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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
外觀
不透明結晶固體
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。在內生作用、外生作用和變質作用中都可形成，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作用，在礦床、泥頁巖以及海灣盆地等地質中都有出現(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。以及產自于海灣盆地地質的黃鐵礦，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，侵入巖內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”轉變的物質演化過程。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)結構類型，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)、結構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產出的層控銅(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和分層模式。
黃鐵礦的晶體結構
結構式
結構式
晶體結構
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、顆粒狀和結核狀聚集在一起形成的結合體，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，晶體結構與島狀NaCl的結構相似，晶體結構如下圖所示：
晶體結構
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構中交錯配置，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)。
配位體結構
配位體間相互關系如下圖所示：
配位體間相互關系
在黃鐵礦晶體結構中，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。
黃鐵礦結構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，結構更為疏松。
理化性質
物理性質
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），鐵的質量百分含量為46.549 %，硫的質量百分含量為53.451 %。黃鐵礦中可能含有雜質或微量元素鈦（Ti）、釩（V）、鎘（Cr）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）和金（Au）。黃鐵礦具有半導體性質，其中的缺陷和雜質會影響其反應性、電子性質和表面化學性質，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
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?)?的副產物生成；700 ℃ 煅燒時，單斜磁黃鐵礦已經(jīng)在產物中消失,黃鐵礦分解產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，使氧化反應產物進一步發(fā)生氧化，生成Fe?(SO?)?，該產物對黃鐵礦產生侵蝕，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，磨礦后的產品進行篩分得到粒級礦物。將篩分產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，調漿后加入pH調整劑調節(jié)pH，調節(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)、結構與化學成分等特征。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
建筑生產原料
黃鐵礦作為建筑行業(yè)原料生產制備可用于包括：磚生產中作為著色材料、油漆生產中作為顏料以及水泥生產中作為添加劑。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?？赡鍺a/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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