Вопрос 33

Характер связей в кристаллах, гидрофильность и гидрофобность поверхностей.

Атомы, молекулы, ионы или группы ионов, образующие кри­сталлическую решетку минерала, связаны друг с другом раз­личными видами связей. Для полярной поверхности минераловхарактерны ионная и ковалентная (атомная) связи, а также наиболее распространенная полярная (гибридная) связь, зани­мающая промежуточное положение между ионной и ковалентной.

Ионная связьхарактеризуется электростатическим взаимо­действием между узлами кристаллической решетки, занятыми ионами (например,NaиClв решетке поваренной соли) противоположного знака, образованными в результате практи­чески полного перехода электронов от атома одного элемента к атому другого (например, от атомаNaк атомуCl). При переходе электронов в совместное владение атомами од­ного и того же элемента образуетсяковалентная (атомная) связь, осуществляемая в простейшем случае парой электронов, причем эти электроны как бы располагаются по отношению к указанным атомам точно посередине. Во многих слу­чаях при осуществлении такого вида связи электроны, находящиеся в совместном владении взаимодействующих ато­мов, смещаются к одному из атомов. Эту связь между ними принято называтьполярной (гибридной). Все эти виды связей отличаются большой прочностью (энергией), что обу­словливает значительную величину свободной поверхностной энергии минерала.

В противоположность полярной поверхности аполярная по­верхность минералахарактеризуется молекулярными силами связи (силы Ван-дер-Ваальса – силы притяжения между молекулами относительно малы по сравнению с химическими), которые слабее ионных и ковалентных в десятки раз.

Если при разрушении кристаллов обнажаются слабые молекулярные силы, то поверхность слабо взаимодействует с молекулами воды, плохо смачивается и называется гидрофобной, а если поверхность интенсивно взаимодействует с молекулами воды, хорошо смачивается, то такая поверхность называетсягидрофильной.

При разрушении кристалла образуется поверхность раскола с ненасыщенными связями, которые характерны для решетки данного минерала.

В случае ионных и полярных связей, существующих вокруг ионов или атомов минерала и обнажающихся при его разрушении, образуется сильное электрическое поле, в то время как в случаемолекулярных связейповерхностные атомы (моле­кулы) образуют сравнительно слабые силовые поля.

Оценивая активность взаимодействия с водой поверхности минералов с преобладанием ионных и атомных связей (силь­ное поле) или молекулярных связей (слабое поле), необходимо учитывать, что вода является полярной жидкостью, молекулы которой имеют значительный дипольный момент и атомы водо­рода, способные к образованию водородной связи. Водородная связь обязана своим возникновением особен­ности атома водорода отдавать свой единственный электрон на об­разование химической связи. Водо­родная связь может быть довольно прочной и является как бы второй (побочной) валентностью водород­ного атома.

Гидрофильная поверхность ми­нерала характеризуется преоблада­нием на ней ненасыщенных ионных, атомных или полярных связей, бла­годаря которым она активно взаи­модействует с молекулами воды (или их комплексами), присоединяя их. Напротив, гидрофобная поверх­ность минерала отличается преоб­ладанием на ней ненасыщенных молекулярных связей, слабо взаимодействующих с водой.

В графите (рис. 3) атомы углерода расположены слоями, образующими гексагональную сетку. В плоскости этих слоев (заштрихованных) между атомами углерода имеются сильные атомные связи, однако связь между слоями осуществляется слабыми молекулярными силами. Этим объясняется легкая раскалываемость графита по плоскости спайности и гидрофобность его поверхности, совпадающей с плоскостью спайности.

В противоположность этому плоскость, перпендикулярная плоскости спайности (торец чешуйки графита), имеющая не­насыщенные атомные силы связи, активно взаимодействует с водой и является относительно гидрофильной. В связи с этим на поверхности торца чешуйки графита пузырек воздуха будет закрепляться с трудом, тогда как на поверхности, являющейся плоскостью спайности, пузырек будет закрепляться легко и прочно.

Аналогичная картина будет наблюдаться и для кристаллов серы: ее гидрофобность может быть объяснена тем, что при разрушении кристалла серы в первую очередь обнажаются слабые межмолекулярные силы, которые связывают между со­бой кольца из атомов серы, в то время как сильные атомные связи, действующие внутри колец, при этом не нарушаются.

Поверхность минералов способна взаимодействовать не только с водой, но и с газами, особенно с О₂, наиболее активным из них. Например, при разрушении кристал­лов сульфидных минералов (галенита) обнажаются сильные полярные связи, что хорошо объясняет нам относительную гидрофильность поверхности галенита в момент ее обнажения в течение короткого времени после этого. Однако спустя некоторое время на по­верхности галенита начинает сорбироваться ки­слород, всегда присутствующий в воде в растворенном виде. Первичное воздействие кислорода на поверхность сульфида вызывает его некоторую гидрофобизацию . Дальнейшее воздей­ствие кислорода (в случае сульфидов) приводит к их окислению и сопровождается гидрофилизацией.

Таким образом, естественная гидрофобность минералов, облегчающая их флотацию, или естественная гидрофильность, препятствующая последней, являются мерой активности поверх­ности минерала к взаимодействию с водой и газами, в особенности с О₂.