高中地球科学/什么是矿物？
- 描述所有矿物共有的特征。
- 总结矿物的结构。
- 识别矿物分类的类别。
你每天都会使用由矿物制成的物品，即使你没有意识到这一点。当你吃含有盐的食物时，你实际上是在吃矿物。当你喝玻璃杯里的水时，你是在喝由矿物制成的容器。你甚至可能戴着银饰。闪亮的银金属、白色的盐粒和透明的玻璃似乎没有太多共同点，但它们都是由矿物制成的（图3.1）。银是一种矿物。食盐是石盐矿物。玻璃是由石英矿物制成的。科学家在地球的地壳中已经发现了超过4000种矿物。一些矿物含量很大，但大多数矿物含量很少。如果矿物之间可以如此不同，那么是什么让矿物成为矿物呢？
矿物是由自然过程形成的晶体固体。矿物可以是元素或化合物，但它具有特定的化学成分和物理性质，这些性质与其他矿物不同。银、钨、石盐和石英都是矿物的例子。它们各自具有不同的化学成分，以及不同的物理性质，如晶体结构、硬度、密度、可燃性、颜色等。例如，银有光泽，盐是白色的。
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| 图3.1：银用于制作纯银首饰。食盐是石盐矿物。玻璃是由石英矿物制成的。 | ||||||||
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矿物是由自然过程形成的。自然过程发生在地球内部或表面。一种常见的形成矿物的自然过程是岩浆的结晶。一些自然过程塑造了地球的特征，而另一些则包括火山活动和地壳板块的运动。岩石和矿物是在沙子和泥土的沉积层中形成的，以及在这些沉积层在地球深处折叠时形成的，在那里它们暴露在高压和高温下。技术人员可以在实验室中制造宝石，但这将是人工合成的，而不是自然过程形成的。
矿物是一种无机物质，这通常意味着它不是由生物体制造的。有机物质是由生物体制造的所有含碳化合物，包括蛋白质、碳水化合物和油。这个定义包括煤和石油等化石燃料，这些燃料最初是由数百万年前的生物体制造的。其他一切都被认为是无机的。在少数特殊情况下，生物体也会产生无机材料，例如海洋生物的碳酸钙外壳。
矿物是晶体固体。因此，自然界中以液体形式存在的无机物质不是矿物。例如，液态水是无机的，但它不是矿物，因为它是一种液体。即使是一些固体也可能不是晶体。晶体是原子以规则、重复的模式排列的固体。图3.2 显示了食盐（石盐）中的原子排列方式。食盐含有钠离子和氯离子。注意原子是如何井然有序地排列的。此外，请注意该模式在三个维度上都是连续的。
所有矿物都有特定的化学成分。矿物要么是纯元素，要么是化合物。元素是一种所有原子具有相同质子数的物质。（质子是每个原子中心、原子核中带正电的粒子。）你无法通过化学方法将一种元素转变为另一种元素，因为质子数不会改变。银、钠、硅和氧是矿物中发现的一些元素。一些矿物只由一种元素组成。银矿物是一种纯元素，因为它只由银原子组成。
大多数矿物，如石盐和石英，是由化合物组成的。化合物是一种由两种或多种元素的原子结合而成的物质。化合物中的元素按一定的比例存在。固态水（冰）可能是你所知的简单化合物之一。正如你在图3.3中看到的那样，一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。所有水分子中氢原子与氧原子的比例都是2:1。在冰中，所有水分子都以明确的、有规律的模式排列。
不是纯元素的矿物是由化合物组成的。例如，石英矿物由二氧化硅或SiO2 化合物组成。这种化合物中每个硅原子都有两个氧原子。当一种矿物具有不同的化学式时，它就是另一种矿物。例如，赤铁矿中每个三个氧原子对应两个铁原子，而磁铁矿中每个四个氧原子对应三个铁原子。许多矿物包含更复杂的化合物，这些化合物由多种元素组成。但是，即使在更复杂的化合物中，元素也按一定的比例存在。
矿物的晶体结构影响矿物的物理性质。假设你有三个石盐样本。每个样本都在不同的国家发现。它们的大小和形状都不同。它们甚至可能由不同的地质过程形成。这些样本的晶体结构都相同吗？是的！所有石盐都具有相同的化学成分和相同的晶体结构，尽管它们的物理特性有所不同。
矿物晶体的形状由原子的排列方式决定。当晶体生长变大时，你可以看到原子的排列方式是如何影响形状的。注意图3.1中大的石盐晶体是如何具有方形形状的。这种形状是钠和氯原子在晶体中排列的结果。现在，将图3.1中的晶体与图3.4中在显微镜下放大的盐粒进行比较。这些小晶体的形状与大晶体类似。你可以看到，晶体的形状是由方块组成的。你可以在家里尝试一下。如果你把盐撒在你的手心里，仔细观察每一粒盐，你会发现它是一个完美的立方体。
只有当晶体有空间生长时，才会形成大型晶体。通常，晶体非常小。即使您在矿物样本中看不到单个晶体，原子仍然以规则的重复模式排列。这种模式可以用来帮助识别未知矿物样本。训练有素的科学家可以通过大型晶体的形状来确定晶体结构。如果他们无法通过观察矿物来找出晶体结构，科学家会使用一种利用 X 射线的仪器来确定原子在矿物样本中的排列方式。
矿物具有特定的化学成分和特定的晶体结构。有时，矿物具有相同的化学成分，但晶体结构不同。您对金刚石和石墨了解多少？金刚石被用作珠宝的宝石。它们也非常硬。石墨用作铅笔芯，摸起来很滑。比较图 3.5 中的金刚石和铅笔芯。金刚石和石墨都是由碳组成的，但它们不是同一种矿物。金刚石的晶体结构不同于石墨的晶体结构。石墨中的碳原子结合形成层状结构。每层之间的键很弱，因此这些层可以相互滑动。金刚石中的碳原子在三个方向上相互结合，形成一个坚固的网络。因此，金刚石的性质与石墨的性质不同。
想象一下，您负责为附近博物馆的展览整理 100 多种矿物。您希望参观展览的人们能够尽可能多地了解他们看到的矿物。您将如何将这些矿物分组进行展览？矿物学家是研究矿物的科学家。他们使用一种系统将矿物分为几类，根据它们的化学成分和结构。尽管有 4,000 多种矿物，但大多数矿物都属于八个矿物种类之一。具有相似晶体结构的矿物被归为一类。
硅酸盐矿物占地球地壳的 90% 以上。当您想到地球的地壳时，您可能会想到生活在地球表面的人类、动物或植物。然而，生物体是由有机物构成的，而地球地壳中只有少量的有机物。已发现约 1,000 种硅酸盐矿物，使其成为最大的矿物种类。
硅酸盐是指含有硅原子与氧原子相结合的矿物。所有硅酸盐矿物的基本单元被称为四面体，其中一个硅原子与 4 个氧原子相结合（图 3.6）。硅酸盐矿物中也经常包含其他元素，例如钙、铁和镁。
请注意，硅和氧形成了类似金字塔的形状；这就是四面体。这些金字塔形的基本单元可以以多种方式结合在一起。硅酸盐矿物种类分为六个较小的种类，这取决于硅-氧基本单元的结合方式。这些金字塔可以单独存在，也可以形成称为环的连接圆圈，可以连接成单链和双链，可以形成大型平坦的金字塔片，或者可以三维地连接在一起。
长石和石英是两种最常见的硅酸盐矿物。绿柱石是一种硅酸盐矿物，由四面体形成环状结构。祖母绿宝石是一种绿柱石，由于化学杂质而呈现绿色。黑云母是一种云母，也是另一种硅酸盐矿物，可以被分解成薄而灵活的片状结构。比较图 3.7 中的绿柱石和黑云母。
自然元素是指仅包含一种元素原子的矿物。这些元素没有与其他元素结合。在自然界中，大多数元素与其他元素结合形成化合物。因此，自然元素矿物种类包含相对较少的矿物。该种类中的一些矿物非常稀有且珍贵。金、银、硫和金刚石是自然元素的例子。
从“碳酸盐”这个名称，您会猜测碳酸盐矿物含有什么？如果您猜到是碳，那就对了！更准确地说，所有碳酸盐都包含一个碳原子与三个氧原子相结合。碳酸盐可能包括其他元素，例如钙、铁和铜。
碳酸盐矿物通常存在于古代海洋曾经覆盖陆地的区域。一些碳酸盐矿物非常常见。方解石就是这样一种矿物。方解石含有钙、碳和氧。您是否曾经去过石灰岩洞穴或见过大理石瓷砖？方解石存在于石灰岩和大理石中。蓝铜矿和孔雀石也是碳酸盐矿物，但它们含有铜而不是钙。它们不像方解石那样常见，正如您在图 3.8 中看到的，它们非常鲜艳。
卤化物矿物是盐，当盐水蒸发时会形成。这种矿物种类不仅包括食盐。它还包括含有氟、氯、溴或碘的矿物。这些元素与金属元素结合。岩盐是一种卤化物矿物，含有氯和钠元素。萤石是另一种类型的卤化物，含有氟和钙。萤石可以存在于多种颜色中。如果您将紫外线照射在一些萤石样本上，它们会发出荧光！
地球地壳中含有大量的氧气，它与许多其他元素结合。氧化物是指含有与氧气结合的一种或两种金属元素的矿物。氧化物与硅酸盐不同，因为氧化物不含硅。许多重要的金属以氧化物的形式存在。例如，赤铁矿和磁铁矿都是含有铁的氧化物。赤铁矿 (Fe2O3) 的铁原子与氧原子之比为 2:3。磁铁矿 (Fe3O4) 的铁原子与氧原子之比为 3:4。您可能已经注意到，磁铁矿这个词包含磁铁这个词。磁铁矿是一种磁性矿物。
磷酸盐具有与硅酸盐相似的四面体基本单元。但磷酸盐中不是硅，而是磷、砷或钒原子与氧原子相结合。虽然这种种类中有很多矿物，但大多数矿物都很稀有。这些矿物的化学成分往往比其他一些矿物种类更复杂。绿松石是一种磷酸盐矿物，含有铜、铝和磷。它很稀有，被用来制作珠宝。
硫酸盐矿物含有硫原子与氧原子相结合。与卤化物一样，它们可以在盐水蒸发的地方形成。许多矿物属于硫酸盐种类，但只有少数常见的硫酸盐矿物。石膏是一种常见的硫酸盐矿物，含有钙、硫酸盐和水。石膏以各种形式存在。例如，它可以是粉红色的，看起来像花瓣。然而，它也可以长成非常大的白色晶体。人们发现了 11 米长的石膏晶体，大约和一辆校车一样长！石膏还形成了新墨西哥州白沙国家纪念碑的白色沙滩，如图 3.11 所示。
硫化物含有与硫结合的金属元素。与硫酸盐不同，硫化物不含氧。黄铁矿是一种常见的硫化物矿物，含有铁与硫结合。黄铁矿也被称为愚人金。淘金者会误将黄铁矿当作金子，因为这两种矿物看起来很像。
- 要成为矿物，一种物质必须是天然存在的、无机的、结晶固体，具有特定的化学成分和晶体结构。
- 矿物中的原子以规则、重复的模式排列，可以用来识别矿物。
- 矿物根据其化学成分分为不同的组。
- 什么是晶体？
- 所有硅酸盐矿物都包含哪些元素？
- 黑曜石是一种玻璃，当熔岩冷却得很快，以至于原子没有机会排列成晶体时形成。黑曜石是晶体吗？解释你的推理。
- 八大主要矿物组是什么？
- 一个矿物样本的铁原子与氧原子比例为 2:3。另一个样本的铁原子与氧原子比例为 3:4。解释一下这两个矿物样本是否是由相同的化合物组成的。
- 原生元素矿物组与所有其他矿物组有何不同？
- 你和你朋友一起去自然历史博物馆参观。在参观过程中，你的朋友看到了两种颜色相似的矿物。一种矿物包含锌、碳和氧元素。另一种矿物包含锌、硅、氧和氢元素。你的朋友告诉你这两种矿物属于同一矿物组。你同意你的朋友吗？解释你的推理。
- 化合物
- 两种或多种元素的原子键合在一起形成的物质。
- 晶体
- 所有原子都以规则、重复的模式排列的固体。
- 元素
- 所有原子都具有相同质子数的物质。
- 矿物
- 天然存在的、无机的、结晶固体，具有特定的化学成分。
- 矿物学家
- 研究矿物的科学家。
- 硅酸盐
- 包含硅原子与氧原子键合的矿物。
- 科学家可以制造钻石。他们制造的钻石被称为合成钻石。解释一下你是否认为合成钻石是矿物。
- 艺术家过去常常将蓝铜矿研磨成粉末，用来制造彩色颜料。研磨成粉末的蓝铜矿仍然是结晶的吗？
- 如何区分两种不同的矿物？