几种硫酸盐矿物晶体结构中化学键的理论计算.pdf

第6 0 卷第2 期 2008 年5 月 有色 金属 N O n f e t r O l l SM e a l s v 0 I ．6 0 ，N o ．2 M a y 20 08 几种硫酸盐矿物品体结构I J | I 化学键的理论计算 卢烁十1 ，一，孙传尧2 1 ．东北大学资源与土木工程学院，沈阳1 1 0 0 0 4 ； 2 ．北京矿冶研究总院矿物加工科学与技术重家重点实验室，北京1 0 0 0 4 4 摘 要对三种硫酸盐矿物重晶石、天青石和石膏晶体结构中化学键的特征进行理论计算。结果表明，M 。 一0 2 一平均键长、 静电价强度、库仑力、离子键百分数、离子键极性、键合强度以及平均键价之间具有很好的一致性。 关键词工艺矿物学；硫酸盐矿物；化学键；理论计算；晶体结构 。1 中图分类号T G l 4 6 ．4 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 2 0 1 0 4 0 3 矿物的可浮性与其晶体结构密切相关。晶体结 构中化学键的性质决定了矿物解离时表面元素的暴 露状态，从而影响到矿物的表面特性和可浮性⋯1 。 重晶石、天青石和石膏是典型的硫酸盐矿物，其结构 中主要阳离子不同，B a 2 ，S r 2 及C a 2 离子的半径 以及B a O ，S r O ，C a O 及S O 键的极性和键 长不同，影响到坩 一0 2 一键价以及断裂程度的不 同，导致浮选溶液中矿物的表面电性和可浮性的差 异。因此，对几种硫酸盐矿物中各元素间化学键的 性质进行具体的计算对理解矿物的表面特性及浮游 性具有重要意义。引入几种计算方法对三种硫酸盐 矿物结构中的化学键特征进行了计算和分析。 1计算方法 1 ．1 矿物结构中阴阳离子间的静电引力计算 矿物结构中阴阳离子间的静电引力可用库仑定 律来计算，如式 1 所示[ 纠，式中F 一阴离子与阳离 子之间的静电引力 C ；Z 一阳离子的电价；e 一电子 的电量，1 ．6 1 0 _ 1 9 C ；R 。一阳离子半径；R 。一阴离 子半径，0 2 一半径为0 ．1 4 n m ；K 一常数，9 1 0 9 N m 2 ／C 2 。 F K 2 Z e 2 ／ R 。 R 。 1 在式 1 中，R 。和R 。采用鲍林离子半径，各离 子半径数值查阅文献[ 3 ] 可以得到，因此根据式 1 可以计算出阴阳离子间的静电引力。 收稿日期2 0 0 7 1 1 0 3 作者简介卢烁十 1 9 8 0 一 ，男，河南虞城县人，博士生，主要从事 矿物浮选理论等方面的研究。 孙传尧 1 9 4 4 一 ，男，黑龙江佳木斯市人，教授，中旨工程 院院士，主要从事矿物掘工科学与技术等方面研究。 1 ．2 M 一一0 2 一键离子键百分数的计算 在硫酸盐矿物的晶体结构中，同样不存在纯离 子键和纯共价键，离子键成分越大，键的极性就越 大，键就越容易断裂，因此硫酸盐矿物的晶体表面与 水的相互作用活性就越强，即亲水性越强。相反，当 共价键成分越大时，键的非极性程度就越大，键越难 以断裂，矿物的晶体表面与水相互作用的活性就较 弱，即其晶体表面疏水性就越强。 鲍林提出经验公式来计算化合物中化学键的离 子性KJ ，如下式 2 所示，式中9 一化合物中离子键 的百分数；x A ，x B 一化合物中两种原子的电负性。 9 1 0 0 { 1 一e x p [ 一 X A X 童 2 ／4 ] } 2 1 ．3 矿物结构中阴阳离子间的相对键合强度计算 矿物晶体结构中结晶格子的强度还可以通过阴 阳离子的相对键合强度来衡量，如式 3 所示拉】，式 中d 一阴阳离子的键合强度；K 一键合强度系数，大 小取决于共价程度；w k 一正离子电价；w o 一负离子 电价；C N 一正离子配位数；d 一正负离子间距；卢一 键合弱化系数，口0 ．7 ～1 ．0 。 仃 K w 矾／C N d 2 p 3 根据式 3 ，可以计算出硫酸盐矿物结构中M 一 一仔一的相对键合强度。M 时一◇一的相对键合强度 越大，键越牢固，矿物解理时键就越难断裂。 1 ．4 矿物结构中M 一一0 2 一平均键价的计算 键价理论认为，键价的高低是衡量键强弱的一 个量度，键价高键强，键价低键弱，长键与较低键价 对应，短键与较高的键价相对应。2 0 世纪7 0 年代 加拿大学者布朗 B r o w nI ．D 等针对键长一键价提 出式 4 所示指数关系式_ j ，式中S 一键价；R 一键 长；R o 与N 或R o 与B 一与原子种类、价态有关 万方数据 第2 期卢烁十等几种硫酸盐矿物晶体结构中化学键的理论计算 ， 1 0 5 的经验常数。 S R ／R o 刊或S e x p [ 一 尺一R o ／B ] 4 查阅文献可获得与O 相连的各种金属的R 。，N 和B 值。当得知晶体结构中各化学键的平均键长 后，可以通过此式计算出M 一一0 2 一的平均键价。 1 ．5 矿物结构中M 一一0 2 一键极性 离子键极性 的计算 有文献对矿物化学键中离子键性的程度和原子 的有效电荷用晶体结构方法来进行评价 引。矿物 结构中离子的键力F 计算公式如式 5 所示，式中 F 一键力；Z 一成键电子与核分开后，原子核的电价 数；C N 一离子配位数；r c 一离子共价半径，其中r c x [ d 一 r o x r o M ] ／2 r o x ，r c M [ d ～ r o x r o M ／2 r 0 M ；d 一离子间距；r o x ，r o M 一鲍林离子 半径。 F Z ／C N _ 2 5 离子键极性计算公式如式 6 所示 其中M 代 表金属，X 代表菲金属 ，式中V x 一非金属离子的 键力；F M 一金属离子的键力；A 一键力的比值，A 越 大，表示键的极性越大，所占的离子键成分越大。 A F x F M ／ F x F M 6 2计算结果 由以上各式计算出重晶石、天青石及石膏晶体 结构中M 一一0 2 一平均键长、静电价强度、库仑力、 离子键百分数、离子键极性、键合强度以及M 一一 0 2 一键的平均键价，结果如表1 所示。 表l三种硫酸盐矿物晶格中M 一一0 2 一键性质的计算结果 T a b l e1C a l c u l a t i o nr e s u l t so fM “ 一0 2 一b o n d so ft h r e es u l f a t em i n e r a l sc r y s t a ll a t t i c e s 3结论 M 一一0 2 一平均键长、静电价强度、离子键分 数、库仑力、离子键极性、键合强度以及平均键价的 计算结果之间具有很好的一致性，当结构中阳离子 半径较小时，M ”一0 2 一键长越短，离子键分数 对 金属离子而言 相应就较小，而离子之间的静电价强 参考文献 度和库仑力就越大，离子间的平均键价就越高，键合 强度越大，键强就越强，离子之间的化学键就越难以 断裂；反之亦然。 硫酸盐矿物晶体结构中化学键的性质决定了矿 物断裂面的位置及表面不饱和键力的强弱。对化学 键性质的计算为研究硫酸盐矿物可浮性与晶体结构 之间的关系提供了理论依据。 [ 1 ] 孙传尧，印万忠．硅酸盐矿物浮选原理[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 1 2 6 9 2 7 2 ． [ 2 ] 印万忠．硅酸盐矿物晶体化学特性与表面特性及可浮性关系的研究[ D ] ．沈阳东北大学，1 9 9 9 2 9 3 1 ． [ 3 ] 邵美成．鲍林规则与键价理论[ M ] ．北京高等教育出版社，1 9 9 3 7 6 8 2 ． [ 4 ] 李英堂，田淑艳，汪美凤．应用矿物学[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 5 6 1 7 7 ． 万方数据 1 0 6有色金属第6 0 卷 T h e o r e t i c a lC a l c u l a t i o no nC h e m i c a lB o n do fS o m eS u l f a t eM i n e r a l sC r y s t a lS t r u c t u r e ．L US h u o - s h i l ．- ，S U NC h u a n y a 0 2 ’ 1 ．S c h o o lo f R e s o u r c e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g1 1 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n go fC h i n a ，B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r K y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a 、 A b s t r a c t T h ec h e m i c a lb o n d so fc r y s t a ls t r u c t u r eo fs u l f a t em i n e r a l s ，i ．已．b a r i t e ，c e l e s t i t ea n dg y p s u ma r eT h e o r e t i ． c a l l yc a l c u l a t e d ．T h e r ei sac o n s i s t e n c yi nt h ea v e r a g eb o n dl e n g t h 。e l e c t r o s t a t i cv a l e n c es t r e n g t h ，c o u l o m bf o r c e ， e l e c t r o v a l e n tb o n dr a t ea n dp o l a r i t y ，b o n d i n gi n t e n s i t ya n da v e r a g eb o n dv a l e n c eo fM ” 一0 2 一b o n d ． K e y w o r d s p r o c e s s i n gm i n e r a l o g y ；s u l f a t em i n e r a l ；c h e m i c a lb o n d ；t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ；c r y s t a ls t r u c t u r e 上接第6 7 页，C o n t i n u e df r o mP ．6 7 A n t i - p e n e t r a t i o no fC h a m o t t eB r i c kf o rA l u m i n u mR e d u c t i o nC e l l L I US h i - y i n g ，S i l lZ h o n g - n i n g ，R E NB i - j u n ，lQ J uZ h u x i a n S c h o o lo fM a t e r i a l s M e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea n t i p e n e t r a t i o no fc h a m o t t eb r i c ka p p l i e dt oa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l si si n v e s t i g a t e db ys o a km e t h o d a n dc r u c i b l em e t h o d ．T h ec h a r n o t t eb r i c ku s e di ni n d u s t r i a lc e l l sa r ec h a r a c t e r i z e db vX R Di no r d e rf o rp h a s e a n a l y s i s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a s sl o s sr a t eo fr e f r a c t o r yb r i c ki s4 7 ．2 5 ％i nh i g hc r y l i t er a t i o C R e l e c t r o l y t em o l t e ns a l tf o r2 h ．A n dt h ei n s u l a t i n gb r i c ki sc o m p l e t e l yd i s s o l v e db ye l e c t r o l y t em o l t e ns a l tf o r 9 0 m i n ．T h ea n t i p e n e t r a t i o no fr e f r a c t o r yb r i c ki sb e t t e rt h a nt h a t o fi n s u l a t i n gb r i c k ．H o w e v e r ，t h e i ra n t i p e n e t r a t i o ni sb a df o re l e c t r o l y t e ．I ni n d u s t r i a lc e l l s ，c h a m o t t eb r i c kc o n t a i n e dal o to fN a Fa n di t sc o m p o s i t i o no f p o r z i t et u r n e di n t on e p h e l i n e ． ‘ K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；a l u m i n u m r e d u c t i o n c e U s ；a n t i p e n e t r a t i o n ；c h a m o t t eb r i c k ； e l e c t r o l y t e 万方数据