浅谈白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿的电子结构及其可浮性

王晓伟（太原工业学院理学系，山西太原，030008）



浅谈白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿的电子结构及其可浮性

王晓伟
（太原工业学院理学系，山西太原，030008）

摘要：本文主要是运用第一性原理对白铁矿、黄矿铁和磁黄铁矿的电子结构进行计算，并分析这三种硫铁矿的电子结构的差异所造成的可浮性差异。而研究结论表明：白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿分别为间接带隙半导体、自带隙半导体和道导体。而通过态密度研究也表明，白铁矿与黄铁矿属于低自旋态，磁黄铁矿属于自旋一极化态。

关键词：第一性原理；电子结构；可浮性

0　前言

白铁矿是一种铁的硫化物矿物。白铁矿常常呈现出束状或者鸡冠状，所以它还被称为矛状黄铁矿或者鸡冠状黄铁矿。其实有些白铁矿也呈瘤状或放射状等样子。 白铁矿在全球范围分布广泛，英国、美国、德国等都是它的主要产地。白铁矿比重是4.85-4.9g/cm3，硬度为6-6.5，属于斜方双锥晶类。它的主要化学成分是铁和硫这两种化学元素。白铁矿的物理性质呈现暗灰绿色或者是淡黄铜色，浅绿色调或者微带浅灰痕，不透明，具有金属光泽，固体，不溶于水。

黄铁矿（FeS2）由于它具有明亮的金属光泽且显浅黄铜色，常常被人们误以为是黄金，所以黄铁矿又被称为“愚人金”。成分中通常含硒、钴和镍，与氯化钠晶体结构一致。成分相同而属于正交（斜方）晶系的称作白铁矿。其成分中还存在微量的镍、铜、钴、金、硒等微量元素，如果发现这些微量元素相对含量较高时，可以考虑在提取硫的过程中进行综合回收利用。黄铁矿是自然界中最常见的硫化矿物之一，其半导体性能良好，其分布范围很广，而且储量很大，所以相对而言价格较为低廉，因而对天然黄铁矿的研究应用也相对较多且逐年增加，如使用天然的黄铁矿来除去废水中的铬，黄铁矿可以表现出很强的还原性。

磁黄铁矿是磁黄铁矿家族当中的一种铁的硫化矿物，磁黄铁矿的组成成分中含有硫达40%，所以常用来制作硫酸。而有时磁黄铁矿中的镍含量很高时，就可以用磁黄铁矿来提炼镍。磁黄铁矿的物理性质是具有金属般的光泽，暗青铜黄色带红，不透明。磁黄铁矿分布于许多类型的矿床之中。它与黄铜矿和镍黄铁矿共生。而在铜镍硫化物的矿床中（在基性岩体内存在），它是主要的矿物组成成份。在接触交代矿床中，有时它会形成大量的聚集，与黄铁矿和黄铜矿等共生。另外，在一系列的热液矿床中，它都有较为广泛的分布。然而在氧化带中，它却是极容易分解且最终转化为褐铁矿。

1　白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿的电子结构

为了应用于工业实践，研究白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿这三种硫铁矿的可浮性，我们先需要对这三种硫铁矿的电子结构进行研究和学习。下面，我们运用不同的函数计算出了三种硫铁矿的相关晶体常数，并对三种硫铁矿不同交换关联函数的优化结果进行比对（如下表1）。

通过表1的研究数据表明，白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿这三种硫铁矿的电子结构中，白铁矿和黄铁矿属于低自旋态的窄能隙半导体，而磁黄铁矿的导带相交和价带，属于自旋极化态，具有较良好的金属导电性。然而，费米能级附近铁原子3D轨道上的电子活跃度最强的是黄铁矿，其次是白铁矿，磁黄铁矿中的电子活跃度贡献最小。白铁矿和黄铁矿中的铁原子带着负电，硫原子带着正电，而磁黄铁矿的铁原子却是带着正电，反而硫原子带着负电。白铁矿和黄铁矿晶体内部铁与硫化学键之间是以共价性为主，且具有相近的共价性，而黄铁矿中硫与硫的化学键之间的共价性较白铁矿更强。但是，磁黄铁矿晶体内部铁原子之间还存在有铁原子之间的化学键，使之呈现出离子性，相对而言，其化学稳定性就会下降。接下来我们再通过运用第一性原理的方法对这三种硫铁矿的能带结构、电子态密度以及相关的原子轨道分布等方面进行试验研究。试验之后同样也得到如下结论：白铁矿与黄铁矿内部的铁原子带着负电，硫原子带着正电，而磁黄铁矿中的铁原子和硫原子的带电情况刚好与前面二者相反。然而，由于磁黄铁矿内部的铁原子之间的化学键离子性较强，导致磁黄铁矿在进行浮选时，其表现出来的疏水性较弱。而白铁矿与黄铁矿因为其共价性较好，所有表现出较强的疏水性。

2　白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿的可浮性研究

下面我们利用单矿物浮选的试验，从白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿的粒级来考量它们在天然可浮性方面的差异，试验过程中，我们设定白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿三者分别在硫酸、碳酸铵和JL-02等任何活化剂的情况下，并通过调节矿浆酸碱度和使用不同的捕收剂的情况下来考察三者的浮选效果差异；另外，我们还通过对白铁矿、黄铁矿以及磁黄铁矿经人工混合模拟实际矿石试验，来考量白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿三者在磁性强度方面的差异。试验结果得出的结论为:具有不同电子结构的铁矿石其天然可浮性方面是有着明显的差异的，其可浮性的顺序是：白铁矿的可浮性＞黄铁矿的可浮性＞磁黄铁矿的可浮性。而在进行活化剂筛选方面，我们也发现：使用JL-02活化剂和Q-319捕收剂对白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿的这三种晶体电子结构的硫铁矿的浮选效果相比于其它的药剂会更好。正如上文所讲到的，白铁矿和黄铁矿是二者是属于低自旋状态，而磁黄铁矿则属于自旋极化态。在浮选过程中，与黄铁矿和白铁矿相比磁黄铁矿更加容易与具有磁性类的物质发生氧化反应，所以磁黄铁矿的可浮性会相对更低一些。

3　结束语

综上关于白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿以上这三种硫铁矿的关系可以从四个方面进行比较。从能带结构上分析比较，可以得到白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿这三种硫铁矿的能带结构：白铁矿、黄铁矿与磁黄铁矿分别为间接带隙半导体、带隙型半导体和导体；而从态密度方面分析比较，可以知道白铁矿与黄铁矿都是属于低自旋状态，而磁黄铁矿属于自旋极化态；再通过对白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿的氧化难易程度进行分析比较可知：这三种硫铁矿最容易被氧化的是磁黄铁矿，其次是黄铁矿，而最难被氧化的就是白铁矿；最后可以运用前线轨道理论对白铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿进行分析比较，可以得到这三种硫铁矿的可浮性最大的为白铁矿，其次是黄铁矿，可浮性最小的是磁黄铁矿。

参考文献

［1］洪秋阳，汤玉和，王毓华，梁冬云，喻莲香.磁黄铁矿结构性质与可浮性差异研究［J］.金属矿山.2011（01）

［2］邱显扬，马先峰，何晓娟，罗传胜.磁黄铁矿与黄铜矿浮选分离研究进展［J］.矿业工程.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