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螢石
(礦物)
鎖定
螢石(Fluorite)又稱氟石。自然界中較常見的一種礦物,可以與其他多種礦物共生,世界多地均產,
[1]
有5個有效變種。等軸晶系,主要成分是氟化鈣(CaF₂)。結晶為八面體和立方體。晶體呈玻璃光澤,顏色鮮豔多變,質脆,莫氏硬度為4,熔點1360℃,具有完全解理的性質。部分樣本在受摩擦、加熱、紫外線照射等情況下可以發光。
[1-3]
該礦物來自火山岩漿,在岩漿冷卻過程中,被岩漿分離出來的氣水溶液內含氟,在溶液沿裂隙上升的過程裏,氣水溶液中的氟離子與周圍岩石中的鈣離子結合,形成氟化鈣,冷卻結晶後即形成螢石。
[4]
存在於花崗岩、偉晶岩、正長巖等岩石內。
[1]
因質脆軟而不常被用作寶石。在工業方面,螢石是氟的主要來源,能夠提取製備氟元素及其各種化合物。而顏色豔麗,結晶形態美觀的螢石標本可用於收藏、裝飾和雕刻工藝品。
[3]
- 中文名
- 螢石
- 外文名
- Fluorite
- 大 類
- 鹵化物
- 族
- 螢石族
- 種
- 螢石
- 變 種
- 藍塊螢石、嘔吐石等
螢石礦物歷史
螢石(2張)
1529年德國礦物學家格奧爾格·阿格里科拉(G. Agricola)在他的著作中最早提到了螢石,1556年他在研究螢石的過程中,發現了螢石是低熔點的礦物,在鋼鐵冶煉中加入一定量的螢石,不僅可以提高爐温,除去硫、磷等有害雜質,而且還能同爐渣形成共熔體混合物,增強活動性、流動性,使渣和金屬分離。1670年德國玻璃工人契瓦哈特(Selewanhardt)偶然將螢石與硫酸混在一起,發生化學反應,產生了一種具有刺激性氣味的煙霧,從而引起人們對螢石化學特性的重視。1771年瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒(Scheele)將螢石和硫酸作用製成了由氫元素和一個不知名元素化合而成的酸,同時還發現這種酸能蝕刻玻璃。
[7]
螢石形成過程
螢石來自火山岩漿的殘餘物中,在岩漿冷卻過程中,被岩漿分離出來的氣水溶液中含有許多物質,以氟為主,在溶液沿裂隙上升過程中,温度降低,壓力減小,氣水溶液中的氟離子與周圍岩石中的鈣離子結合,形成氟化鈣,經過冷卻結晶後就得到了螢石。
[4]
螢石生長環境
螢石理化性質
螢石物理
光澤 | 玻璃質,晶體較大時呈陰暗色澤 | 韌性 | 質脆,易碎 |
透明度 | 透明至半透明 | 完全解理,平行{111}晶面族,解理能高。尤其是當晶體呈八面體時,其可在毫無損傷的情況下被分解。但當樣本較大時,解理易產生斷裂及劃痕 | |
顏色 | 無色、紫色、丁香色、金黃色、綠色、藍色、粉紅色、香檳色、棕色 | 在{011}晶面族下裂理模糊粗糙 | |
劃痕 | 白色 | 斷口 | 參差狀或亞貝殼狀斷口 |
4 | 比重 | 3.00-3.25 | |
熔點 | 1360℃ | 3.175-3.56克/立方厘米(測量數據);3.181克/立方厘米(計算數據)。通常範圍3.175-3.184,在晶體夾雜雜質時會增加密度 | |
感光 |
螢石光學
類型 | 等方性 | 表面起伏 | 平滑適中 |
相對照度值 | n=1.433-1.448 | 無 | |
雙折射 | 螢石所形成的雙折射極其細微,甚至為無。常在被切割或壓縮的形態下產生不規則的微弱雙折射,一般出現於平行片晶至{001}晶面族 |
螢石化學
化學式 | CaF2 | 中文名 | 氟化鈣 |
常含雜質 | 釔、鈰、硅、鋁、鐵、鎂、銪、釤、氧、氯 | 溶於硫酸,在加熱後的氯化氫中可輕微溶解,微溶於水(水温為18℃時,0.000016克/立方厘米) |
螢石結晶構造
在八面體結晶下,解理塊較扁平、呈三角形;立方晶體的解理塊為扁的長方體。螢石的晶體往往出現穿插雙晶,即兩個晶體相互貫穿所構成的雙晶現象。也有團簇而成的共生立方晶體,或為顆粒狀、葡萄狀、球狀或不規則大塊。
[7]
螢石晶體結構為立方晶系,這種結構是以陽離子所形成的面心密堆為基礎,其四面體間隙位置由陰離子填充。Ca2+離子位於立方面心的結點位置上,Ca2+配位數為8。F-離子位於立方體內8個小立方體的中心,而F-的配位數是4。
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等軸晶系(立方晶系) | 晶胞參數 | 軸長a=5.4626埃 | |
礦物類 | m3m(4/m32/m)-六八面體類 | 晶胞體積 | 163.00立方埃 |
Fm3m | 晶胞原子數 | 4 | |
螢石在{111}晶面族上,多為互相穿插的立方晶體,也有形成尖晶石雙晶律的情況 | 晶體形態 | 常為立方體{001},有時為八面體{111},十二面體{011}較為少見,亦有六八面體和二十四面體偶爾出現。以上形狀的聚型晶體也經常發生。{001}平滑具光澤;{111}粗糙無光澤。從{013}開始,晶體的不均勻發展有時會使晶體變形,如微小的立方晶體聚合生長成一個較大的八面體,或於早期生出的單晶的角落處形成一塊過度生長的較大晶體。其他形狀的結晶還有泥土狀、柱狀、球狀或葡萄狀 |
螢石自然分佈
較主要的螢石礦牀區域位於:英國康沃爾、卡斯爾頓、德比郡、達勒姆;法國多姆山;瑞士勃朗峯;德國黑森林;西班牙阿斯圖里亞斯;俄羅斯達利涅戈爾斯克;哈薩克斯坦卡拉奧巴;中國湖南;墨西哥奇瓦瓦州、科阿韋拉、杜蘭戈;美國紐約、俄亥俄州、伊利諾斯州、田納西州、科羅拉多州、新墨西哥州;加拿大安大略湖、不列顛哥倫比亞省;秘魯瓦努科;納米比亞;巴基斯坦。
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螢石有效變種
嘔吐石(Antozonite) | |
藍塊螢石(Blue John) | |
磷綠螢石(Chlorophane) | |
鈰釔礦(Yttrocerite) | |
釔螢石(Yttrofluorite) |
螢石主要價值
螢石是唯一一種可以提煉大量氟元素礦物。同時其還被用於鍊鋼中的助溶劑以除去雜質。該礦物在製作生產玻璃和搪瓷時也有應用。此外,在光學領域對於螢石的需求量較大。其人工合成晶體長大後可以製成多種透鏡。
[3]
如用螢石製造的照相機鏡頭,因其具有非常低的色散,所以由其打磨成的鏡片比選用普通玻璃的鏡頭具有更少的色差。
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螢石的顏色鮮豔豐富,晶體光滑無暇,被稱之為“世界上最鮮豔的寶石”。但因其硬度低,所以通常情況下不能被用作珠寶。但正因螢石質地柔軟,所以當出現足夠大的晶體時,便可以相對容易的用它來雕刻裝飾物。該礦物在礦石收藏家中十分流行。尤其是一些品相良好的標本可以出現很高的價格。
[3]
螢石工業應用
螢石三氟化硼
螢石須為制酸級產品,利用發煙硫酸的脱水作用,在適當温度下,可使硼酸脱水得到三氧化硼晶體。反應式為:
2H₃BO₃(s)→B₂O₃(s)+3H₂O(l)+Q
3H₂SO₄(l)+B₂O₃(s)+3CaF₂(s)→3CaSO₄(s)+2BF₃(g)+3H₂O(l)
綜合反應式為:
螢石氟化氫
CaF₂(s)+H₂SO₄(l)→2HF(g)+CaSO₄(s)
該主反應的機理可通過以下反應來表達:
CaF₂(s)+H₂SO₄(l)→Ca(HSO₄·F·HF)
Ca(HSO₄·F·HF)→Ca(HSO₄·F)+HF(g)
Ca(HSO₄·F)+HF(g)→CaSO₄·2HF(g)
螢石和硫酸在進入迴轉窯反應之前,需在常温或低温下經預反應器混合,反應過程由煤氣燃燒提供熱量,以避免惰性氣體進入而影響HF的吸收冷凝與精餾。反應程度直接影響物料狀態,反應物在0-40%及70%80%的反應程度時呈漿狀,腐蝕反應器的程度最大。因此,該工藝的關鍵是設計迴轉窯時儘量避免腐蝕並延長使用壽命。
氣固、氣液固流化牀反應:利用氣化的硫酸和螢石反應制取HF就是氣固流化牀,其反應效率較液體硫酸法高並徹底解決了液體硫酸與螢石反應存在的易粘問題,涉及的主要反應如下:
CaF₂(s)+SO₃(g)+H₂O→2HF(g)+CaSO₄(s)
該反應放熱,牀層温度為400℃,相比螢石,H₂SO₄有15%的 過量且為氣態,螢石在物料停留15分鐘內就有98%轉化。反應得到的混合氣體經吸收器除掉固體灰塵、硫酸氣體、水蒸氣後,再經冷凝器去除SiF₄氣體即得所需純度的HF產品。氣固流化牀比迴轉窯法的反應迅速,螢石更能充分利用,設備更簡單緊湊,但仍面臨物料和氣體的腐蝕問題。
螢石(2張)
間歇生產法:間歇生產法能夠克服迴轉窯法生產HF工藝出現的問題,其過程為:1)首先根據化學計量比對螢石粉、H₂SO₄計量,加熱螢石粉至200-400℃,送入反應器;2)再加熱H₂SO₄至100-280℃,逐步加入到反應器中,攪拌、反應;3)排出的石膏渣即可冷卻。該工藝中螢石的轉化率可達95%以上,並且相比迴轉窯法具有設備工藝簡單、投資低、原料計量更精確、生產效率高、無污染、正壓下操作穩定等優點。
[17]
螢石文化傳説
關於螢石,有一個古老的傳説。在古印度的一個小山崗上,當地人發現此處的眼鏡蛇特別多,這些蛇常聚集在一塊巨石周圍。好奇的人們決定一探究竟。
人們摸黑登上山頭,發現那塊巨石竟發出幽幽的藍光。趨光的特性讓飛蟲們奮不顧身地撲向石頭,成為等待已久的青蛙們的美食,而青蛙兵團又引來了眼鏡蛇的圍捕。原來,蛇聚於此是為了守“石”待“蛙”。這種石頭就是螢石。
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- 參考資料
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- 1. Fluorite Data .Handbook of Mineralogy[引用日期2018-03-13]
- 2. Fluorite .Mindat[引用日期2018-03-02]
- 3. THE MINERAL FLUORITE .The Mineral & Gemstone Kingdom[引用日期2018-03-10]
- 4. 吳勝明. 螢石 夜明珠傳説[J]. 博物, 2009, (6): 12-13
- 5. Fluorite: CaF2 .Mindat[引用日期2018-12-10]
- 6. History and Properties of Fluorite Gemstones .Ezine Articles[引用日期2018-03-02]
- 7. 螢石礦礦業簡史[J].西部資源,2011(02):43.
- 8. Fluorite .Gemdat[引用日期2018-03-09]
- 9. Charles W. Chesterman.Field Guide to North American Rocks and Minerals:Alfred A. Knopf,1979:428
- 10. 高瑞平 李曉光 施劍林 等. 先進陶瓷物理與化學原理及技術[M]. 2001
- 11. First direct evidence that elemental fluorine occurs in nature .Technical University of Munich[引用日期2019-01-19]
- 12. Antozonite .Mindat[引用日期2019-01-19]
- 13. Ford, Trevor D..Derbyshire Blue John:Landmark Publishing,2000:25-29
- 14. Jack DeMent.Handbook of Fluorescent Gems and Minerals - An Exposition and Catalog of the Fluorescent and Phosphorescent Gems and Minerals, Including the Use of Ultraviolet Light in the Earth Sciences:Read Books,2013:64
- 15. Fluorite Crystals Use to Make Camera Lenses .GeologyIn[引用日期2019-01-20]
- 16. 羅安濤,郭慶省,陳平文,王冬梅.硼酸螢石法制備三氟化硼工藝[J].遼寧化工,2002(09):397-398+402.
- 17. 黃江生,劉飛,李子豔,劉松林,朱靜.氟化氫的製備及純化方法概述[J].無機鹽工業,2015,47(10):5-8
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