第3章矿物的化学成分及化学性质

2020年5月14日星期四4时36分10秒1第三章矿物的化学成分及化学性质掌握内容引起矿物化学成分变化的原因同质多象矿物的化学式矿物的主要化学性质及其与选矿的关系2020年5月14日星期四4时36分10秒2§1矿物化学元素结合的一般规律元素在矿物中的结合，主要取决于元素本身与原子外电子层有关的性质，如各种元素得到电子的能力(电负性)和失去电子的能力(电离势)、电子层结构(离子类型)、离子半径等。元素通过彼此间以得失电子的方式结合形成矿物。根据离子的最外电子层结构，可将离子分为三种基本类型。2020年5月14日星期四4时36分10秒3离子的三种基本类型1.惰性气体型离子：周期表左边的碱金属、碱土金属元素和一些非金属元素的原子。这类元素极易与地壳中分布最广的O离子结合形成氧化物或含氧盐（主要是硅酸盐），所以也称亲氧元素、亲石元素或造岩元素。2.铜型离子：周期表长周期右半部的有色金属和重金属元素。这些元素极易与半径较大、易于极化的S2－结合，形成金属硫化物，所以又称亲硫元素或亲铜元素。3.过渡型离子：周期表上Ⅲ～Ⅷ族的副族元素。具有惰性气体型离子与铜型离子之间的过渡性质。2020年5月14日星期四4时36分10秒4IA碱金属碱土金属过渡元素01HIIA主族金属非金属稀有气体IIIAIVAVAVIAVIIAHe2LiBeBCNOFNe3NaMgIIIBIVBVBVIBVIIBVIIIBIBIIBAlSiPSClAr4KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr5RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe6CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn7FrRaAcRfDbSgBhHsMt镧系LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu锕系AcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr元素周期表2020年5月14日星期四4时36分10秒5§2矿物的化学成分类型矿物的化学成分可分为单质和化合物两大类。单质：同种元素自相结合成的自然元素矿物。一种元素可以组成几种不同的单质矿物。化合物：两种或以上的不同元素互相化合而成的矿物。可以分为：1）简单化合物；2）络合物；3）复化物。2020年5月14日星期四4时36分10秒6单质矿物自然金自然银自然铜络合物矿物重晶石(BaSO4)方解石(CaCO3)钠长石(Na[AlSi3O8])2020年5月14日星期四4时36分10秒7复化物矿物黝锡矿Cu2SnFeS4白云石(CaMg[CO3]2)尖晶石(MgAl2O4)透闪石(Ca2Mg5Si8O2·2(OH)2)2020年5月14日星期四4时36分10秒8§3矿物化学成分的变化矿物的化学成分可以在一定范围内变动。引起矿物化学成分变化的原因主要有：1）类质同象；2）胶体吸附作用；3）矿物中水的存在；4）机械混入物。2020年5月14日星期四4时36分10秒9例：闪锌矿随FeS含量的增加，颜色逐渐变深，但其晶格构造不变，只是晶胞常数发生微小的变化。一、类质同象2020年5月14日星期四4时36分10秒10晶体中某种质点被类似质点所顶替（置换、取代），仍保持原有晶体构造类型，只是晶体常数稍有变化的现象。类质同象反映出晶体的构造决定于化学成分，反过来晶体构造又对化学成分的变化起着限制作用。1.类质同象的概念2020年5月14日星期四4时36分10秒112.类质同象的条件①互相顶替的质点大小必须近似；②置换前后电价应保持平衡；③化学键性相似。此外，温度、压力、pH值和介质浓度等外界条件对类质同象也有重要影响。2020年5月14日星期四4时36分10秒123.研究类质同象的意义①根据类质同象所引起的矿物物理性质有规律的变化，可以大致确定矿物的组分；②以类质同象形式存在于其他矿物中的微量元素可以作为矿产综合利用的对象；③根据类质同象可大致判断矿物形成环境；④以类质同象存在的有益、有害元素是影响矿石加工和冶炼方法的因素之一。2020年5月14日星期四4时36分10秒13二、固溶体固溶体就是固态均匀混合物，即固态溶液，简称固溶体。溶质可以是固体、液体和气体。固溶体有三种类型：1）置换固溶体；2）插入固溶体；3）缺位固溶体。类质同象属置换固溶体。置换型固溶体。在MgO结构中Fe2+取代Mg2+结构2020年5月14日星期四4时36分10秒14固溶体在温度下降和压力增大时会产生离溶，形成固溶体分离结构，并对矿石工艺性质产生影响。如磁铁矿中有钛铁矿呈固溶体分离的格状构造时，由于钛铁矿颗粒太小、太薄且与磁铁矿结合紧密，磨矿时很难分离和分选。2020年5月14日星期四4时36分10秒15三、胶体及胶体吸附作用1、胶体矿物的概念：由胶体凝聚作用形成的矿物称为胶体矿物。例如河水能携带大量胶体，在出口处与海水相遇，由于海水中含有大量电解质，使河水中的胶体产生胶凝作用，形成胶体矿物，滨海地区的鲕状赤铁矿就是这样形成的。赤铁矿2020年5月14日星期四4时36分10秒16胶体：一种物质的微粒(10～1000Å)分散于另一种物质中所形成的细分散系。分散的质点称分散相，容纳分散相的物质称分散媒(介质)。按分散相和分散媒的量比关系将胶体分作：胶溶体和胶凝体。固态的胶体矿物基本上只有水胶凝体(如蛋白石)和结晶胶溶体(如含气体的乳白色石英和含Fe2O3的红色方解石)两类。由于胶体矿物微粒的排列是无规则的，外形不能自发形成规则的几何多面体，在光学性质上具非晶质体的特点，所以通常将其看作非晶质矿物。2020年5月14日星期四4时36分10秒172、胶体矿物的形成绝大部分形成于表生作用，少量形成于热液作用。大体有两个阶段：①形成胶体溶液原生矿物经机械和化学风化作用，分散在水中形成胶体分散体系；②胶体溶液的凝聚因电荷中和或水分蒸发产生沉淀，形成胶体矿物。滨海地带形成的赤铁矿、硬锰矿、胶磷矿、燧石等，岩石风化壳中的铝土矿、褐铁矿、孔雀石等都属胶体作用的产物胶体矿物不稳定，随时间延长会逐渐脱水，向结晶质转化。如蛋白石石英。2020年5月14日星期四4时36分10秒183、胶体吸附作用及其意义胶体溶液中的质点带电荷，具选择性吸附作用。胶体吸附作用使矿物的成分变得复杂，尤其对矿石矿物而言。一方面，可能吸附一些可综合利用元素而增加矿产价值；另一方面，胶体沉淀时，物质成分分布的不均匀性，造成矿石的品位悬殊。此外，由于胶体矿物中吸附的细分散的有用、有害元素极难分选，造成选冶工艺的复杂性。2020年5月14日星期四4时36分10秒19四、矿物中水的加入水是许多矿物本身的一种重要组成成分。根据矿物质中水的存在形式和它们在晶体结构中的作用，把水分成两大类：①不参加晶格，与矿物晶体结构无关，通称为吸附水(自由水)；②参与晶格或与矿物晶体结构密切相关的，包括结晶水、结构水和层间水等。2020年5月14日星期四4时36分10秒20①吸附水(自由水)：水分子不参加晶格构造，而是在矿物集合体、矿物颗粒或裂隙表面被机械吸附的中性的水分子H2O。在矿物中的含量不定，不属于矿物的化学成分。②-1结晶水：以中性分子H2O存在于矿物中，在矿物晶体结构中有固定的位置，起着构造单位的作用，是矿物化学组成的一部分。当结晶水受热失去时，晶体结构遭受破坏和重建，形成新的结构。②-2结构水：又称化合水，是以(OH)-、H+、H3O+离子形式参加矿物晶格的水，是矿物水中结合最牢固的一种。只有在很高的温度下，当晶格破坏后才会逸出，并破坏原来的晶体结构。②-3层间水：是存在于某些层状结构硅酸盐的结构层之间的中性水分子，可失水及重新吸水，因此具有一定的吸附水的性质，如蒙脱石。2020年5月14日星期四4时36分10秒21§4矿物的化学式矿物的化学成分用化学式表达，即用元素符号表示出来。表示方法有两种：实验式和结构式（晶体化学式）。2020年5月14日星期四4时36分10秒22一、实验式只表示矿物化学成分中各种组分的种类和数量比，如黄铜矿CuFeS、石膏CaSO4·2H2O等。用实验式表示矿物的化学成分，计算鉴定，书写方便，便于记忆。但不能体现矿物成分与结晶构造之间的相互关系。2020年5月14日星期四4时36分10秒23二、结构式（晶体化学式）结构式既表明矿物中各组分的种类和数量比，又能反映矿物中原子结合的情况。其书写方法如下：a)阳离子写在化学式的开始，在复盐中的阳离子要按碱性的强弱顺序排列；b)阴离子接着写在阳离子的后面；络阴离子则要用[]括起来；例：石膏Ca[SO4]·2H2Oc)成类质同象替换的离子用（）括起来，它们之间用“，”分开，含量较多的一般写在前面；d)含水化合物的水分子写在化学式的最后，并用“·”把它和矿物中的其他组分分开。当水的含量不定时，则用“nH2O”或“aq”（aqua含水的缩写）表示。e)附加阴离子通常写在主要阴离子或络阴离子的后面。例：白云母KAl2[AlSi3O10][OH]2；铁白云石Ca(Mg,Fe,Mn)[CO3]22020年5月14日星期四4时36分10秒24通常化学式是根据化学全分析计算出来的。计算方法如下(以某黄铁矿化学式为例):组分重量(%)修正后的重量(%)原子量原子数原子数比率SFeCoNi合计53.4146.110.0210.00999.5553.6546.320.0210.009100.0032.0655.8458.9358.711.67340.82950.00040.000220.99140.00050.00021)将化学全分析结果按合计总量为100％进行改算；2)以修正后的各元素重量百分比除以原子量求得原子数；3)根据黄铁矿已知一般化学式FeS2，设S的原子数为2，相应地求出其他元素的原子数比率(如Co：0.0004÷1.6734/2)；4)根据元素晶体化学性质判断Co、Ni与Fe为类质同象关系，则此黄铁矿的晶体化学式为(Fe0.9914Co0.0005Ni0.0002)0.9921S22020年5月14日星期四4时36分10秒25§5矿物的化学性质矿物是由自然界中100多个元素当中任何一个或二个以上的元素组成的，因此矿物的化学性质就离不开这些元素的组合性质。与选矿有关的矿物化学性质主要有：1)矿物的可溶性；2)矿物的氧化性。2020年5月14日星期四4时36分10秒26一、矿物的可溶性把固体矿物放到一定的溶剂中，矿物表面的粒子由于本身的振动及溶剂分子的吸引作用，离开矿物表面，进入或扩散到溶液中的过程。其实质是溶质和溶剂的质点相互吸引和排斥的过程。矿物溶解过程中，溶解和结晶处于一个相对平衡状态，即：未溶解的溶质溶液中的溶质在常温常压下，一般是硫酸盐、碳酸盐以及含有氢氧根和水的矿物易溶，大部分的硫化物、氧化物及硅酸盐类难溶。溶解结晶2020年5月14日星期四4时36分10秒27影响矿物可溶性的主要因素①晶格类型及化学键：原子晶格、金属晶格和过渡性金属键矿物难溶，典型离子晶格矿物易溶；②电价和离子半径大小：高电价、小半径的阳离子组成的氧化物类矿物一般难溶；③阴、阳离子半径之比：在阴离子半径大大超过阳离子半径的情况下，其阳离子半径大的矿物水溶速度较小；④[OH]－及H2O的存在：一般含有[OH]－及水的矿物可溶性都比较大；此外，环境因素、溶剂的物理化学性质对矿物的可溶性也有一定影响2020年5月14日星期四4时36分10秒28矿物可溶性在选矿上的应用如对可溶性好的钾盐矿床，利用化学开采(地下浸取法)法可直接将矿床中的钾盐用化学的方法将有益矿物组分提取出来。80年代以来俄罗斯兴起的地浸法开采砂岩铀矿，即是利用砂岩铀矿中所含的可溶性晶质铀矿，利用砂岩孔隙度大、透水性好，将水溶剂渗透入地下矿体，然后再从低处或深部将溶解了铀矿物的溶剂抽取出来，即可达到选矿效果。细菌选矿利用矿石中有用矿物的可溶性，采用细菌浸出有用组分。2020年5月14日星期四4时36分10秒29二、矿物的氧化性绝大部分的内生金属矿床中，有用矿石矿物形