矿物的化学式及其表示方式

1.矿物的化学式
矿物的化学式是表示组成矿物各种成分的数量比，以及它们在晶格中的赋存状态、相互关系和晶体结构特征的表达形式。通常矿物的化学式的表示方法有实验式和结构式两种。
（1）实验式
实验式仅表示出矿物中各元素的种类及其原子数之比，如白云母的实验式即写成H2KAl3Si3O12，或者按元素的简单氧化物组合而写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O的形式。
（2）结构式
亦称晶体化学式。除表示出组成元素的种类及其原子数之比外，还能在一定程度上表示出原子在结构中的关系及其存在形式。例如白云母的结构式即写为 KAl2［（AlSi3）O10］（OH）2。结构式是矿物学中普遍采用的方法，其书写规则和所代表的意义如下：
1）基本原则是阳离子在前，阴离子在后，例如：石英—SiO2，黄铜矿—CuFeS2等。若含有络阴离子，则用方括号将其括起来，例如：方解石—Ca［CO3］，透辉石—CaMg［Si2O6］。
2）附加阴离子通常写在络阴离子之后，例如：氟磷灰石—Ca5［PO4］3F，滑石—Mg3［Si4O10］（OH）2等。
3）相互间成类质同象置换关系的元素，均写在同一个圆括号内，并按含量由高到低依序排列。例如：铁闪锌矿—（ZnFe）S，普通辉石—Ca（MgFe2＋Fe3＋Al）［（SiAl）2O6］等。
4）矿物中的水分子则写在其他组分之后，并用圆点与其他组分相隔开，如石膏—Ca［SO4］·2H2O。沸石水的含量以其上限值为准，如钠沸石—Na2［Al2Si3O10］·2H2O 等。当水含量不确定时，则可用nH2O或αq（“水”的拉丁文αqus的缩写）来表示，如蛋白石—SiO2·nH2O或SiO2·αq。
2.矿物化学式的计算
矿物的化学式是根据单矿物的定量化学全分析数据或电子探针微区分析结果经过计算得出的。前者一般允许误差≤1%，后者的理论误差≤5%。但由此而得到的只是实验式，如果要写出矿物的结构式，还需要根据已有的晶体结构知识和晶体化学的原理，对矿物中各种元素的存在形式做出合理的判断，并按照电价平衡原则进行适当的分配。
表3-1和表3-2分别给出了矿物晶体化学式的具体计算过程的实例。

表3-1 某黄铜矿化学式计算实例


表3-2 某绿柱石化学式计算实例

矿物化学分析数据中各组分的百分含量的总和，一般允许的误差小于1%。因此，分析数据的总量应不低于99%和不高于101%。有的可能要求误差小于0.5%，视实验条件和测定精度而定。因获得的分析数据为不同元素的质量分数，不能代表不同原子数目的比例，必须进行计算。
1.简单化学式的计算（表2-3）
（1）第1栏是化学分析的元素质量分数，其总和为99%～100%。
（2）第2栏是查出各元素的相对原子质量（若分析的是氧化物，则应算出各氧化物的相对分子质量）。
（3）第3栏是用各元素相对原子质量或氧化物相对分子质量除各相应元素或氧化物的质量分数（即第1栏/第2栏）所得到的结果，表示该矿物中各元素原子数或各氧化物分子数之比。
（4）第4栏是将第3栏结果中的非整数比关系约简为整数的近似原子（分子）数之比关系。
表2-3 矿物晶体化学式计算实例一


2.复杂化学式的计算
对于硅酸盐矿物，其化学组成较为复杂，计算其化学式时，当得出各氧化物组分分子数的比例后，通常难以把它们近似地约简成简单的比例。其计算方法有两种，分别以氧的数目或阳离子的数目作为基准来进行计算。
（1）以氧原子数目为基准计算法：因对氧来说，一般极少被其他元素所置换，因此，只要知道属于哪一族矿物，即以该族矿物化学式中的氧原子数目为基准，再按比例进行一次换算。计算过程见表2-4。
表2-4 矿物晶体化学式计算实例二


表2-4中的晶体化学式，写于同一圆括号内的各元素均呈类质同像置换关系，各自的原子数用具体数字来表示，元素符号间不再加逗号，写于圆括号右下角的数字，表示圆括弧内各元素的原子数之和。这是化学式计算工作中特定的习惯表示方法。
计算步骤见表下的说明，阳离子数指的是阳离子的个数，如SiO2，即Si为1个（氧则为2个）。
（2）以阳离子总数为基准计算法：这种方法计算的结果与上一种方法的结果相近，也是常用的一种计算方法。计算步骤见表2-5。
表2-5 矿物晶体化学式计算实例三


矿物化学式的计算不仅对新矿物是必须的，而且对晶体结构分析、准确确定类质同像系列中的矿物种，也都是必须的。

（一）矿物化学式的表示方法

矿物的化学成分是以矿物的化学式（formula）表示的，即用组成矿物的化学元素符号按一定原则表示出来，它是以单矿物的化学全分析所得的各组分的相对质量百分含量为基础而计算出来的。具体表示方法通常有实验式和结构式两种。

实验式（experimental formula）只表示矿物中各组分的种类及其数量比。如白云母的实验式为K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O或H₂KAl₃Si₃O₁₂。这种化学式不能反映出矿物中各组分之间的相互关系。

目前，矿物学中普遍采用的是结构式（structural formula），即晶体化学式（crystallochemical formula），它既能表明矿物中各组分的种类及其数量比，又能反映出它们在晶格中的相互关系及其存在形式。如白云母的晶体化学式应写作K{Al₂ [（Si₃Al）O₁₀]（OH）₂}，表明白云母是一种具层状结构的铝的铝硅酸盐矿物，部分Al进入四面体空隙替代1/4的 Si，另有部分 Al则以六次配位的形式存在于八面体空隙中，K为补偿由Al³⁺替代Si⁴⁺所引起的层间电荷而进入结构层间，此外白云母的组成中还有结构水。

晶体化学式的书写规则如下：

（1）基本原则是阳离子在前，阴离子或络阴离子在后。络阴离子需用方括号括起来。如石英 SiO₂、方解石 Ca[CO₃ ]。对于某些更大的结构单元，也可用大括号括起来，例如白云母K{Al₂ [（Si₃Al）O₁₀]（OH）₂}。

（2）对复化合物，阳离子按其碱性由强至弱、价态从低到高的顺序排列。如白云石 CaMg[CO₃ ]₂、磁铁矿 FeFe₂ O₄ （即 Fe²⁺O₄ ）。

（3）附加阴离子通常写在阴离子或络阴离子之后。如白云母K{Al₂[（Si₃Al）O₁₀]（OH）₂}、氟磷灰石 Ca₅[PO₄]₃F。

（4）矿物中的水分子写在化学式的最末尾，并用圆点将其与其他组分隔开。当含水量不定时，则常用nH₂O或aq（即“水”的拉丁文aqua之缩写）表示。如石膏Ca［SO₄］·2H₂O、蛋白石SiO₂·nH₂O或SiO₂·aq。

（5）互为类质同象替代的离子，用圆括号括起来，并按含量由多到少的顺序排列，中间用逗号分开。如铁闪锌矿（Zn，Fe）S、黄玉Al₂［SiO₄］（F，OH）₂。

应当注意，在计算出矿物中各元素的离子数之后，书写晶体化学式时，习惯上是将其具体数值分别写在各元素符号之右下角，同时成类质同象替代关系的各元素之间无需再加逗号，并在圆括号之后下角列出圆括号内各元素离子数之总和。如某单斜辉石的晶体化学式为：

结晶学及矿物学

矿物的化学式是根据单矿物的化学全分析数据计算得出的，但由此得到的仅是实验式。要写出矿物的晶体化学式，则尚须依据晶体化学理论及晶体结构知识，对矿物中各元素的存在形式作出合理的判断，并按照电价平衡原则，将其分配到适当的晶格位置上。必要时还需进一步结合X射线结构分析资料加以确证。

单矿物的化学全分析的结果，通常是以矿物中的各元素或氧化物的质量（w_B/%）给出，其一般允许误差≤1%，即各组分的质量分数之总和应在99%～101%（有时还要求误差不超过0.5%，视实验条件和测定的精度而定）。否则不能用于矿物化学式的计算。

对于成分较简单的矿物化学式计算，只需将各组分的质量分数（w_B/%）分别除以其相应的原子量或分子量，即得到各组分的摩尔数，然后再将组分摩尔数化为简单整数，即可写出矿物的化学式。如表12-3之实例。

表12-3 某黄铜矿的化学式计算

然而自然界的许多矿物成分复杂，尤其是大多数硅酸盐矿物，类质同象替代复杂，具有附加阴离子，且同种阳离子能以不同的配位形式存在于不同的晶格位置上（如Al有四次配位和六次配位之分），因而其晶体化学式的计算比较麻烦，须结合晶体化学知识及X射线结构分析资料，以不同的方法来计算和确定矿物的化学式。

矿物晶体化学式的计算方法很多。但不论采用何种方法，其计算原则均是：尽量使占位的离子数目保持合理；尽量使正负电荷总数保持平衡。这里仅简要地介绍常用的阴离子法和阳离子法。

（二）矿物化学式的计算

1.阴离子法

阴离子法的理论基础主要是矿物单位分子（formula unit）内作最紧密堆积的阴离子数是固定不变的，它不受阳离子之间的类质同象替代的影响，其晶格中基本不出现阴离子空位。应用此法的前提是必须有矿物的化学全分析数据及已知矿物的化学通式。

自然界矿物大多属含氧盐和氧化物。由于如辉石族等矿物的单位分子内的氧一般极少被其他元素置换，其原子数为常数。故常采用以单位分子中的氧原子数（O_f.u.）为基准的氧原子法来计算矿物的晶体化学式。

现以某单斜辉石（化学通式为 XY[Z₂O₆]）为例（表 12-4），说明氧原子法计算矿物晶体化学式的具体步骤：

（1）首先检查矿物的化学分析结果是否符合精度要求。表12-4中单斜辉石的各组分的质量分数总和（Σw _B/%）为99.82%（去除了吸附水 H₂ O^-），符合化学式计算的精度要求。

表12-4 某单斜辉石晶体化学式的氧原子计算法

（2）查出各组分的分子量。

（3）将各组分的质量分数（w_B/%）除以该组分的分子量，求出各组分的摩尔数。

（4）用各组分的摩尔数乘以其各自的氧原子系数得到各组分的氧原子数。

（5）将各组分的氧原子数加起来即得矿物中各组分的氧原子数总和ΣO。

（6）以矿物单位分子中的氧原子数O_f.u.（如辉石的O_f.u.=6）除以氧原子数总和ΣO，得到换算系数（即O_f.u./ΣO）。

（7）用各组分的摩尔数乘以其相应的阳离子的系数，求得各组分的阳离子数。

（8）以各组分的阳离子数乘以换算系数即得出矿物单位分子中的阳离子数（i_f.u.）。

（9）依据晶体化学理论及晶体结构知识，按矿物的化学通式，将矿物中各阳离子尽可能合理地分配到晶格中相应的位置上。

（10）按矿物的化学通式，检验矿物单位分子中的阳离子总数Σi_f.u.及正电荷总数Σ（+）。

（11）写出矿物的晶体化学式。

以上计算步骤适用于一般阴离子法，所不同的只是不同矿物作为基准的阴离子数有别。氧原子法通常适合于不含水的氧化物和含氧盐矿物。对含 OH^-、F^-、Cl^-、S^2-等附加阴离子的矿物，计算时，必须对氧进行校正，同时注意作基准的单位分子中的阴离子数（氧原子数），其计算过程比较复杂，关于这方面的内容，可参阅有关著作。此外，也可采用以阳离子数为准的计算方法。

2.阳离子法

阳离子法的理论基础是矿物内部某些晶格位置上的阳离子数目相对较固定。它对于成分、结构较复杂的链状、层状结构的硅酸盐如角闪石族、云母族等矿物的化学式计算较为适用。这类矿物单位晶胞中阳离子的位置较多、类质同象替代十分复杂。一般说来，结构内大空隙位置往往未被占满；而小空隙的晶格位置上则极少出现空位，其中的阳离子数相对较稳定，占据这些位置的是一些电价高、半径小、配位数低的阳离子。因此，其晶体化学式计算时，常以这些小空隙位置上单位分子内的阳离子数为基准。例如，白云母的化学通式为X{Y₂ [Z₄O₁₀]（OH，F）₂}，其X阳离子的晶位上往往都存在有空位，计算化学式时一般以阳离子Y+Z=6为基准。

这里仍例举上述的单斜辉石的化学式计算（表12-5），以说明阳离子法的计算步骤：

表12-5 某单斜辉石晶体化学式的阳离子计算法

（1）检查矿物化学分析数据是否符合化学式计算的精度要求。应注意去除矿物本身固有组成之外的组分（如吸附水等）。

（2）查出各组分的分子量。

（3）用各组分的质量分数（w_B/%）除以其相应的分子量，求出各组分的摩尔数。

（4）将各组分的摩尔数乘以其各自的阳离子的系数，得到各组分的阳离子数。

（5）根据晶体化学知识，按矿物的化学通式，将各阳离子分配到适当的晶格位置上，并求出作为基准的结构位置上的各阳离子数之总和ΣMe。

（6）由矿物单位分子内作为基准的阳离子数Me_f.u.除以ΣMe即得到换算系数（即Me_f.u./ΣMe）。

（7）将各组分的阳离子数乘以换算系数得出矿物单位分子中的阳离子数（i_f.u.）。

（8）按矿物的化学通式，检验矿物单位分子中的阳离子总数Σi_f.u.及正电荷总数Σ（+）。

（9）矿物的阴离子总数等于矿物通式中的理论值。对于具附加阴离子的矿物，依据矿物单位分子中的Σ（+）及电价平衡原则，可分别计算出各种阴离子的数目。

（10）按照矿物的化学通式，写出其晶体化学式。

矿物晶体化学式的计算，不仅在矿物学研究中是必不可少的，而且对解决岩石和矿床的成因等地质问题也具有重要的实际意义。

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