高中地球科學/什麼是礦物？
- 描述所有礦物共有的特徵。
- 總結礦物的結構。
- 識別礦物分類的類別。
你每天都會使用由礦物製成的物品，即使你沒有意識到這一點。當你吃含有鹽的食物時，你實際上是在吃礦物。當你喝玻璃杯裡的水時，你是在喝由礦物製成的容器。你甚至可能戴著銀飾。閃亮的銀金屬、白色的鹽粒和透明的玻璃似乎沒有太多共同點，但它們都是由礦物製成的（圖3.1）。銀是一種礦物。食鹽是石鹽礦物。玻璃是由石英礦物製成的。科學家在地球的地殼中已經發現了超過4000種礦物。一些礦物含量很大，但大多數礦物含量很少。如果礦物之間可以如此不同，那麼是什麼讓礦物成為礦物呢？
礦物是由自然過程形成的晶體固體。礦物可以是元素或化合物，但它具有特定的化學成分和物理性質，這些性質與其他礦物不同。銀、鎢、石鹽和石英都是礦物的例子。它們各自具有不同的化學成分，以及不同的物理性質，如晶體結構、硬度、密度、可燃性、顏色等。例如，銀有光澤，鹽是白色的。
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| 圖3.1：銀用於製作純銀首飾。食鹽是石鹽礦物。玻璃是由石英礦物製成的。 | ||||||||
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礦物是由自然過程形成的。自然過程發生在地球內部或表面。一種常見的形成礦物的自然過程是岩漿的結晶。一些自然過程塑造了地球的特徵，而另一些則包括火山活動和地殼板塊的運動。岩石和礦物是在沙子和泥土的沉積層中形成的，以及在這些沉積層在地球深處摺疊時形成的，在那裡它們暴露在高壓和高溫下。技術人員可以在實驗室中製造寶石，但這將是人工合成的，而不是自然過程形成的。
礦物是一種無機物質，這通常意味著它不是由生物體制造的。有機物質是由生物體制造的所有含碳化合物，包括蛋白質、碳水化合物和油。這個定義包括煤和石油等化石燃料，這些燃料最初是由數百萬年前的生物體制造的。其他一切都被認為是無機的。在少數特殊情況下，生物體也會產生無機材料，例如海洋生物的碳酸鈣外殼。
礦物是晶體固體。因此，自然界中以液體形式存在的無機物質不是礦物。例如，液態水是無機的，但它不是礦物，因為它是一種液體。即使是一些固體也可能不是晶體。晶體是原子以規則、重複的模式排列的固體。圖3.2 顯示了食鹽（石鹽）中的原子排列方式。食鹽含有鈉離子和氯離子。注意原子是如何井然有序地排列的。此外，請注意該模式在三個維度上都是連續的。
所有礦物都有特定的化學成分。礦物要麼是純元素，要麼是化合物。元素是一種所有原子具有相同質子數的物質。（質子是每個原子中心、原子核中帶正電的粒子。）你無法透過化學方法將一種元素轉變為另一種元素，因為質子數不會改變。銀、鈉、矽和氧是礦物中發現的一些元素。一些礦物只由一種元素組成。銀礦物是一種純元素，因為它只由銀原子組成。
大多數礦物，如石鹽和石英，是由化合物組成的。化合物是一種由兩種或多種元素的原子結合而成的物質。化合物中的元素按一定的比例存在。固態水（冰）可能是你所知的簡單化合物之一。正如你在圖3.3中看到的那樣，一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成的。所有水分子中氫原子與氧原子的比例都是2:1。在冰中，所有水分子都以明確的、有規律的模式排列。
不是純元素的礦物是由化合物組成的。例如，石英礦物由二氧化矽或SiO2 化合物組成。這種化合物中每個矽原子都有兩個氧原子。當一種礦物具有不同的化學式時，它就是另一種礦物。例如，赤鐵礦中每個三個氧原子對應兩個鐵原子，而磁鐵礦中每個四個氧原子對應三個鐵原子。許多礦物包含更復雜的化合物，這些化合物由多種元素組成。但是，即使在更復雜的化合物中，元素也按一定的比例存在。
礦物的晶體結構影響礦物的物理性質。假設你有三個石鹽樣本。每個樣本都在不同的國家發現。它們的大小和形狀都不同。它們甚至可能由不同的地質過程形成。這些樣本的晶體結構都相同嗎？是的！所有石鹽都具有相同的化學成分和相同的晶體結構，儘管它們的物理特性有所不同。
礦物晶體的形狀由原子的排列方式決定。當晶體生長變大時，你可以看到原子的排列方式是如何影響形狀的。注意圖3.1中大的石鹽晶體是如何具有方形形狀的。這種形狀是鈉和氯原子在晶體中排列的結果。現在，將圖3.1中的晶體與圖3.4中在顯微鏡下放大的鹽粒進行比較。這些小晶體的形狀與大晶體類似。你可以看到，晶體的形狀是由方塊組成的。你可以在家裡嘗試一下。如果你把鹽撒在你的手心裡，仔細觀察每一粒鹽，你會發現它是一個完美的立方體。
只有當晶體有空間生長時，才會形成大型晶體。通常，晶體非常小。即使您在礦物樣本中看不到單個晶體，原子仍然以規則的重複模式排列。這種模式可以用來幫助識別未知礦物樣本。訓練有素的科學家可以透過大型晶體的形狀來確定晶體結構。如果他們無法透過觀察礦物來找出晶體結構，科學家會使用一種利用 X 射線的儀器來確定原子在礦物樣本中的排列方式。
礦物具有特定的化學成分和特定的晶體結構。有時，礦物具有相同的化學成分，但晶體結構不同。您對金剛石和石墨瞭解多少？金剛石被用作珠寶的寶石。它們也非常硬。石墨用作鉛筆芯，摸起來很滑。比較圖 3.5 中的金剛石和鉛筆芯。金剛石和石墨都是由碳組成的，但它們不是同一種礦物。金剛石的晶體結構不同於石墨的晶體結構。石墨中的碳原子結合形成層狀結構。每層之間的鍵很弱，因此這些層可以相互滑動。金剛石中的碳原子在三個方向上相互結合，形成一個堅固的網路。因此，金剛石的性質與石墨的性質不同。
想象一下，您負責為附近博物館的展覽整理 100 多種礦物。您希望參觀展覽的人們能夠儘可能多地瞭解他們看到的礦物。您將如何將這些礦物分組進行展覽？礦物學家是研究礦物的科學家。他們使用一種系統將礦物分為幾類，根據它們的化學成分和結構。儘管有 4,000 多種礦物，但大多數礦物都屬於八個礦物種類之一。具有相似晶體結構的礦物被歸為一類。
矽酸鹽礦物佔地球地殼的 90% 以上。當您想到地球的地殼時，您可能會想到生活在地球表面的人類、動物或植物。然而，生物體是由有機物構成的，而地球地殼中只有少量的有機物。已發現約 1,000 種矽酸鹽礦物，使其成為最大的礦物種類。
矽酸鹽是指含有矽原子與氧原子相結合的礦物。所有矽酸鹽礦物的基本單元被稱為四面體，其中一個矽原子與 4 個氧原子相結合（圖 3.6）。矽酸鹽礦物中也經常包含其他元素，例如鈣、鐵和鎂。
請注意，矽和氧形成了類似金字塔的形狀；這就是四面體。這些金字塔形的基本單元可以以多種方式結合在一起。矽酸鹽礦物種類分為六個較小的種類，這取決於矽-氧基本單元的結合方式。這些金字塔可以單獨存在，也可以形成稱為環的連線圓圈，可以連線成單鏈和雙鏈，可以形成大型平坦的金字塔片，或者可以三維地連線在一起。
長石和石英是兩種最常見的矽酸鹽礦物。綠柱石是一種矽酸鹽礦物，由四面體形成環狀結構。祖母綠寶石是一種綠柱石，由於化學雜質而呈現綠色。黑雲母是一種雲母，也是另一種矽酸鹽礦物，可以被分解成薄而靈活的片狀結構。比較圖 3.7 中的綠柱石和黑雲母。
自然元素是指僅包含一種元素原子的礦物。這些元素沒有與其他元素結合。在自然界中，大多數元素與其他元素結合形成化合物。因此，自然元素礦物種類包含相對較少的礦物。該種類中的一些礦物非常稀有且珍貴。金、銀、硫和金剛石是自然元素的例子。
從“碳酸鹽”這個名稱，您會猜測碳酸鹽礦物含有什麼？如果您猜到是碳，那就對了！更準確地說，所有碳酸鹽都包含一個碳原子與三個氧原子相結合。碳酸鹽可能包括其他元素，例如鈣、鐵和銅。
碳酸鹽礦物通常存在於古代海洋曾經覆蓋陸地的區域。一些碳酸鹽礦物非常常見。方解石就是這樣一種礦物。方解石含有鈣、碳和氧。您是否曾經去過石灰岩洞穴或見過大理石瓷磚？方解石存在於石灰岩和大理石中。藍銅礦和孔雀石也是碳酸鹽礦物，但它們含有銅而不是鈣。它們不像方解石那樣常見，正如您在圖 3.8 中看到的，它們非常鮮豔。
鹵化物礦物是鹽，當鹽水蒸發時會形成。這種礦物種類不僅包括食鹽。它還包括含有氟、氯、溴或碘的礦物。這些元素與金屬元素結合。岩鹽是一種鹵化物礦物，含有氯和鈉元素。螢石是另一種型別的鹵化物，含有氟和鈣。螢石可以存在於多種顏色中。如果您將紫外線照射在一些螢石樣本上，它們會發出熒光！
地球地殼中含有大量的氧氣，它與許多其他元素結合。氧化物是指含有與氧氣結合的一種或兩種金屬元素的礦物。氧化物與矽酸鹽不同，因為氧化物不含矽。許多重要的金屬以氧化物的形式存在。例如，赤鐵礦和磁鐵礦都是含有鐵的氧化物。赤鐵礦 (Fe2O3) 的鐵原子與氧原子之比為 2:3。磁鐵礦 (Fe3O4) 的鐵原子與氧原子之比為 3:4。您可能已經注意到，磁鐵礦這個詞包含磁鐵這個詞。磁鐵礦是一種磁性礦物。
磷酸鹽具有與矽酸鹽相似的四面體基本單元。但磷酸鹽中不是矽，而是磷、砷或釩原子與氧原子相結合。雖然這種種類中有很多礦物，但大多數礦物都很稀有。這些礦物的化學成分往往比其他一些礦物種類更復雜。綠松石是一種磷酸鹽礦物，含有銅、鋁和磷。它很稀有，被用來製作珠寶。
硫酸鹽礦物含有硫原子與氧原子相結合。與鹵化物一樣，它們可以在鹽水蒸發的地方形成。許多礦物屬於硫酸鹽種類，但只有少數常見的硫酸鹽礦物。石膏是一種常見的硫酸鹽礦物，含有鈣、硫酸鹽和水。石膏以各種形式存在。例如，它可以是粉紅色的，看起來像花瓣。然而，它也可以長成非常大的白色晶體。人們發現了 11 米長的石膏晶體，大約和一輛校車一樣長！石膏還形成了新墨西哥州白沙國家紀念碑的白色沙灘，如圖 3.11 所示。
硫化物含有與硫結合的金屬元素。與硫酸鹽不同，硫化物不含氧。黃鐵礦是一種常見的硫化物礦物，含有鐵與硫結合。黃鐵礦也被稱為愚人金。淘金者會誤將黃鐵礦當作金子，因為這兩種礦物看起來很像。
- 要成為礦物，一種物質必須是天然存在的、無機的、結晶固體，具有特定的化學成分和晶體結構。
- 礦物中的原子以規則、重複的模式排列，可以用來識別礦物。
- 礦物根據其化學成分分為不同的組。
- 什麼是晶體？
- 所有矽酸鹽礦物都包含哪些元素？
- 黑曜石是一種玻璃，當熔岩冷卻得很快，以至於原子沒有機會排列成晶體時形成。黑曜石是晶體嗎？解釋你的推理。
- 八大主要礦物組是什麼？
- 一個礦物樣本的鐵原子與氧原子比例為 2:3。另一個樣本的鐵原子與氧原子比例為 3:4。解釋一下這兩個礦物樣本是否是由相同的化合物組成的。
- 原生元素礦物組與所有其他礦物組有何不同？
- 你和你朋友一起去自然歷史博物館參觀。在參觀過程中，你的朋友看到了兩種顏色相似的礦物。一種礦物包含鋅、碳和氧元素。另一種礦物包含鋅、矽、氧和氫元素。你的朋友告訴你這兩種礦物屬於同一礦物組。你同意你的朋友嗎？解釋你的推理。
- 化合物
- 兩種或多種元素的原子鍵合在一起形成的物質。
- 晶體
- 所有原子都以規則、重複的模式排列的固體。
- 元素
- 所有原子都具有相同質子數的物質。
- 礦物
- 天然存在的、無機的、結晶固體，具有特定的化學成分。
- 礦物學家
- 研究礦物的科學家。
- 矽酸鹽
- 包含矽原子與氧原子鍵合的礦物。
- 科學家可以製造鑽石。他們製造的鑽石被稱為合成鑽石。解釋一下你是否認為合成鑽石是礦物。
- 藝術家過去常常將藍銅礦研磨成粉末，用來製造彩色顏料。研磨成粉末的藍銅礦仍然是結晶的嗎？
- 如何區分兩種不同的礦物？