Физические свойства минералов и руд

Каждый минерал руды обладает определенным химическим составом и имеет характерное для него строение. Это обусловливает довольно постоянные и индивидуальные физические свойства минералов:

  • цвет;
  • плотность;
  • электропроводность;
  • магнитную восприимчивость и др.

Создавая определенным образом условия, при которых наиболее контрастно проявляются те или иные свойства минералов, можно их отделить друг от друга, в том числе выделить из общей массы ценные минералы.

В качестве признаков разделения минеральных компонентов при обогащении полезных ископаемых используют их физические и химические свойства, важнейшими из которых являются:

  • механическая прочность;
  • плотность;
  • магнитная проницаемость;
  • электропроводность и диэлектрическая проницаемость;
  • различные виды излучений;
  • смачиваемость;
  • растворимость и др.

Механическая прочность (крепость) руд и углей характеризуется дробимостью, хрупкостью, твердостью, абразивностью, временным сопротивлением сжатию и определяет энергетические затраты при их дроблении и измельчении, а также выбор дробильно-измельчительного и обогатительного оборудования.

Плотность горных пород (ð) определяется плотностью слагающих их минералов, которые делятся на тяжелые (δ> 4-10^3 кг/м3), средние (δ = (4,0-2,5) 10^3 кг/м3) и легкие (δ < 2,5-10^3 кг/м3 ). Плотность органической массы угля зависит от его природы, стадии метаморфизма, петрографического состава и может изменяться в пределах от 1,16-10^3 до 1,53-10^3 кг/м3 . Различия в плотности минералов используют для их разделения методами гравитационного обогащения.

Ядерно-физические свойства минералов проявляются при взаимодействии их с электромагнитным излучением (люминесценция, фотоэффект, эффект Комптона, флюоресценция и др.).

Разделение минералов основано на различии в интенсивности испускания или ослабления ими излучений. Магнитные свойства минералов возникают и проявляются в магнитном поле. Мерой оценки магнитных свойств минералов служит их магнитная проницаемость µm и связанная с ней магнитная восприимчивость, равная 1/µm. Магнитные свойства определяются в основном химическим составом и отчасти структурой минералов. Повышенная магнитная восприимчивость свойственна минералам, в состав которых входят железо, никель, марганец, хром, ванадий, титан.

По магнитной восприимчивости и характеру зависимости магнитных свойств от напряженности внешнего магнитного поля минералы делятся на диамагнитные (µm< 1), парамагнитные (µm> 1) и ферромагнитные (µm>> 1).

Угольное вещество является диамагнитным, а минеральные примеси в нем парамагнитные. Различия в магнитных свойствах минералов используют для их разделения с помощью методов магнитного обогащения.

Электрические свойства минералов определяются электропроводностью и диэлектрической проницаемостью.

Мерой электропроводности служит удельное электросопротивление p и удельная электропроводность 1/р. По величине электропроводности и типу электронного строения все минералы подразделяются на проводники (р = 10^-6 — 10^-3 Ом*м), полупроводники (р = 10^-3 — 10^10 Ом*м) и диэлектрики (р = 10^10 —  10^17 Ом*м). К минералам-полупроводникам относят большинство сульфидов, некоторые оксиды и ископаемые угли. К минералам-диэлектрикам относят минералы с типично ионной или кова-лентной связью: галлоиды, силикаты, некоторые соли кислородных кислот.

Диэлектрическая проницаемость èm большинства силикатов (кварц, слюда) составляет 4—5, у солей кислородных кислот (кальцит, апатит) — 6—8, у некоторых оксидов — до 80 и более (урутила—150).

Различия в электрических свойствах минералов используют для их разделения с помощью методов электрического обогащения.

Смачивание — проявление межмолекулярного взаимодействия на границе соприкосновения трех фаз — твердого тела, жидкости и газа, выражающееся в растекании жидкости по поверхности твердого тела. Мерой смачиваемости служит величина краевого угла смачивания:

cosθ-(σт-г — σт-ж)σж-г

где σ — поверхностное натяжение на границе соответствующих фаз.

В предельных случаях θ = 0° — полное смачивание (гидрофильное тело), θ = 180° — полное несмачивание (гидрофобное тело).

Различия в смачиваемости поверхности тонкоизмельченных минеральных частиц используют для их разделения методами флотационного обогащения.

Растворимость минералов — способность минералов растворяться в неорганических и органических растворителях. Перевод твердой фазы в жидкое состояние может осуществляться растворением в результате диффузии и межмолекулярного взаимодействия или за счет химических реакций. Идеальную растворимость твердых тел в жидкости можно вычислить по уравнению И.Ф. Шредера:

InN=λ(Tпл-Т) / RTTпл

где N— мольная доля растворенного вещества в растворе; λ — теплота плавления моля твердого вещества, кДж/моль; Тпл — температура плавления; Т— температура растворения, К; R — универсальная газовая постоянная.

Реальная растворимость твердых тел определяется эмпирически. Различия в растворимости минеральных компонентов используют в химических методах обогащения руд.