典型结构分析

不同晶体的结构，若其对应质点的排列方式相同，我们称它们的结构是等型的，在这些等型结构中，常以其中的某一种晶体为代表而将这一结构命名，便称之为典型结构（typic structure）。如石盐（NaCl）、方铅矿（PbS）、方镁石（MgO）等晶体的结构等型，我们以其中的NaCl晶体作为代表而命名——NaCl型结构，即NaCl型结构为一典型结构，而方铅矿、方镁石等晶体具“NaCl型”结构。

在分析晶体结构时，典型结构可以起到典型代表的作用，从而对晶体结构的分析提供简便途径。如我们可将一些与某典型结构在几何特征上存在相似之处的晶体结构与典型结构相类比，只需稍加必需的补充说明，就可借典型结构来描述、阐明这些晶体结构。这些晶体结构就可视为某些典型结构的所谓衍生结构。如黄铜矿（CuFeS2）的晶体结构便可视为闪锌矿（ZnS，一典型结构）型结构的衍生结构（见图10-13）。

常见的一些典型结构将结合矿物各论进行描述。这里以金红石（TiO2）型结构为例，简单地介绍一下典型结构的分析和主要描述方法。

金红石，TiO2 ，四方晶系，空间群为。a=0.458 nm；c=0.295 nm。晶体结构和空间群如图7-16、图10-10所示。对其进行典型结构分析的内容有：

（1）格子类型分析：在金红石的晶体结构中，Ti4+位于单位晶胞的角顶和体心。由于位于单位晶胞角顶上的 Ti4+与 O2-组成的八面体配位体的方位与位于晶胞体心处的 Ti4+与 O2-组成的八面体配位体方位不同〔见图10-10（b）〕，即这两种Ti4+周围环境不同。因此，属于两套相当点，画空间格子时，只能以一套相当点来画，所以金红石的空间格子就是原始格子而不是体心格子，即位于晶胞角顶上的一套Ti4+组成一套四方原始格子，而位于体心的另一套Ti4+组成另一套四方原始格子。

图10-10 金红石的晶体结构示意图

（2）堆积形式及配位数、配位多面体分析：在晶体结构中，O2-呈近似于六方最紧密堆积，Ti4+位于八面体空隙中，CN（配位数）=6；O2-位于以Ti4+为角顶组成的平面三角形的中心，CN=3。［TiO6］八面体以上、下共棱的方式沿c轴联结成链，链间八面体共角顶相连。因此结构属链状型。这一结构特征可较好地解释金红石沿c轴延伸的柱状、针状晶形和平行c轴的解理。

（3）“Z”数分析：此处“Z”称为单位晶胞中所含的相当于化学式的“分子数”。由于每一角顶上的Ti4+为相邻的8个单位晶胞所共有，故该晶胞只占1/8；所以单位晶胞中Ti4+的数目为{8（角顶上的Ti4+）×1/8+1（体心的Ti4+）}=2。O2-有4个位于单位晶胞的上、下底面上，另两个O2-位于单位晶胞内。由于位于晶胞上、下底面上的O2-为两个晶胞所共有，故单位晶胞中O2-的数目为（4×1/2+2）=4个。这样，单位晶胞中有两个Ti4+，4个O2-，即为2（TiO2），相当于2倍的化学式，因此Z=2。

【化学组成】TiO2。Ti含量为60%，O含量为40%。常含Fe2+，Fe3+，Nb5+，Ta5+，Sn4+等类质同象混入物。富含Fe的黑色变种称铁金红石，Fe2++2Nb5+（Ta5+）可与3Ti4+成异价类质同象置换。当Nb大于Ta时，称铌铁金红石；当Ta大于Nb时，称钽铁金红石。一般碱性岩中金红石富含Nb；基性岩和岩浆碳酸盐中金红石含V；伟晶岩和热液脉中金红石含Sn；而月岩中的金红石则富含Nb和Cr。

【晶体结构】四方晶系；金红石型结构（图18-2）；空间群 P42/mnm；a0=0.459nm，c0=0.296nm；Z=2。

图18-2 金红石晶体结构

a—结构格架形式；b—［TiO6］配位八面体联接形式

氧离子近似成六方紧密堆积，钛离子位于变形八面体空隙中，构成［TiO6］配位八面体；钛离子配位数为6，氧离子配位数为3；［TiO6］配位八面体沿c轴共棱成链状排列，链间由配位八面体共角顶相连

【形态】对称型4/mmm；常见四方双锥状、柱状或针状，与其形成温度递降有关，柱面常有纵纹。依（101）成膝状双晶和三连晶以及环状六连晶（图18-3）。集合体成致密块状。

图18-3 金红石单晶（a）及双晶（b）形态

（据潘兆橹等，1993）

四方柱m｛110｝和a｛100｝；四方双锥e｛101｝和s｛111｝；复四方柱r｛320｝和h｛120｝；复四方双锥z｛321｝

【物理性质】常见褐红、暗红色；条痕浅褐色；金刚光泽；微透明。硬度6～6.5。解理平行｛110｝中等。性脆。相对密度为4.2～4.3。铁金红石和铌铁金红石均为黑色，不透明。铁金红石相对密度为4.4，而铌铁金红石可达5.6。

【成因及产状】常与钛铁矿、磁铁矿、透辉石、玩火辉石和石榴子石共生于变质岩中。还见于岩浆岩、伟晶岩、高温热液石英脉及砂矿中。

【鉴定特征】晶形、双晶、颜色及柱面解理。溶于磷酸冷却稀释后加入Na2O2，溶液呈黄褐色（钛的反应）。相似矿物锡石相对密度较大（6.8～7.0），锆石硬度较大（7.5）。

【主要用途】炼钛的矿物原料。

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