自然史 · 第一章 自然元素礦物

礦物是地球提供給人類的它所蘊藏的資源，正是有了這些大自然的饋贈，人類才得以繁衍生息。礦物是天然生成的，是游離的元素或者化合物，也是構成地殼中岩石的最小單位。礦物通常是通過無機作用構成的均勻固體，礦物的晶體結構和化學組成都是相對穩定的，可以在特定的物理環境中穩定存在。 礦物資源被利用的程度標誌著各個時代科技與文明發展的水平。 自然元素礦物是指沒有與其他元素結合的單質礦物，主要分為如金、銀、銅等的金屬元素，如砷、銻的半金屬元素及如碳、硫等的非金屬元素三大類。金屬元素具有密度大、柔軟且可延展、不透明等特點，常常以不規則的樹脂狀和纖維狀產出；半金屬元素的特點則是導電性較差，常常以塊狀產出；非金屬元素是絕緣體，常形成晶體結構，呈透明或者半透明狀。 第一節 金、銀、銅、鉑 自然金主要產於高溫或者中溫溶液形成的石英脈中，或產於與火山熱液作用相關的中溫、低溫熱液形成的礦床中，它們往往與石英、硫化物結合在一起。此外，沒有凝固起來的砂積礦床和吵岩中也含有自然金，甚至河床中也會發現顆粒狀或者塊狀的沙金。 自然金通常以樹枝狀、粒狀或鱗片狀產出，偶爾也會出現不規則的大塊體。它的晶體形態以八面體為主，其次是菱形十二面體，偶爾會出現立方體，但不常見。顏色呈金黃色，有著一定的光澤。隨著含銀量的增加而漸變成淡黃色。 世界上著名的自然金產地是南非的維特瓦特斯蘭、美國的加利福尼亞和阿拉斯加、澳大利亞的新南威爾斯、加拿大的安大略以及俄羅斯的烏拉爾和西伯利亞等地。 自然銀通常形成於熱液礦脈中，它們與金等含銀礦物以及金屬硫化物共同存在於礦床的氧化帶中。銀多為不規則的纖維狀、樹枝狀和塊狀聚集在一起的集合體，有時呈平行帶狀。銀的完整單晶體非常少見；銀的新鮮斷口呈銀白色，但表面常呈灰黑的錆色和條痕銀白色。銀具有很好的延展性、導電性和導熱性，熔點較低，若暴露於硫化氫蒸氣中，就會失去光澤。墨西哥和挪威是世界著名的銀產地。 自然銅是各種地質作用過程還原條件下的產物，常見於原生熱液礦床、含銅硫化物礦床氧化帶下部及砂岩銅礦床中。通常含有微量的鐵、銀、金等元素，最常見的是片狀、塊狀、板狀和樹枝狀聚集在一起的集合體。銅的晶體主要是等軸晶系，但完整的晶體極為少見。在對自然銅的質量進行鑑定時，重要的標準是顏色。自然銅的新鮮切面的顏色是銅紅色或者淺玫瑰色，而氧化之後的顏色是褐黑色或者綠色。 銅有著非常好的導電性、導熱性和延展性，主要包含在金屬礦脈中的沉積岩和火成岩的接觸帶，也見於變質岩中。美國的蘇必利爾湖南岸、俄羅斯的圖林斯克以及義大利的蒙特卡蒂尼等地區都是世界著名的自然銅產地。 自然鉑生成於與基性、超基性岩有關的岩漿礦床，如銅鎳硫化物的礦床中，砂礦中也會形成。鉑的顏色呈銀灰色或者白色，條痕則為鋼灰色，具有一定的金屬光澤；鉑具有延展性，微帶磁性；鉑的晶體形狀是立方體，但很少見，最常見的是不規則的細小顆粒末狀、粉狀、葡萄狀聚集在一起的集合體。 鉑具有高度的化學穩定性，熔點高而難以熔化，因此常常被當作高級化學器皿的製造原料，或者與鎳等物質製成特種合金。世界上著名的鉑的產地是加拿大、美國和俄羅斯的烏拉爾等地。 第二節 砷和銻 自然砷通常與銀、鈷、鎳等物質共生於炙熱的礦脈中，最常以粒狀、葡萄狀或鍾乳狀聚合在一起的集合體產出，偶爾會形成棱面體晶體。氧化之後的砷呈深灰色至黑色、灰色或白色，不透明、脆性，有金屬光澤，有毒，剛受熱或者被敲打時，會散發出像大蒜一樣的味道。 砷可消除因鐵雜質而造成的玻璃綠色，因而經常被用於玻璃製造；在古代，砷多被用來製作毒藥和殺蟲劑；在電子行業，用砷製成的計算機晶片，性能比矽晶片更為優越。歐洲、美國、日本和哥倫比亞不列顛省的奧德爾等地都是世界知名的砷產地。 自然銻通常與砷、銀、方鐵礦、黃鐵礦等物質共生於炙熱的礦脈中，銻的主要晶體形狀很難見到，是假立方體。最常見的銻是鍾乳狀、塊狀、放射狀聚集在一起的集合體，顏色呈鉛灰色，略帶一點藍色；條痕則呈黑色，不透明，具金屬光澤。自然銻常與其他金屬進行混合，以保證金屬在溫度發生變化時體積不會變化；銻還可用於煙花爆竹、火柴頭、點火工具等製作中；也可用作醫藥研究或有色玻璃的燃料。銻的主要生產地是法國、芬蘭、澳大利亞、南非和德國的黑森林等地。 第三節 硫、金剛石和石墨 自然硫的晶體通常情況下呈菱方雙錐形或者是厚板狀、塊狀、粒狀、條帶狀、球狀、鍾乳狀等聚集在一起的集合體，硫的顏色為檸檬黃，也有一些是蜜黃或黃棕色；斷口處的油脂光澤；性脆，透明狀或半透明狀。 自然硫產於火山岩、沉積岩及硫化礦床分化帶和溫泉周圍，經常與方解石、白雲石、石英等礦物組合產出。自然硫的成分不純淨，一般夾有黏土、有機質、瀝青和機械混入物等，且不導電，但在摩擦時有負電產生。自然硫的形成有著不同的途徑，最主要的是由生物化學作用形成的沉積硫礦床和火山成因的自然礦床。自然硫的主要作用是製作硫酸，還被廣泛應用在造紙、紡織製造和化肥等方面。 金剛石常常產於超基性岩的角礫雲母橄欖岩中，晶體的形狀通常呈立方體、四面體、八面體和十二面體，並帶有彎曲的晶面。金剛石的晶體結構模型是：每個碳原子都被四個相鄰的碳原子所包圍，而且處在這四個碳原子的中心位置，通過共價鍵和碳原子結合在一起，構成了彼此連在一起的立體網狀晶體。金剛石以帶放射結構的圓形塊體和微晶塊體產出，顏色多樣，如白、灰、黃、紅、藍等，正因為這些絢爛的色彩，令金剛石成為價值昂貴的寶石。又由於金剛石非常堅硬，因此常常用於工業切割，比如我們常用的玻璃刀就是用金剛石製成的。 金剛石和石墨的化學成分都是碳元素構成的，稱為「同素異性體」，但它們在特性上卻有著非常大的區別：金剛石是已知的最硬的物質，而石墨是最軟的物質之一。石墨是碳質元素結晶礦物，它的結晶體是六邊形的層狀結構，常常以塊狀、葉片狀、粒狀的集合體產出。 石墨質地非常軟，顏色呈黑灰色，在隔絕氧氣的情況下，熔點超過了3000 度，因此它的耐高溫性很強。此外，石墨有著非常好的導電性和導熱性。自然界中，基本不存在純淨的石墨，它們往往夾雜著水、瀝青等物質。石墨的工藝特徵主要取決於它的結晶形態，所以根據不同結晶形態，天然石墨被分為三類，第一類是緻密結晶狀石墨，第二類是鱗片石墨，第三類是隱晶質石墨。石墨被廣泛運用到工業上，主要用來製作冶煉用的高溫坩堝、機械工業的潤滑劑，還可以用作冶金工業中的耐火材料和塗料、軍事工業中的火工材料安定劑，以及輕工業中的鉛筆芯、電氣工業中的碳刷、電池工業中的電極、化肥工業中的催化劑等。