第二节 矿物

关键术语：矿物；晶质体；自然产物；矿物性质

地壳主要由岩石组成，而岩石是矿物的天然集合体。地壳是由大约3000种矿物组成的。矿物在形成岩石和塑造地表形态的过程中扮演了重要角色。矿物也与人类文明有着密切关系。例如，建成大金字塔的200万块石灰石的主要矿物就是方解石（CaCO3），这也是建造希腊帕特农神庙的大理石的主要矿物。

科学事实与教学问题

矿物的元素成分是基本固定的，一般都用化学式来表示。如橄榄石，化学式为（Mg, Fe）2[SiO4]，其中“（Mg, Fe）”的含义是两种金属离子的比例可以在很大范围内变化。组成地壳的矿物包括单质矿物与化合物矿物，如金（Au）、硫（S）、方解石（CaCO3）、石英（SiO2）、钾长石（K2[AlSi3O8]2）等。

那么，煤矿是不是矿物呢？人造钻石又是什么？矿物有什么特征呢？

科学模型

矿物模型 矿物是地壳中各种地质作用的产物，是地壳中自然元素所形成的自然单质和化合物。矿物在地壳中的分布是很广泛的，如海水中的食盐，砂中的金，花岗岩中的石英、长石和云母以及通过冶炼提取Fe、Cu、Ph、Zn的磁铁矿、黄铜矿、方铅矿和闪锌矿等，都是矿物。

绝大部分矿物是晶质体。晶质体，就是离子、离子团或原子按一定的规则重复排列而成的固体。具有规则几何外形的晶质体叫作晶体。自然界中单质矿物为数极少，而化合物构成的矿物则占绝大多数。大部分矿物为晶质固体，有规则的几何外形，不同的晶体矿物其晶体几何形态也不同，也有一些晶体矿物，即使组成成分相同，其外形也不一定相同，如金刚石与石墨，如图3-2-1所示。有少数矿物呈非晶质体结构。如天然沥青、火山玻璃等，这些矿物没有规则的几何外形。亦有少数矿物呈液态和气态，如汞、天然气。

模型解释

地壳中的矿物，是在各种地质作用中形成的、在一定地质和物理化学条件下相对稳定的自然元素的单质和化合物。矿物的成分单纯，结构比较稳定，具有一定的物理性质和化学性质。矿物是岩石和矿石的基本组成单位。

矿物可以呈固态（如磁铁矿、黄铜矿、方解石等）、液态（如自然汞等）、气态（如火山喷气中的CO2、SO2等）或胶态（如蛋白石等）。在实验室条件下制造的人工化合物（如人造金刚石、人造水晶等），称人造矿物，不属于地质学中矿物的范畴。

1．矿物的性质

在科学发展史上，矿物的定义曾经多次演变。但是，按现代科学对矿物概念的界定，矿物通常有以下几点要素。

（1）矿物首先必须是自然产物，经过人工加工的物质就不是矿物。因此，如人造金刚石、人造水晶等人工制备的物体，就不能称为矿物。而食盐就是矿物，因为食盐是在一定的自然条件下（如内陆湖泊在干燥气候条件下蒸发沉淀）形成的。

（2）矿物必须是无机物。因此，煤矿就不是矿物。

（3）矿物具有相对固定的化学成分和性质，并且大部分是固态的，也有的是液态的或气态的。但是，一般来说，液态或气态不会被看作矿物。

（4）矿物有一定的晶体结构。矿物中的原子以规则的几何图形排列，并且这种排列是重复的。晶体是其中的原子按照重复的样式排列的固体。有时候，矿物形成于裸露的地表，并且形成巨大的晶体。

根据以上特征，矿物的定义可以被概括为：矿物是在各种地质作用下形成的、具有相对固定化学成分和物理性质的均质物体。随着科学技术的发展，人们对矿物的认识范围进一步扩大，现在人们认识到的矿物包括地球内层及宇宙空间所形成的自然产物。如组成陨石、月球岩石和其他天体的矿物，被称为陨石矿物、月岩矿物，统称为宇宙矿物。

2．矿物的形成

矿物的结晶过程是在—定介质、一定温度、一定压强等条件下，物质的质点（如离子、原子、原子团等）有规律排列的过程。由于质点规则排列，晶体内部具有一定的晶体构造，称为晶体格架。如食盐晶体格架就是一定质点在三维空间所形成的无数相等的六面体紧密相邻和互相平行排列的空间格子构造。在矿物结晶过程中，如果在适当的环境里，例如有使晶质体生长的足够空间，则晶质体往往表现为一定的几何外形，这种具有良好几何外形的晶质体，通称为晶体。

气体升华、液体或熔融体直接结晶、胶体凝固及固体再结晶作用是自然界矿物形成的四种主要方式。岩浆冷却后会形成矿物，快速冷却的岩浆形成小型晶体，而缓慢冷却的岩浆形成大型晶体。溶液结晶也会形成矿物。如果溶液中的液体不断蒸发，其中有的物质就会留下并开始排列成晶体。比如，食盐就是盐溶液中的水分蒸发而结晶得到的。

非晶质体没有一定的内部构造和几何形态。液体矿物、气体矿物及某些固体如玻璃、琥珀、松香和凝固的胶体等，都属于非晶质体。晶质体与非晶质体在一定条件下可以互相转化。温度、压强等条件变化，可使一种晶质体变成另一种晶质体，比如石墨在高温高压下内部结构发生变化，可以转化为金刚石。也有的晶质体会变成非晶质体，这种现象称为非晶质化，其物理性质和化学性质也发生变化。

模型应用

鉴别矿物 矿物的形态、光学性质与力学性质，既是矿物的特征，也是鉴别矿物的主要依据。

矿物单体形态有单向的柱状或针状，两向延伸的板状和片状，三向等长的立方体、八面体等；集合体形态有纤维状、毛发状、鳞片状、粒状和块状。

矿物光学性质包括透明度、光泽、颜色及条痕。一些矿物具有独特的性质，比如，一种叫作冰洲石的方解石，单束穿过该矿物的光会向两个方向弯曲。单束光折射后分向两个方向，这一过程叫作双折射。双折射也是锆石的特性之一。

矿物的力学性质包括硬度、解理、断口、弹性等。通常采用摩氏硬度计，分10级测定矿物的相对硬度。

矿物的物质特性包括密度、熔点、凝固点、燃点、沸点、比热等。

矿物也具有一定的化学性质。比如方解石遇到盐酸（HCl）时会发出嘶嘶的响声，这是因为两者发生化学反应产生了CO2气体。

某些矿物还具有一些特殊的性质。如磁铁矿具有天然的铁磁性；用闪锌矿用力擦过条痕板时会产生臭鸡蛋味，这个怪味是由矿物中的硫化物引起的。

实验活动3-2-1

如何识别矿物

● 实验目的

对未知矿物进行测试，确定它们的物理和化学性质。给矿物制作图鉴。

● 实验器材

滑石，石膏，方解石，萤石，石英，赤铁矿，铜矿，大理石，铅笔，玻璃盘，凸透镜，条痕板，5%的盐酸（HCl），滴管，铁钉，铜片，磁铁，莫氏硬度表。

● 实验步骤

1．首先观察各种矿物，做出猜想。

2．针对猜想设计实验方案。

3．对每种矿物的每个性质进行多次的实验。

● 问题与实验

1．用什么实验来区分赤铁矿和铜？如何操作？

2．如何区分铜和方铅矿？

3．如果两种矿物有相同的硬度和条痕颜色，通过什么方法来区分它们？

4．为什么黄金和黄铁矿可以留下条痕，而石英却不可以呢？

5．如果打碎石英，其破裂面会和云母、盐岩一样吗？

6．通过观察颜色和对磁铁的反应，区分磁铁矿与赤铁矿。

7．现有滑石、石膏、方解石、萤石和石英等几种常见矿物，你如何将它们快速地区别开来？