任务掌握硫酸盐类矿物的特征
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发布时间：2022-05-02 09:01
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时间：2023-10-14 23:35
一、硫酸盐类矿物的一般特征
硫酸盐类矿物是指金属阳离子与[SO4]2-结合而成的含氧盐类矿物。目前已发现的硫酸盐类矿物近200种，占地壳总质量的0.1%。此类矿物分布虽然不广，但许多硫酸盐矿物 (如石膏、重晶石、芒硝等)是重要的建材和化工原料。此外，一些金属元素 (如Sr)亦主要取自本类矿物。
1.化学成分
组成硫酸盐类矿物的阳离子有20余种，主要为惰性气体型和过渡型离子，其次有铜型离子。最主要有Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Ba2+、Sr2+、Pb2+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Zn2+等。阳离子仅Mg2+—Fe2+和Ba2+—Sr2+在某些矿物中呈完全类质同象替代。
组成硫酸盐类矿物的配阴离子主要为[SO4]2-。由于[SO4]2-呈孤立的四面体，半径很大(0.295nm)。[SO4]2-内部为共价键，[SO4]2-与金属阳离子间以离子键结合，矿物具典型离子晶格。[SO4]2-在与阳离子相结合时有以下规律:
1)与大半径的二价阳离子Ba2+、Sr2+、Pb2+结合形成稳定的无水硫酸盐。如重晶石Ba[SO4]、天青石Sr[SO4]、铅矾Pb[SO4]。
2)与半径较小的二价阳离子Cu2+、Fe2+、Mg2+等形成含结晶水的硫酸盐，如胆矾Cu[SO4]·5H2O，水分子的数量一般随阳离子半径的减小而增多。
3)与半径中等的Ca2+结合时，则依生成条件的不同，可形成无水硫酸盐 (如硬石膏Ca[SO4])或含水的硫酸盐 (如石膏Ca[SO4]·2H2O)。硬石膏不如石膏稳定，一旦出露地表，遇水即转变为石膏。
4)至于大半径的R+，主要是与半径较小的阳离子Al3+、Fe3+同时进入晶格形成含附加阴离子 (OH)-或结晶水的复硫酸盐，如明矾石 (KAl3[SO4](OH)6)、黄钾铁矾(KFe3[SO4]2(OH)6)等;也可形成无水芒硝 (Na2[SO4])、芒硝 (Na2[SO4]·10H2O)等无水或含水的硫酸盐。
本类矿物的附加阴离子最主要为(OH)-，其次有F-、Cl-、O2-、(CO3)2-等。许多矿物含有结晶水。
2.结晶形态
硫酸盐矿物的对称程度均比较低，主要为斜方晶系和单斜晶系:Ba2+、Pb2+、Sr2+、Ca2+、Na+等离子形成的无水硫酸盐均为斜方晶系;Ca2+、Na+、Fe2+等离子形成的含水硫酸盐属单斜晶系;Fe3+、Al3+的硫酸盐属三斜晶系。少数矿物属三方、六方晶系。硫酸盐矿物类矿物的单体形态多呈板状、柱状或粒状。集合体常呈纤维状、粒状、致密块状，以及皮壳状、钟乳状和结核状。
3.物理、化学性质
一般呈无色、白色、灰白色、浅色，但含Fe呈黄褐或蓝绿色，含Cu呈蓝绿色，含Mn或Co呈红色；玻璃光泽，少数金刚光泽，透明至半透明。硬度较低 (通常2～4)，含水者更低 (H=1～2)。相对密度一般不大 (2～4)，含Ba、Pb者例外，可大于4，甚至为6～7。普遍具有完全解理。多数矿物与盐酸不起作用，易溶于水；但Ca、Sr、Ba、Pb的硫酸盐矿物难溶于水和酸。
4.成因产状
由于硫酸盐中的S离子呈高价态，因此硫酸盐类矿物需要在氧浓度很高的低温条件下才能形成，最常见于地表或近地表。主要为表生条件下的湖、海相化学沉积；其次是金属硫化物的氧化产物 (矾类)。部分为近地表的低温热液成因。
5.分类
重晶石族 重晶石、天青石、铅矾；
石膏族 石膏；
硬石膏族 硬石膏；
胆矾族 胆矾；
芒硝族 芒硝；
明矾石族 明矾石。
二、主要矿物描述
重晶石 Barite Ba[SO 4]
[化学组成]BaO 65.7%，SO334.3%；类质同象混入中还可以有Sr、Pb、Ca、Ra等。Ba和Sr可形成完全类质同象系列，当Sr的含量大于Ba时称为天青石。
[结晶形态]斜方晶系，晶体常沿{001}发育成板块，有时呈柱状，少数为三向等长(图7-5-1，图7-5-2)。集合体常呈粒状、纤维状或由板块晶体聚集成晶族状，少数呈致密块状、结核状、钟乳状。
[物理性质]纯净的晶体无色透明，一般呈白色、灰白色、浅*、褐色;玻璃光泽;解理面呈珍珠光泽。解理{001}完全，{210}中等，解理夹角{001}∧{210}=90°，(210)∧(
)>90°。硬度3～3.5。相对密度4.3～4.5。
图7-5-1 重晶石晶体
平行双面:c{001}；斜方柱:m{210}，o{011}，d{101}
图7-5-2 重晶石晶体
[成因产状]重晶石主要产于低温热液矿脉中，也可产于沉积岩中，呈结核状出现。
[鉴定特征]板状晶形，三组中等至完全解理，解理块体在 (100)面上呈菱形，而{001}∧{210}=90°。与HCl不起作用可与碳酸盐矿物相区别，以HCl浸湿后，重晶石染火焰成黄绿色 (钡的焰色)可与天青石的深紫红色 (锶的焰色)区别。硬度小，相对密度大可与长石相区别。
[主要用途]重晶石为提取Ba的原料。磨成细粉可作钻探泥浆的加重剂，亦可用于化学试剂和医药上。可作白色颜料，并为伦琴射线实验室墙壁喷漆的主要原料。另外可作填充剂用于橡胶、造纸业以增加其重量及光滑程度。
天青石 Celestite Sr[SO 4]
[化学组成]SrO 56.41%，SO343.59%；类质同象混入物中还可以有Ba、Pb、Ca、Ra等。Ba和Sr可形成完全类质同象系列。
[结晶形态]斜方晶系，晶形与重晶石相同；完好晶体少见，多为钟乳状、结核状或细粒状集合体。
[物理性质]天蓝色，故名天青石，亦可呈白色，灰白色。相对密度3.9～4.0。其他性质与重晶石相似。
[成因产状]天青石主要产于沉积岩中，呈结核状出现。在华南栖霞组的沉积泥灰岩中，天青石以放射状产出，作为工艺品开采已有上百年历史，可加工为上好的菊花石艺术品。也可产于低温热液矿脉中。
[鉴定特征]与重晶石很相似，但密度较小，新鲜面天蓝色。与HCl不起作用可与碳酸盐矿物相区别；以HCl浸湿后，天青石染火焰成深紫红色 (锶的焰色)与重晶石黄绿色 (钡的焰色)区别。硬度小，相对密度大可与长石相区别。
[主要用途]天青石为提取Sr的原料。
石膏 (又称二水石膏或生石膏) Gypsum Ca[SO 4]·2H 2O
[化学组成]CaO 32.6%，SO346.5%，H2O 20.9%；类质同象混入物有Ba、Sr。常有黏土、有机质等机械混入物。
[结晶形态]单斜晶系；晶体常依{010}发育成板状，也有的呈粒状；晶面{110}及{010}常具纵纹。双晶常见，一种是依 (100)为双晶面的加里双晶或称燕尾双晶(图7-5-3D、E、F)，另一种是以 (101)为双晶面的巴黎双晶或称箭头双晶，(图7-5-3)。集合体多呈致密块状或纤维状。细晶粒状块体称之为雪花石膏；纤维状的集合体称为纤维石膏。由扁豆状晶体所形成似玫瑰花状集合体较少见。此外，还有土状、片状集合体。
图7-5-3 石膏的晶体和双晶
A、B、C—单晶体;D、E、F—双晶;
平行双面:b{010}，p{103};斜方柱:m{110}，l{111}
[物理性质]通常为白色及无色，无色透明晶体称为透石膏 (图7-5-4)，有时因含其他杂质而染成灰、浅黄、浅褐等色；条痕白色；透明；玻璃光泽，解理面呈珍珠光泽，纤维状集合体呈丝绢光泽 (图7-5-5)。解理{010}极完全，{100}和{011}中等，解理片裂成面夹角为66°和114°的菱形体，解理薄片具挠性。硬度1.5～2，不同方向稍有变化。相对密度2.3。性脆。
图7-5-4 石膏的板状晶体
图7-5-5 纤维石膏
[成因产状]主要是化学沉积作用的产物，常形成巨大的矿层或透镜体存在于石灰岩红色页岩和砂岩、泥灰岩及黏土岩层之间，与硬石膏、石盐等共生。在硫化矿床氧化带中，原生硫化物被氧化后生成硫酸，再与石灰岩的围岩作用可以生成石膏。热液成因的石膏较少见，通常存在于低温热液硫化物矿床中。
[鉴定特征]低硬度，具有一组极完全解理及各种特征之形态可以鉴别。致密块状的石膏以其低硬度和遇酸不起泡可与碳酸盐矿物相区别。
[主要用途]石膏主要用于生产水泥、造纸等工业；也用于生产熟石膏及其制品 (如雕塑、建筑装饰及防火材料)。此外，也可作为农业肥料。
硬石膏 Anhydrite Ca[SO 4]
[化学组成]CaO 41.2%，SO358.8%；成分变化不大，有时少量的Sr和Ba代替Ca。
[结晶形态]斜方晶系；晶体少见，可沿a轴或c轴延长呈厚板状晶体，亦有时呈柱状。依 (011)成接触双晶或聚片双晶。集合体呈纤维状、致密粒状或块状。
[物理性质]晶体无色透明；一般呈白色，常微带浅蓝、浅灰或浅红色，被铁的氧化物或黏土等染成红色、*或灰色；条痕白或浅灰白色；玻璃光泽，解理面呈珍珠光泽。解理{010}完全，{100}、{001}中等。硬度3～3.5。相对密度2.8～3.0。
[成因产状]硬石膏主要为化学沉积的产物，大量形成于盐湖中，常与石膏共生。硬石膏在地表条件下不稳定，转变为石膏。
在热液脉和火山熔岩孔洞内偶有硬石膏出现。在某些硫化矿床的氧化带亦可有少量产出 (如我国西北)。
[鉴定特征]与重晶石族矿物以其相对密度小、解理方向 (3组解理互相垂直)和光学常数相区别；与粒状钙镁碳酸盐的区别是滴 HCl不起泡；与石膏的区别是硬度较大，指甲刻不动。
[主要用途]与石膏大致相同。
胆矾 Chalcanthite Cu[SO 4]·5H 2O
[化学组成]CuO 31.86%，SO332.06%，H2O 36.08%。混入物有Fe，常含 Mg和Zn等。
[结晶形态]三斜晶系，晶体呈厚板状或短柱状，晶体少见；集合体呈粒状、块状或钟乳状；肾状等形态。
[物理性质]蓝色或天蓝色，有时微带浅绿色；条痕蓝白色；玻璃光泽；透明。硬度2.5，解理平行{110}，不完全，断口呈贝壳状。相对密度2.1～2.3。具苦涩味；易溶于水，水溶液呈蓝色。
[成因产状]含铜硫化物的风化产物。因极易溶于水，产于干旱地区含铜硫化物矿床氧化带或铜矿坑道中。
[鉴定特征]蓝色，易溶于水，其水溶液呈蓝色，放入小刀等铁器，其中之铜即被铁置换出来，使小刀镀上一层铜而呈铜红色。
[主要用途]铜矿的找矿标志。可用作杀虫剂及化工原料。
芒硝 Mirabilite Na 2[SO 4]·10H 2O
[化学组成]Na20 19.24%，SO324.85%，H2O 55.91%。
[结晶形态]单斜晶系，晶体沿c轴延伸呈柱状；集合体呈针状、粒状、纤维状、粉末状、皮壳状。
[物理性质]无色透明或白色；白色条痕；玻璃光泽。硬度1.5～2，解理平行{100}完全。相对密度1.48。易溶于水；在干燥空气中会失水变为白色粉末状无水芒硝。
[成因产状]为盐湖中化学沉积产物，形成于33℃以下。当温度超过33℃即形成无水芒硝。
[鉴定特征]形态、产状、相对密度很小以及溶于水时吸收大量的热 (使溶液变冷)等均甚为特征。
[主要用途]化工、医药原料。
明矾石 Alunite KAl 3[SO 4]2(OH) 6
[化学组成]K2O11.4%，A12O337.0%，SO338.6%，H2O13.0%。常有Na+代替K+，当Na+的含量超过K+时称钠矾石或钠明矾石。有时有少量的Fe3+代替Al3+;机械混入物有石英、磁铁矿等。有时含微量稀土元素。
[结晶形态]三方晶系。晶体较少见，出现时呈细小的假聚面体或假立方体 (为两个三方单锥的聚形，图7-5-6)。通常为粒状、致密块状、土状或纤维状、结核状集合体。
图7-5-6 明矾石的晶体
[物理性质]白色，常带灰色、浅黄或浅红色调；条痕白色；透明；玻璃光泽，解理面有时显珍珠光泽。解理{0001}中等；贝壳状断口，致密块状集合体断口不平坦至贝壳状。硬度3.4～4。性脆。相对密度2.6～2.80。
[成因产状]明矾石常系含硫酸的低温热液作用于中酸性火成岩 (常为火山喷出岩)所生成的蚀变产物。此蚀变过程称为明矾石化作用。蚀变后岩石是由石英、高岭石、明矾石，有时有黄铁矿等组成的浅色岩体。少量产于火山喷气孔附近。此外，在砂岩、黏土和铝矾土中有明矾石结核产出.
我国明矾石产出甚广。最主要产地是浙江平阳、安徽庐江及福建福鼎等，系由中生代火山喷发岩 (凝灰岩、流纹岩)经热液蚀变而生成。
[鉴定特征]明矾石与相似矿物的区别需借助于化学反应，如明矾石加*钴溶液灼烧时呈蓝色 (Al的反应)，加酸不起泡等。
[用途]提取明矾和硫酸铝的原料。
学习指导
学习本类矿物时要注意几点:
1.二价阳离子硫酸盐最重要，它们分含水与无水两部分，主要决定于阳离子半径;
2.硫元素易变价对本类成因影响很大。
3.石膏是最常见的硫酸盐，是有用矿产，而且石膏和硬石膏间的变化对工程有一定影响，所以用了—定篇幅加以介绍。
4.重晶石是最稳定的硫酸盐，在掌握其鉴定特征时，应注意练习观察解理角和辨别晶体定向，借以复习结晶学知识并和碳酸盐矿物区别。
练习与思考
1)还原条件下硫酸盐为什么不稳定?
2)二价阳离子含水与无水硫酸盐在成分、性质和分布 (产状)等方面有何不同?
3)为什么在地表很少见到硬石膏?
4)在金属矿床氧化带和内陆盐湖中见到的硫酸盐在阳离子成分上各有何特点?
