书城科普读物探究式科普丛书-大自然的礼物:岩石和矿物质
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第8章 矿物与矿石的对话——探索篇(3)

在砂矿中亦有产出。大量富集时,用作提炼稀土元素的矿物原料。

(4)风化壳淋积型稀土矿积型稀土矿,即离子吸附型稀土矿,是我国特有的新型稀土矿物。所谓“离子吸附”系稀土元素,不以化合物的形式存在,而是呈离子状态吸附于黏土矿物中。这些稀土易为强电解质交换而转入溶液,不需要破碎、选矿等工艺过程,而是直接浸取,即可获得混合稀土氧化物。这类矿的特点是:重稀土元素含量高,经济含量大,品位低,覆盖面大,多在丘陵地带,适于手工和半机械化开采,开采和浸取工艺简单。

(5)风化壳淋积型稀土矿,主要分布在我国江西、广东、湖南、广西等省区。

2.稀土矿物的用途

(1)稀土球墨铸铁:混合稀土金属,以稀土硅铁合金或硅镁钛合金的形式,加入铁中促进石墨的球化,从而提高铸铁的可锻强度。

产品称球墨铸铁。

(2)打火石:混合稀土金属,还用于制造打火石,这是用75%的混合稀土金属和25%的铁制成的一种合金。

(3)用于有色金属合金中:稀土金属有色金属合金中,也获得了广泛应用。例如有一种稀土镁合金,可用于制造喷气式发动机的传动装置、直升飞机的变速箱、飞机的着陆轮和座舱罩。在镁合金中,添加稀土金属的优点,是可提高其高温抗蠕变性,改善铸造性能和室温可焊性。有一种铝锆钇合金用作电线,其特点是输出功率高、耐热、耐振动和耐腐蚀。

(4)永磁材料:有一种永磁材料——钕铁永磁合金,其磁能积达300千焦/立方米。研究发现,把硼添加到钕铁永磁合金中,可提高其磁能积和抗退磁的能力。这些性能优良的永磁材料,可用于飞机及宇宙航行器的仪表、精密仪器、微型电机等。

(5)石油裂化催化剂等:稀土分子筛裂化催化剂,是用于石油裂化工艺中性能优良的催化剂。

(6)稀土有净化环境的功能:汽车尾气净化催化剂,是稀土应用量最大的项目之一。电子信息产业的发展,给稀土在高新技术领域应用带来高潮。由于稀土元素具有特殊的电子层结构,可以将吸收到的能量转换为光的形式发出。利用这一特性制成的稀土荧光材料,可用于计算机显示器及各种显示屏和荧光灯。以彩电为代表的家电产品,广泛应用了稀土的荧光、抛光、永磁、功能陶瓷、玻璃添加剂等多种功能材料,带动了20世纪80年代稀土的开发与应用;90年代以来,以计算机为代表的电子信息产品飞速发展,这些产品除用于上述稀土材料外,还有稀土贮氢、磁光、超磁致伸缩等功能材料,直接拉动了世界稀土生产的增长。

第七节耐热材料的缔造者——钴矿

钴是具有钢灰色和金属光泽的硬质金属,它是一种高熔点和稳定性良好的磁性硬金属。它是制造耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料,广泛用于航空、航天、电器、机械制造、化学和陶瓷工业。因此,钴是一种重要的战略物资。

目前,自然界中已发现的钴矿物和含钴矿物共百余种,分属于单质、碳化物、氮化物、磷化物和硅磷化物、砷化物和硫砷化物、锑化物和硫锑化物、碲化物和硒碲化物、硫化物、硒化物、氧化物、氢氧化物和含水氧化物氢氧化物、砷酸盐、碳酸盐以及硅酸盐等14大类。其中,以硫化物、砷化物和硫砷化物最多。

钴的物理、化学性质,决定了它是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料。

钴矿物的应用有着悠久的历史,公元前埃及人就曾使用钴蓝作为陶瓷制品的着色剂,我国从唐朝起,也在陶瓷生产中,广泛应用钴的化合物作为着色剂。

1735年,瑞典化学家布兰特首次分离出钴,1780年伯格曼将钴定为一种元素。

德国和挪威最早生产了少量的钴,1874年开发了新喀里多尼亚的氧化钴矿。1903年,加拿大安大略北部的银钴矿和砷钴矿开始生产,使钴的世界产量由1904年的16吨猛增至1909年的1553吨。1920年扎伊尔加丹加省的铜钴矿带开发后,钴产量一直居世界首位,摩洛哥用砷钴矿生产钴,这段时期以火法生产钴为主。此后,第二次世界大战前夕,芬兰从含钴黄铁矿烧渣中提钴,战后送至西德氯化焙烧处理,直到1968年才建立起科科拉钴厂。日本、法国、比利时有规模较大的钴精炼厂,分别处理菲律宾、澳大利亚、摩洛哥、赞比亚的富钴中间产物。这种钴资源国的粗炼和用钴的发达工业国的精炼的钴冶金格局,至今仍占主要地位。近年来,钴资源丰富国家,也相应建立了规模较大的完整的钴冶金工厂。现在,各种湿法冶金,已成为提取钴的主要方法。

第八节我国罕有的矿物——铬矿

中国铬矿资源比较贫乏,按可满足需求的程度看,属短缺资源。

总保有储量矿石有1078万吨,其中富矿占53.6%。铬矿产地有56处,分布于西藏、新疆、内蒙古、甘肃等13个省(自治区),以西藏为最主,保有储量约占全国的一半。中国铬矿床是典型的与超基性岩有关的岩浆型矿床,绝大多数属蛇绿岩型,矿床赋存于蛇绿岩带中。

西藏罗布莎铬矿和新疆萨尔托海铬矿等,皆属此类。从成矿时代来看,中国铬矿形成时代,以中生代、新生代为主。

在冶金工业上,铬铁矿主要用来生产铬铁合金和金属铬。铬铁合金作为钢的添加料,生产多种高强度、抗腐蚀、耐磨、耐高温、耐氧化的特种钢,如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、滚珠轴承钢、弹簧钢、工具钢等。金属铬主要用于与钴、镍、钨等元素冶炼特种合金。

这些特种钢和特种合金,是航空、宇航、汽车、造船,以及国防工业生产枪炮、导弹、火箭、舰艇等不可缺少的材料。

在耐火材料上,铬铁矿用来制造铬砖、铬镁砖和其他特殊耐火材料。

在化学工业上,铬铁矿主要用来生产重铬酸钠,进而制取其他铬化合物,用于颜料、纺织、电镀、制革等工业。此外,还可用来制作催化剂和触媒剂等。

铬铁矿是中国的短缺矿种,储量少,产量低,每年消费量80%以上,依靠进口。铬具有亲氧性和亲铁性,以亲氧性较强,只有在还原和硫的逸度较高的情况下,才显示亲硫性。

在自然界中,目前已发现的含铬矿物约有50余种,分别属于氧化物类、铬酸盐类和硅酸盐类。此外还有少数氢氧化物、碘酸盐、氮化物和硫化物。其中氮化铬和硫化铬矿物,只见于陨石中。

第九节铅的主要来源——方铅矿

方铅矿是提炼铅的重要矿石矿物,是分布最广的铅矿物。方铅矿是一种灰色的硫化铅,中国早在商代前,就从方铅矿中提炼铅。

方铅矿呈立方体形状,很多这样的立方体晶体聚在一起,形成粒状或块状,它们具有金属光泽。方铅矿中常常还含有银,因此也被用来作为提炼银的资源。方铅矿被风化后,就变成白铅矿和铅矾。中国云南、广东、青海的几个地方的铅锌矿,出产方铅矿(方铅矿总是跟闪锌矿生在一起),在一些煤矿中,有时也会发现它们。

方铅矿可能是人类最早开采的矿石之一。古埃及古王国时期,人们就开始使用方铅矿作为化妆品。巴比伦人就已经开始冶炼了。在古罗马,方铅矿也非常重要。现如今,方铅矿的学术名称就是罗马人留下来的。在无线电技术早期,人们使用方铅矿作为整流器,今天人们使用二极管来整流。

方铅矿中常含银,中国自古就能从含银方铅矿中提炼银。方铅矿,具有氯化钠型晶体结构(见石盐),呈铅灰色﹐强金属光泽﹐摩斯硬度2.5﹐比重达7.5﹐具完全的立方体解理。晶体呈立方体﹐有时为八面体与立方体的聚形﹔集合体,常成粒状和致密块状。主要是热液成因的矿物﹐几乎总是与闪锌矿共生。方铅矿在地表,易风化成铅矾和白铅矿。中国铅锌矿的产地,以云南金顶﹑广东凡口﹑青海锡铁山等地最着名。最大产地。是美国的新密苏里﹐仅铅的储量就达3000万吨。此外,英国的康沃尔﹑德国的弗赖贝格﹑澳大利亚的布罗肯希尔等也很着名。

方铅矿是提取铅的主要矿物。铅的用途,既古老又广泛,如铅字印刷、铅皮包电缆、钢板镀铅锡合金、国防、科技、铅笔芯等。

古希腊的航海家,用铅漆清除附生在船底的藤壶等生物。实际上,铅具有很好的耐腐蚀特性,船涂了铅漆,就像穿了一层铠甲,神奇地排除了藻类的蚕食,保护着船底破浪前进。铅是制作兵器材料必不可少的原料。铅可以做屏蔽放射性核辐射的材料,在动力机械方面,铅可以做蓄电池、电极板等。

然而,值得注意的,是铅对人类的生活、生产也有不利的一面。

据研究,古罗马帝国国王不是亡于女色,而是亡于铅中毒。他们在生活中使用的一些器皿,就是铅制品。微量元素分析测试数据表明,过量的铅尘和大量的铅化物的废尘,对人体的健康有害。饮水中每升含量超过0.1毫克,则会造成腹胀、便秘、乏力。汽车和工厂排出的废气,含有四烷基铅,能使小麦的产量降低15%。在提供冶炼的铁矿石中,如铅超过了允许含量要求,炉衬将被损坏,炉的寿命缩短。

药用铅,是由方铅矿提炼出来的,别名黑锡、黑铅。有镇逆、坠痰、杀虫、解毒的功效。黑锡丸便是其成药制剂。

第十节常见的锰矿石——软锰矿

软锰矿的主要成分是二氧化锰,是一种常见的锰矿物。

软锰矿含锰为63.19%,是重要的锰矿石。软锰矿非常软,还不及人的指甲硬。它的颜色为浅灰到黑,具有金属光泽。如果用手去摸,它会像煤一样弄黑你的手。

软锰矿一般为块状或肾状或土状,有时具有放射纤维状形态。有趣的是,有些软锰矿还呈现出一种树枝状附于岩石面上,人称假化石。软锰矿是其他锰矿石变成的。此外,在沼泽、湖海等形成的沉积物中,也可以形成软锰矿。

二氧化锰是两性氧化物。它是一种在常温下非常稳定的黑色粉末状固体,可作为干电池的去极化剂。二氧化锰在酸碱介质中是一种强氧化剂。与浓硫酸反应,其中有氧气生成;与浓盐酸反应,有氯气生成。二氧化锰与熔融苛性钾,在空气中反应,生成锰酸钾。

二氧化锰。用于干电池、玻璃和陶瓷的着色剂、制锰等。黑色斜方晶体是天然存在的二氧化锰,是软锰矿。它是强氧化剂,不能与有机物或其他还原性物质如硫、硫化物、磷化物等一起加热或摩擦。

二氧化锰可用于制造干电池和涂料;在搪瓷、玻璃釉、陶瓷等方面。

做黑色或紫色颜料;在橡胶工业中。用作催化剂;加在含铁玻璃中,可去掉绿色;还可制成锰化合物。

二氧化锰是一种重要的无机盐工业产品,是黑色或灰黑色晶体或无定形粉末。不溶于水,高温下可与碳反应,生成金属锰。二氧化锰是两性物质,具有良好的吸附性能和较强的氧化能力。

第十一节重要的化工原料——磷矿石

磷是重要的化工原料,也是农作物生长的必要元素。工业用磷必须大量从磷矿中提取,用于制造黄磷、赤磷、磷酸、磷肥、磷酸盐。

磷矿石多产于沉积岩,也有产于变质岩和火成岩的。除个别情况外,矿物中的磷总是以正磷酸盐形态存在,磷的主要矿物为磷灰石。

磷的物理性质:游离态磷有白磷、红磷和黑磷三种同素异型体。

白磷:白色蜡状,因常带有黄色,又叫黄磷,难溶于水,易溶于非极性溶剂如CS2,有剧毒(0.01克至0.06克致命),着火点为40℃,所以少量的白磷宜保存于冷水之中;红磷:复杂的大分子,结构尚未完全清楚,但已知其结构中有磷原子构成的环和链,棕红色粉末,基本无毒,常压下加热,则升华为磷蒸汽,遇冷凝结为白磷,难溶于水和二硫化碳等。

黑磷:黑色有金属光泽的晶体,它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而成的,使用价值不大。