资源加工学第二章.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除第二章 物料的基本物理化学特性教学大纲要求内容学时熟练掌握正确理解一般了解2.1 物料的鉴别12物料的基本物理性质、表面化学性质各种不同类型资源分类物料的鉴别2.2物料的物理性质2.3表面化学性质教学内容 本章内容是资源加工学的基础知识，主要包括物料的鉴别、物料的物理性质以及表面化学性质。教学时间 12学时教学重点 物料的物理性质及表面化学性质。教学难点 物料基本物理化学特性及其在分选过程中的应用。 教学方法 课堂教学为主，并通过实验教学加深对课堂知识的理解。注意结合前面所学知识表示的基础内容，将其与问题求解方法融为一体。及时提问、收集学生学习情

2、况。 教学要求 熟练掌握物料的基本物理性质、表面化学性质，正确理解各种不同类型资源分类，一般了解物料的鉴别。 教学参考书： 潘兆橹 主编. 结晶学及矿物学（上、下册）. 北京：地质出版社. 1990.10. H.B.别洛夫，A.A.戈道维柯夫，B.B.巴卡金. 齐进英等译. 理论矿物学M. 北京：地质出版社. 1988.6. 邱家骧 主编. 岩浆岩岩石学. 北京：地质出版社. 1985.5. 冯钟燕 主编. 矿床学原理. 北京：地质出版社. 1984.5. 许时 主编. 矿石可选性研究. 北京：冶金工业出版社. 1995.10. 周乐光 主编. 工艺矿物学. 北京：冶金工业出版社. 1990.

3、5. 顾惕人等，表面化学，北京：科学出版社，2001. 2.1物料的鉴别教学内容 本节讲述资源加工学主要加工对象的概念和鉴别方法。包括以下内容：（1）矿物，矿物、种、亚种、簇的基本概念；矿物的分类方法及其分类；矿物命名的依据；矿物鉴定的目的与常用方法。（2）岩石的概念，岩石的分类和特征。（3）矿产、矿石、有用矿物、脉石矿物的概念。（4）二次资源极其他固体物料的分类。（5）非固体物料的概念。 （6）决定物料加工工艺的基本参数：物料的物相组成、物料中元素赋存状态、物料中物相嵌布特征、工艺产品的研究。教学时间 3学时。本节重点 矿物、矿石等基本概念以及决定物料加工工艺的基本参数。本节难点 区分矿物、

4、矿石、岩石的概念。教学方法 课堂教学为主，结合举例让学生理解一些基本概念。教学要求 熟练掌握矿物、矿石、岩石的概念，正确理解各种不同类型资源分类。21.1矿物1矿物的概念矿物（Mineral）是指：由地质作用所形成的结晶态的天然化合物或单质，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 。准矿物（Mineraloid）为由地质作用形成的非结晶态的天然化合物或单质。在实验室和生产工艺过程中研制和生产而形成的结晶态的化合物或单质，称为工艺矿物。举例讲述。2矿物的分类1） 概念矿物种（Species）是指具有一定的化学组成和一定的晶体结

5、构的一种矿物。人们给予每一种矿物的名称，就是矿物的种名。矿物亚种（Subspecies）是指同属于一个种的矿物，但在化学组成、物理性质等方面有一定程度的变异者。2） 种的划分原则（1）在矿物学中划分矿物种时，对于同质多象变体而言，同一物质的不同变体虽然化学组成相同，但它们的晶体结构有明显的差别，因而应区别为不同的矿物种。（2）同一矿物的不同多型，尽管晶体内部的结构层的堆垛顺序有所不同，有时可能属于不同的晶系，但仍把它们联合为一个名称，看成是同一个矿物种。（3）根据国际及我国新矿物及矿物命名委员会的规定，在类质同象系列中只有端员矿物才能作为矿物种独立命名，而中间成员称为亚种，按其靠近的端员矿物种

6、命名，再在前面加上形容词；若有些类质同象系列矿物，命名时尚未发现靠近它的端员矿物，以后找到了端员矿物也不能取新的种名，只能作为亚种看待。3） 矿物分类方法结合矿石学简单讲述3矿物的鉴定简单讲述。简单讲述。4矿物的鉴定简单讲述。212岩石1岩石及工艺岩石概念：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。 岩石根据其成因，可分为三类：岩浆岩（Magmatic Rocks）、沉积岩（SedimentaryRocks）：变质岩（Metamorphic Rocks）：岩石根据其主要矿物种类的多少，可分为两类：单矿岩、多矿岩。2岩石的特征结合矿石学简单讲述

7、。213矿石（1）矿产、矿石概念矿产是指能被利用的矿物资源，目前按矿产的性质及其主要工业用途可分为以下三类：金属矿产、非金属矿产和可燃性有机岩矿产。矿石（Ore）从矿体中开采出来的，从中可提取有用组份的矿物集合体。一般由矿石矿物和脉石矿物两部分组成。矿石矿物是指可以利用的金属或非金属矿物，也称有用矿物。脉石矿物是指矿石中目前还不能被利用的矿物，也称无用矿物。214二次资源及其他固体物料分为以下三类： 二次资源产、非传统矿物资源、非矿物资源固体物料。215非固体物料（烟尘、气、液）216决定物料加工工艺的基本参数1物料的物相组成查明物料中的物相（如有用矿物和脉石矿物）组成和含量，是决定物料加工工

8、艺的基本参数之一。2物料中元素赋存状态在矿石中有用元素主要有以下五种存在形式：（1）形成独立矿物、 (2)呈类质同象混入物形式存在于其他矿物中、(3)呈固溶体分离状态、(4)呈包裹物形式存在、(5)呈吸附状态。3物料中物相嵌布特征物料中物相的嵌布特征、磨碎或破碎时的单体解离度，是决定物料加工工艺的基本参数之一。4工艺产品的研究2.2物料的物理性质教学内容 本节讲述物料的物理性质以及在物料分选之间的应用。主要内容包括：（1） 物质密度、矿石真密度、矿石堆密度的概念；（2）颗粒形状系数、形状支书的描述，单颗粒粒径和粒群粒度的描述；（3）颗粒的表面积与比表面积的定义与测定方法；（4）磁性基本概念：磁

9、化物质的磁矩、磁化强度、物质体积磁化率、物质比磁化率； 物质磁性的分类以及各种磁性物质的特点，铁磁性物质的铁磁效应、铁磁质结构以及磁化过程。退磁场，退磁因子的定义，物体磁性和物质磁性的联系与差异。矿物磁性的分类。（5）电性 基本概念：电导率、电阻介电常数、比导电度、整流性。教学时间 5学时。本节重点 讲述物料密度、颗粒的几何特征、表面积、磁性、电性质等物理性质。 本节难点 利用物理性质上的差异进行物料分选的基本原理。教学方法 课堂教学为主，结合举例让学生理解一些基本概念及其在物料分选中应用的基本原理。教学要求 熟练掌握物料的物理性质中所包括的内容，正确认识其在物料分选中应用的基本原理。2.2.

10、1密度物质密度：单位体积的物质的质量叫做密度，用表示，其单位按国际单位制为kg/m3，按厘米克秒制为g/cm3。矿石真密度：矿石是矿物加工的主要对象，矿石是多种有用矿物和脉石矿物的混合体，其单位体积矿石的质量叫做矿石的真密度，单位kg/m3。矿石堆密度：堆积的矿石存在孔隙，一定粒度组成的矿石自然堆积时，其单位体积的质量称为矿石的堆密度，单位kg/m3。2.2.2物料颗粒的几何特征颗粒的几何特征主要包括颗粒的大小、形状、表面积等。1.颗粒的形状颗粒的轮廓边界或表面上各点的图像，称作颗粒的形状。颗粒形状的定量分析方法有以下几种：（1） 形状系数对规则形状的颗粒而言，其表面积、体积分别和线性尺寸成平

11、方或三次方的关系，其比例关系被定义为形状系数。设颗粒的直径为d、体积为V、面积为S，按上述定义得：表面形状系数：体积形状系数：比表面形状系数：因单位体积颗粒的比表面积，所以有：（2）形状指数与形状系数不同，它和具体的物理现象无关，只用数学表达式来描述颗粒的外形。常见的形状指数有球形度和粗糙度等。球形度 广为应用的球形度 的定义式为：粗糙度 为颗粒的实际表面积与把颗粒外观看成光滑时的表面积之比，实际应用时如下：实际上球形度应表达如下：Gp其中 p粗糙度系数；G几何形状系数。2. 粒径与粒度粒径是单个颗粒大小的度量，而粒度是描述颗粒群大小的总体概念。(1）单颗粒的粒径规则颗粒的粒径：如颗粒是理想的

12、规则几何体，可以很方便地用13个特征长度准确地描述其形状及大小。非规则颗粒的粒径：不规则的矿物颗粒描述，采用名义直径或标准直径表示。名义直径dn是根据颗粒的一种或两种易于测量的实际尺寸或性质计算出来的。通常采用的有四种名义直径：轴径，当量球径；当量圆径；统计直径。 轴径是指颗粒的特征线段的算术或几何平均值二轴平均径：平面图形长径和短径的算术平均值db (l+b)/2三轴平均径：立体图形三维尺寸的算术平均值dc (l+b+h)/3 当量球径是指与颗粒同性质的球体直径体积直径：与颗粒具有相同体积的圆球直径dv（V为颗粒实际体积）面积直径：与颗粒具有相同表面积的圆球直径ds（S为颗粒的表面积）自由降

13、落直径（df）：与颗粒同密度球体，在密度和粘度相同的流体中，与颗粒具有相同沉降速度球体的直径（该球称为标准粒子）式中l液体的密度；s颗粒密度； vo颗粒沉降速度；介质粘度；g重力加速度；阻力系数 当量圆径是指与颗粒的投影轮廓同性质的圆的直径，投影面积直径：与颗粒在稳定位置投影面积相等的圆直径da（A为颗粒的投影面积）统计直径是指与某个固定方向平行测得的颗粒的长度尺寸。(2) 颗粒群的平均粒度和粒度分布颗粒群的粒度有以下几种表示方法： 加权的算术平均值： 加权的几何平均值： 加权的调和平均值：中位数：以混合料各粒级累计质量百分数对粒级作图，占混合料质量一半时所对应的颗粒尺寸。2.2.3颗粒的表面

14、1.表面积颗粒的表面积包括内表面积和外表面积两部分。外表面积是指颗粒轮廓所包络的表面积，它由颗粒的尺寸、外部形貌等因素所决定。内表面积是指颗粒内部孔隙、裂纹等的表面积。2. 比表面积单位体积（或单位质量）物体的表面积，称为该物体的比表面积或比表面。以V代表颗粒的总体积（或以W代表颗粒的总质量），以S代表其总表面积，以Sv（或Sw）代表比表面积，则有：或常用的比表面分析方法：(1) BET吸附法吸附法是在试样颗粒的表面上吸附截面积已知的吸附剂分子，根据吸附剂的单分子层吸附量计算出试样的比表面积，然后换算成颗粒的平均粒径。BET吸附等温式为式中 p 吸附气体的压力，po 吸附气体的饱和蒸汽压，V

15、吸附量，Vm 单分子层吸附量，K 与吸附热有关的常数以p/V(p0-p)对p/p0作图为一直线，由该直线的斜率和截距可以求得Vm值，再由Vm值及吸附气体的分子截面积A，可计算出试样的比表面积Sw，即：式中 v。 标准状态下吸附气体的摩尔体积（22410ml），N 阿佛加德罗常数（6.0231023分子mol）由于氮吸附的非选择性，低温氮吸附法通常是测定比表面积的标准方法，此时A=16.22，当测定温度为-195.8时，上式可简化为 Sw4.36Vm(2) 气体透过法气体透过法的理论根据是kozeny Carman关于层流状态下气体通过固定颗粒层时透过流动速度与颗粒层阻力的关系式式中 P粉体层的

16、阻力，L一一粉体层的厚度，一一气体的粘度，u气体的透过流动速度，粉体层的空隙率气体透过法测定粉体比表面积应用最广泛的是Bline法（又称勃氏法）。Bline法是测定水泥比表面积的常用方法，也可用于测定其他干燥细粉。2.2.4磁性1. 磁化现象与物质磁化率磁化强度为单位体积物质的磁矩，可用下式表示：式中m为磁化物质的磁矩（Am2），是物质中所有原子磁矩的矢量和；V为物质体积（m3），M为磁化强度（A/m）。磁化强度与外磁场强度成比例增加，故又可表示为 M=KH式中H为外磁场强度（A/m），K为物质体积磁化率，无量纲，可用以表示物质磁性。合并公式2-22和2-23可得物质体积磁化率为物质磁化时单位

17、体积和单位磁场强度具有的磁矩。物质的磁性又可用比磁化率表示，即式中为物质密度（kg/m3）；与V之积为物质质量（kg）；X为物质比磁化率（m3/kg），是物质磁化时，单位质量和单位磁场强度的磁矩，又称为质量磁化率。与比磁化率相对应的一个物理量是比磁化强度即式中j为比磁化强度（Am2/kg）。磁感应强度与磁场强度的关系可用下式表示式中B为磁感应强度（T）；为物质磁导率（Tm/A）；0为真空磁导率，等于；为相对磁导率，无量纲， 。不同物质的不同，例如水的，铁的 。磁感应强度又可表示为2. 物质磁性的类型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。物质按磁性类别可分为逆磁体

18、，顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体。(1) 逆磁性这类物质的原子中的电子轨道磁矩和自旋磁矩互相抵消，即原子磁矩为零。当将这类物质放进磁场时，每个电子都产生一个附加磁矩，附加磁矩的方向与外磁场方向相反，因而显示逆磁性。逆磁质的磁化率为负值，也是一个与温度无关的很小的常数值。由于逆磁性来源于原子中电子的感应附加磁矩，故任何物质都有逆磁现象。但非逆磁质的原子磁矩不为零，其附加磁矩只有轨道磁矩的百万分之几，因此，不显逆磁性。(2) 顺磁性顺磁性物质具有原子磁矩或分子磁矩，即具有本征磁矩。无外磁场作用时，单个原子磁矩的取向与其余原子磁矩的取向无关，各个原子磁矩的取向无序，并处于剧烈的热振动状态，物质总

19、磁矩为零，因而对外不显磁性。在外磁场作用下，原子磁矩有向外磁场取向的趋势，外磁场越强，向外磁场方向取向的概率越大，物质总磁矩增大。但由于磁场远不能克服热振动分子磁矩取向的破坏作用，所以这种物质磁化时，对外显顺磁性。 顺磁质的体积磁化率为式中N为单位体积的原子数；为原子（或分子、离子）磁矩；KB为波耳兹曼常数，等于；T为绝对温度；C为居里常数。上式表明，当温度不变时，物质体积磁化率为常数，与磁场无关，当温度变化时，磁化率随温度的提高而降低。(3) 反铁磁性铂、钯、锰、铬等反铁磁质的磁化率随温度变化，低于临界温度时，与顺磁质和铁磁质都不同，随温度的提高而增加；只是在临界温度以后，才与顺磁质相同，磁

20、化率随温度的提高而减少；在临界温度，磁化率有最大值。临界温度称为尼尔（）点，用TN表示。换言之，当温度低于尼尔点时，呈反铁磁性，温度高于尼尔点时，呈顺磁性。反铁磁质有小的正磁化率，其比磁化率为10-1010-9m3/kg数量级。（4）铁磁性铁、钴、镍和某些稀土元素等的磁性通称为铁磁性。这类物质称为铁磁性物质。 铁磁效应磁化效应曲线：起初，磁场强度H由OHS时，磁感应强度B由OS，S为磁饱和点，BS为饱和磁感应强度，OS为起始（或基本）磁化曲线，然后，H由HSO时，则B由SBr，Br称为剩余感应强度，这种退磁不可逆现象称为磁滞，意即B滞后于H的变化。当磁场强度H按反向由O-Hc时，则B由BrO，

21、即剩磁被退掉，Hc称为矫顽力，Hc的大小表明退磁的难易程度；继之，H由-Hc-Hs时，则B 由O，在反向达到磁饱和，最后，H由时，则B由 ，即回到最初的磁饱和状态，形成封闭的磁滞回线。铁磁质的磁性概括起来为：磁化时，磁感应强度（或磁化强度）随磁场强度的提高急剧增加，容易磁化到饱和状态；退磁时，有磁滞效应，撤消外磁场后有剩磁；外磁场按正弦波形变化时，磁感应强度按磁滞回线变化。磁畴结构铁磁质是由许多自发磁化的小区域组成的，这些自发磁化的小区域叫做磁畴。每个磁畴内，在无外磁场作用的情况下，原子磁矩排列在同一方向上，即自发磁化到饱和状态。磁畴之间的边界层叫做磁畴壁。相邻磁畴的方向不同。因此，无外磁场作

22、用时，各个磁畴的磁矩互相抵消，对外不显磁性。（5） 磁化过程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。在低磁场中，磁化以壁移为主。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。铁磁质加热到一定温度后可变为顺磁质，这一转变温度称为居里点。常用Tc表示，铁的Tc=630K。铁磁质在居里点以上的磁化率可用下式表示。式中C为居里常数，Tc为临界温度，当TTc时，热振动破坏了磁畴结构。（6） 亚铁磁质亚铁磁质也有两种次晶格，

23、但其领近原子（或离子）磁矩的排列方向相反，大小不等，具有未被抵消的磁矩和相当大的自发磁化强度，因而具有很强的磁性，且与铁磁质的磁性十分相似。这种磁性被称为亚铁磁性。3物体的磁性将有限尺寸的磁性物体置于外磁场中磁化时，两端自由磁极在磁化体内部产生的磁场叫做退磁场。当磁化均匀时，退磁场强度与磁化强度M成正比：式中HN为退磁场强度（A/m）；N为退磁因子(无因次)。退磁场强度HN的方向与外磁场强度H及磁化强度M的方向相反，它削弱外磁场对物体的磁化作用。对于一般的椭球体，沿它的三个主轴a、b、c的退磁因子Na、Nb和Nc的计算很复杂，但有下述简单关系：球体、细长圆柱体的无限大薄片是椭球体的特殊情况，其

24、退磁因子分别为：球体：a=b=c，三个轴向的退磁因子相等，即细长圆柱体：，a轴方向的退磁场非常弱，Na0，其它两个轴向的退磁因子相等，所以无限大薄片：b=c=，b、c轴向的退磁因子都为零，所以Na=1，Na=Nc=0长旋转椭球体（ab=c）在a轴方向的磁化，可用下式计算退磁因子Na：式中a为椭球体的长轴，与外磁场方向平行；b为椭球体的短轴，与外磁场方向垂直。旋转椭球体的退磁因子N也可用下述经验公式计算：显然，退磁因子与磁化物体的形状和磁化方向密切相关；薄片的退磁因子可达1；球体的退磁因子为1/3；细长圆柱体的轴向退磁因子为零，径向退磁因子为1/2。由于物体磁化时退磁场的产生，因而实际使物体磁化

25、的有效磁场强度HE，即物体内部的磁场强度，为外磁场强度HE与退磁场强度HN之差：HE = H HN 或 HE = H - NM上式表明，物体的退磁因子越大，退磁场强度也越大，有效磁场强度越小，物体越难磁化。物体磁化率可用下式表示:式中Kp为物体体积磁化率。物体体积磁化率Kp与物质体积磁化率K=M/H的关系为物体比磁化率Xp与物质比磁化率X的关系为物质与物体的磁性差别取决于物体的形状，即退磁因子N。退磁因子N随尺寸比m的增大而减小，N介于01之间。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，具体有三种情形： K0.2时，KpK，物体体积磁化率与物质体积磁化率几乎一致

26、（弱磁性矿物）； 在0.2K200时，物体体积磁化率接近常数，近似于（强磁性矿物）。4. 矿物的磁性(1) 矿物按磁性分类根据磁性，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。(2) 强磁性矿物的磁性磁铁矿属于亚铁磁性物质，是典型的铁氧体。铁氧体的晶体结构主要有三种：尖晶石型、磁铅石型和石榴石型。2.2.5物质的电性质固态物质的电性质，在电学上按导电性能或电阻大小可分为导体、半导体和绝缘体。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。1. 电导率电导率是长1cm,截面积为1cm2的直柱形物体沿轴线方向的导电能力。它是电阻率的倒

27、数，是表示物体传导电流能力大小的物理量。根据所测出各种矿物的电导率值，常将矿物分成下列三种类型：导体 电导率为104 S/cm 105S/cm，如自然铜。半导体 电导率为102 S/cm 10-10S/cm，介于导体与非导体之间。这种矿物很多，如硫化矿物和金属氧化矿物。非导体 电导率为10-12 S/cm 105S/cm，如硅酸盐矿物和碳酸盐矿物。2电阻矿物的电阻是指矿物的粒度d=1mm时所测定出的欧姆数值。根据所测出各种矿物的电阻值，常将矿物分成下列三种类型：导体电阻小于106者。非导体电阻大于107者。中等导体其导电性介于导体与非导体之间，电阻大于106而小于107者。对于电阻小于106者

28、，电子的流动是很容易的，反之，电阻大于107者，电子不能在表面自由运动。当用电选分选导体和非导体时，两者电阻值悬殊愈大，愈容易分选。3. 介电常数介电常数是指带有介电质的电容与不带介电质（指真空或空气）的电容之比，用表示。在相同的电压下，如果在电容器两极之间放入介电质后，则电容器之电容会增加。介电常数可用下式表示： 式中 Ck矿物或物料的电容，F；C0空气的电容，F。介电常数值的大小是目前衡量和判定矿物能否采用电选分离的重要判据，介电常数越大，表示其导电性越好，反之则表示其导电性差。一般情况下，介电常数大于12者，属于导体，用常规电选可作为导体分出，低于12者，若两种矿物的介电常数仍然有较大差

29、别，则可采用磨擦电选而使之分开，否则，难以用常规电选方法分选。大多数矿物属于半导体矿物。 矿物的介电常数，可以用平板电容法及介电液体法测定。前者为干法，适应于大块结晶纯矿物，后者为湿法，可用来测细颗粒的介电常数。4. 比导电度比导电度测定装置由一接地的金属滚筒和一个平行于滚筒的带高压电的金属圆管组成。被测矿物给到滚筒上，在电场的作用下，颗粒由于感应而产生表面电荷，当电压达到一定数值时，颗粒变成导体，迅速变成等电位表面，与接地滚筒的电位相同，因此被吸向电极，使之落下轨迹发生偏离，此时电压即为最低电压。反之，如电压低，矿粒不表现出导体的偏离作用，而被吸附在滚筒上沿普通轨迹落下。为此可采用不同电压、

30、不同电性（正电或负电）测定出各种矿物所需的最低电压。石墨是良导体，所需电压最低，仅为2800V，国际上习惯以它作为标准，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。5.整流性在测定矿物的比导电度时会发现，有些矿物只有当高压电极带负电时才作为导体分出；而另一些矿物则只有高压电极带正电时才作为导体分出；还有一些无论高压电极的正负，均能作为导体分出。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。只获得正电的矿物叫正整流性矿物，此时电极带负电； 只获得负电的矿物叫负整流性矿物，此时电极带正电； 不论电极正负，均能获得电荷的矿物叫全整流矿物。2.3 表面化学性质教学内容 本节讲述物

31、料的表面化学性质以及在物料分选之间的应用，主要包括晶体结构与价键类型、表面能、表面化学与溶解、表面电性、表面润湿性等。（1） 矿物价键类型的分类，价键类型与矿物解理的关系，矿物价键类型与表面性质的关系；（2）矿物表面能与表面张力的概念，不同价键类型矿物表面能的计算；（3）硫化矿与氧化矿的氧化与溶解规律，及其对表面性质的影响；（4）矿物表面电性的起源及其对表面性质的影响；（5）润湿、接触角的基本概念，矿物表面润湿性对表面性质的影响，Young氏方程及其意义，接触角与矿物表面润湿性的关系，接触角的测定方法。教学时间 4学时。本节重点 矿物晶体结构、价键特性、表面性质之间的关系，表面电性与表面性质之

32、间的关系，Young氏方程及其意义，接触角与矿物表面润湿性的关系。 本节难点 矿物晶体结构、价键特性、表面性质之间的关系；利用表面化学性质上的差异进行物料分选的基本原理。教学方法 课堂教学为主，结合举例让学生理解一些基本概念及其在物料分选中应用的基本原理。教学要求 熟练掌握物料的表面化学性质中所包括的内容，正确认识其在物料分选中应用的基本原理。2.3.1矿物的价键类型与晶体结构 1.矿物的价健类型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。2.价键特性与解离破碎时，矿物沿脆弱面裂缝、解理面、晶格间含杂质

33、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，图中的虚线表示断裂面。 较复杂的离子晶格，则其解理面的规律是： （1）不会使基团断裂；（2）往往沿阴离子交界面断裂，就是沿离子义界面断开，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。3.矿物表面价键特性受到破碎作用时出现新的表面，矿物的解理面和表面键性、表面性质与矿物内部的价键性质、晶体结构互接相关。（1）由分子键构成分子键晶体的矿物，沿较弱

34、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。 （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。2.3.2表面能 1.表面能与表面张力矿物表面与内部的主要区别，就是矿物内部离子、原子或分子相互接合，键能得到平衡；而表面层的离子、原子或分子，朝向内部的一面，与内层有平衡饱和键能，而朝向外面的是空间，这方面的键能没有得到补偿，使表面质点比体内质点具有额外的势能，称为表面能，热力学上称为表面自由能。表面

35、自由能（As）也可定义为产生新鲜的单位固体表面所需的可逆功。 于是 根据表面热力学，单位表面积的表面焓Hs为： 式中T温度；Es总表面能；Ss单位面积的表面熵。 对于表面而言，PV项可以忽略不计。可为表面能Es相当于表面焓Hs，则有： 或 已知在恒定压力下，表面熵Ss为： 于是得总表面能Es和表面张力的关系式： 对于多数液体，表面张力随着温度降低而呈线性减少。2. 表面能的计算（1）共价型晶体的表面能共价晶体表面能的估算最为简单。因为共价键是靠两个互相接近的原子共享电子对，并且是电子对贡献电子形成的。其距离比离子键短得多。因此，不必考虑长程力的相互作用。温度为0K时金刚石表面能Es等于把1cm

36、2面积上全部共价键打断所需的能量E1的一半，即金刚石键能为376.2kJ/mol。对于金刚石100解理面，1cm2面积上的原子数为： 为形成100解理面，每个原子必断两个键，因此，打断1cm2100解理面全部共价键所需能量为： 。 111解理面1cm2面积上的原子数为 有1.831015个键4，若取键能为376.2kJ/mol，则有： 。（2）离子型晶体的表面能离子键是荷正电和荷负电的离子间形成的键，其作用距离长，属长程力，而且不定向。离子晶体是离子主要通过库仑力结合在一起的。因此，计算其表面能时，也是按表面上净的互相作用能来计算的。比较流行的是Huggins和Mayer8提出的势函数模型：

37、式中右边第一项是离子i、j之间的库仑力（引力）；第二、三项是偶极子相互作用引起的范德华力（引力）；第四项是电子斥力。第一项是对表面势能的主要贡献，第二项约占20%30%。3. 棱边能、棱角能 固体的表面张力还可以用下面简化方式导出：假设最邻近的晶格原子间的结合能为E，配位数为K，晶体的总原子数为n，当晶体相对原子而言足够大时，其总结合能H（又称晶体的凝聚能）为：固体断裂时，设断开的邻近原子间距为a，则单位面积新鲜表面所具有的能量As为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。

38、 晶面上0.0662e2/a棱边上0.0903e2/a尖角上0.249e2/a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。2.3.3表面氧化与溶解1.硫化矿物表面氧化与溶解硫化矿物的溶解度相对较小，但表面上的硫易发生氧化反应，从而改变硫化矿物的表面性质，这是硫化矿物的重要特征之一。硫化矿物的表面氧化反应有如下几种形式，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 、 。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

39、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。研究表明，在中性溶液中浮选时，需氧量按下列顺序递增：方铅矿黄铁矿磁黄铁矿砷黄铁矿。 2.氧化矿物的溶解与硫化矿物相比，在水溶液中氧化矿物的溶解度较大。矿物晶格结合的离子键成分愈强，晶格质点与水的作用愈强，溶解度愈大。硫化矿物有较高的共价键成份，氧化矿物的离子键成分较高，而盐类矿物完全是离子键晶体结构。矿物溶解可以改变矿物的表面性质，如表面电性、表面导电性、润湿性等，同时，由于溶解而进入液相的离子，改变了液相的化学组成，从而影响溶解物与矿物的作用。2.3.4 矿物表面电性矿物在水溶液中受水偶极

40、及溶质的作用，表面会带一种电荷。矿物表面电荷的存在影响到溶液中离子的分布，带相反电荷的离子被吸引到表面附近，带相同电荷的离子则被排斥而远离表面。于是，矿物-水溶液界面产生电位差，但整个体系是电中性的。这种在界面两边分布的异号电荷的两层体系称为双电层。1. 矿物表面电性起源有许多机理说明，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+，对于阴离子X，则根据何者负

41、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。（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。举例：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。（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）在水中荷电为例进行讲解.（4）晶格取代? 粘土、云母等硅酸盐矿

42、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。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。2.3.5矿物表面润湿性1.润湿现象 任意两种流体与固体接触后，所发生的附着、展开或浸没现象均可称为润湿过程。其结果是一种流体被另一种流体从固体表面部分或全部被排挤或取代，这是一种物理过程，且是可逆的。2.接触角与Young氏方程 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

43、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，以表示。 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角很小，则称其为亲水性表面；反之，当角较大，则称其疏水性表面。矿物表面接触角大小是三相界面性质的一个综合效应。当达到平衡时（润湿周边不动），作用于润湿周边上的三个表面张力在水平方向的分力必为零。于是其平衡状态（杨氏Young）方程为：或 式中，固气、分别为固液和液气界面自由能。3.接触角的测定(1) 躺滴或气泡法接触角可通过长度的测量按下式计算：式中h是液滴高度，d是滴底的直径。若液滴体积小于104mL，此

44、方法可用。若接触角小于900，则液滴稍大亦可应用。(1) 吊片法吊片法是测定液体表面张力的一种方法，此方法的条件是要求吊片能为液体很好润湿，以保证=0，cos=1。如果接触角大于零，则可利用下式计算接触角数值W=PgLVcos-vg?式中W为吊片所受之力，P为吊片周长，v为吊片伸入液面下的体积，为液体的密度。式中vg为浮力校正项。改变吊片插入液面下的深度测定W，以W对吊片插入液面下的深度作图，外推到深度为零，得W=PLVcos若液体表面张力已知，即可计算。在吊片下降时测定吊片所受之力，则测得的接触角为前进角。反之为后退角。(3) 水平液体表面法此法又可分为斜板法和圆柱法两种，但常用的是斜板法。斜板法是调节固体表面的倾斜角，使固液气三相相遇处液体呈水平面。固体表面相对液体水平面的倾斜角即为液体在固体表面上的接触角。降低或升高板的高度，即可得到前进角和后退角。 圆柱法是将水平圆柱部分浸入液体中，调节圆柱体浸入深度