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釩鉛礦

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釩鉛礦
基本資料
類別磷酸鹽礦物
化學式Pb5(VO4)3Cl
IMA記號Vna[1]
施特龍茨分類8.BN.05
晶體分類雙錐體 (6/m)
（H-M記號相同）
晶體空間群P63/m
晶胞a = 10.3174,
c = 7.3378 Å; Z = 2
性質
分子量1416.27 g/mol
顏色鮮紅色、橘紅色、紅棕色、棕色、黃色、灰色或無色
晶體慣態稜柱狀或結節狀，可能針狀、髮狀或纖維狀，很少球狀
晶系六方
解理無
斷口參差狀到貝殼狀
韌性/脆性脆
莫氏硬度3–4
光澤樹脂光澤到半金剛光澤
條痕棕黃色
透明性透明，半透明或不透明
比重測量：6.8–7.1，計算：6.95
光學性質單軸 (-)
折射率nω = 2.416, nε = 2.350
雙折射δ = 0.066
熔點1,910 °C（3,470 °F）
參考文獻[2][3][4]

釩鉛礦（英語：Vanadinite）是一種屬於磷灰石族的礦物[5]，化學式為Pb5(VO4)3Cl。在工業上，它是提煉金屬釩所用的主要礦物原料，少數也用於鉛的提煉。它是一種緻密而易碎的礦物，通常以紅色六方晶體的形式存在。這種礦物是一般較不常見的，主要是在方鉛礦等含鉛礦石的礦床上氧化形成的。1801年，釩鉛礦在墨西哥被首次發現，此後礦藏陸續在南美洲、歐洲、非洲和北美洲的部分地區被發掘出來。

起源

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1801年，當時供職於墨西哥礦業學院的西班牙礦物學家安德烈·曼紐爾·德·里奧在墨西哥首次發現了釩鉛礦，他把這種礦物稱為「棕鉛」，並斷言它含有一種新的化學元素。[6]起初里奧將這種元素命名為Pancromium，後來又稱之為Erythronium。然而僅僅是因為礦石中的一種含鉻雜質，使他後來不再相信這種礦石所含的這種元素是一種新的元素。1830年貝采利烏斯的學生瑞典化學家尼爾斯·加布里埃爾·塞弗斯特瑞姆從瑞典塔貝里附近的鐵礦石中發現了這種新的元素，並將之命名為釩[7][8]。之後弗里德里希·維勒指出塞夫斯特瑞姆發現的這個新元素與德·里奧早先發現的Erythronium是同一種元素。1838年德·里奧的「棕鉛」也在墨西哥伊達爾戈州的錫馬潘被再次發現，在此之前德·里奧採集並擁有的唯一一塊「棕鉛」礦石標本在託付給德國探險家和科學家亞歷山大·馮·洪堡，由其帶往法國的途中因船難而丟失，原本將礦石帶去法國是計劃將其交給法國化學家Collet-Descotils分析礦石元素成分。[9][10] 由於礦石的含釩量高而將它命名為釩鉛礦。它曾經還被稱為混硫方鉛礦和釩酸鉛等其他名字。[10]

分佈

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釩鉛礦是一種不常見的礦物，只能從一個已存在的礦物通過化學變化來形成，因此它是一種次生礦物。在乾旱氣候條件的地區通過原生鉛礦石氧化形成這種礦物。自然環境下出現在含鉛礦床的氧化帶上，釩是從矽酸鹽礦物的圍岩中溶解出來的。釩鉛礦常與砷鉛礦、磷氯鉛礦、釩鉛鋅礦、釩銅鉛礦、鉬鉛礦、白鉛礦、鉛礬、方解石、重晶石和褐鐵礦等氧化鐵礦物伴生。[11][12]

釩鉛礦的礦藏遍佈世界各地，包括奧地利、西班牙、蘇格蘭、烏拉爾山脈、南非、納米比亞、摩洛哥、阿根廷、墨西哥和美國的4個州：亞利桑那州、科羅拉多州、新墨西哥州和南達科他州。[3][12][13][14]

在全世界超過400座礦井中發現過釩鉛礦。著名的釩鉛礦礦山包括摩洛哥的米德勒特和Touisset、納米比亞的楚梅布、阿根廷的科爾多瓦和美國新墨西哥州的謝拉縣及亞利桑那州的希拉縣。[15]

在美國新墨西哥州境內位於格蘭特郡的西南部，有一座小鎮因釩鉛礦的發現和採掘而以釩的英文名「Vanadium」命名。[16]

人工環境下也有釩鉛礦分佈。2009年在美國東北部和中西部地區八座城市的飲用水輸送管線中發現並確認了由管道含鉛襯裏表層腐蝕產生的釩鉛礦薄層。薄層中的釩來自於水廠輸出的飲用水成品所含的低濃度釩元素（濃度在µg·L-1的水平）[17]。

結構

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釩鉛礦是氯釩酸鉛化合物，化學式為Pb5(VO4)3Cl的。按重量計，它含有73.15%的鉛、10.79%的釩、13.56%的氧和2.50%的氯元素。每個結構單元包含了一個氯離子和一個由相鄰的釩鉛礦分子提供的鉛離子，這個氯離子處於由六個二價鉛離子包圍形成的正八面體結構的中心。鉛離子和氯離子之間的距離是317pm。兩個鉛離子之間的最短距離是4.48Å。鉛離子構成的八面體與相鄰的釩鉛礦結構單元共用八面體上相對的兩個面，以形成一個連續的鏈狀結構。每個釩原子由四個氧化子包圍形成以釩原子為中心的畸變四面體結構，釩原子和氧原子之間的距離是1.72或1.76Å。沿着由八面體結構單元構成的鏈，每個鉛八面體各與三個氧四面體連結。[2][18][19]

Sculpture made of vanadinite crystals, smaller ones at the base and larger ones at the top.
六邊形的釩鉛礦晶體
釩鉛礦的晶體結構，圖示沿c軸方向：灰色的代表鉛離子，綠色代表氯離子，藍色代表氧離子，橙色代表四面體的V043-。

釩鉛礦的晶體符合六方晶系的對稱性。晶體的具體內部結構常通過晶體六邊形的外在形態反映出來。晶體通常呈短的六稜柱形態但也發現過六方雙錐形狀、圓形或簇狀的晶體。釩鉛礦中每個以六稜柱形式存在的最小晶胞單元都具有相同的對稱性和屬性。每個釩鉛礦的晶胞中a等於10.331Å、c等於7.343 Å（a代表六邊形的邊長，c代表稜柱的高）。每個釩鉛礦晶胞的體積根據體積公式V = a2c sin(60°)計算為678.72 Å3[12]。

通過拉曼光譜研究從美國亞利桑那尤馬縣、阿帕奇縣和摩洛哥Mibladen地區獲得的礦物標本顯示，釩鉛礦晶體中存在着部分離子被性質相似、大小相近的其他離子替換並保持原有結構的同晶置換（isomorphous substitution）現象，通過電子束顯微分析發現在大部分晶體中都存在着鉛離子被鈣離子或銅離子部分置換的現象，通過紅外光譜探測到釩鉛礦晶體表面部分的釩酸根和氯離子分別能被磷酸根和氫氧根部分取代。[20]

特徵

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不顯示特徵的紅色釩鉛礦。

釩鉛礦是磷灰石族礦物，與和它屬於同一礦物族的磷氯鉛礦（Pb5(PO4)3Cl）和砷鉛礦（Pb5(AsO4)3Cl）構成了一個礦物系列，釩鉛礦能與這兩種礦物形成固溶體。一般而言，大部分礦物系列是由礦物中金屬陽離子被其他金屬元素取代而形成的，但這個礦物系列是由三種不同的酸根陰離子磷酸根（PO43-）、砷酸根（AsO43-）和釩酸根（VO43-）來改變礦物中的陰離子而形成的。釩鉛礦中常見的雜質包括磷、砷和鈣，前兩者是釩的同構替代物，後者是鉛的同構替代物。當雜質砷的含量很高時釩鉛礦就變成了砷釩鉛礦[12]。

釩鉛礦通常是鮮紅色或橘紅色，偶爾也有棕色、紅棕色、灰色、黃色或無色。其獨特的顏色使它深受礦物收藏家追捧。它的條痕呈淺黃色或棕黃色。釩鉛礦可以是透明、半透明或不透明的。它呈現樹脂到金剛光澤。釩鉛礦是各向異性的非均質晶體，這表示在釩鉛礦晶體的不同軸向上會測出不同的性質。在各向異性軸的垂直方向和平行方向上測得的折射率分別為2.350和2.416，這意味着釩鉛礦的雙折射率為0.066[2][3][12]。

釩鉛礦是非常脆的晶體，斷裂時會產生小的貝殼狀斷口。它的摩氏硬度為3-4，與銅製硬幣相當。作為半透明的礦石，釩鉛礦是相當重的。它的摩爾質量達到1416.27 g/mol，由於存在雜質使得它的比重介於6.6至7.2之間。[14]

用途

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A pile of thousands of crystals, showing their hexagonal shape.
來自摩洛哥米德勒特的釩鉛礦

釩鉛礦和釩雲母、釩鉀鈾礦等是工業上提煉金屬釩的主要礦物原料，通過焙燒和熔煉它們能將釩元素從礦石中提取出來。它偶爾也用於鉛的提煉。從釩鉛礦提煉金屬釩的常見流程是先將礦石與氯化鈉或碳酸鈉在大約850℃下焙燒生成偏釩酸鈉（NaVO3），然後將其溶於水中用鹽酸調pH至7.5～8，再加熱至70～80℃與氯化銨溶液反應生成橘色的偏釩酸銨沉澱。偏釩酸銨高溫加熱分解生成五氧化二釩，用金屬鈣還原五氧化二釩得到釩單質。[21]

圖集

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參考資料

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維基共享資源上的相關多媒體資源：釩鉛礦
  1. ^ Warr, L.N. IMA–CNMNC approved mineral symbols. Mineralogical Magazine. 2021, 85 (3): 291–320 [2022-12-10]. Bibcode:2021MinM...85..291W. S2CID 235729616. doi:10.1180/mgm.2021.43. （原始內容存檔於2022-07-22）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Vanadinite Mineral Data. WebMineral.com. [2007-06-09]. （原始內容存檔於2021-05-14）. 
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