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黄铁矿
黄铁矿，天然的硫化物矿物。
黄铁矿外观图
黄铁矿（Pyrite），主要成分为FeS₂，是一种具有明亮金属光泽的晶体，因其明亮的色泽常被误认为是其他黄色金属矿物，如黄铜矿或金，因此也被称“愚人金”。黄铁矿于地壳中分布广泛，是内生金矿床主要的载金矿物，具有较高的硬度，会发生热分解、蚀变和风化等反应。黄铁矿的应用领域十分广泛，可用于找矿预测、晶体检波器、废水处理、半导体、光伏材料、建筑生产原料、电池、医药领域以及硫酸制备等。
基本信息
中文名
黄铁矿
英文名
Pyrite / Iron disulfide
别名
愚人金
拼音
huáng tiě kuàng
CAS编号
12068-85-8
化学式
FeS₂
物理性质
外观
不透明结晶固体
密度
4.8-5 g/cm³
水溶性
不溶于水
摩氏硬度
6-6.5
形成及分布情况
黄铁矿是地壳中分布最广的硫化物，常见于岩浆岩、沉积岩和变质岩的副矿物中，沉积物中黄铁矿的形成是全球铁、硫、大气氧和碳循环中的一个重要的过程。在内生作用、外生作用和变质作用中都可形成，黄铁矿在氧化带不稳定，可形成针铁矿、纤铁矿等为主的铁帽。
中国黄铁矿的分布
中国黄铁矿的探明资源储量居世界前列，例如新疆、广东、湖南和云南等地都有黄铁矿资源存在。黄铁矿作为地壳中分布广泛的硫化铁矿物，可形成于不同的地质作用，在矿床、泥页岩以及海湾盆地等地质中都有出现。黄铁矿矿床资源，例如彩华沟黄铁矿床和粤西大降坪黄铁矿矿床等；源于泥页岩的黄铁矿资源，例如鄂尔多斯盆地等。以及产自于海湾盆地地质的黄铁矿，其主要集中于渤海海域。
黄铁矿于矿床中会以共生矿的形式存在，例如黄铁矿与钙长石和铁白云石的共生组合。卧龙湖煤矿位于中国安徽省淮北市临涣矿区内，侵入岩内的黄铁矿多于钙长石和铁白云石共生，其集中分布于二者比邻区域。岩-煤蚀变带存在由“钙长石-铁白云石-黄铁矿”向“铁白云石+黄铁矿”转变的物质演化过程。该过程起源于侵入岩体，在蚀变带最为发育，蚀变煤中仍存影响。
黄铁矿于矿床中还会以伴生矿的形式存在。中国豫西陆院沟蚀变岩型金矿床中，黄铁矿是主要载金矿物，其主成矿期载金黄铁矿存在原生、改造、增生、新生以及多型叠加等多种形态结构类型，这种单期黄铁矿显示复杂成矿过程的现象指示黄铁矿的形态、结构和化学组成可能蕴涵着复杂成矿过程的痕迹。新桥硫铁矿床是中国长江中下游成矿带内产出的层控铜(金)多金属矿床，形成的主要矿石矿物为黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿和银金矿等。金在黄铁矿中的赋存状态为显微金，显微金大部分属细粒金，会以包体金（金矿物呈浑圆粒状、麦粒状等包裹于黄铁矿中）、裂隙金（金矿物呈针线状等充填于黄铜矿裂隙中）和晶隙金（金矿物呈粒状或不规则粒状充填于黄铜矿与黄铁矿颗粒间）的形式伴生。
全球黄铁矿分布
全球黄铁矿的自然资源丰富，中国、西班牙、丹麦、斯洛伐克、美国以及捷克等地均有黄铁矿矿床资源。例如，位于丹麦盆地中部的日德兰半岛兰讷斯（Jylland Randers）附近的的达尔比（Dalbyover）。该地区的矿床为白垩岩，受到生物扰动，多样的海底生物使白垩泥灰和软泥沉在海底留下了复杂的遗迹组构和分层模式。
黄铁矿的晶体结构
结构式
结构式
晶体结构
黄铁矿的晶体形式为立方体、八面体，五角十二面体，表面布满条纹，大部分为密块状、颗粒状和结核状聚集在一起形成的结合体，其晶形特征可在一定程度上反映外界环境物理化学条件。黄铁矿属于等轴晶系，晶体结构与岛状NaCl的结构相似，晶体结构如下图所示：
晶体结构
铁离子占据在角顶和面心，哑铃状对硫离子分布在相当于八分之一立方体的对角线方向。对硫S-S间距为0.210nm，相应使阳离子与对硫距离缩短。由于哑铃状对硫离子的伸长方向在结构中交错配置，使各方向键力相近，黄铁矿解理极不完全，硬度增大。Fe与S之间形成的界面通常为不稳定的极性截面，具有很强的表面活性，在天然形成过程中，黄铁矿表面与介质中的离子或分子发生反应以形成孤立的表面，最终达到稳定状态。
配位体结构
配位体间相互关系如下图所示：
配位体间相互关系
在黄铁矿晶体结构中，一个阳离子与六个阴离子配位络合形成等长的Fe-S键（间距约2.26 Å），构成了配位八面体。在一个配位体中，相对的两个S离子与中心Fe离子在同一条直线上，但由于八面体边棱上的S离子与中心Fe离子的夹角偏离了理想值，因此配位体并非正八面体，这与d轨道电子云之间相互排斥有关。八面体之间由S离子共顶角相连，每个S离子连接3个以Fe离子为中心的配位八面体。黄铁矿中Fe-Fe之间不存在键的相互作用，配位体之间键的作用仅存于对硫S-S之间。
黄铁矿结构中空隙的大小主要受共角顶配位体间的开合程度影响，配位体间由S离子共角顶相互连接，其开合程度可用共角顶的S离子与配位体中心Fe离子之间的键角表示，即Fe-S-Fe键角，相关关系为Fe-S-Fe键角越大，2个配位体间开合程度大，空隙大，结构更为疏松。
理化性质
物理性质
黄铁矿的表面一般呈铜黄色、黄褐色、褐色等，在某些表面或截面上可能存在线条，称为条纹。条纹常为绿黑色，晶面上最常见的条纹为平行的{100}和{210}的聚形纹，两相邻晶面上的条纹相互垂直。黄铁矿的莫氏硬度为6-6.5，元素组成为铁（Fe）和硫（S），铁的质量百分含量为46.549 %，硫的质量百分含量为53.451 %。黄铁矿中可能含有杂质或微量元素钛（Ti）、钒（V）、镉（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）和金（Au）。黄铁矿具有半导体性质，其中的缺陷和杂质会影响其反应性、电子性质和表面化学性质，其能隙为0.95 eV。此外，黄铁矿具有较高的光吸收系数（$$a=5*10^5 cm^{-1}$$; λ＜750 nm），使其具有可能性应用于光电材料和电池材料领域。
化学性质
热分解
黄铁矿在500 ℃条件下进行煅烧，开始出现磁黄铁矿。
反应方程式：
继续升温至550 ℃煅烧时，生成六方磁黄铁矿；600 ℃煅烧时，生成物为单斜磁黄铁矿及六方磁黄铁矿；当温度升高至650 ℃时，有FeSO₄和Fe₂(SO₄)₃的副产物生成；700 ℃ 煅烧时，单斜磁黄铁矿已经在产物中消失,黄铁矿分解产物全部为六方磁黄铁矿；当煅烧温度大于800 ℃时，磁黄铁矿发生缓慢连续地脱硫分解。黄铁矿的氧化反应与反应气氛、升温速率、煅烧时间以及黄铁矿粒度有关。
氧化蚀变
反应条件：由于黄铁矿常以松散矿石的形式存在，因此空隙间存在足够的水以及氧气，则会发生氧化生成FeSO₄，又由于有细菌的存在，使氧化反应产物进一步发生氧化，生成Fe₂(SO₄)₃，该产物对黄铁矿产生侵蚀，发生蚀变。
反应方程式：
风化
反应机理：在地表和近地表环境中，黄铁矿、水以及氧气之间的相互作用使黄铁矿逐渐发生表面氧化，即黄铁矿的风化。黄铁矿的风化有三个阶段：
（1）初始反应阶段
反应方程式：
（2）近中性环境反应阶段
反应过程：吸附在黄铁矿表面的Fe²⁺与氧发生电荷传递，氧化为Fe³⁺，同时，由于该反应无法长时间持续，Fe³⁺吸附于黄铁矿表面并获得电荷被还原为Fe²⁺。
反应方程式：
（3）酸性环境反应阶段
反应过程：该阶段阳极发生黄铁矿氧化，阴极发生Fe³⁺还原，该阶段反应导致矿体水不断酸化，最终使地质受到严重破坏。
反应机理：阴-阳极电化学反应。
黄铁矿的区分以及选矿方法
与其他矿物的区分
颜色和条痕：自然金的外表颜色为金黄色，条痕的颜色更是金光灿烂；自然铜的外表的颜色是铜红色，条痕也是铜红色，但没有自然金那样深而亮的金黄色；黄铜矿的外表是铜黄色，比自然铜浅淡，而它的条痕却是黑色或黑绿色；黄铁矿的外表颜色和条痕色泽与黄铜矿差不多，但比黄铜矿浅淡。
比重：自然金的比重是约为19；自然铜约为9；黄铜矿约为4；黄铁矿约为5 。
硬度：自然金的硬度为2.5～ 3；自然铜为3；黄铜矿约为4，用小刀（硬度相当于5.5）容易划得动，黄铁矿的硬度约为6.5，比其它三种矿物大得多，一般小刀划不动，容易区别。
常是四方形或五角十二面体，正方形晶面上的晶纹互相垂直。
其它特征：黄铜矿和黄铁矿都比较脆，用铁锤轻砸就碎，而自然铜特别是自然金极富延展性，不易砸碎，只能砸扁拉长。
选矿方法
黄铁矿常用的选矿方法为浮选法和磁选法。
浮选法即将黄铁矿样品粉碎，再由瓷球磨干磨，磨矿后的产品进行筛分得到粒级矿物。将筛分产物进行超声波清洗后过滤，倒去上层悬浮液再用去离子水反复冲洗。将清洗后的矿物加入浮选槽中，调浆后加入pH调整剂调节pH，调节好浮选机参数，依次加入浮选药剂进行浮选，该方法适用于区分黄铁矿与磁黄铁矿。。
制备方法
黄铁矿除了自然产生外，也可进行人工合成，常用的合成方法为水热法（FeSO₄、Na₂S₂O₃和S为原料）、溶剂热法（FeSO₄、硫脲和S为原料）和化学气相沉积法（CH₃CSNH₂和FeCl₃为原料）等。
应用领域
装饰品
找矿预测
黄铁矿的标型特征，如硫同位素和微量元素分布等，是页岩沉积环境的关键指标。。黄铁矿热电性标型找矿法是一种成熟、高效的金矿床及少数铜矿床的找矿方法，黄铁矿的热电性特征：E值、补偿热电动势、热电系数等，对矿床勘查具有重要意义。
黄铁矿是内生金矿床主要的载金矿物，其中金的占有率高达85 %，往往由于黄铁矿形成时温度、压力和氧化还原电位条件的差异而表现出不同形貌、晶体形态、结构与化学成分等特征。故考究黄铁矿的形成以及矿床综合评价等矿物学依据可以通过研究黄铁矿的标型特征来进行分析。
目前，对黄铁矿标型特征的研究主要包括矿物共生组合、主微量元素、同位素、热电性和晶胞参数等。
晶体检波器
20世纪初，用于晶体检波器最常见的矿石为方铅矿、硅以及黄铁矿，黄铁矿被用作无线电接收器中的晶体检波器，至今矿石收音机爱好者仍在继续使用。具有敏感性的黄铁矿样品比方铅矿难以找到，但黄铁矿的敏感性比方铅矿来说能持续更长时间，黄铁矿检波器可以像现代1N34A锗二极管检波器一样灵敏。
医药领域
黄铁矿可作为矿物药，在中药领域称为自然铜。矿物药自然铜实际的矿物成分是单矿物，例如自然铜、黄铜矿或黄铁矿，也可认为是矿物的集合体,例如自然铜与黄铁矿混合物以及自然铜、黄铜矿、赤铜矿、斑铜矿、黑铜矿等含铜矿物的混合物。
废水处理
天然黄铁矿可用于处理含重金属的废水以及含有机污染物的废水。
含重金属废水处理机理：沉淀溶解平衡。
该反应如下反应式：
该反应方程式如下：
半导体
单晶黄铁矿的高载流体迁移率为360 cm²V⁻¹s⁻¹，载流子扩散长度为0.1-1 μm，与其他硫代矿半导体（如CdS、CdSe）相比，黄铁矿在光腐蚀方面表现出优异的稳定性，该属性使黄铁矿成为广泛使用的太阳能材料，具有满足全球年度能源需求、廉价、来源广等优点。
硫酸的制备
建筑生产原料
黄铁矿作为建筑行业原料生产制备可用于包括：砖生产中作为着色材料、油漆生产中作为颜料以及水泥生产中作为添加剂。有研究利用石灰石、粘土、火山灰、黄铁矿、煤渣和石膏以工业规模生产制备出性能优越的贝利特水泥。
电池
安全事宜
危险品标志
黄铁矿具有人体健康危害性以及环境危害性。
危险品标志
毒性及防护
黄铁矿于常温、暴露于空气中易发生自燃，大量放热及产生大量二氧化硫有毒气体，化学反应方程式如下：
当采矿环境中含有碳时，会发生如下反应：
此外，硫铁矿开采还需加强通风和防尘管理工作，硫铁矿采选过程中会产生大量粉尘，其危害主要有：
（1）污染矿床环境以及一系列环境污染问题；
（2）对采矿工作者的身体健康产生危害，长时间处理存在大量粉尘的环境下，粉尘会通过鼻部嘴部进入呼吸道甚至肺部，引发疾病。
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作者
