『壹』 礦物的化學式及其計算
（一）礦物化學式的表示方法
礦物的化學成分是以礦物的化學式（formula）表示的，即用組成礦物的化學元素符號按一定原則表示出來，它是以單礦物的化學全分析所得的各組分的相對質量百分含量為基礎而計算出來的。具體表示方法通常有實驗式和結構式兩種。
實驗式（experimental formula）只表示礦物中各組分的種類及其數量比。如白雲母的實驗式為K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O或H2KAl3Si3O12。這種化學式不能反映出礦物中各組分之間的相互關系。
目前，礦物學中普遍採用的是結構式（structural formula），即晶體化學式（crystallochemical formula），它既能表明礦物中各組分的種類及其數量比，又能反映出它們在晶格中的相互關系及其存在形式。如白雲母的晶體化學式應寫作K{Al2 [（Si3Al）O10]（OH）2}，表明白雲母是一種具層狀結構的鋁的鋁硅酸鹽礦物，部分Al進入四面體空隙替代1/4的 Si，另有部分 Al則以六次配位的形式存在於八面體空隙中，K為補償由Al3+替代Si4+所引起的層間電荷而進入結構層間，此外白雲母的組成中還有結構水。
晶體化學式的書寫規則如下：
（1）基本原則是陽離子在前，陰離子或絡陰離子在後。絡陰離子需用方括弧括起來。如石英 SiO2、方解石 Ca[CO3 ]。對於某些更大的結構單元，也可用大括弧括起來，例如白雲母K{Al2 [（Si3Al）O10]（OH）2}。
（2）對復化合物，陽離子按其鹼性由強至弱、價態從低到高的順序排列。如白雲石 CaMg[CO3 ]2、磁鐵礦 FeFe2 O4 （即 Fe2+O4 ）。
（3）附加陰離子通常寫在陰離子或絡陰離子之後。如白雲母K{Al2[（Si3Al）O10]（OH）2}、氟磷灰石 Ca5[PO4]3F。
（4）礦物中的水分子寫在化學式的最末尾，並用圓點將其與其他組分隔開。當含水量不定時，則常用nH2O或aq（即「水」的拉丁文aqua之縮寫）表示。如石膏Ca［SO4］·2H2O、蛋白石SiO2·nH2O或SiO2·aq。
（5）互為類質同象替代的離子，用圓括弧括起來，並按含量由多到少的順序排列，中間用逗號分開。如鐵閃鋅礦（Zn，Fe）S、黃玉Al2［SiO4］（F，OH）2。
應當注意，在計算出礦物中各元素的離子數之後，書寫晶體化學式時，習慣上是將其具體數值分別寫在各元素符號之右下角，同時成類質同象替代關系的各元素之間無需再加逗號，並在圓括弧之後下角列出圓括弧內各元素離子數之總和。如某單斜輝石的晶體化學式為：
結晶學及礦物學
礦物的化學式是根據單礦物的化學全分析數據計算得出的，但由此得到的僅是實驗式。要寫出礦物的晶體化學式，則尚須依據晶體化學理論及晶體結構知識，對礦物中各元素的存在形式作出合理的判斷，並按照電價平衡原則，將其分配到適當的晶格位置上。必要時還需進一步結合X射線結構分析資料加以確證。
單礦物的化學全分析的結果，通常是以礦物中的各元素或氧化物的質量（wB/%）給出，其一般允許誤差≤1%，即各組分的質量分數之總和應在99%～101%（有時還要求誤差不超過0.5%，視實驗條件和測定的精度而定）。否則不能用於礦物化學式的計算。
對於成分較簡單的礦物化學式計算，只需將各組分的質量分數（wB/%）分別除以其相應的原子量或分子量，即得到各組分的摩爾數，然後再將組分摩爾數化為簡單整數，即可寫出礦物的化學式。如表12-3之實例。
表12-3 某黃銅礦的化學式計算
然而自然界的許多礦物成分復雜，尤其是大多數硅酸鹽礦物，類質同象替代復雜，具有附加陰離子，且同種陽離子能以不同的配位形式存在於不同的晶格位置上（如Al有四次配位和六次配位之分），因而其晶體化學式的計算比較麻煩，須結合晶體化學知識及X射線結構分析資料，以不同的方法來計算和確定礦物的化學式。
礦物晶體化學式的計算方法很多。但不論採用何種方法，其計算原則均是：盡量使佔位的離子數目保持合理；盡量使正負電荷總數保持平衡。這里僅簡要地介紹常用的陰離子法和陽離子法。
（二）礦物化學式的計算
1.陰離子法
陰離子法的理論基礎主要是礦物單位分子（formula unit）內作最緊密堆積的陰離子數是固定不變的，它不受陽離子之間的類質同象替代的影響，其晶格中基本不出現陰離子空位。應用此法的前提是必須有礦物的化學全分析數據及已知礦物的化學通式。
自然界礦物大多屬含氧鹽和氧化物。由於如輝石族等礦物的單位分子內的氧一般極少被其他元素置換，其原子數為常數。故常採用以單位分子中的氧原子數（Of.u.）為基準的氧原子法來計算礦物的晶體化學式。
現以某單斜輝石（化學通式為 XY[Z2O6]）為例（表 12-4），說明氧原子法計算礦物晶體化學式的具體步驟：
（1）首先檢查礦物的化學分析結果是否符合精度要求。表12-4中單斜輝石的各組分的質量分數總和（Σw B/%）為99.82%（去除了吸附水 H2 O-），符合化學式計算的精度要求。
表12-4 某單斜輝石晶體化學式的氧原子計演算法
（2）查出各組分的分子量。
（3）將各組分的質量分數（wB/%）除以該組分的分子量，求出各組分的摩爾數。
（4）用各組分的摩爾數乘以其各自的氧原子系數得到各組分的氧原子數。
（5）將各組分的氧原子數加起來即得礦物中各組分的氧原子數總和ΣO。
（6）以礦物單位分子中的氧原子數Of.u.（如輝石的Of.u.=6）除以氧原子數總和ΣO，得到換算系數（即Of.u./ΣO）。
（7）用各組分的摩爾數乘以其相應的陽離子的系數，求得各組分的陽離子數。
（8）以各組分的陽離子數乘以換算系數即得出礦物單位分子中的陽離子數（if.u.）。
（9）依據晶體化學理論及晶體結構知識，按礦物的化學通式，將礦物中各陽離子盡可能合理地分配到晶格中相應的位置上。
（10）按礦物的化學通式，檢驗礦物單位分子中的陽離子總數Σif.u.及正電荷總數Σ（+）。
（11）寫出礦物的晶體化學式。
以上計算步驟適用於一般陰離子法，所不同的只是不同礦物作為基準的陰離子數有別。氧原子法通常適合於不含水的氧化物和含氧鹽礦物。對含 OH-、F-、Cl-、S2-等附加陰離子的礦物，計算時，必須對氧進行校正，同時注意作基準的單位分子中的陰離子數（氧原子數），其計算過程比較復雜，關於這方面的內容，可參閱有關著作。此外，也可採用以陽離子數為準的計算方法。
2.陽離子法
陽離子法的理論基礎是礦物內部某些晶格位置上的陽離子數目相對較固定。它對於成分、結構較復雜的鏈狀、層狀結構的硅酸鹽如角閃石族、雲母族等礦物的化學式計算較為適用。這類礦物單位晶胞中陽離子的位置較多、類質同象替代十分復雜。一般說來，結構內大空隙位置往往未被占滿；而小空隙的晶格位置上則極少出現空位，其中的陽離子數相對較穩定，占據這些位置的是一些電價高、半徑小、配位數低的陽離子。因此，其晶體化學式計算時，常以這些小空隙位置上單位分子內的陽離子數為基準。例如，白雲母的化學通式為X{Y2 [Z4O10]（OH，F）2}，其X陽離子的晶位上往往都存在有空位，計算化學式時一般以陽離子Y+Z=6為基準。
這里仍例舉上述的單斜輝石的化學式計算（表12-5），以說明陽離子法的計算步驟：
表12-5 某單斜輝石晶體化學式的陽離子計演算法
（1）檢查礦物化學分析數據是否符合化學式計算的精度要求。應注意去除礦物本身固有組成之外的組分（如吸附水等）。
（2）查出各組分的分子量。
（3）用各組分的質量分數（wB/%）除以其相應的分子量，求出各組分的摩爾數。
（4）將各組分的摩爾數乘以其各自的陽離子的系數，得到各組分的陽離子數。
（5）根據晶體化學知識，按礦物的化學通式，將各陽離子分配到適當的晶格位置上，並求出作為基準的結構位置上的各陽離子數之總和ΣMe。
（6）由礦物單位分子內作為基準的陽離子數Mef.u.除以ΣMe即得到換算系數（即Mef.u./ΣMe）。
（7）將各組分的陽離子數乘以換算系數得出礦物單位分子中的陽離子數（if.u.）。
（8）按礦物的化學通式，檢驗礦物單位分子中的陽離子總數Σif.u.及正電荷總數Σ（+）。
（9）礦物的陰離子總數等於礦物通式中的理論值。對於具附加陰離子的礦物，依據礦物單位分子中的Σ（+）及電價平衡原則，可分別計算出各種陰離子的數目。
（10）按照礦物的化學通式，寫出其晶體化學式。
礦物晶體化學式的計算，不僅在礦物學研究中是必不可少的，而且對解決岩石和礦床的成因等地質問題也具有重要的實際意義。