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萤石

（可用于雕刻艺术品的荧光矿石）

萤石（Fluorite）又称氟石、氟石粉、萤石粉。是一种矿物，等轴晶系，其主要成分是氟化钙（CaF2）。含杂质较多，Ca常被Y和Ce等稀土元素替代，此外还含有少量的Fe2O3，SiO2和微量的Cl，O3，He等。自然界中的萤石常显鲜艳的颜色，部分可发出荧光。莫氏硬度4，低于钢，易划伤、质脆、甘、涩，无毒。熔点：1270-1350℃。密度：3.18g/cm³，折射率：1.434。

萤石资料

中文名：萤石

外文名：Fluorite

别名：氟石

用途：收藏、装饰和雕刻工艺品

族：萤石族

种：萤石

变种：蓝块萤石、呕吐石等

大类：卤化物

矿物历史

深蓝色萤石

新石器时代，中国的河姆渡人就曾选用萤石作装饰，在古中国，萤石被应用于雕塑也超过300年。古罗马时期，萤石作为名贵石料广泛地用于酒杯和花瓶的制作，古罗马人甚至迷信萤石酒杯会使人千杯不醉。萤石的开采及挖掘起源于古埃及时期，当时的人们广泛的用萤石制作塑像及圣甲虫形状的雕刻。

不规则形状萤石

1529年德国矿物学家阿格里科拉（G.Agricola）在他的著作中最早提到了萤石，1556年他在研究萤石的过程中，发现了萤石是低熔点的矿物，在钢铁冶炼中加入一定量的萤石，不仅可以提高炉温，除去硫、磷等有害杂质，而且还能同炉渣形成共熔体混合物，增强活动性、流动性，使渣和金属分离。1670 年德国玻璃工人契瓦哈特（Selewanhardt）偶然将萤石与硫酸混在一起，发生化学反应，产生了一种具有刺激性气味的烟雾，从而引起人们对萤石化学特性的重视。1771年瑞典化学家杜勒（Scheele）将萤石和硫酸作用制成了由氢元素和一个不知名元素化合而成的酸，同时还发现这种酸能蚀刻玻璃。

随后在1797年，意大利工程师Carlos Antônio Napion将该矿物正式命名为“Fluorite”，此词源于拉丁语“Fluere”，意为“流动”。因其常被用作熔炼金属中的助溶剂。

萤石

1813年法国物理学家安培（Ampère）把杜勒曾经合成的这种不知名的元素定名为氟元素，取其第一个字母“F”为元素符号，列入元素周期表第二周期第七族，属于卤族元素。

1825年“Fluorescence“一词诞生，意为荧光，源于萤石在紫外线照射下可以散发荧光的属性。

1886年法国化学家莫桑（Moissan）首次从萤石中分离出气态的氟元素，揭示出萤石是由钙元素和氟元素化合组成的矿物，定名为氟化钙（CaF₂）。后来化学家们又研制了氟化铝（AlF₂ ）、冰晶石（Na₂AlF₆ ）等助熔剂，为炼铝工业开辟了新的时代。萤石的开采大约是1775年始于英国，到1800年至1840年间美国的许多地方也相继开采，但大量开采乃是在发展和推广平炉炼钢以后。

物理性质

光泽	玻璃质，晶体较大时呈阴暗色泽	韧性	较脆，易碎
透明度	完全透明	解理	完全解理，平行{111}晶面族，解理能高。尤其是当晶体呈八面体时，其可在毫无损伤的情况下被分解。但当样本较大时，解理易产生断裂及划痕
颜色	无色、紫色、丁香色、金黄色、绿色、蓝色、粉红色、香槟色、棕色	裂理	在{011}晶面族下裂理模糊粗糙
划痕	白色	断口	参差状或亚贝壳状断口
莫氏硬度	4	比重	3.00-3.25
熔点	1360℃	密度	3.175-3.56克/立方厘米（测量数据）； 3.181克/立方厘米（计算数据）。通常范围3.175-3.184，在晶体夹杂杂质时会有细微差

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光学性质

类型	等方性	表面起伏	平滑适中
相对照度值	n=1.433-1.448	色散	无
双折射	无或极微弱，常在被切割或压缩的形态下产生不规则的微弱双折射，一般出现于平行片晶至{001}晶面族。

形成原理

萤石来自火山岩浆中，在岩浆冷却过程中，被岩浆分离出来的气水溶液中含有许多物质，以氟为主，在溶液沿裂隙上升过程中，温度降低，压力减小，气水溶液中的氟离子与周围岩石中的钙离子结合，形成氟化钙，经过冷却结晶后就得到了萤石。

为花岗岩、伟晶岩、正长岩的副矿物，在火山周边的喷气孔也可以发现萤石。也产自碳酸岩和碱性侵入岩中。沉积于热液矿脉及层控矿床中。在砂岩的自然衔接处萤石会产生粘合剂的作用。

蓝色萤石

结晶构造

立方八面体萤石

多数结晶为八面体和立方体，少见十二面晶体。也有八面体和立方体相交而成的组合晶体，在此条件下也可能生成结构复杂的十二面结晶。解理痕迹在多数晶体上有呈现，从较大晶体上剥落的解理块也很常见。

在八面体结晶下，解理块较扁平、呈三角形；立方晶体的解理块为扁的长方体。萤石的晶体往往出现穿插双晶，即两个晶体相互贯穿所构成的双晶现象。也有团簇而成的共生立方晶体，或为颗粒状、葡萄状、球状或不规则大块。

晶系	等轴晶系（立方晶系）	晶胞参数	轴长a=5.4626埃
矿物类	m3m(4/m32/m)-六八面体类	晶胞体积	163.00立方埃
空间群	Fm3m	晶胞原子数	4
孪晶	在{111}晶面族上，多为互相穿插的立方体，也有形成尖晶石双晶律的情况。

共生矿物

与萤石共生的矿物有：钠长石、尖晶石、菱锰矿、重晶石、黄铁矿、方解石、闪锌矿、天青石、白云母、石英、方铅矿、白云石、黄铜矿、白钨矿、磷灰石、黄玉、锡石、黑钨矿。

球状萤石与石英共生

萤石和重晶石共生

自然分布

较主要的萤石矿床区域位于：英国康沃尔、卡斯尔顿、德比郡、达勒姆；法国多姆山；瑞士勃朗峰；德国黑森林；西班牙阿斯图里亚斯；俄罗斯达利涅戈尔斯克；哈萨克斯坦卡拉奥巴；中国湖南；墨西哥奇瓦瓦州、科阿韦拉、杜兰戈；美国纽约、俄亥俄州、伊利诺斯州、田纳西州、科罗拉多州、新墨西哥州；加拿大安大略湖、不列颠哥伦比亚省；秘鲁瓦努科；纳米比亚；巴基斯坦。

形成过程

萤石来自火山岩浆的残余物中，在岩浆冷却过程中，被岩浆分离出来的气水溶液中含有许多物质，以氟为主，在溶液沿裂隙上升过程中，温度降低，压力减小，气水溶液中的氟离子与周围岩石中的钙离子结合，形成氟化钙，经过冷却结晶后就得到了萤石。

有效变种

呕吐石（Antozonite）含有未结合的氟离子的萤石变种。当矿石断裂或被劈开时，该种会产生怪异的特殊气味。	呕吐石
蓝块萤石（Blue John）具有紫、白色（或紫、黄色）相间的带状纹路的的萤石变种。	蓝块萤石
磷绿萤石（Chlorophane）具有热释光特性的萤石，受到加热后会发出绿色亮光。	磷绿萤石
铈钇矿（Yttrocerite）萤石变种，化学式为(Ca,Ce,Y)F。当萤石化学结构中的部分钙元素被铈元素和钇元素替代后，就会变成铈钇矿。	铈钇矿
钇萤石（Yttrofluorite）萤石变种，化学式为(Ca,Y)F。当萤石化学结构中的部分钙元素仅被钇元素替代时，就会形成钇萤石。	钇萤石

主要价值

萤石单晶

萤石是唯一一种可以提炼大量氟元素的矿物。同时其还被用于炼钢中的助溶剂以除去杂质。在光学领域对于萤石的需求量较大。其人工合成晶体长大后可以制成多种特殊的透镜。该矿物在制作生产部分类型的玻璃和搪瓷时也有应用。

萤石的颜色鲜艳丰富，晶体光滑无暇，被称之为“世界上最鲜艳的宝石”。但因其硬度低，所以通常情况下不能被用作珠宝。但正因萤石质地柔软，所以当出现足够大的晶体时，便可以相对容易的用它来雕刻装饰物。该矿物在矿石收藏家中十分流行。尤其是一些品相良好的标本可以出现很高的价格。

工业应用

三氟化硼

萤石须为制酸级产品，利用发烟硫酸的脱水作用，在适当温度下萤石，可使硼酸脱水得到三氧化硼晶体。反应式为：

2H₃BO₃(s)→B₂O₃(s)+3H₂O(l)+Q

在重铬酸钾作用下，三氧化硼、萤石粉、发烟硫酸混合加热，即可得到三氟化硼气体。反应式为:

3H₂SO₄(l)+B₂O₃(s)+3CaF₂(s)→3CaSO₄(s)+2BF₃(g)+3H₂O(l)

综合反应式为：

3H₂SO₄(l)+2H₃BO₃(s)+3CaF₂(s)→3CaSO₄(s)+2BF₃(g)↑+6H₂O(l)+Q

氟化氢

回转窑法：萤石、H₂SO₄在回转窑中发生的反应为吸热反应，不规则形状的萤石温度维持在200-270 ℃，主反应是：

CaF₂(s)+H₂SO₄(l)→2HF(g)+CaSO₄(s)

该主反应的机理可通过以下反应来表达：

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)

萤石和硫酸在进入回转窑反应之前，需在常温或低温下经预反应器混合，反应过程由煤气燃烧提供热量，以避免惰性气体进入而影响HF的吸收冷凝与精馏。反应程度直接影响物料状态，反应物在0-40%及 70%80%的反应程度时呈浆状，腐蚀反应器的程度最大。因此，该工艺的关键是设计回转窑时尽量避免腐蚀并延长使用寿命。

气固、气液固流化床反应：利用气化的硫酸和萤石反应制取HF就是气固流化床，其反应效率较液体硫酸法高并彻底解决了液体硫酸与萤石反应存在的易粘问题，涉及的主要反应如下：

CaF₂(s)+SO₃(g)+H₂O→2HF(g)+CaSO₄(s)

该反应放热，床层温度为400℃，相比萤石，H₂SO₄有15%的过量且为气态，萤石在物料停留15分钟内就有 98%转化。反应得到的混合气体经吸收器除掉固体灰尘、硫酸气体、水蒸气后，再经冷凝器去除SiF₄气体即得所需纯度的HF产品。气固流化床比回转窑法的反应迅速，萤石更能充分利用，设备更简单紧凑，但仍面临物料和气体的腐蚀问题。

气液固流化床是指在C₆F₆惰性液相中，粒状萤石和硫酸反应制取HF气体，C₆F₆液相回收循环利用。为确保固相悬浮于流化床，控制5秒的气体停留；硫酸仍然保持15%的过量，C₆F₆的质量是CaSO₄质量的30%。200℃时，反应进行80分钟，即达99%的转化率，得到的HF气体去除C₆F₆后，一部分循环利用，剩余部分经硫酸脱水、浓缩、蒸馏，纯度达到99.8%；分离后的C₆F₆也可继续循环使用。该工艺具有反应的温度及能耗较低、效率高的优点。

间歇生产法：间歇生产法能够克服回转窑法生产HF工艺出现的问题，其过程为：1）首先根据化学计量比对萤石粉、H₂SO₄计量，加热萤石粉至200-400℃，送入反应器；2）再加热H₂SO₄至100-280℃，逐步加入到反应器中，搅拌、反应；3）排出的石膏渣即可冷却。该工艺中萤石的转化率可达95%以上，并且相比回转窑法具有设备工艺简单、投资低、原料计量更精确、生产效率高、无污染、正压下操作稳定等优点。