan 2 Sweden 1 Austria 1 Germany 1 France 1 Russian 1 Canada,课程介绍矿物科学发展历史,课程介绍矿物科学,课程介绍矿物科学,课程介绍矿物科学,课程介绍矿物科学,课程介绍矿物科学,课程介绍矿物科学,课程介绍矿物
3、科学,课程介绍矿物科学,课程介绍矿物科学,矿物科学,岩石学,矿床学,地球物理学,构造地质学,地球化学,年代地质学,经济地质学,环境地质学,陨石与行星学,课程介绍矿物科学,论述科学仪器在矿物科学的发展中所起到的作用。 中国矿物学家为什么没有获得Roebling奖? 讨论“战争、政治、神、上帝、迷信与科学”。 在你所从事的专业研究中,你是否需要仪器伴侣? 矿物科学与你从事的专业研究的关系。 矿物科学在社会生活中的地位?,课程介绍矿物科学,矿物科学包括描述矿物学、结晶学和晶体化学。 描述矿物学主要包括测量与纪录矿物的各种特征(参数)。 结晶学主要包括晶体几何学、对称性及其相关晶体性质。 即研究晶体结
4、构(原子和键位置、键类型、内部对 称和单位晶胞的化学成分)。 晶体化学关于晶体化学成分与内部结构的关系及由此产生 的物理、化学性质的学科。,矿物的描述矿物科学,A mineral is a naturally occurring solid with a highly ordered atomic arrangement and a definite (but not fixed) chemical composition. It is usually formed by inorganic processes.,矿物是一种自然产出的固体物质,其内部原子具 有高度的有序,其化学成分是一定的(非
5、固 定的)。通常是在无机过程形成的。,矿物的描述形态,矿物的生长律? 矿物的晶形? 面角守恒定律? 几何淘汰律? 最大面网密度生长晶面律? 双晶律接触、穿插双晶?双晶面、 双晶轴90,180?近双晶?,矿物的描述形态,矿物的晶形 粒状、片状、针状、板状; 聚片、放射、束、梳、枝、鲕、肾。,矿物的描述颜色,矿物的色 。 矿物颜色的构成? 3原色?色素离子? 可见光波长:350-750nm Ehvhc/l,矿物的描述硬度,矿物的硬度 ? 最软的石头?,矿物的描述密度,矿物的密度 ? 如何测定矿物的密度? GWa/(Wa-Ww) Wa:空气中的重量 Ww:水中的重量 Wa石英4.265g Ww石英2
6、.656g G石英2.65g/cm3,矿物的描述密度,矿物的磁性、放射性、介电性?,晶体化学概论,晶体化学研究由晶体结构联系的晶体中的化学元 素、化学键和晶体的化学性质和物理性 质。与无机化学紧密相联。 地壳中的岩石分布(Clarke & Washington,1924): 95火成岩,4页岩,0.75,0.25碳酸 盐岩。 火成岩的平均成分地壳的平均成分。 5159个火成岩的成分分析得出:,晶体化学概论,元素在地壳中的分布:,晶体化学概论,原子是具有元素特性的最小单位。由中子、 质子和电子组成。 电子的质量1/1837质子。 电子所占的原子的空间? 原子的直径原子核的1万倍。 同位素:相同元
7、素不同中子数的原子。 O16,17,18,晶体化学概论,辐射能量: Ehc/l Einstein equation, E: 辐射能量;c:光速;l:波长; h:Planck常数6.6251710-27(?),丹麦物理学家Bohl的原子模型(1913) 电子能量的Bohl表达式: EA/n2 A:包涵电子质量、电荷和Planck常数的常数; n:电子所在轨道数。,晶体化学概论,法国物理学家LouisVictor原子模型(1923) 辐射波长的LouisVictor表达式: lh/mv l:波长; m:电子质量; h:Planck常数; v:粒子速度。,n=,n=4(N),n=3(M),n=2(L
8、),n=1(K),晶体化学概论,德国物理学家Werner Heishberg提出了电子的不确定性原理,即不能用圆形或椭圆形轨道描述电子。 Erwin Schrodinger的原子模型(1926):即量子力学模型和理论。Schrodinger理论(波动方程)描述了在确定时刻,确定空间找到一定质量一定能量的电子的几率为: 2y8p2m(EV)y / h0 其中 Y为电子密度分布的概率, 2 Y 2y / x2 2y/ y2 2y/ z2 m:电子质量, E:电子总能量, h:Planck常数, V:电子在空间点的势能。,晶体化学概论,对于xyz,可当成n(轨道),即电子到原子核的距离r。 故在r距
9、离找到电子的概率可由4pr2y2描述。 对于s轨道,,r,4pr2y2,r0,晶体化学概论,对于xyz,可当成n(轨道),即电子到原子核的距离r。 故在r距离找到电子的概率可由4pr2y2描述。 对于s,p.d.f轨道,,S,S,S,S,S,S,S,p,p,p,p,p,p,d,d,d,d,d,f,f,f,K,L,M,N,O,P,Q,能量高,能量低,晶体化学概论,离子当原子俘获电子或失去电子时,变成了带电荷的“原子”。 电离势? 电负性?,电负性,晶体化学概论,造岩矿物中常见离子的价态,Na+ Si+4 K+ Ti+4 C+4 Mg+2 Fe+2,+3 P+5 Ca+2 Mn+2,+3 S+6
10、Al+3 O-2 ( SiO4)-4 (PO4)-3 (OH)- (CO3)-2 (SO4)-2,阴离子(团),晶体化学概论,离子当原子俘获电子或失去电子时,变成了带电荷的“原子”。 电离势? 电负性? 键?单键?多键? 键性离子键、共价键、金属键、van der Waals键、H 键 键力 离子键:特点?,?;物质性质?,?,? 1s22s22p63s11s22s22p6 + e- 1s22s22p63s23p5 + e- 1s22s22p63s23p6 u = (Aq1q2)/r, A?, r?, q?,晶体化学概论,离子键 共价键?,?,?,?,? 金属键?,?,?,?,? van de
11、r Waals键?,?,?,? H键?,?,?,? 键强 机械性能 电性 热性 溶解性 结构特点,晶体化学概论,键的离子化程度: Fic = 1 e1/4(XA-XB) , XA?,XB?,TiC,SiO,ScN,MgO,NaF,晶体化学概论,原子和离子半径 离子间的静电引力 Fkq+q-/d2 k?, q?, d?, F? ?提出的法国物理学家Charls Coulomb,1787 离子间的斥力 离子间距 离子半径,晶体化学概论,F,R,Ac,能,0,+,+,晶体化学概论,晶体化学概论,离子半径与配位数 配位数晶体总是由整数原子、离子组成晶体中原离子数具有整数比的基本规律。配位数就是其具体表
12、现之一。 1? 2 3?Be+2,C+4,N+5,O-2 4 5?W+6,V+5,Bi+3,Ga+3,Cu+2,Al+3,P+5 6 7?Hf+4,Ta+5,Zr+4,Nb+5 8 9?Na+,K+,Ca+2,Ba+2,La+3,Zr+4,Th+4,Pb+2 10 11?Cs+ 12,晶体化学概论,配位数与离子半径比的计算 1? 2,如何配置离子? 3,如何配置离子?Be+2,C+4,N+5,O-2 4,如何 5?W+6,V+5,Bi+3,Ga+3,Cu+2,Al+3,P+5 6 7?Hf+4,Ta+5,Zr+4,Nb+5 8 9?Na+,K+,Ca+2,Ba+2,La+3,Zr+4,Th+4
13、,Pb+2 10 11?Cs+ 12,晶体化学概论,晶体化学概论,晶体化学概论,2次配位的阴阳离子半径比? 直线型结构?,晶体化学概论,Cos300.5/(0.5+x/2) 0.5+x/2=0.5/cos30= 0.5/0.8660=0.5774 X=0.155,x,1,晶体化学概论,1,A,B,C,D,E,F,G,A,B,D,F,30,E,晶体化学概论,cos30=AE/AF AF=0.5/cos30 AF=0.52/3 =1/ 3,A,F,C,G,CF= (AC2-AF2) =1-1/3 =(2/3)=0.8165 CG=CF*3/4 G=CF/4 CG=x/2+1/2 x/2+1/2=3
14、/4*0.8165=0.6124 x/2=0.6124-0.5=0.1124 X=0.225,x,E,晶体化学概论,(1+x)2=12+12 1+x=2=1.414 x=0.414,x,1,八面体,晶体化学概论,(1+x)2=12+(2)2 1+x=(1+2)=1.732 x=0.732,x,1,2,立方体,晶体化学概论,离子 CN R O2- 1.36 K+ 812 1.5181.6412 Na+ 86 1.1881.026 Ca2+ 86 1.1281.006 Mn2+ 6 0.836 Fe2+ 6 0.786 Fe3+ 6 0.726 Mg2+ 6 0.656 Ti 4+ 6 0.616
15、 Al3+ 6 0.546 Al3+ 4 0.394 Si4+ 4 0.264 P5+ 4 0.174 S6+ 4 0.124 C4+ 3 0.083,晶体化学概论,Pauling规则: 1、阴阳离子半径比与配位数规则; 2、电价原理(electrostatic valency)ev=Z/cn; 3、多面体共边、共面降低稳定性原理; 4、晶体中高电价低配位阳离子趋向非共边、非共面原理; 5、Parsimony原理: 晶体中不同“成分”的结构占位趋向最少。,晶体化学概论,电价原理: 键强离子(e.v.) 电荷(Z)/配位数(cn),CN8; e.v.2/8 S = 81/42 2-2=0,Na,
16、Cl,CN6; e.v.1/6 = 61/61 1-1=0,Ca,F,Ca,F,CN4; e.v.1/4 S = 41/41 1-1=0,e.v.,晶体化学概论,电价原理: 键强离子(e.v.) 电荷(Z)/配位数(cn),C+4,O-2,CN3; e.v.4/3 S = 34/34 -6+4=-2 各O具有-2/3电荷,S6+,O,CN4; e.v.6/4 S = 46/46 -8-6=-2 各O具有1/2电荷,(CO3)-2,(SO4)-2,晶体化学概论,配位多面体的连接: 配位多面体可能的连接? 点、线、面连接。 点状连接:都可; 线状连接:除CN2外; 面状连接:除CN3外; 体状连接
17、:,晶体化学概论,1,0.58,0.33,晶体化学概论,0.71,1,0.58,晶体结构概论,晶体结构晶体中各原子、离子在单位晶胞中的 坐标位置(xyz)描述了完整的晶体结 构信息,故所有原子离子的xyz即为晶 体结构。 解结构确定所有原子离子的xyz即解结构。 高岭石的晶体结构 Al2Si2O5OH4 Triclinic ;P 1;Z = 1 Lattice parameters (cub. angs.,degr.): a = 5.1300 alpha = 91.67 b = 8.8900 beta = 104.67 c = 7.2500 gamma = 90.00 Unit cell vo
18、lume (cub. angs.) = 319.72,晶体结构概论,原子离子位置 N/N x/a y/b z/c B(j) Occupancy 1 0.7770 0.1750 0.8720 0.0000 O1 2 0.2770 0.3210 0.8720 0.0000 O1 3 0.3040 0.0030 0.8640 0.0000 O1 4 0.2370 0.1860 0.1550 0.0000 O1 5 0.7370 0.3220 0.1550 0.0000 O1 6 0.6960 0.0040 0.1570 0.0000 O1 7 0.7910 0.1770 0.4750 0.0000
19、O1 8 0.6150 0.8950 0.4550 0.0000 O1 9 0.1120 0.9590 0.4540 0.0000 O1 10 0.5000 0.1710 0.0020 0.0000 Al1 11 0.0000 0.3330 0.0000 0.0000 Al1 12 0.8050 0.3390 0.3860 0.0000 Si1 13 0.8050 0.0020 0.3840 0.0000 Si1,晶体结构概论,晶体势能,A:能量常数; n:离子个数; Z:电荷; :半径和; r:压缩系数。,晶体结构概论,原子结构一旦确定,晶体的许多性质就确定了,包括节理、硬度、 密度、熔点、
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