河南铝土矿床的矿物成分

河南铝土矿矿石主要由下列矿物组成(吕夏,1985,1996):①铝矿物:硬水铝石、勃姆石、三水铝石;②粘土矿物:高岭石、地开石、埃洛石、蒙脱石、绿泥石、叶蜡石、伊利石等;③铁矿物:赤铁矿、针铁矿、菱铁矿、黄铁矿、磁铁矿、钽铁矿等;④钛矿物:锐钛矿、金红石、白钛石、板钛矿、榍石;⑤其他矿物:锆石、电气石、方铅矿、硫磷铝锶石、明矾石、黄钾铁矾、方解石、白云山、云母、石英、长石等。

典型矿区铝土矿石矿物组合见表43。

表43 河南铝土矿典型矿区矿石中矿物组合

(据吕夏,1985)

4311铝矿物

河南铝土矿中的铝矿物,以硬水铝石为主,其他铝矿物(如勃姆石、三水铝石等)含量极少。

(1)硬水铝石(一水硬铝石)

河南铝土矿中的硬水铝石,在显微镜下常见四种颜色:无色、浅灰色、深灰色、黄褐色。在薄片中硬水铝石呈无色、浅灰色、灰色、褐色,其透明度因颜色而异,无色者透明,浅色者半透明,色深者由于其中含杂质较多,几乎不透明。

硬水铝石的化学成分主要为Al2O3和H2O,杂质常见Si、Ti、Fe、Ga等。一般来说,颜色深的杂质含量较高,颜色浅而透明的杂质少。无色透明硬水铝石的折光率Np=169,Ng=1744,密度为340g/cm3。

河南铝土矿中的硬水铝石大部分呈隐晶质,其晶体形态为半自形-他形粒状、胶团状、板柱状和短柱状等。半自形-他形粒状晶体:粒度0007~01mm,大部分为001mm左右,在薄片中它们呈无色透明至褐灰色半透明,分布普遍,在致密块状矿石中所含最多。胶团状晶体:粒度小于0005mm。在高倍光学显微镜下呈圆形、团粒状、棒状,浅蓝色至褐灰色。

板柱状晶体:无色透明,粒度一般为001~005mm,长者可达02mm,伸长系数2~3。

短柱状晶体:呈无色、灰色、褐色等,粒度0005~005mm,一般001mm。

硬水铝石在河南铝土矿中主要呈集合体产出,其常见形态有:①镶嵌状集合体;②联合晶体;③晶簇状、齿状集合体;④细脉状集合体;⑤胶状集合体;⑥豆鲕状集合体。

硬水铝石差热分析特征为:在450℃左右发生剧烈脱水,在650~700℃时,硬水铝石中的水分全部失去,转变成α-Al2O3。535~540℃时出现一个脱水吸热谷。

硬水铝石红外光谱特征波数:OH键伸缩波数为3430cm-1、3000cm-1、2920cm-1,音频红外吸收带波数为2150~2119cm-1和1980~1987cm-1,OH键面内弯曲波数为1055~1065cm-1,OH键面外弯曲波数为960cm-1~970cm-1,Al-O伸缩振动波数为750cm-1、570cm-1、350cm-1等。

(2)三水铝石

三水铝石在河南铝土矿中的质量分数较小,但分布普遍。它们一般出现在铝土矿床的上部氧化作用较强烈的部位,其可能由硬水铝石分解后,由于水和氧的作用而生成。河南三水铝石差热分析的吸热温度为323℃,电镜分析能见到的三水铝石的形态大都为较规则的六边形薄板状晶体,三水铝石红外吸收波波数为3624cm-1、3529cm-1、1028cm-1、913cm-1、802cm-1、743cm-1、668cm-1、562cm-1、526cm-1、419cm-1、317cm-1,X衍射d值为04539nm、03293nm、03185nm、02450nm、02375nm、02278nm。

根据三水铝石的产出状态及上述特征,基本可以认为河南三水铝石为表生条件的次生矿物。

(3)勃姆石

在河南铝土矿床中,勃姆石质量分数极小。由于粒度极其细小,在光学显微镜下难以辨认,仅在X衍射图上才能见到。

4312粘土矿物

高岭石和伊利石是河南铝土矿中主要的粘土矿物,其他粘土矿物还有绿泥石、叶蜡石以及地开石、蒙脱石、埃洛石等。高岭石和伊利石在矿石中的质量分数呈负相关关系,矿石中高岭石质量分数高,伊利石质量分数就低;反之,高岭石质量分数低,伊利石质量分数就高。在垂向上高岭石主要分布在矿体上部,而伊利石主要分布在矿体下部。

(1)高岭石

无色透明,其形态主要为胶状细鳞片状,其次为片状及蠕虫状等,一般与硬水铝石共生,组成致密状矿石。其集合体呈白色、灰白色、褐色等,次生高岭石呈脉状分布在矿石之中。高岭石的化学成分主要为Al、Si、H2O。

高岭石的粒度细小,一般为0005mm左右,光学显微镜下难以确定。利用X衍射分析,测得河南铝土矿中高岭石的X衍射d值主要为07178nm、04371nm、07432nm、03578nm、02559nm、02495nm、02388nm、01893nm、01553nm。

高岭石差热分析表明,其吸热温度为580℃,放热温度975~990℃。

高岭石的红外波数为3700cm-1、3620cm-1、1100cm-1、1005cm-1、935cm-1、910cm-1、785cm-1、750cm-1、680cm-1、540cm-1。

(2)地开石

地开石主要产出在砾状、豆鲕状铝土矿中,或上部粘土矿中,集合体呈洁白的块状或豆粒、球粒,直径2~20mm不等。在新安张窑院、陕县支建矿区上部矿体中质量分数较高,在焦作地区石炭系粘土矿中也有发现。

(3)埃洛石

埃洛石常生长在铝土矿的裂隙中,与高岭石、明矾石共生,为后期蚀变产物。电镜下埃洛石晶体呈管状。主要红外波数为3695cm-1、3625cm-1、1092cm-1、1030cm-1、910cm-1、752cm-1、690cm-1、535cm-1、470cm-1、440cm-1、350cm-1。差热分析吸热温度为130℃、578℃,分别为脱吸附水和结构水所致。放热温度为1030℃。

(4)蒙脱石

蒙脱石主要生长在铝土矿豆鲕的中心,与高岭石、硬水铝石及黄钾铁矾共生。在河南铝土矿床中极少见到,仅在沁阳簸箕掌、常平、渑池坻坞、煤窑沟、济源官洗沟、焦作磨石坡等矿区有所发现。

(5)伊利石

它主要分布在矿体下部,底板铁质粘土岩中的粘土矿物主要为伊利石,质量分数可达80%。后期的伊利石生长在裂隙的壁上,交代早期硬水铝石、高岭石等矿物。

(6)绿泥石

绿泥石粒度细小,集合体呈深绿色或黑灰色。通过X衍射分析,发现河南铝土矿床中的绿泥石主要有三种:①硬绿泥石;②镁绿泥石;③锂绿泥石。从剖面上看,绿泥石主要分布在矿体下部或底板铁质粘土岩中,与伊利石所处的环境相同。因此,绿泥石质量分数高的地方,伊利石就少。

(7)叶蜡石

无色、片状集合体,具珍珠光泽。在铝土矿中质量分数很少且不稳定。

4313铁矿物

河南铝土矿中的铁矿物主要有赤铁矿、针铁矿、黄铁矿、菱铁矿以及少量磁铁矿、钽铁矿等。赤铁矿和针铁矿一般出现在矿体下部,尤其是矿体的底板铁质粘土岩中。菱铁矿和黄铁矿主要分布在未氧化的矿石中。

(1)赤铁矿、针铁矿

两种铁矿物均由黄铁矿蚀变而成,常密切共生,褐-褐灰色,粒状、假八面体、假立方体与八面体之聚行晶体和鲕状、碎屑状等。有时颗粒表面具磨蚀痕迹,说明它们经过一定距离的搬运。

(2)菱铁矿

它主要出现于未氧化的铝土矿与粘土矿中,集合体呈球状、鲕状,鲕粒直径01~2mm,具同心层,有的鲕粒中心为伊利石,外层为菱铁矿。

(3)黄铁矿

黄铁矿主要出现在矿体下部及底板铁质粘土岩中,大部分呈团块状,有时呈脉状和星点状。其晶体形态主要为他形,次为八面体、立方体。风化矿石中黄铁矿变成褐铁矿,或被分解淋滤后形成蜂窝状矿石。

(4)磁铁矿

呈黑色,他形粒状,少量可见八面体晶形,具强磁性,其外表常氧化成赤铁矿和针铁矿。具有褐色外围。磁铁矿在铝土矿中较少存在,只有进行人工重砂富集时才能发现。

(5)钽铁矿

在铝土矿中存在极少,仅在张窑院铝土矿重砂中发现。钽铁矿呈黑色,颗粒呈他形,外表具磨蚀痕迹,为陆源碎屑矿物,经一定距离的搬运后进入沉积区的。

4314钛矿物

铝土矿中的钛矿物主要为锐钛矿,其次为金红石、白钛矿和钛铁矿。

(1)锐钛矿

锐钛矿为河南铝土矿中Ti元素的主要赋存矿物,在铝土矿中主要呈胶状产出。在铝土矿矿石中,锐钛矿的质量分数约为15%~2%。砂状铝土矿中的锐钛矿较多,质量分数可达3%。

(2)金红石

河南铝土矿中,金红石分布普遍。其颜色有红色、深红色、黑色、米**、橘**,以红色为主。金红石的光泽均为金刚光泽,半透明至不透明。晶体形态一般为复四方柱状,有点呈短柱状,屈膝双晶。铝土矿中的金红石常有磨蚀痕迹而呈浑圆状或次圆状。

铝土矿实际上是指工业上能利用的,以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称

一水硬铝石,又名水铝石,结构式和分子式分别为AlO(OH)和Al2O3·H2O斜方晶系,结晶完好者呈柱状、板状、鳞片状、针状、棱状等矿石中的水铝石一般均含有TiO2、SiO2、Fe2O3、Ga2O3、Nb2O5、Ta2O5、TR2O3等不同量类质同象混入物水铝石溶于酸和碱,但在常温常压下溶解甚弱,需在高温高压和强酸或强碱浓度下才能完全分解

一水硬铝石形成于酸性介质,与一水软铝石、赤铁矿、针铁矿、高岭石、绿泥石、黄铁矿等共生其水化可变成三水铝石,脱水可变成α刚玉,可被高岭石、黄铁矿、菱铁矿、绿泥石等交代

一水软铝石又名勃姆石、软水铝石,结构式为AlO(OH),分子式为Al2O3·H2O斜方晶系,结晶完好者呈菱形体、棱面状、棱状、针状、纤维状和六角板状矿石中的一水软铝石常含Fe2O3、TiO2、Cr2O、Ga2O3等类质同象

一水软铝石可溶于酸和碱该矿物形成于酸性介质,主要产在沉积铝土矿中,其特征是与菱铁矿共生它可被一水硬铝石、三水铝石、高岭石等交代,脱水可转变成一水硬铝石和α刚玉,水化可变成三水铝石

Ⅰ．（1）铝土矿与氢氧化钠反应生成偏铝酸钠，加入盐酸或硝酸等酸性溶液可除去硅酸根离子，滤液b中含有氯离子，加过量氨水生成氢氧化铝沉淀，反应的离子方程式为Al3++3NH3H2O=Al（OH）3↓+3NH4+，

故答案为：盐酸（硫酸或硝酸）；Al3++3NH3H2O=Al（OH）3↓+3NH4+；

（2）滤液a中含有偏铝酸根离子、硅酸根离子，煅烧得到与和二氧化硅，则Al2O3中含有SiO2杂质，故答案为：Al2O3中含有SiO2杂质；

Ⅱ．（3）电解熔融的氧化铝可制备金属铝，阳极生成氧气，阴极生成铝，阳极反应为2O2--4e-=O2↑，n（Al）=

0324×106g

27g/mol

=12×104mol，则转移电子36×104mol，

故答案为：2O2--4e-=O2↑；36×104；

Ⅲ．（4）由化合价的升降总数相等可知反应的方程式为Al2O3+3C+N2═2AlN+3CO，故答案为：1；3；1；2；3；

（5）方法①和方法②相比较，需要较多能量，且生成的固体易残留在AlN中，反应①AN是还原产物，反应②没有发生氧化还原反应，故答案为：AB．

铝土矿是混合物，主要成分是氧化铝，化学式为Al2O3。

铝土矿（晶体化学）理论组成(wB%)：Al2O3654，H2O346。常见类质同像替代有Fe和Ga，Fe2O3可达2%，Ga2O3可达0006%。此外常含杂质CaO、MgO、SiO2等。

铝土矿的应用领域有金属和非金属两个方面，是生产金属铝的最佳原料，也是最主要的应用领域，其用量占世界铝土矿总产量的90%以上。铝土矿在非金属方面的用量所占比重虽小，但用途却十分广泛。

Al2O3化学性质介绍

和酸反应：

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

Al2O3 + 6H+ = 2Al3+ + 3H2O

和熔融的碱反应：

Al2O3 + 2NaOH= 2NaAlO2（偏铝酸钠）+ H2O

和碱溶液反应：

Al2O3+ 2NaOH +3H2O = 2Na[Al(OH)4]（四羟基合铝酸钠）

—铝土矿

三水铝石（Gibbsite） Al(OH)3 三水铝石是铝的氢氧化物矿物，在铝土矿床中它是主要的成分。三水铝石的晶体极细小，晶体聚集在一起成结核状、豆状或土状，一般为白色，有玻璃光泽，如果含有杂质则发红色。它们主要是长石等含铝矿物风化后产生的次生矿物。

　　化学组成为Al(OH)3﹑晶体属单斜晶系 P21/n空间群的氢氧化物矿物。与拜三水铝石(bayerite)和诺三水铝石 (nordstrandite)成同质多象。旧称三水铝矿或水铝氧石。以矿物收藏家CG吉布斯 (Gibbs)的姓于1822年命名。晶体结构与水镁石相似﹐由夹心饼干式的(OH)-Al-(OH)配位八面体层平行叠置而成﹐只是Al3+不占满夹层中的全部八面体空隙﹐仅占据其中的2/3。三水铝石的晶体一般极为细小﹐呈假六方片状﹐并常成双晶﹔通常以结核状﹑豆状﹑土状集合体产出。白色﹐或因杂质染色而呈淡红至红色。玻璃光泽﹐解理面显珍珠光泽。底面解理极完全。摩斯硬度25～35﹐比重240。三水铝石主要是长石等含铝矿物化学风化的次生产物﹐是红土型铝土矿的主要矿物成分。但也可为低温热液成因。俄罗斯南乌拉尔的兹拉托乌斯托夫斯克的热液脉中产出有达5厘米大小的晶体。用途见铝土矿。

　　三水铝石[晶体化学] 理论组成(wB%)：Al2O3 654，H2O 346。常见类质同像替代有Fe和Ga，Fe2O3可达2%，Ga2O3可达0006%。此外，常含杂质CaO、MgO、SiO2等。　　[结构与形态] 单斜晶系，a0=0864nm，b0=0507nm，c0=0972nm；Z=8。晶体结构与水镁石相似，属典型的层状结构。不同者是Al3 仅充填由OH-呈六方最紧密堆积层(∥(001))相间的两层OH-中2/3的八面体空隙，因为Al3 具有比Mg2 高的电荷，故以较少的Al3 数即可平衡OH-的电荷。

　　斜方柱晶类，C2h-2/m(L2PC)。晶体呈假六方板状，极少见。主要单形：平行双面a、c，斜方柱m。常依(100)和(110)成双晶。常见聚片双晶。集合体呈放射纤维状、鳞片状、皮壳状、钟乳状或鲕状、豆状、球粒状结核或呈细粒土状块体。主要呈胶态非晶质或细粒晶质。

[物理性质] 白色或因杂质呈浅灰、浅绿、浅红色调。玻璃光泽，解理面珍珠光泽。透明至半透明。解理极完全。硬度25~35。相对密度230~243。具泥土臭味。

　　偏光镜下：无色。二轴晶。Ng=1587，Nm=Np=1566。　　[产状与组合] 主要由含铝硅酸盐经分解和水解而成。热带和带气候有利于三水铝石的形成。在区域变质作用中，经脱水可转变为软水铝石、硬水铝石（140~200℃）；随着变质程度的增高，可转变为刚玉。