矿物表面物理化学  070901M04006H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:何宏平,梁晓亮,朱建喜,朱润良,魏景明
授课时间: 星期二,第1、2、3 节
授课地点: 教二楼225
授课周次: 8、9、10、11、12、13、14、15、16
授课时间: 星期四,第1、2、3 节
授课地点: 教二楼225
授课周次: 8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 070901M04006H 课时: 51 学分: 3.00
课程属性: 专业核心课 主讲教师:何宏平,梁晓亮,朱建喜,朱润良,魏景明 助教:
英文名称: Surface physicochemistry of Minerals 召集人:

教学目的、要求

本课程为矿物学专业研究生的学科基础课。它是在结晶学和矿物学、结构化学、物理化学等基础课程教学基础上进行的。通过本课程的学习,要求学生熟悉和掌握矿物的表面特征与反应性,矿物成分、结构与表面性能之间的相互关系,矿物表-界面反应的主要过程与反应机制,矿物表面研究的主要方法,矿物表面修饰与性能调控的主要技术,矿物表面反应性在相关领域中的应用等方面的基础与前沿知识。

预修课程

结晶学与矿物学、结构化学、物理化学、普通地质学

教 材

主要内容

第一章  矿物学与晶体化学基础 (6学时)

教学重点:本章重点为几何结晶学基础、晶体结构与晶体化学基础、各大类矿物晶体化学和形态、物性、通性及主要矿物的鉴定特征。在晶体结构与晶体化学方面,重点介绍晶体质点的紧密堆积原理,晶体的基本结构类型以及与矿物形成作用密切相关的类质同象、同质多象、多型性和有序性。

第1至3学时:
1.1晶体及其基本性质
着重讲述晶体的基本概念,空间格子的概念、要素和基本类型,晶体的基本性质。简述结晶学与矿物学的关系。要求掌握晶体的概念,晶体的基本性质。
1.2晶体的宏观对称
重点讲述晶体对称的概念、晶体对称要素、对称型(点群)概念和晶体的对称分类。简述对称定律和对称要素组合规律、对称型和对称型的国际符号及对称要素的投影。要求掌握对称操作和投影方法,晶体对称分类体系及其特点。
1.3 晶体的坐标系和晶体符号
重点讲述晶体的坐标系统、各晶系设置原则和方法、各晶系晶体常数和晶胞参数特点、米氏晶面符号的概念及构成。简述晶带概念、晶带与晶棱符号及晶带定律。要求掌握各晶系晶轴的选择方法及相应的晶体常数特点,学会米氏晶面符号的求解。
第4至6学时:
1.4 单形与聚形
主要讲述单形和聚形的概念,各晶系几何单形的类型和形态特征,单形的符号表征;阐明聚形分析的方法和步骤。要求掌握47种几何单形在各晶系的分布及其聚合规律。会利用投影图通过代表面推导和识别单形与聚形。
1.5 晶体结构与晶体化学
着重讲述晶体结构的对称性和结构类型、晶格缺陷、键型与晶格类型、紧密堆积原理、配位数与配位体、类质同象、同质多象、多型性及有序性。要求掌握相关概念、实际晶体中主要结构类型和晶格类型。

第二章  矿物表面与表面反应性 (6学时)

教学重点:在自然界,几乎所有的反应都是从矿物表面开始的。矿物表面影响着自然界物质的迁移、富集、转化等地球化学过程。矿物的表面组成和结构决定了其表面基团的特征,从而制约着其表面反应性。本章的重点是了解和掌握典型矿物的表面组成、结构和表面基团的特征;在此基础上,要求学生对表面反应的主要类型与机理有一定的了解。

第7学时:
2.1. 简要介绍矿物的表面组成、结构与表面基团特征
第8-10学时:
2.2 具体介绍典型矿物的表面化学组成与结构、矿物表面基团类型
2.2.1 氧化物矿物
2.2.2 硫化物
2.2.3 碳酸盐
  2.2.4 层状矿物
第11至12学时:
2.3典型矿物表面反应的主要类型与反应机理
2.3.1 铁氧化物矿物
2.3.2 层状硅酸盐矿物

第三章  矿物-微生物相互作用 (6学时)
    
教学重点:矿物-微生物相互作用是地球关键带内分布最广、最为活跃的地质作用类型之一,不仅对矿物的形成和岩石的风化有直接的影响,而且对多种元素的分配和同位素的分馏有着显著的控制作用,有着重要的地球化学意义和环境修复技术研发的指导价值。本章的重点是了解和掌握微生物矿化的现象和机理、岩石微生物风化的动力学机制和环境效应;在此基础上,向学生讲授重要地质时期的矿物-微生物相互作用和仿生矿物学的理论基础。

第13-14学时:
3.1.微生物矿化作用
3.1.1 地质微生物学基础知识
3.1.2 微生物矿化的现象和机制
3.1.3 仿生矿物学基础
第15-16学时:
3.2 微生物分解矿物的动力学机制和关键带地球化学
3.2.1 矿物表面-微生物界面过程
3.2.2 硅酸盐的微生物风化和全球碳循环
3.2.3硫化物的微生物风化和重金属污染
第17至18学时:
3.3重要地质时期的矿物-微生物相互作用
3.3.1 BIF
3.3.2 冷泉碳酸盐

第四章  矿物表面表征技术 (6学时)

教学重点:要认识矿物的表面物理化学性质和理解矿物表界面物理化学行为,就必须对矿物的结构、形貌、表面物理化学特性进行全面和系统的表征,并对比矿物表面反应前后的表面结构、组成和特性的变化。本章的重点是了解和掌握矿物结构、形貌、表面组成和表面基团特征的表征方法。

第19学时:
4.1. 简要介绍矿物的表征方法
(结构表征、成分表征、形貌表征、同位素表征,性质表征:光、热、电、磁——通用固体物质研究方法)
第20-21学时:
4.2电子微束分析
4.2.1电子微束分析的电子光学基础:电子光学基础,电子束与物质之间的作用,电子微束分析方法及其发展趋势。
4.2.2 扫描电镜分析技术:扫描电子显微镜的结构、成像原理,矿物扫描电子显微镜图像、成分分析,扫描电子显微镜的样品制备,扫描电子显微镜在地质学中的应用。
4.2.3 透射电镜分析技术:透射电子显微镜构造、性能、图像原理,样品制备方法,透射电子显微镜的功能,电子衍射及其分析方法,高分辨透射电子显微镜图像分析。
第22-24学时:
4.3矿物表面形貌、组成与结构分析
4.3.1原子力显微镜(AFM):原子力显微镜特点、工作原理、结构及关键技术、力传感器、微悬臂位移检测法、应用例举。
4.3.2 X射线光电子能谱分析(XPS):X射线光电子能谱分析特点、工作原理、结构及关键技术、样品要求和制备方法、应用例举。
4.3.3 同步辐射X射线吸收精细谱分析
4.4矿物比表面积和孔隙结构
4.4.1地质样品比表面积和孔隙结构分析的主要方法
4.4.2 矿物BET-N2分析的原理、方法
4.4.3 矿物BET-N2分析结果的运用

第五章  计算技术与矿物表面研究 (6学时)
教学重点:分子模拟技术是矿物学研究的新方法,该方法以计算化学为理论基础,从原子层次上揭示矿物表面的微观结构和化学反应性。本章的重点是介绍分子动力学、蒙特卡罗和量子力学计算等的原理和方法,通过实例研究讲授分子模拟技术在表面矿物学研究中的应用,要求学生深入理解计算矿物学的一般方法,了解计算模拟技术在矿物学研究中的优势和局限。

第25学时:
5.1. 分子模拟技术的热力学基础
第26-28学时:
5.2. 分子模拟技术简介
5.2.1 蒙特卡洛计算
5.2.2 分子动力学
5.2.3量子力学计算和量子分子动力学
第29-30学时:
5.3研究实例
5.3.1 粘土矿物的层间局域结构(分子动力学和蒙特卡洛)
3.3.2 矿物的表面化学(量子计算和量子分子动力学)

第六章  矿物表面修饰与性能调控 (6学时)
    
教学重点:矿物资源的高效利用是矿物学研究的一个重要方向。如何利用矿物结构和表面性能的可控性对天然矿物进行结构和表面性能的调控是本章的教学重点,要求学生掌握基本的调控方法和原理,以及相关矿物材料在环境、复合材料等领域的应用。

第31-32学时:
6.1. 介绍矿物资源在相关领域中的应用及其原理
第33-34学时:
6.2 介绍矿物结构与表面性能调控的主要方法与原理
   6.2.1  物理调控方法与技术
   6.2.2  化学调控方法与技术
   6.2.3  合成与原位调控
第35-36学时:
6.3 典型矿物的结构与表面性能调控及其微观反应机制
6.3.1 层状硅酸盐矿物的层间结构调控与表面改性
6.3.2 磁铁矿的掺杂及其催化性能

第七章  矿物学进展与展望 (4学时)

教学重点:介绍矿物研究的最新进展,以及重要技术、方法在矿物学研究中的应用。
第37-40学时:
7.1.1  矿物学研究新进展
7.1.2  新技术、新方法在矿物学研究中的应用

参考文献

1.	王濮、潘兆橹、翁玲宝等,系统矿物学(上、中、下册),地质出版社,1982.
2.	罗谷风编,结晶学导论,地质出版社,2010.
3.	赵明编,矿物学导论,地质出版社,2010.
4.	秦善编,结构矿物学,北京大学出版社,2011.
5.	Cornelis Klein & Cornelius S. Hurlbut, Jr. Manual of Mineralogy. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1993. 
6.	Bergaya, F. and Lagaly, G., Handbook of clay Science, 2nd ed. Elsevier, Amsterdam, 2013.
7.	Cornell, R. M., The iron oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses, Willy-VCH, Weinheim, 2003.
8.	Wypych, F. and satyanarayana K. G., Clay surfaces: Fundamentals and Applications, Elsevier, Amsterdam, 2004. 
9.	Jillian, F. Banfield and Alexandria, Navrotsky, Nanoparticals and the Environmental, Review in Mineralogy, 2001.
10.	Paul Fenter, Mark Rivers, Neil Sturchio, Steve Sutton, Applications of Synchrotron Radiation in Low Temperature Geochemistry and Environmental Science, Review in Mineralogy, 2002.