发布时间 : 星期二 文章结晶学及矿物学课后答案更新完毕开始阅读99a4fd746bd97f192379e918
答：道芬双晶和巴西双晶是石英的两种常见双晶，在外形上非常相似，我们可以通过下面几种方法区别它们：
1）三方偏方面体晶面 如果该面绕c轴每隔60o出现一次，该双晶为道芬双晶；如果两个该面呈左右镜像对称关系，该双晶应为巴西双晶。
2）双晶缝合线 巴西双晶的缝合线一般是折线；而道芬双晶的缝合线是弯曲、复杂的线。
3）蚀像 在缝合线两侧的同一柱面上，蚀像方向相反，可以用L2联系，则为道芬双晶；两边的蚀坑可以通过对称面联系，则为巴西双晶。
6.赤铁矿和钛铁矿均属刚玉型结构，为什么两者对称型不同？
答：赤铁矿和钛铁矿均属于刚玉结构，但赤铁矿（Fe2O3）的阳离子只有Fe3+，而钛铁矿（FeTiO3）的阳离子有两种Fe2+和Ti4+，这两种离子在赤铁矿中Fe3+的位置上相间分布，使结构中本应对称的位置变得不对称了，从而导致钛铁矿的对称程度比赤铁矿低。
7.赤铜矿晶体结构中，虽然O2-分布于晶胞角顶和中心，但不是体心格子，为什么？赤铜矿晶体结构中，O2-是否为最紧密堆积？为什么？
答：在赤铜矿晶胞中，角顶上的O2-与中心的O2-不是相当点（它们的配位多面体的方向不一致，即环境不同），因此，赤铜矿的空间格子只能是立方原始格子。该结构中的O2-也不是最紧密堆积。因为最紧密堆积只有两种基本堆积形式：立方最紧密堆积和六方最紧密堆积。因为赤铜矿为等轴晶系，因此与赤铜矿可能对应的只能是立方最紧密堆积，但立方最紧密堆积要求同种质点分布在角顶和面的中心。赤铜矿中的O2-不能满足该条件，因此它不是最紧密堆积。 8.三水铝石与刚玉的晶体结构间有什么异同？
答：三水铝石（Al（OH）3）的结构与水镁石的结构近似，由两层OH-离子作最紧密堆积，Al3+充填其中的2/3的八面体空隙，从而构成一层稳定的结构单元层。这些结构单元层之间通过氢键相连接。而刚玉晶体（Al2O3）是由O2-作六方最紧密堆积，Al3+充填其中2/3的八面体空隙，构成一个稳定的结构。单从两层氧离子堆积及铝离子充填的情况来看，刚玉结构与三水铝石的结构单元层是一样的，但刚玉并不是层状结构并不存在这样的结构单元层。
9.如何区别金红石和锡石；钛铁矿、铬铁矿和磁铁矿？
答：金红石和锡石肉眼鉴定的区别在于它们的解理和相对密度的差异：金红石有{110}方向的中等-完全解理，而锡石没有解理；金红石的比重为4.4，而锡石的比重为6.8-7.0。
钛铁矿、铬铁矿和磁铁矿的区别在于：首先，钛铁矿晶形为板状、厚板状，与等轴晶系的磁铁矿和铬铁矿的晶形不同。在磁性方面钛铁矿为弱磁性，虽然与铬铁矿相似，但与磁铁矿的强磁性区别明显。钛铁矿的条痕黑色，这与磁铁矿的条痕近似，但与铬铁矿的棕色条痕比较容易区分。 10.何为细分散多矿物集合体？举例说明。
答：细分散矿物集合体是指由多种结晶颗粒细小的矿物，以某一种或几种矿物为主，伴有其它一些种类的矿物混合在一起组成的集合体。它不是一种矿物，而是一种混合物。例如：铝土矿，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分，并包括数量不等的高岭石、蛋白石、赤铁矿、针铁矿等而成的混合物。它就是一种细分散矿物集合体。
第二十一章 习题
1.用鲍林法则说明：在硅酸盐中，［SiO4］—［SiO4］四面体只能共角顶联结，不能共棱、共面联结。 答：这种现象可以用鲍林法则第3条进行解释。第3法则表述为：在配位结构中，两个阴离子多面体以共棱，特别是共面的方式存在时，结构的稳定性便降低。对于高电价，低配位数的阳离子来说，这个效应尤为明显。硅酸盐中，Si4+为高电价，低配位数的阳离子，因此在硅酸盐中，［SiO4］—［SiO4］四面体只能共角顶联结，不能共棱、共面联结。
2.在硅酸盐中，Si—O键的性质既有离子键性又有共价键性，分别解释为什么？
答：判断化合物中的化学键的离子键或共价键性质，一般是用离子键模型和共价键模型去描述化学键的特点。如果符合离子键模型，则可以判断其键性为离子键，如果符合共价键模型，则可判断其键性为共价键。
在硅酸盐中，大多数硅酸盐的晶体结构特点是可以用离子键解释的。根据鲍林离子半径，rSi4+=0.041nm，rO2-=0.14nm，其比值rSi4+/ rO2-=0.29，处于四面体配位范围0.255~0.414之内，所以Si与O结合时易形成四面体配位。但也存在一些情况与离子模型不符合的，例如：根据离子模型，O2-趋于最紧密堆积，阳离子充填四面体或八面体空隙，如果阳离子半径不合适，它仍可进入O2-间的空隙，但将使O2-的最紧密堆积歪曲变形，从而使O2-堆积的比体积低于理想的最紧密堆积的比体积（0.0145nm3）,但在某些硅酸盐中如镁橄榄石、SiO2多种同质多像变体等，阳离子大小是与O2-堆积形成的四面体、八面体空隙适应的，在这些矿物晶体中，照理应该形成最紧密堆积结构，但发现这些矿物O2-堆积的比体积低于理论值，这是因为Si-O键并非纯离子性，而有相当明显的共价性。
在共价模型中，Si-O是用共价键概念描述的。处于基态的硅原子的外层电子构型为2s22p33s1，因此，1个3s和3个2p轨道强烈杂化形成sp3杂化轨道，这4个杂化轨道指向四面体的4个角顶，其中每个sp3杂化轨道与一个氧原子的2p轨道重叠形成σ键，即重叠电子密度的极大部分处于Si-O线上的键。共价模型与实际情况符合良好，例如绝大多数Si是四面体配位。
3.用鲍林法则证明：Al在硅酸盐中具双重性且［AlO4］—［AlO4］四面体不能直接相联。
答：从鲍林法则第1条可知，阴阳离子半径比决定阳离子的配位数。而rAl3+/rO2-=0.419，恰巧近似于四次配位与六次配位分界处的阴阳离子半径比值0.414，所以Al3+既可以四次配位又可以六次配位。 如果［AlO4］—［AlO4］四面体直接相联，连接两个Al3+的桥氧键强和为3/4+3/4=1.5。根据鲍林法则第2条：某离子的键强和等于其电价才能稳定。1.5偏离O2-电价（-2）已达25%，超过了稳定化合物键强之和的偏差容忍极限16%，因此，［AlO4］—［AlO4］四面体直接相联是不稳定的。
4.在硅酸盐晶体结构中，为使硅氧骨干与骨干外阳离子配位多面体协调，常需互相变形。请举出两个具体矿物晶体结构的例子来说明这个问题。
答：一般来讲，[SiO4]四面体的体积稳定，不随外界环境变化而变化，但骨干外阳离子配位多面体的体积随阳离子的大小和温压环境变化较大。为适应这种变化，硅氧骨干往往发生扭转变形，以与骨干外阳离子配位多面体相适应。
例如：在顽火辉石Mg2[Si2O6]中，阳离子为Mg2+，则八面体链内的两个[MgO6]八面体的长度与两个以角顶相连的[SiO4]四面体长度相适应，所以硅氧骨干为[SiO4]四面体重复周期为2的[Si2O6]单链；如果阳离子为半径较大的Ca2+，两个[CaO6]八面体的长度与3个以角顶相连的[SiO4]四面体长度相当，所以硅氧骨干为[SiO4]四面体重复周期为3的[Si3O9]单链，形成硅灰石Ca3[Si3O9]。
再以具层状硅氧骨干的蛇纹石Mg8[Si4O10]为例，结构体现为[MgO2(OH)4]八面体层与[SiO4]四面体层的结合。由于[MgO2(OH)4]八面体层中O(OH)-O(OH)间距较[SiO4]四面体层中O-O间距略小，因此，在叶蛇纹石结构中为了使[SiO4]四面体骨干层与阳离子八面体层相适应，结构层产生弯曲，八面体在外圈，四面体层在内圈，并使方向相反的结构层连接起来形成波浪状。 5.大多数Si—O配位为［SiO4］四面体，在什么条件下可形成［SiO6］八面体配位？并解释［SiO4］比［SiO6］稳定。
答：在Si-O键变弱并拉长时，O-O间距变小，有利于形成[SiO6]八面体，满足这些条件形成[SiO6]就要求特殊的环境，在一般条件下，Si-O配位形式都是[SiO4]四面体。从鲍林键强（在四面体中Si-O键强为4/4，在八面体中Si-O键强为4/6）也可以预测[SiO4]比[SiO6]稳定。 6.硅酸盐熔体结构与硅酸盐晶体结构的主要区别是什么？
答：硅酸盐熔体结构与其相应的晶体结构是很相似的，也是以[SiO4]四面体为基本结构单元。但是熔体不像晶体那样，其原子在三维空间内连续有规则的排列；也不像晶体那样，其中只含有一种结构单元（硅氧骨干）。多种结构单元可以共同存在于同一熔体中，而且其位置和排列方式随原子不规则的热运动而不断地改变。在硅酸盐熔体中，不仅存在活性氧、惰性氧，还存在自由氧。
7.已知橄榄石的对称型为mmm，试问它的外形上可能发育哪些单形？这些单形属于什么晶类？ 答：本题主要考查学生在“结晶学”中所学的晶体对称形态对称的知识。橄榄石晶体外形上可以出现平行双面、斜方柱和斜方双锥等3种单形。这些单形属于斜方双锥晶类。
8.从离子半径与结构的关系解释：为什么镁铝榴石比钙铝榴子形成压力要大？
答：镁铝榴石（Mg3Al2[SiO4]3）和钙铝榴石（Ca3Al2[SiO4]3）晶体结构中，它们的主要差别在于充填畸变的立方体空隙的阳离子分别为Mg2+和Ca2+。由于Ca2+的半径（0.098nm）比Mg2+的半径（0.089nm）大，Ca2+呈八次配位的所需压力不大，而Mg2+主要呈六次配位，如果要呈八次配位所需的压力要大得多。因此，在地质上钙铝榴石一般在接触变质条件下形成，而镁铝榴石只能在压力极高的条件下形成。 9.对比下列两组的两个晶体结构型中哪个结构型密度大： 橄榄石型与尖晶石型；尖晶石型与钙钛矿型
答：尖晶石型结构的密度比橄榄石型结构的密度大。这是因为，实验结果表明，随着压力逐渐增大，橄榄石型结构可以转变为尖晶石型结构。
钙钛矿性结构的密度比尖晶石型结构的密度大。这是因为钙钛矿和尖晶石均属于AB2O4型化合物，尖晶石结构中阳离子分别充填四面体和八面体空隙，而钙钛矿结构中阳离子Ti4+充填八面体空隙，而Ca2+的配位数为12，该结构的阳离子的配位数比尖晶石结构阳离子配位数大，结构更加紧密，密度增加，形成所需的压力也就要大。
10.红柱石、蓝晶石、夕线石的晶体结构特点各是什么？结构中Al的配位形式有什么区别？Al的配位与形成条件有什么关系？
答：Al2SiO5的同质三像变体晶体结构中，Si4+全部为四次配位，并呈孤立的[SiO4]四面体。两个Al3+中的一个均与氧呈六次配位，并以共棱的方式联结成平行于c轴方向延伸的[AlO6]八面体链，剩余的另一个Al3+在三种矿物中的配位数各不相同。在红柱石中为五次配位，在蓝晶石中为六次配位，在夕线石中为四次配位。
这三种矿物中1/2的Al3+在配位数上的变化，反映其形成的温压条件。一般情况下，蓝晶石产于高压变质带或中压变质带的较低温部分，因高压低温易形成六次配位形式的Al。红柱石产于低压变质带的较低温部分，因低温低压易形成罕见的五次配位形式的Al。夕线石产于中压或低压变质带的较高温部分，因低压高温易形成四次配位形式的Al.。
11.从绿柱石的晶体结构特点解释：为什么绿柱石的硬度很大但密度不大？
答：绿柱石晶体结构为[SiO4]四面体组成的六方环垂直c轴平行排列，上下两个环错动25o，由Al3+和Be2+连接；Al3+的配位数为6而Be2+的配位数为4，均分布在环的两侧，所以在环中心平行c轴有宽阔的孔道，以容纳大半径的离子K+或Na+、Cs+等以及水分子。Al3+和Be2+均是半径小、电价高的阳离子，配为数也较低，它们的配位多面体与[SiO4]四面体间的联系力强。因此，绿柱石结构中孔道较大、联系力较强的特点导致了绿柱石硬度很大但密度不大的现象。 12.空晶石、祖母绿、碧玺的矿物学名称是什么？
答：空晶石的矿物学名称为红柱石，祖母绿的矿物学名称为绿柱石，碧玺的矿物学名称为电气石。 13.如果某矿区发现紫红、玫瑰红色的石榴子石，该矿区可能有什么矿？
答：通常情况下紫红色、玫瑰红色的石榴子石是镁铝榴石。镁铝榴石只能在极高压的条件下形成，如榴辉岩、金伯利岩中，目前已广泛以它作为标志寻找金刚石。因此，该区可能有金刚石矿。 14.辉石族矿物晶体结构型式是什么？
答：辉石的晶体化学式为XY[Si2O6]。在其结构中，[SiO4]四面体各以两个角顶与相邻的[SiO4]四面体共用，形成沿c轴方向无限延伸的单链。每两个四面体为一个重复周期，记为[Si2O6]。在a和b轴方向上[Si2O6]链以相反的取向交替排列，在a轴方向上活性氧与活性氧相对形成M1位置，惰性氧与惰性氧相对形成M2位置。M1为半径较小的Mg、Fe等阳离子所占据，呈六次配位。在M2中，斜方辉石亚族中为Mg、Fe等占据，为畸变的八面体配位。单斜辉石中为大半径的阳离子Ca2+、Na+、Li+等占据，为八次配位。 15.辉石族矿物中，各矿物的晶体结构型式是一样的，为什么不同矿物种还会出现不同的对称性、不同的空间群及不同的晶胞参数？
答：虽然辉石族矿物中，各矿物的晶体结构形式相同，但各个位置占据的阳离子的种类有所差异，离子半径也有所不同，从而导致了它们的对称性，空间群和晶胞参数上有所不同。如：斜方辉石的的M2位置为小半径的阳离子占据，配位数为6，其对称程度较高；而单斜辉石中M2位置为大半径的阳离子Ca2+、Na+、
Li+等占据，配位数变为8，其对称程度较低。
16.斜方辉石与单斜辉石矿物的解理面符号不同，解理夹角是否一样？为什么？
答：斜方辉石的解理面符号为{210}，单斜辉石的解理面符号为{110}。但它们的夹角相同。这是因为两个辉石亚族的矿物的结构形式一样，产生解理的原因相同，因此产生的解理形态、夹角和等级均应相似。它们的解理面符号不同的原因是斜方辉石的a0（1.822~1.824nm）刚好是单斜辉石a0（0.970~0.982nm）的两倍，而b0和c0值均非常相似，从而导致解理符号分别为{210}和{110}（见图示）。 17.辉石中规则的出溶片晶应属于什么类型的规则连生？
答：辉石晶体结构中，斜方辉石和单斜辉石之间的转变不易发生，但易产生出溶现象，形成斜方辉石主晶中单斜辉石出溶片晶，或单斜辉石主晶中斜方辉石出溶片晶。这种出溶片晶属于交生这一类型的规则连生。这是因为斜方辉石和单斜辉石属于不同种矿物，且出溶片晶常沿一定结晶学方向定向排列。
18.辉石族的单链结构型式在高压下会发生什么样的结构转变？结构转变前后最主要的区别是什么？ 答：辉石结构型在高压条件下可发生一系列结构转变： 随着压力增加————→
Mg2Si2O6（斜顽辉石）→Mg2SiO4（尖晶石型）+SiO2（斯石英）→2MgSiO3（钛铁矿型）→2MgSiO3（钙钛矿型）
Fe2Si2O6（斜铁辉石）→Fe2SiO4（尖晶石型）+SiO2（斯石英）→FeO（方铁矿型）+2SiO2（斯石英） CaMgSi2O6（透辉石）→CaSiO3（钙钛矿型）+MgSiO3（钙钛矿型）→（Ca,Mg）SiO3（钙钛矿型）+少量MgSiO3（钙钛矿型）
由此可见，辉石的链状结构型在高压下可变为更紧密的、O2-作最紧密堆积的结构型（如尖晶石型、斯石英型、钙钛矿型等）。
19.从硅灰石的成分特点分析，硅灰石的单链结构与辉石的单链结构为什么完全不同？
答：硅灰石晶体化学式为Ca3[Si3O9]，骨干外是半径较大的Ca2+，特别是在M1位置也是Ca2+，为了与之相适应，硅氧骨干为：以三个四面体为重复单元（可视为一个孤立四面体和一个双四面体组成）；而辉石的晶体化学式为XY[Si2O6]，骨干外阳离子在M1位置上为半径较小的Mg2+、Fe2+，所以硅氧骨干为：以两个四面体为重复单元。由此可见，骨干外阳离子类型导致硅灰石的单链结构与辉石的单链结构完全不同。 20.对比辉石族结构与闪石族结构的异同。
答：辉石族结构中硅氧骨干为单链，阳离子充填M1和M2两种空隙；而角闪石族结构可视为两条辉石单链联结形成的双链结构，阳离子位置可以分为M1、M2、M3、M4（前三者可以类似于辉石结构中的M1位置，M4可以类似于辉石结构中的M2位置）,并且还多了一个A类阳离子，A类阳离子位于惰性氧相对的双链之间，它主要用来平衡AL3+-Si4+所产出的剩余电荷，故它可为Na+、K+、H3O+充填。 21.斜方角闪石与单斜角闪石的解理符号、解理夹角的区别是什么？为什么？
答：斜方角闪石解理符号为{210}，解理夹角约为125o；而单斜角闪石解理符号为{110}，解理夹角约为124o。解理符号不同，解理夹角基本相同。解理符号不同的原因是：是斜方角闪石的a0（1.850~1.860nm）接近于单斜角闪石a0（0.954~0.989nm）的两倍，而b0和c0值均非常相似，从而导致了它们的解理面符号分别为{210}和{110}。
22.为什么碱性角闪石石棉质量最好？
答：自然界质量好的石棉多为碱性角闪石石棉，尤其是高铁钠闪石石棉，Na含量最高。因为双链间以大半径、低电价的阳离子Na+、K+联结时，联系力弱，易于劈分，形成纤维长、劈分性好、质地柔软、抗拉强度大、耐碱、耐高温的高质量石棉。
23.层状结构硅酸盐中，TO、TOT的含义是什么？其中O层还可分哪两种类型？
答：层状结构硅酸盐中TO和TOT代表其结构单元层的两种基本类型。其中T代表四面体片，即配位四面体构成的无限延伸的层，O代表八面体片，即配位八面体构成的无限延伸的层。TO代表结构中一层四面体层与一层八面体层构成的结构单元层，TOT代表结构中两层四面体层与一层八面体层构成的结构单元层。 O层根据其充填的阳离子类型的不同可以分为两种类型：如果充填的是二价阳离子，称为三八面体片，如