矿石学基础研究报告

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1、矿石学基础,课程性质,学科基础必修课(选矿专业) 1、矿物总论 2、矿物各论 3、矿石,绪 论,1、认识矿石的重要性：,矿石是选矿加工的对象。 选矿的任务：根据矿石中各种矿物的物理和化学性质上的差异，采用不同方法把有用矿物和脉石矿物分离，除掉有害杂质，把共生的有用矿物相互分离成单独的精矿。 因此，对矿石的正确认识和理解，是从事选矿研究首先必须解决的最重要问题之一。,2、矿石与矿物的关系：,矿石是由矿物组成的。矿石的加工分选，主要取决于其矿物的组成状况。 矿物岩石（矿石）地壳,3、矿石学基础,学科基础必修课，一门专业技术基础课。为后续的专业教学及学生毕业后的工作，提供加工原料方面的总体说明和知识

2、准备。,4、教材的编排,针对影响矿石分选性质的矿物特征展开的。,、能力的培养,1）理论方面： （1）通过本课程的学习，要求学生能正确判读和运用文献中与矿石有关的结构图、文字说明与论述； （2）对矿物从几何对称规律、晶体化学特征、结晶习性到各项物理性质都具有理性和感性两方面的坚实基础； （）、掌握矿物的肉眼鉴定方法，对常见矿物具有较强的识别能力； （）对岩石、矿石的基本概念，矿物、矿石、矿床之间的内在联系有一定程度的了解。,5、能力的培养：,2）技能方面： 掌握矿物的肉眼鉴定方法，对常见矿物具有较强的识别能力；,、本门课程的中心任务,本门课程的核心和实质是矿物，因此，对矿物的晶体结构、性质、成因

3、的研究和分析，是本门课程的中心任务。,、矿物的定义：,矿物是地壳中的化学元素在地质作用过程中形成的，具有相对稳定的化学成分和物理性质的自然产物。 1）存在形式：单质/化合物 2）成因分类：天然的矿物/人造的矿物/宇宙矿物 3）种类： 3000余种 4）存在状态：固态的/液态的/气态的/胶态的,、教材组成部分,第一部分：矿物通论 第二部分：矿物各论 第三部分：矿石, 矿 物 通 论,1 晶 体1.1 晶体及其基本性质,1 晶 体1.1 晶体及其基本性质1.1.1晶体概念,一、晶体 古代，无论中外都把具有规则多面体形态的水晶称为晶体 (插图1)，后来扩展为用晶体称呼那些天然就具有规则多面体形态的固

4、体。 显然，这种认识并不全面。例如石英，它既可以呈多面体形态的水晶存在，也可以呈不规则的颗粒而生成于岩石中。同样，一颗不规则的食盐颗粒在NaCl的过饱和溶液中，最后也能长成立方体外形的晶体。由此可见，仅仅从外表去分辨是否是晶体是极不恰当的。晶体的本质必须从它的内部去寻找。,1.1.1晶体概念,有关晶体本质的探讨持续了几个世纪，直到1912年劳埃首次应用X射线衍射技术测定了晶体内部结构，这才揭示了晶体的实质。通过对数以百万计的物质进行X射线衍射分析对比，发现一切晶体，不论其外形如何，它的内部质点(原子、离子或分子)都作规律排列 (插图2)。到此，可以给晶体下一个准确的定义了 。,1.1.1晶体概

5、念,晶体：是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。或晶体是具有格子构造的固体。,1.1.1晶体概念,结晶质：内部质点规律排列、具有格子构造的物质称为结晶质。 非晶体：内部质点不作规则排列，不具格子构造的物质，称为非晶质（体）。,1.1.1晶体概念,1.1.1晶体概念,非晶体的概念：广义上包括气体、液体和一部分固体物质，如玻璃、琥珀、松香、树脂、沥青、大部分塑料等。 从内部构造来看，非晶体中质点的分布很像液体。所以严格地讲，非晶体只能称之为呈凝固态的过冷却液体。 狭义的非晶体仅指固体。,1.1.1晶体概念, 晶体与其他物质存在状态的差别在于是否具有格子构造，而不是外在的形态和大小。晶体广泛分

6、布于自然界，例如土壤、日用陶瓷、金属制品，都是晶体；各类晶体形态复杂，大小悬殊，有的矿物晶体可重达百吨，有的则需要借助显微镜，甚至电子显微镜或x射线分析方能识别。前者称为显晶质，后者称为隐晶质。,1.1.1晶体概念, 晶体与非晶体之间是可以互相转化的。 晶体非晶体 称为非晶化或玻化 例如：晶体的放射性蜕变 非晶体晶体 称为晶化或脱玻化 例如：蛋白石转化为石英,准晶体,1984年人们在研究骤冷Al、Mn合金时，在其电子衍射图中发现了具有5次对称的斑点分布，1985年研究骤冷的Ni合金时，又发现了10次对称轴，其结构具有短程有序和长程有序，但不满足一般晶体的对称特点，因为晶体中不可能存在5次和高于

7、6次的对称轴。由此人们想到固体材料在晶态和非晶态之间还存在着一种过渡状态，这就是物质存在的第三态：准晶态。,准晶体,准晶体是物质的一种介稳态，具有晶体所没有的5次或高于六次的对称轴。,准晶体,当物质生成时，环境快速冷凝，就有可能产生一种固体结构形态。它是一种内部结构由多级呈自相似的配位多面体在三维空间作长程定向有序分布的固体。,准晶体,准晶体与非晶体的差别：组成质点在三维空间呈周期性重复排列 准晶体与晶体的差别：组成质点的结构单元不能平移重复（具有晶体所没有的5次或高于六次的对称轴。）,准晶体,准晶体中不存在晶胞，目前已知的准晶体都是微米级大小的人工合成物质，自然界尚未发现有它的存在。,1.1

8、.2晶体的基本性质,晶体的基本性质，是指一切晶体所共有的并据此与其他状态的物体相区别的性质。 晶体的各项基本性质，都是由其内部构造说决定的。,1.1.2.1自限性,指晶体在适当条件下可以自发地形成封闭的几何多面体的性质 (插图5)。 晶体外部形态的这一特征，是内部质点规则排列在外形上的直接反映。,1.1.2.2均一性,因为晶体具有格子构造，在同一晶体的各个部分，质点的分布是一样的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相同的，这就是晶体的均一性。,1.1.2.3异向性,指随着结晶方向不同物理、化学性质不同的现象(插图6)。原因是晶体结构中不同方向上的质点种类和排列方式不同。 例如：蓝晶石（

9、二硬石） 平行晶体延长方向，硬度4.0-4.5 垂直晶体延长方向，硬度6-7,1.1.2.4对称性,相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复，就是对称性。 对称性是晶体最重要的基本性质，是其内部质点周期性重复排列的本质体现。 格子构造本身就是质点重复规律的体现。,1.1.2.5最小内能与稳定性,最小内能：在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。因为晶体的内部质点是作有规律排列的，它使质点间的引力与斥力达到平衡，因此具有最小的内能。 稳定性：由于晶体具有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。这就是晶体的稳定性。只有在得到外来能量时，才能破坏其稳定性

10、。,1.1.2.6定熔性,晶体在受热溶解时，具有固定熔点的性质。 对比晶体和非晶质的加热曲线如下：(插图7.8)。,1.1.2.6定熔性,1.2晶体内部构造1.2.1结构基元、结点、点阵,1、结构基元 晶体内部质点在三维空间呈周期性重复排列。当一质点作周期性重复时，其周围与该质点不同的邻近质点也作同样的周期重复，它们共同组成了晶体结构中的一个重复单位，即结构基元。见7页图1-7,1.2.1结构基元、结点、点阵,结构基元能以平移的方式周期重复地出现在空间任一方向上。所有结构基元的化学组成相同，空间结构相同，排列取向相同，周围环境相同，。它可以是原子、离子、离子团或分子；质点数可以是一个，多个，甚

11、至上百个。,1.2.1结构基元、结点、点阵,1、自然元素晶体：结构基元比较简单 2、氧化物、硫化物：结构基元比较复杂 3、含氧盐类：最复杂,1.2.1结构基元、结点、点阵,2、结点（阵点） 为了描绘结构基元排列的周期性，通常是将每个结构基元抽象成一个相应的几何点，由它来反映结构基元在晶体中的周期重复方式。 如此抽象出来的几何点称作结点（阵点）。见7页图1-7,1.2.1结构基元、结点、点阵,3、点阵 由于晶体内部质点在三维空间周期重复排列，所以对应于每种晶体结构，都有一系列在三维空间周期排布的几何点，这些几何点的总称为点阵。 一维直线点阵 二维平面点阵 三维空间点阵 见8页图18 图19,12

12、2行列、面网、空间格子,1、行列：一个空间点阵，如果用同一方向的平行直线把直线阵点穿连起来，就构成了一个行列。 见9页图110；,122行列、面网、空间格子,任意两个结点就可决定一个行列。 结点间距：行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距。 在同一行列中结点间距是相等的，在平行的行列上结点间距也是相等的，不同方向的行列，其结点间距一般不等,122行列、面网、空间格子,2、面网：由两组不同方向的平行直线穿连起来的平面阵点，就构成了一个面网。见9页图111 面网密度 面网上单位面积内结点的密度称为面网密度 面网间距,122行列、面网、空间格子,3、空间格子： 连接分布在三维空间内的空间阵点就构

13、成了空间格子。 3个不在同一个面的适当行列就可以决定一个空间格子。 空间格子：表示晶体内部质点在三维空间周期性重复排列规律的几何图形。,122行列、面网、空间格子,阵点只是几何点，它不等于实在的质点；空间格子也只是一个几何图形，它不等于晶体内部含有实际质点的晶体结构。 如：氯化铯(CsCl)晶体结构和空间格子。 见10页图113,1.2.3.1单位平行六面体,空间格子可以划出的一个最小重复单位，就是单位平行六面体（插图11） 。 它由六个两两平行且相等的面组成。 空间格子就是由无数个相互平行叠置的平行六面体所组成。,1.2.3.1单位平行六面体,在一个晶体的空间点阵中，会有无穷多不同连接方向的

14、行列，所以同一空间点阵可以有无穷多种划分平行六面体的方式。为使选取的平行六面体，在表征晶体结构内部质点排列的周期性上，是惟一而单值的，它应该符合以下的原则要求：,1.2.3.1单位平行六面体,第一 所选平行六面体的对称性，应与所在空间点阵固有的最高点群和最高平移群相一致（因为当晶体结构简化为空间点阵时，结构基元中各类质点不同排列方式导致的对称性下降已被消除）； 第二 在满足第一条准则的基础上，所选平行六面体的三边要尽可能相交成直角（正交性）； 第三 在满足上述两条准则的基础上，所选平行六面体边长要尽可能短，体积要尽可能的小。,1.2.3.1单位平行六面体,按上述原则选定的平行六面体，即成为代表

15、点阵对称性的基本单元，在由它沿其3个边的方向反复平移构成的空间格子中，它是惟一具有充分代表性的最小单位，故而将其称为空间格子的单位平行六面体。,1.2.3.1单位平行六面体,单位平行六面体的大小和形状由其三根交棱的长短与相互间的夹角决定。如图12，a、b、c及、合称为格子常数或点阵参数。,1.2.3.1单位平行六面体,意义：反映并代表了晶体结构对称性的空间格子，即是由这样的平行六面体以共面的形式相互平行无间隙地叠置而成。,1.2.3.2 14种布拉维格子,1、结点分布 根据结点在平行六面体上的分布，平行六面体有四种基本类型： 见12页图1-16 原始格子（P） 结点分布于平行六面体的角顶 。见

16、12页图1-12 底心格子 结点分布于平行六面体的角顶及某一对面的中心。 体心格子(I) 结点分布于平行六面体的角顶和体中心。 面心格子(F) 结点分布于平行六面体的角顶及每个面的中心。,1.2.3.2 14种布拉维格子,1.2.3.1 14种布拉维格子,2对称特点 根据平行六面体的对称特点不同，可将其分为7种类型，与晶体分类的7个晶系相对应。见11页图1-15。 各晶系的格子常数特点如下：,1.2.3.1 14种布拉维格子,立方格子 等轴晶系 a=b=c；=90 四方格子 四方晶系 a=bc；=90 菱面体格子 三方晶系 a=b=c；=90 六方格子 六方晶系 a=bc；=90,=120 斜方格子 斜方晶系 abc；=90 单斜格子 单斜晶系 abc；90，90 三斜格子 三斜晶系 abc；90,1.2.3.1 14种布拉维格子,考虑到单位平行六面体的7种形状，又考虑到结点分布的4种类型，应该有28种不同类型的格子，但去掉重复的和不符合原则的，只有14种格子，即14种布拉维格子 见页表 它是由布拉维1848年用数学方法推导出的，并被以后的X射线分析所证实。,1