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黃鐵礦
黃鐵礦，天然的硫化物礦物。
黃鐵礦外觀圖
黃鐵礦（Pyrite），主要成分為FeS?，是一種具有明亮金屬光澤的晶體，因其明亮的色澤常被誤認為是其他黃色金屬礦物，如黃銅礦或金，因此也被稱“愚人金”。黃鐵礦于地殼中分布廣泛，是內(nèi)生金礦床主要的載金礦物，具有較高的硬度，會發(fā)生熱分解、蝕變和風化等反應。黃鐵礦的應用領域十分廣泛，可用于找礦預測、晶體檢波器、廢水處理、半導體、光伏材料、建筑生產(chǎn)原料、電池、醫(yī)藥領域以及硫酸制備等。
基本信息
中文名
黃鐵礦
英文名
Pyrite / Iron disulfide
別名
愚人金
拼音
huáng tiě kuàng
CAS編號
12068-85-8
化學式
FeS?
物理性質(zhì)
外觀
不透明結(jié)晶固體
密度
4.8-5 g/cm3
水溶性
不溶于水
摩氏硬度
6-6.5
形成及分布情況
黃鐵礦是地殼中分布最廣的硫化物，常見于巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖的副礦物中，沉積物中黃鐵礦的形成是全球鐵、硫、大氣氧和碳循環(huán)中的一個重要的過程。在內(nèi)生作用、外生作用和變質(zhì)作用中都可形成，黃鐵礦在氧化帶不穩(wěn)定，可形成針鐵礦、纖鐵礦等為主的鐵帽。
中國黃鐵礦的分布
中國黃鐵礦的探明資源儲量居世界前列，例如新疆、廣東、湖南和云南等地都有黃鐵礦資源存在。黃鐵礦作為地殼中分布廣泛的硫化鐵礦物，可形成于不同的地質(zhì)作用，在礦床、泥頁巖以及海灣盆地等地質(zhì)中都有出現(xiàn)。黃鐵礦礦床資源，例如彩華溝黃鐵礦床和粵西大降坪黃鐵礦礦床等；源于泥頁巖的黃鐵礦資源，例如鄂爾多斯盆地等。以及產(chǎn)自于海灣盆地地質(zhì)的黃鐵礦，其主要集中于渤海海域。
黃鐵礦于礦床中會以共生礦的形式存在，例如黃鐵礦與鈣長石和鐵白云石的共生組合。臥龍湖煤礦位于中國安徽省淮北市臨渙礦區(qū)內(nèi)，侵入巖內(nèi)的黃鐵礦多于鈣長石和鐵白云石共生，其集中分布于二者比鄰區(qū)域。巖-煤蝕變帶存在由“鈣長石-鐵白云石-黃鐵礦”向“鐵白云石+黃鐵礦”轉(zhuǎn)變的物質(zhì)演化過程。該過程起源于侵入巖體，在蝕變帶最為發(fā)育，蝕變煤中仍存影響。
黃鐵礦于礦床中還會以伴生礦的形式存在。中國豫西陸院溝蝕變巖型金礦床中，黃鐵礦是主要載金礦物，其主成礦期載金黃鐵礦存在原生、改造、增生、新生以及多型疊加等多種形態(tài)結(jié)構(gòu)類型，這種單期黃鐵礦顯示復雜成礦過程的現(xiàn)象指示黃鐵礦的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學組成可能蘊涵著復雜成礦過程的痕跡。新橋硫鐵礦床是中國長江中下游成礦帶內(nèi)產(chǎn)出的層控銅(金)多金屬礦床，形成的主要礦石礦物為黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦和銀金礦等。金在黃鐵礦中的賦存狀態(tài)為顯微金，顯微金大部分屬細粒金，會以包體金（金礦物呈渾圓粒狀、麥粒狀等包裹于黃鐵礦中）、裂隙金（金礦物呈針線狀等充填于黃銅礦裂隙中）和晶隙金（金礦物呈粒狀或不規(guī)則粒狀充填于黃銅礦與黃鐵礦顆粒間）的形式伴生。
全球黃鐵礦分布
全球黃鐵礦的自然資源豐富，中國、西班牙、丹麥、斯洛伐克、美國以及捷克等地均有黃鐵礦礦床資源。例如，位于丹麥盆地中部的日德蘭半島蘭訥斯（Jylland Randers）附近的的達爾比（Dalbyover）。該地區(qū)的礦床為白堊巖，受到生物擾動，多樣的海底生物使白堊泥灰和軟泥沉在海底留下了復雜的遺跡組構(gòu)和分層模式。
黃鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)式
結(jié)構(gòu)式
晶體結(jié)構(gòu)
黃鐵礦的晶體形式為立方體、八面體，五角十二面體，表面布滿條紋，大部分為密塊狀、顆粒狀和結(jié)核狀聚集在一起形成的結(jié)合體，其晶形特征可在一定程度上反映外界環(huán)境物理化學條件。黃鐵礦屬于等軸晶系，晶體結(jié)構(gòu)與島狀NaCl的結(jié)構(gòu)相似，晶體結(jié)構(gòu)如下圖所示：
晶體結(jié)構(gòu)
鐵離子占據(jù)在角頂和面心，啞鈴狀對硫離子分布在相當于八分之一立方體的對角線方向。對硫S-S間距為0.210nm，相應使陽離子與對硫距離縮短。由于啞鈴狀對硫離子的伸長方向在結(jié)構(gòu)中交錯配置，使各方向鍵力相近，黃鐵礦解理極不完全，硬度增大。Fe與S之間形成的界面通常為不穩(wěn)定的極性截面，具有很強的表面活性，在天然形成過程中，黃鐵礦表面與介質(zhì)中的離子或分子發(fā)生反應以形成孤立的表面，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。
配位體結(jié)構(gòu)
配位體間相互關系如下圖所示：
配位體間相互關系
在黃鐵礦晶體結(jié)構(gòu)中，一個陽離子與六個陰離子配位絡合形成等長的Fe-S鍵（間距約2.26 ?），構(gòu)成了配位八面體。在一個配位體中，相對的兩個S離子與中心Fe離子在同一條直線上，但由于八面體邊棱上的S離子與中心Fe離子的夾角偏離了理想值，因此配位體并非正八面體，這與d軌道電子云之間相互排斥有關。八面體之間由S離子共頂角相連，每個S離子連接3個以Fe離子為中心的配位八面體。黃鐵礦中Fe-Fe之間不存在鍵的相互作用，配位體之間鍵的作用僅存于對硫S-S之間。
黃鐵礦結(jié)構(gòu)中空隙的大小主要受共角頂配位體間的開合程度影響，配位體間由S離子共角頂相互連接，其開合程度可用共角頂?shù)腟離子與配位體中心Fe離子之間的鍵角表示，即Fe-S-Fe鍵角，相關關系為Fe-S-Fe鍵角越大，2個配位體間開合程度大，空隙大，結(jié)構(gòu)更為疏松。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
黃鐵礦的表面一般呈銅黃色、黃褐色、褐色等，在某些表面或截面上可能存在線條，稱為條紋。條紋常為綠黑色，晶面上最常見的條紋為平行的{100}和{210}的聚形紋，兩相鄰晶面上的條紋相互垂直。黃鐵礦的莫氏硬度為6-6.5，元素組成為鐵（Fe）和硫（S），鐵的質(zhì)量百分含量為46.549 %，硫的質(zhì)量百分含量為53.451 %。黃鐵礦中可能含有雜質(zhì)或微量元素鈦（Ti）、釩（V）、鎘（Cr）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）和金（Au）。黃鐵礦具有半導體性質(zhì)，其中的缺陷和雜質(zhì)會影響其反應性、電子性質(zhì)和表面化學性質(zhì)，其能隙為0.95 eV。此外，黃鐵礦具有較高的光吸收系數(shù)（$$a=5*10^5 cm^{-1}$$; λ＜750 nm），使其具有可能性應用于光電材料和電池材料領域。
化學性質(zhì)
熱分解
黃鐵礦在500 ℃條件下進行煅燒，開始出現(xiàn)磁黃鐵礦。
反應方程式：
繼續(xù)升溫至550 ℃煅燒時，生成六方磁黃鐵礦；600 ℃煅燒時，生成物為單斜磁黃鐵礦及六方磁黃鐵礦；當溫度升高至650 ℃時，有FeSO?和Fe?(SO?)?的副產(chǎn)物生成；700 ℃ 煅燒時，單斜磁黃鐵礦已經(jīng)在產(chǎn)物中消失,黃鐵礦分解產(chǎn)物全部為六方磁黃鐵礦；當煅燒溫度大于800 ℃時，磁黃鐵礦發(fā)生緩慢連續(xù)地脫硫分解。黃鐵礦的氧化反應與反應氣氛、升溫速率、煅燒時間以及黃鐵礦粒度有關。
氧化蝕變
反應條件：由于黃鐵礦常以松散礦石的形式存在，因此空隙間存在足夠的水以及氧氣，則會發(fā)生氧化生成FeSO?，又由于有細菌的存在，使氧化反應產(chǎn)物進一步發(fā)生氧化，生成Fe?(SO?)?，該產(chǎn)物對黃鐵礦產(chǎn)生侵蝕，發(fā)生蝕變。
反應方程式：
風化
反應機理：在地表和近地表環(huán)境中，黃鐵礦、水以及氧氣之間的相互作用使黃鐵礦逐漸發(fā)生表面氧化，即黃鐵礦的風化。黃鐵礦的風化有三個階段：
（1）初始反應階段
反應方程式：
（2）近中性環(huán)境反應階段
反應過程：吸附在黃鐵礦表面的Fe2?與氧發(fā)生電荷傳遞，氧化為Fe3?，同時，由于該反應無法長時間持續(xù)，F(xiàn)e3?吸附于黃鐵礦表面并獲得電荷被還原為Fe2?。
反應方程式：
（3）酸性環(huán)境反應階段
反應過程：該階段陽極發(fā)生黃鐵礦氧化，陰極發(fā)生Fe3?還原，該階段反應導致礦體水不斷酸化，最終使地質(zhì)受到嚴重破壞。
反應機理：陰-陽極電化學反應。
黃鐵礦的區(qū)分以及選礦方法
與其他礦物的區(qū)分
顏色和條痕：自然金的外表顏色為金黃色，條痕的顏色更是金光燦爛；自然銅的外表的顏色是銅紅色，條痕也是銅紅色，但沒有自然金那樣深而亮的金黃色；黃銅礦的外表是銅黃色，比自然銅淺淡，而它的條痕卻是黑色或黑綠色；黃鐵礦的外表顏色和條痕色澤與黃銅礦差不多，但比黃銅礦淺淡。
比重：自然金的比重是約為19；自然銅約為9；黃銅礦約為4；黃鐵礦約為5 。
硬度：自然金的硬度為2.5～ 3；自然銅為3；黃銅礦約為4，用小刀（硬度相當于5.5）容易劃得動，黃鐵礦的硬度約為6.5，比其它三種礦物大得多，一般小刀劃不動，容易區(qū)別。
常是四方形或五角十二面體，正方形晶面上的晶紋互相垂直。
其它特征：黃銅礦和黃鐵礦都比較脆，用鐵錘輕砸就碎，而自然銅特別是自然金極富延展性，不易砸碎，只能砸扁拉長。
選礦方法
黃鐵礦常用的選礦方法為浮選法和磁選法。
浮選法即將黃鐵礦樣品粉碎，再由瓷球磨干磨，磨礦后的產(chǎn)品進行篩分得到粒級礦物。將篩分產(chǎn)物進行超聲波清洗后過濾，倒去上層懸浮液再用去離子水反復沖洗。將清洗后的礦物加入浮選槽中，調(diào)漿后加入pH調(diào)整劑調(diào)節(jié)pH，調(diào)節(jié)好浮選機參數(shù)，依次加入浮選藥劑進行浮選，該方法適用于區(qū)分黃鐵礦與磁黃鐵礦。。
制備方法
黃鐵礦除了自然產(chǎn)生外，也可進行人工合成，常用的合成方法為水熱法（FeSO?、Na?S?O?和S為原料）、溶劑熱法（FeSO?、硫脲和S為原料）和化學氣相沉積法（CH?CSNH?和FeCl?為原料）等。
應用領域
裝飾品
找礦預測
黃鐵礦的標型特征，如硫同位素和微量元素分布等，是頁巖沉積環(huán)境的關鍵指標。。黃鐵礦熱電性標型找礦法是一種成熟、高效的金礦床及少數(shù)銅礦床的找礦方法，黃鐵礦的熱電性特征：E值、補償熱電動勢、熱電系數(shù)等，對礦床勘查具有重要意義。
黃鐵礦是內(nèi)生金礦床主要的載金礦物，其中金的占有率高達85 %，往往由于黃鐵礦形成時溫度、壓力和氧化還原電位條件的差異而表現(xiàn)出不同形貌、晶體形態(tài)、結(jié)構(gòu)與化學成分等特征。故考究黃鐵礦的形成以及礦床綜合評價等礦物學依據(jù)可以通過研究黃鐵礦的標型特征來進行分析。
目前，對黃鐵礦標型特征的研究主要包括礦物共生組合、主微量元素、同位素、熱電性和晶胞參數(shù)等。
晶體檢波器
20世紀初，用于晶體檢波器最常見的礦石為方鉛礦、硅以及黃鐵礦，黃鐵礦被用作無線電接收器中的晶體檢波器，至今礦石收音機愛好者仍在繼續(xù)使用。具有敏感性的黃鐵礦樣品比方鉛礦難以找到，但黃鐵礦的敏感性比方鉛礦來說能持續(xù)更長時間，黃鐵礦檢波器可以像現(xiàn)代1N34A鍺二極管檢波器一樣靈敏。
醫(yī)藥領域
黃鐵礦可作為礦物藥，在中藥領域稱為自然銅。礦物藥自然銅實際的礦物成分是單礦物，例如自然銅、黃銅礦或黃鐵礦，也可認為是礦物的集合體,例如自然銅與黃鐵礦混合物以及自然銅、黃銅礦、赤銅礦、斑銅礦、黑銅礦等含銅礦物的混合物。
廢水處理
天然黃鐵礦可用于處理含重金屬的廢水以及含有機污染物的廢水。
含重金屬廢水處理機理：沉淀溶解平衡。
該反應如下反應式：
該反應方程式如下：
半導體
單晶黃鐵礦的高載流體遷移率為360 cm2V?1s?1，載流子擴散長度為0.1-1 μm，與其他硫代礦半導體（如CdS、CdSe）相比，黃鐵礦在光腐蝕方面表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，該屬性使黃鐵礦成為廣泛使用的太陽能材料，具有滿足全球年度能源需求、廉價、來源廣等優(yōu)點。
硫酸的制備
建筑生產(chǎn)原料
黃鐵礦作為建筑行業(yè)原料生產(chǎn)制備可用于包括：磚生產(chǎn)中作為著色材料、油漆生產(chǎn)中作為顏料以及水泥生產(chǎn)中作為添加劑。有研究利用石灰石、粘土、火山灰、黃鐵礦、煤渣和石膏以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)制備出性能優(yōu)越的貝利特水泥。
電池
黃鐵礦可作為鋰電池的正極材料，具有高理論放電比容量、環(huán)境友好、價格低廉和來源廣泛等優(yōu)點。此外，黃鐵礦還能作為鈉離子電池的電極材料，具有理論比容量高的優(yōu)點。可逆Na/FeS?電池的電化學反應如下：
安全事宜
危險品標志
黃鐵礦具有人體健康危害性以及環(huán)境危害性。
危險品標志
毒性及防護
黃鐵礦于常溫、暴露于空氣中易發(fā)生自燃，大量放熱及產(chǎn)生大量二氧化硫有毒氣體，化學反應方程式如下：
當采礦環(huán)境中含有碳時，會發(fā)生如下反應：
因此，硫鐵礦在地下開采過程中必須掌握二氧化硫、一氧化碳等有害氣體的濃度，對礦石自燃的危險性作出準確的評判，并及時發(fā)現(xiàn)可能存在的自燃危險以及發(fā)生自燃的征兆，采取有效的預防措施，以防中毒和火災的發(fā)生。
此外，硫鐵礦開采還需加強通風和防塵管理工作，硫鐵礦采選過程中會產(chǎn)生大量粉塵，其危害主要有：
（1）污染礦床環(huán)境以及一系列環(huán)境污染問題；
（2）對采礦工作者的身體健康產(chǎn)生危害，長時間處理存在大量粉塵的環(huán)境下，粉塵會通過鼻部嘴部進入呼吸道甚至肺部，引發(fā)疾病。
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作者
