淺談白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦的電子結構及其可浮性

王曉偉（太原工業學院理學系，山西太原，030008）

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淺談白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦的電子結構及其可浮性

王曉偉
（太原工業學院理學系，山西太原，030008）

摘要：本文主要是運用第一性原理對白鐵礦、黃礦鐵和磁黃鐵礦的電子結構進行計算，并分析這三種硫鐵礦的電子結構的差異所造成的可浮性差異。而研究結論表明：白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦分別為間接帶隙半導體、自帶隙半導體和道導體。而通過態密度研究也表明，白鐵礦與黃鐵礦屬于低自旋態，磁黃鐵礦屬于自旋一極化態。

關鍵詞：第一性原理；電子結構；可浮性

0　前言

白鐵礦是一種鐵的硫化物礦物。白鐵礦常常呈現出束狀或者雞冠狀，所以它還被稱為矛狀黃鐵礦或者雞冠狀黃鐵礦。其實有些白鐵礦也呈瘤狀或放射狀等樣子。 白鐵礦在全球范圍分布廣泛，英國、美國、德國等都是它的主要產地。白鐵礦比重是4.85-4.9g/cm3，硬度為6-6.5，屬于斜方雙錐晶類。它的主要化學成分是鐵和硫這兩種化學元素。白鐵礦的物理性質呈現暗灰綠色或者是淡黃銅色，淺綠色調或者微帶淺灰痕，不透明，具有金屬光澤，固體，不溶于水。

黃鐵礦（FeS2）由于它具有明亮的金屬光澤且顯淺黃銅色，常常被人們誤以為是黃金，所以黃鐵礦又被稱為“愚人金”。成分中通常含硒、鈷和鎳，與氯化鈉晶體結構一致。成分相同而屬于正交（斜方）晶系的稱作白鐵礦。其成分中還存在微量的鎳、銅、鈷、金、硒等微量元素，如果發現這些微量元素相對含量較高時，可以考慮在提取硫的過程中進行綜合回收利用。黃鐵礦是自然界中最常見的硫化礦物之一，其半導體性能良好，其分布范圍很廣，而且儲量很大，所以相對而言價格較為低廉，因而對天然黃鐵礦的研究應用也相對較多且逐年增加，如使用天然的黃鐵礦來除去廢水中的鉻，黃鐵礦可以表現出很強的還原性。

磁黃鐵礦是磁黃鐵礦家族當中的一種鐵的硫化礦物，磁黃鐵礦的組成成分中含有硫達40%，所以常用來制作硫酸。而有時磁黃鐵礦中的鎳含量很高時，就可以用磁黃鐵礦來提煉鎳。磁黃鐵礦的物理性質是具有金屬般的光澤，暗青銅黃色帶紅，不透明。磁黃鐵礦分布于許多類型的礦床之中。它與黃銅礦和鎳黃鐵礦共生。而在銅鎳硫化物的礦床中（在基性巖體內存在），它是主要的礦物組成成份。在接觸交代礦床中，有時它會形成大量的聚集，與黃鐵礦和黃銅礦等共生。另外，在一系列的熱液礦床中，它都有較為廣泛的分布。然而在氧化帶中，它卻是極容易分解且最終轉化為褐鐵礦。

1　白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦的電子結構

為了應用于工業實踐，研究白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦這三種硫鐵礦的可浮性，我們先需要對這三種硫鐵礦的電子結構進行研究和學習。下面，我們運用不同的函數計算出了三種硫鐵礦的相關晶體常數，并對三種硫鐵礦不同交換關聯函數的優化結果進行比對（如下表1）。

通過表1的研究數據表明，白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦這三種硫鐵礦的電子結構中，白鐵礦和黃鐵礦屬于低自旋態的窄能隙半導體，而磁黃鐵礦的導帶相交和價帶，屬于自旋極化態，具有較良好的金屬導電性。然而，費米能級附近鐵原子3D軌道上的電子活躍度最強的是黃鐵礦，其次是白鐵礦，磁黃鐵礦中的電子活躍度貢獻最小。白鐵礦和黃鐵礦中的鐵原子帶著負電，硫原子帶著正電，而磁黃鐵礦的鐵原子卻是帶著正電，反而硫原子帶著負電。白鐵礦和黃鐵礦晶體內部鐵與硫化學鍵之間是以共價性為主，且具有相近的共價性，而黃鐵礦中硫與硫的化學鍵之間的共價性較白鐵礦更強。但是，磁黃鐵礦晶體內部鐵原子之間還存在有鐵原子之間的化學鍵，使之呈現出離子性，相對而言，其化學穩定性就會下降。接下來我們再通過運用第一性原理的方法對這三種硫鐵礦的能帶結構、電子態密度以及相關的原子軌道分布等方面進行試驗研究。試驗之后同樣也得到如下結論：白鐵礦與黃鐵礦內部的鐵原子帶著負電，硫原子帶著正電，而磁黃鐵礦中的鐵原子和硫原子的帶電情況剛好與前面二者相反。然而，由于磁黃鐵礦內部的鐵原子之間的化學鍵離子性較強，導致磁黃鐵礦在進行浮選時，其表現出來的疏水性較弱。而白鐵礦與黃鐵礦因為其共價性較好，所有表現出較強的疏水性。

2　白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦的可浮性研究

下面我們利用單礦物浮選的試驗，從白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦的粒級來考量它們在天然可浮性方面的差異，試驗過程中，我們設定白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦三者分別在硫酸、碳酸銨和JL-02等任何活化劑的情況下，并通過調節礦漿酸堿度和使用不同的捕收劑的情況下來考察三者的浮選效果差異；另外，我們還通過對白鐵礦、黃鐵礦以及磁黃鐵礦經人工混合模擬實際礦石試驗，來考量白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦三者在磁性強度方面的差異。試驗結果得出的結論為:具有不同電子結構的鐵礦石其天然可浮性方面是有著明顯的差異的，其可浮性的順序是：白鐵礦的可浮性＞黃鐵礦的可浮性＞磁黃鐵礦的可浮性。而在進行活化劑篩選方面，我們也發現：使用JL-02活化劑和Q-319捕收劑對白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦的這三種晶體電子結構的硫鐵礦的浮選效果相比于其它的藥劑會更好。正如上文所講到的，白鐵礦和黃鐵礦是二者是屬于低自旋狀態，而磁黃鐵礦則屬于自旋極化態。在浮選過程中，與黃鐵礦和白鐵礦相比磁黃鐵礦更加容易與具有磁性類的物質發生氧化反應，所以磁黃鐵礦的可浮性會相對更低一些。

3　結束語

綜上關于白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦以上這三種硫鐵礦的關系可以從四個方面進行比較。從能帶結構上分析比較，可以得到白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦這三種硫鐵礦的能帶結構：白鐵礦、黃鐵礦與磁黃鐵礦分別為間接帶隙半導體、帶隙型半導體和導體；而從態密度方面分析比較，可以知道白鐵礦與黃鐵礦都是屬于低自旋狀態，而磁黃鐵礦屬于自旋極化態；再通過對白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦的氧化難易程度進行分析比較可知：這三種硫鐵礦最容易被氧化的是磁黃鐵礦，其次是黃鐵礦，而最難被氧化的就是白鐵礦；最后可以運用前線軌道理論對白鐵礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦進行分析比較，可以得到這三種硫鐵礦的可浮性最大的為白鐵礦，其次是黃鐵礦，可浮性最小的是磁黃鐵礦。

參考文獻

［1］洪秋陽，湯玉和，王毓華，梁冬云，喻蓮香.磁黃鐵礦結構性質與可浮性差異研究［J］.金屬礦山.2011（01）

［2］邱顯揚，馬先峰，何曉娟，羅傳勝.磁黃鐵礦與黃銅礦浮選分離研究進展［J］.礦業工程.2011（06）

On the electronic structure and its characteristics of the electronic structure of the white iron ore， pyrite and magnetic pyrite

Wang Xiaowei
（Department of science， Taiyuan Institute of Technology Taiyuan City，Shanxi Province，030008）

Abstract：This paper is mainly using first principles of white iron ore，yellow ore iron and pyrrhotite electronic structure calculation，and analysis caused by differences in the electronic structure of these three kinds of pyrite flotability differences.The research results show that:the white iron ore，pyrite and magnetic pyrite are indirect band gap semiconductor，self - gap semiconductor and conductor.And the study of the density of states shows that the white iron ore and pyrite belong to the low spin state，and the magnetic pyrite is a spin polarized state.

Keywords：first principles；electronic structure；floating