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第2章  物料的基本物理化学特性

习题解答

    1．什么是矿石、矿物、岩石？

三者关系如何？

    【解】矿物（Mineral）是指：

由地质作用所形成的结晶态的天然化合物或单质，他们具有均匀且相对固定的化学成分和确定的晶体结构；它们在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。

    岩石（Rock）是天然产出的由一种或多种矿物（包括火山玻璃、生物遗骸、胶体）组成的固体集合体。

    矿石（Ore）指天然产出的由一种或多种能被利用的矿物组成的固体集合体。

一般由矿石矿物和脉石矿物两部分组成。

    2．二次资源包含哪些物料？

    【解】二次资源是指人类社会活动（生产和生活）产生的含有有价成份并有回收再利用的经济或环保价值的废弃物料，或称可再生资源。

主要包括废旧电器（如电视机、电冰箱、音响等）；废旧金属制品（如电缆、电线、易拉罐和电池等）；废旧机器、废旧汽车；工厂“三废”（废渣、废液、废气）；生活废物（如垃圾、废纸）等。

    3．工艺矿物学研究的内容是什么？

    【解】

（1）物料的物相组成；

（2）物料中元素赋存状态；

    （3）物料中物相嵌布特征；

    （4）工艺产品的研究。

    4．物料的几何特性包括那三项？

    【解】颗粒的几何特征主要包括颗粒的大小、形状、表面积等。

    5．物质的磁性可以分为那几类，其磁性强弱如何？

    【解】固体物质的磁性可分为五类：

逆磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。

    6．简述铁磁质物质的磁化过程。

    【解】在磁化磁场的作用下，铁磁质的磁化包括两个过程：

畴壁的移动和磁畴的转动。

畴壁移动时，与外磁场方向相近的磁畴的体积扩大，其他方向磁畴的体积缩小，以致消失

    这一过程，实质上，是畴壁附近的原子磁矩在外磁场的影响下逐渐转向，由体积缩小的磁畴方向转到体积扩大的磁畴方向的结果，壁移所需的外加磁场强度较小，所以在低磁场中，磁化以壁移为主，磁化曲线的OA段为畴壁的可逆位移，即磁场强度减到零时，磁化强度可沿OA曲线回降到零。

AB段畴壁的位移是不连续的、跳跃式的、不可逆的。

畴壁位移的不可逆性，是由于磁晶中的杂质和晶格缺陷阻碍畴壁的移动，这种阻力相当于一种摩擦力，当畴壁越过这些障碍后，退磁时，它又妨碍畴壁回到原来的位置，因而产生磁滞现象。

磁畴转动是磁畴逐渐转到与外磁场方向一致。

畴转所需的外磁场强度较高，因此，在较高磁场中，磁化以畴转为主。

当所有磁畴都转到外磁场方向时，磁化即达到饱和状态。

磁化曲线的BC段是以畴转为主的磁化过程。

    7．简述矿物磁性的分类，及其分选特点。

    【解】根据磁性，按比磁化率大小把所有矿物分成强磁性矿物、弱磁性矿物和非磁性矿物。

    强磁性矿物：

这类矿物的物质比磁化率X>3.8×10-5m3/kg（或CGSM制中X>3×10-3m3/g），在磁场强度H0达120kA/m（~1500奥）的弱磁场磁选机中可以回收。

属于这类矿物的主要有磁铁矿、磁赤铁矿（γ-赤铁矿）、钛磁铁矿、磁黄铁矿和锌铁尖晶石等。

这类矿物大都属于亚铁磁性物质。

    弱磁性矿物：

这类矿物的物质比磁化率X<7.5×10-6m3/kg～1.26×10-7m3/kg（或CGSM制中X=6×10-4cm3/g～10×10-6cm3/g），在磁场强度H0800kA/m～1600kA/m（10000奥~20000奥）的强磁场磁选机中可以回收。

属于这类矿物的最多，如大多数铁锰矿物—赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿、水锰矿、硬锰矿、软锰矿等；一些含钛、铬、钨矿物—钛铁矿、金红石、铬铁矿、黑钨矿等；部分造岩矿物—黑云母、角闪石、绿泥石、绿帘石、蛇纹石、橄榄石、柘榴石、电气石、辉石等。

这类矿物大都属于顺磁性物质，也有属于反铁磁性物质。

    非磁性矿物：

这类矿物的物质比磁化率X=1.26×10-7m3/kg（或CGSM制中X<10×10-6cm3/g），在目前的技术条件下，不能用磁选法回收。

属于这类矿物的很多，如部分金属矿物—方铅矿、闪锌矿、辉铜矿、辉锑矿、红砷镍矿、白钨矿、锡石、金等；大部分非金属矿物——自然硫、石墨、金刚石、石膏、萤石、刚玉、高岭土、煤等；大部分造岩矿物—石英、长石、方解石等。

这类矿物有些属于顺磁性物质，也有些属于逆磁性物质（方铅矿、金、辉锑矿和自然硫等）。

    8.物质磁化率和物体磁化率两者之间的关系如何？

    物质体积磁化率为物质磁化时单位体积和单位磁场强度具有的磁矩

    退磁因子不为零的磁化试样的磁化率叫做物体磁化率

    物体体积磁化率小于物质体积磁化率，即

，

    物体比磁化率小于物质比磁化率，即

。

    9．矿物的电性质有那些？

    【解】矿物的电性质是指矿物的电阻、介电常数、比导电度以及电整流性等，它们是判断能否采用电选的依据。

    电导率是长1cm,截面积为1cm2的直柱形物体沿轴线方向的导电能力

    矿物的电阻是指矿物的粒度d=1mm时所测定出的欧姆数值石墨是良导体，所需电压最低，仅为2800V，以它作为标准，将各种矿物所需最低电压与它相比较，此比值即定义为比导电度

    矿物表现出的这种与高压电极极性相关的电性质称作整流性。

    10．简述矿物的价键类型及解理面规律。

    【解】矿物内部结构按键能可分为四大类：

（1）离子键或离子晶格。

（2）共价键或共价晶格。

    （3）分子键或分子晶格。

    （4）金属键或金属晶格。

    破碎时，矿物沿脆弱面——裂缝、解理面、晶格间含杂质区等处裂开，也会沿应力集中地区断裂。

单纯离子晶格断裂时，常沿着离子界面断裂。

    其解理面的规律是

（1）不会使基团断裂，如不会使方解石中的

拆开；

（2）往往沿阴离子交界面断裂，只有当没有阴离子交界层时，才可能沿阳离子交界层断裂；

    （3）当晶格中有不同的阴离子交界层或者各层间的距离不同时，常沿较脆弱的交界层或距离较大的层面间断裂。

共价晶格的可能断裂面，常是相邻原子距离较远的层面，或键能弱的层面。

    11．简述非极性矿物与极性矿物的矿物内部结构与价键特性

    【解】一般来说，矿物内部结构与表面键性有如下关系：

（1）由分子键构成分子键晶体的矿物，沿较弱的分子键层面断裂，其表面是弱的分子键。

这类表面对水分子引力弱。

接触角都在60°～90°之间，划分为非极性矿物（如石墨、辉钼矿、煤、滑石等）。

（2）凡内部结构属于共价键晶格和离子晶格的矿物，其破碎断面往往呈现原子键或离子键，这类表面有较强的偶极作用或静电力。

因而亲水，天然可浮性小。

具有强共价键或离子键合的表面的矿物称为极性矿物。

    12．矿物表面自由能的数值取决于晶体断裂面的几何形状及表面原子所处的位置在矿物颗粒表面不同的位置：

晶面上，棱面上和尖角上的表面张力的关系如何？

    【解】表面自由能的数值取决于晶体断裂面的几何形状及表面原子所处的位置。

棱边及尖角处的原子的配位数K小于表面平台处的原子配位数，故拥有较大的表面自由能，表现出较强的活性。

例如，立方晶格表面上不同位置处的离子结合能[9]分别为：

    晶面上            0.0662e2/a

    棱边上            0.0903e2/a

    尖角上            0.249e2/a

    可以预料，不平整的破裂面上，棱边及尖角较多，比平整的破裂面具有更大的活性；再者，晶体破碎得愈细小，它的棱边能、尖角能在表面能中所占的比例亦逐步增大。

    13．硫化矿物表面氧化的几种形式及规律是什么？

    【解】硫化矿物的表面氧化反应有如下几种形式（式2-55~2-58），氧化产物有两类，一是硫氧化合物，如

、

、

和

等，二是金属离子的羟基化合物，如

、

。

（1）

（2）

              （3）

              （4）

    研究表明，氧与硫化物相互作用过程分阶段进行。

第一阶段，氧的适量物理吸附，硫化物表面保持疏水；第二阶段氧在吸收硫化物晶格的电子之间发生离子化；第三阶段离子化的氧化学吸附并进而使硫化物发生氧化生成各种硫氧化基。

   14．矿物表面电荷是由哪几种因素引起的？

   【解】矿物表面电荷的起源，归纳起来，主要有以下四种类型：

（1）优先解离（或溶解）

   离子型矿物在水中由于表面正、负离子的表面结合能及受水偶极的作用力（水化）不同而产生非等当量向水中转移的结果，使矿物表面荷电。

表面离子的水化自由能

可由离子的表面结合能

和气态离子的水化自由能

计算。

    即对于阳离子M+，

（1）

    对于阴离子X—，则

（2）

   根据

何者负值较大，相应离子的水化程度就较高，该离子将优先进入水溶液。

于是表面就会残留另一种离子，从而使表面获得电荷。

    对于表面上阳离子和阴离子呈相等分布的1-1价离子型矿物来说，如果阴、阳离子的表面结合能相等，则其表面电荷符号可由气态离子的水化自由能相对大小决定[5]。

    例如碘银矿（AgI），气态银离子Ag+的水化自由能为-441kJ/mol，气态碘离子I—的水化自由能为-279kJ/mol，因此Ag+优先转入水中，故碘银矿在水中表面荷负电。

    相反，钾盐矿（KCl）气态钾离子K+的水化自由能为-298kJ/mol，氯离子Cl—的水化自由能为-347kJ/mol，Cl—优先转入水中，故钾盐矿在水中表面荷正电。

    对于组成和结构复杂的离子型矿物，则表面电荷将决定于表面离子水化作用的全部能量，即

（1）式和

（2）式。

    例如萤石（CaF2）。

已知：

，

；

；

。

由（2-59）和（2-60）式得

    即表面氟离子F—的水化自由能比表面钙离子Ca2+的水化自由能（正值）小。

故氟离子F—优先水化并转入溶液，使萤石表面荷正电。

转入溶液中的氟离子F—受表面正电荷的吸引，集中于靠近矿物表面的溶液中，形成配衡离子层

      ↑       ↑

      矿物表面    矿物表面    配衡离子层

   其他的例子有，重晶石（BaSO4）、铅矾（PbSO4）的负离子优先转入水中，表面阳离子过剩而荷正电；白钨矿（CaWO4）、方铅矿（PbS）的正离子优先转入水中，表面负离子过剩而荷负电。

（2）优先吸附 这是矿物表面对电解质阴、阳离子不等当量吸附而获得电荷的情况。

离子型矿物在水溶液中对组成矿物的晶格阴、阳离子吸附能力是不同的，结果引起表面荷电不同，因此矿物表面电性与溶液组成有关。

   例如前述白钨矿在自然饱和溶液中，表面钨酸根离子

较多而荷负电。

如向溶液中添加钙离子Ca2+，因表面优先吸附钙离子Ca2+而荷正电。

又如，在用碳酸钠与氯化钙合成碳酸钙时，如果氯化钙过量，则碳酸钙表面荷正电（+3.2mV）。

   （3）吸附和电离 对于难溶的氧化物矿物和硅酸盐矿物，表面因吸附H+或OH—而形成酸类化合物，然后部分电离而使表面荷电，或形成羟基化表面，吸附或解离H+而荷电。

以石英（SiO2）在水中为例，其过程可示意如下：

   石英破裂：

   H+和OH—吸附：

  →  

   电离：

   其他难溶氧化物，例如锡石（SnO2）也有类似情况。

   因此，石英和锡石在水中表面荷负电。

   （4）晶格取代 粘土、云母等硅酸盐矿物是由铝氧八面体和硅氧四面体的层状晶格构成。

在铝氧八面体层片中，当Al3+被低价的Mg2+或Ca2+取代，或在硅氧四面体层片中，Si4+被Al3+置换，结果会使晶格带负电。

为维持电中性，矿物表面就吸附某些正离子（例如碱金属离子——Na+或K+）。

当矿物置于水中时，这些碱金属阳离子因水化而从表面进入溶液，故这些矿物表面荷负电。

   15．离子型矿物表面阴阳离子的溶解规律是什么？

   【解】离子型矿物在水中由于表面正、负离子的表面结合能及受水偶极的作用力（水化）不同而产生非等当量向水中转移的结果，使矿物表面荷电。

   表面离子的水化自由能

可由离子的表面结合能

和气态离子的水化自由能

计算。

   即对于阳离子M+，

（1）

   对于阴离子X—，则

（2）

   根据

何者负值较大，相应离子的水化程度就较高，该离子将优先进入水溶液。

于是表面就会残留另一种离子，从而使表面获得电荷。

   16．简述石英在水中的荷电过程及其机理。

   【解】对于难溶的氧化物矿物和硅酸盐矿物，表面因吸附H+或OH—而形成酸类化合物，然后部分电离而使表面荷电，或形成羟基化表面，吸附或解离H+而荷电。

石英（SiO2）在水中荷电过程可示意如下：

   石英破裂：

   H+和OH—吸附：

  →  

   电离：

   因此，石英在水中表面荷负电。

   17．什么是接触角、三相润湿周边？

   【解】在一浸于水中的矿物表面上附着一个气泡，当达平衡时气泡在矿物表面形成一定的接触周边，称为三相润湿周边。

在一浸于水中的矿物表面上附着一个气泡，当达平衡时气泡在矿物表面形成一定的接触周边，称为三相润湿周边。

通过三相平衡接触点,固—水与水—气两个界面所包之角（包含水相）称为接触角，以θ表示。

   18．如何通过接触角鉴别颗粒表面的润湿性？

   【解】在不同矿物表面接触角大小是不同的，接触角可以标志矿物表面的润湿性：

如果矿物表面形成的θ角很小，则称其为亲水性表面；反之，当θ角较大，则称其疏水性表面。

亲水性与疏水性的明确界限是不存在的，只是相对的。

θ角越大说明矿物表面疏水性越强；θ角越小，则矿物表面亲水性越强。

   19．简述润湿方程及其物理意义。

   【解】

 或  

   上式表明了平衡接触角与三个相界面之间表面张力的关系，平衡接触角是三个相界面张力的函数。

接触角的大小不仅与矿物表面性质有关，而且与液相、气相的界面性质有关。

凡能引起任何两相界面张力改变的因素都可能影响矿物表面的润湿性。

但上式只有在系统达到平衡时才能使用。

   20．接触角的测量方法有那些？

躺滴法测润湿角应注意什么？

   【解】

（1）躺滴或气泡法；

（2）  吊片法        

   （3）水平液体表面法

   如果液滴很小，重力作用引起液滴的变形可以忽略，这时的躺滴可认为是球形的一部分。

实际固体表面几乎都是非理想的，或大或小总是出现接触角滞后现象。

因此需同时测定前进角（θa）和后退角（θr）。

对于躺滴法，可用增减液滴体积的办法来测定，增加液滴体积时测出的是前进角,减少液滴体积时测出的为后退角。

为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动或变形，在测定时可将改变液滴体积的毛细管尖端插入液滴中，尖端插入液滴不影响接触角的数值