矿物中的“水”

四、矿物中的“水”

水是地壳中分布最广的一种物质，在许多矿物的形成过程中，水不仅构成影响矿物形成的外部条件，而且水还参与了矿物的组成，成为一些矿物不可或必须的组成部分。也导致许多矿物的性质发生了改变。

矿物中的水，按照其存在形式和在晶体结构中的作用可分为如下类型：

（一）吸附水

纯粹由矿物表面能而吸附存在于矿物表面或裂隙中的水，被称为吸附水。包括附着矿物表面的薄膜水；充填于矿物个体间或裂隙中的毛细管水；吸附在胶体矿物表面的胶体水。

吸附水是中性水，不参加矿物晶体结构，仅以机械吸附而存在。它由于不属于矿物化学组成，不写入化学式中。但吸附在胶体表面的水是计入矿物的化学成分的，应写入矿物化学式中，如蛋白石的化学式为SiO₂·nH₂O，其吸附水nH₂O写入化学式中。但与SiO₂没有一定的比例关系。其失水温度比较高，可达100～250℃。

吸附水的含量不定，并随外界的温度与湿度的变化而变化。在常压下，当温度达到100～110℃时可从矿物中逸出而不破坏矿物结构。随着矿物表面温度的下降和空气湿度的增加而又重新获得。吸附水可呈气、液、固三态。

（二）结晶水

以中性水分子的形式存在于矿物晶体结构中的水被称为结晶水。结晶水在晶体结构中具有一定的位置和一定的配位形式围绕着阳离子。水分子的数量与矿物的其他组分的含量具有简单的比例关系。如石膏Ca［SO₄］·2H₂O中的水。

结晶水一般出现在具有大半径络阴离子团的含氧盐矿物中，这是出于离子形成化合物的结构稳定性的需要。因为大半径络阴离子团与半径大的阳离子结合才稳定，而小半径的阳离子只有通过水化来增加半径而不改变电价实现与大半径络阴离子团的匹配组成稳定化合物。这些阳离子一般被称为水化阳离子。如六水硫镍矿Ni［SO₄］·6H₂O中的Ni²⁺被6个H₂O包围形成［Ni（H₂O）₆］²⁺增大半径与［SO₄］^2－形成稳定的化合物的。

在矿物晶格中，结晶水起着结构单元的作用，与矿物中其他离子间的结合比较牢固。其水从晶格中释放出比吸附水要困难得多，一般失水的温度比较高，在100～500℃之间，多数在100～200℃范围内。

此外，同一矿物中，结晶水与晶格结合的稳定程度是不相同，结晶水的逸出可分为阶段式或跳跃式，各阶段有固定的失水温度和具有不同结晶水的矿物存在。如

当结晶水失去时，矿物晶体结构遭到破坏和重建，形成另一种新结构。

（三）结构水

结构水，又称化合水。是以（OH）^－或（H³O）⁺离子的形式存在于矿物晶格中的水。在矿物中以（OH）^－形式最常见，如白云母K｛Al₂［Si₄O₁₀］（OH）₂｝等晶格的水则属于此类型。

结构水在晶格中占有严格固定的位置，并具有确定的含量比，与其他离子之间以离子键相联结。由于水与其他离子的化学键比较强，其失水温度比较高，一般在500～1000℃之间。失水温度会随矿物种类的不同有明显差异。如高岭石的失水温度为580℃，而滑石的失水温度为950℃。

当结构水失去时，矿物晶体结构遭到完全破坏，晶体结构需要重建而形成另一种新结构。

（四）层间水

以中性水分子的形式存在于一些层状结构硅酸盐的结构单元层之间的水被称为层间水。在晶体中，水分子呈层状分布于结构单元层之间，并参与矿物晶格的形成，但水的数量可在很大的范围内变化。由于一些矿物的结构单元层内具有多余电荷，这多余的电荷还要吸附其他金属离子，这些金属离子又要吸附水分子，而在相邻的单元结构层之间形成水分子层。水分子层的多少与吸附的阳离子种类有关，如在蒙脱石中，当吸附离子为Na⁺时在结构层之间含一个水分子层；当吸附离子为Ca²⁺时在结构层之间含两个水分子层。

此外，层间水的含量与外界的温度、湿度有关，并随外界温度与湿度的变化而被排出或吸入。它的性质介于结晶水与吸附水之间。

含有层间水的矿物，其结构层之间的距离随含水量的变化而改变，如蒙脱石吸水后可使其晶胞的C₀值从0.96nm增加到2.84nm。

层间水的失水温度一般在100～250℃之间。失水后，矿物的结构单元层并不破坏，只是使它的层间距变小，密度和折射率随之增高。

（五）沸石水

以中性水分子的形式存在于沸石族矿物结构的水被称为沸石水。由于沸石族矿物结构中存在有大小不等的空洞和孔道。水分子则存在于其中，位置不太固定，常集结于占据晶格一定位置的阴离子周围，并与之配位。其含量有一个最高限制。水分子的数量与矿物其他组分的含量有简单的比例关系。

由于沸石晶格中的通道与外界相通，因此沸石水随外界温度与湿度的变化而被逸出或吸入。它的性质也介于结晶水与吸附水之间。

沸石水的失水温度一般在80～400℃之间。失水是连续的，失水后，矿物的晶体结构并不破坏，只是一些物理性质，如透明度、折射率和密度值随失水而改变。但沸石失水后可重新吸水，并随之恢复原有物理性质。

总之，矿物中的水是其重要的组成部分，并随着水的存在形式不同而对矿物的晶体结构和物理性质产生的影响不同。所以研究水在矿物的特性，对于石油、水文及工程地质的人员具有十分重要的意义。