第四章地球矿物资源的开发和利用

矿物的定义

矿物是天然形成的、具有固定化学成分和晶体结构的固态无机物。

特点：

天然形成：矿物是在地球表面或内部自然形成的，不受人为影响。

岩石的组成部分：矿物是构成岩石的主要成分。

无机物：矿物均为无机物质。

固定的化学成分：矿物的元素组成和含量是固定不变的。

晶体结构：矿物中的粒子以特定方式排列，形成晶体。

例子：

石英晶体：由1个硅原子和2个氧原子组成，化学式为SiO₂。

矿物在地壳中的存在形式

地壳中矿物的主要元素

地壳中常见的元素包括氧（O）、硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）、钙（Ca）、钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）等。

硅和氧是地壳中最丰富的元素，构成了大部分矿物。

矿物的存在形式

单质形式

定义：某些化学性质不活泼的金属元素不易与其他元素结合，通常以单质形式存在。

例子：金（Au）、银（Ag）、金刚石（C）。

化合物形式

定义：大部分矿物是由多种元素组成的化合物。

例子：

石英（SiO₂）。

长石（KAlSi₃O₈、NaAlSi₃O₈、CaAl₂Si₂O₈）。

花岗岩（由石英、长石和云母组成）。

矿物的主要特性

特性	解释
天然性	矿物是在地球表面或内部自然形成的，过程不受人为影响。
无机性	矿物均为无机物，不含有机成分。
固定化学成分	矿物的化学成分和元素含量固定不变，例如石英的化学式为SiO₂。
晶体结构	矿物中的粒子以特定方式排列，形成晶体，例如金刚石的晶体结构非常致密。
主要组成成分	矿物是岩石的主要组成部分，例如花岗岩中含有石英和长石等矿物。

总结

矿物的定义：矿物是天然形成的无机固体，具有固定的化学成分和晶体结构。

矿物的存在形式：

单质形式：化学性质不活泼的元素（如金、银、金刚石）。

化合物形式：大部分矿物是化合物，如石英（SiO₂）、长石等。

地壳中矿物的主要元素：氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁等，其中硅和氧最为丰富，构成了大量矿物。

矿物的鉴别依据

每种矿物都有特定的物理性质和化学性质，可以通过以下方法进行鉴别：

颜色

光泽

密度

解理

硬度

矿物鉴别的具体方法

颜色鉴别

特点：矿物的颜色是一种直观的鉴别方法。某些矿物具有特定颜色，容易识别。

例子：蓝铜矿呈蓝色，易于辨认。

局限性：颜色不能完全作为鉴别依据，因为不同矿物可能具有相似的颜色。

例如：黄铁矿（FeS₂）和黄金矿都呈金黄色。

光泽鉴别

特点：矿物表面对光的反射性质称为光泽。金属矿物通常具有金属光泽，非金属矿物可能具有玻璃光泽等。

分类：

金属光泽：含有金属的矿物常会闪闪发光。例子：方铅矿（含铅）具有金属光泽。

非金属光泽：玻璃光泽是常见的非金属光泽。例子：石英晶体具有玻璃光泽。

密度鉴别

方法：可通过在无釉瓷板上擦过矿物，观察留下条痕的颜色和密度。

特点：密度高的矿物通常会留下深颜色的条痕。

例如：方铅矿的条痕为黑灰色。

解理鉴别

定义：矿物在受力后沿一定方向破裂，产生光滑的表面，这种特性称为解理。

若矿物破裂表面凹凸不平，则称为断口。

具有解理的矿物：例子：云母石是一种完全解理的矿物。

具有断口的矿物：例子：石英是一种具有断口的矿物。

硬度鉴别

方法：利用划痕法，比较矿物之间的硬度。硬度较高的矿物可以在硬度较低的矿物上划出刻痕。

工具：摩氏硬度表（由德国矿物学家腓特烈·摩斯提出）：将矿物按相对硬度分为10级。

等级	矿物
1	滑石
2	石膏
3	方解石
4	萤石
5	磷灰石
6	正长石
7	石英（如水晶）
8	黄玉
9	刚玉（红宝石、蓝宝石）
10	金刚石（钻石）

常见矿物及其鉴定特征

方铅矿：铅灰色，具有金属光泽，硬度较低，条痕为黑灰色，具有解理。

闪锌矿：颜色随含铁量变化，条痕颜色较浅，具有完全的菱形十二面体解理。

铝土矿：颜色随氧化铁含量变化，外观类似粘土岩，但硬度高、密度大。

方解石：通常为无色或乳白色，菱面体完全解理，加稀盐酸会剧烈起泡。

不同矿物鉴别方法

鉴别方法	特点	例子
颜色	某些矿物具有特定颜色，但需注意颜色相似的问题。	蓝铜矿（蓝色）、黄铁矿（金色）
光泽	金属光泽（如方铅矿）或非金属光泽（如石英的玻璃光泽）。	方铅矿（金属光泽）、石英（玻璃光泽）
密度	高密度矿物擦过无釉瓷板会留下深色条痕。	方铅矿（黑灰色条痕）
解理	矿物沿一定方向破裂形成光滑表面，或断裂表面凹凸不平。	云母（解理）、石英（断口）
硬度	利用摩氏硬度表，通过划痕法比较矿物硬度。	石英（硬度7）、金刚石（硬度10）

硅的化合物概述

硅的化合物是地壳中最重要的组成部分，主要包括：

硅的氧化物（如二氧化硅）

硅酸盐

硅的氧化物和硅酸盐构成了地壳中90%以上的岩石、沙子和土壤。

二氧化硅（SiO₂）

二氧化硅的两种形式

结晶二氧化硅：例子：石英、水晶、玛瑙等。

无定形二氧化硅：主要存在于硅藻土中，由单细胞生物硅藻的遗体组成。

二氧化硅的化学性质

化学性质不活泼：不与水反应，不与一般酸反应（如盐酸、硝酸等），但能与氢氟酸（HF）作用，耐腐蚀性强。

物理特性：熔点高、沸点高、硬度大。

二氧化硅的用途

结晶二氧化硅：

石英坩埚：耐高温。

光学镜片：透明度高。

光导纤维：用于现代通信技术。

无定形二氧化硅（硅藻土）：

保温材料：质软、多孔、轻。

过滤材料：如工业过滤。

填充材料：如橡胶制品的填料。

壁材：建筑行业中使用。

二氧化硅与氢氧化钠溶液的反应

反应现象：常温下，二氧化硅与氢氧化钠溶液缓慢反应，生成具有黏性的硅酸钠。

注意事项：玻璃中含有二氧化硅，若盛放强碱溶液，不能用玻璃塞，以免玻璃塞与瓶口黏结。

硅酸盐

硅酸盐的特点

主要成分：硅酸盐是地壳岩石的主要成分，例如长石、云母、石英等。

制品：陶瓷和玻璃都是硅石（二氧化硅）和硅酸盐的制品。

硅酸盐的常见形式

砂粒：普通砂粒的主要成分是二氧化硅。

石英：纯净的二氧化硅称为石英，大而透明的石英晶体称为水晶，含有彩色环带或层状的石英称为玛瑙。

硅酸盐的用途

建筑材料：陶瓷、玻璃、砂粒等。

电子器件：二氧化硅可提炼出硅，制作优良的半导体原料。

例子：电子表、电脑、计算机、太阳能电池。

硅化合物的性质与用途

类别	性质	用途
结晶二氧化硅	化学性质不活泼，不溶于水，不与一般酸反应，耐腐蚀，熔点高、硬度大。	石英坩埚、光学镜片、光导纤维等。
无定形二氧化硅	主要存在于硅藻土中，质软、多孔、轻。	保温材料、过滤材料、填充材料、壁材等。
二氧化硅与碱	与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠，玻璃中含二氧化硅与强碱溶液接触可能黏结。	注意防止玻璃瓶口与玻璃塞黏结。
硅酸盐	地壳岩石的主要成分，二氧化硅是普通砂粒的主要成分，纯净二氧化硅称为石英，大型晶体称为水晶。	制作陶瓷、玻璃，提炼硅制作半导体（如电子表、电脑、太阳能电池）。

石灰石（碳酸钙，CaCO₃）

石灰石的来源

石灰石是由珊瑚和贝壳动物经过千百年的地质作用形成的。石灰石经过高温高压的地质作用，可转变为大理石。

石灰石的主要成分

碳酸钙（CaCO₃）是石灰石的主要成分。

石灰石的用途

建筑材料：

混凝土：由水泥、砂、石砾和水混合而成，是建筑的主要原料。

水泥：石灰石与粘土混合煅烧，加入少量石膏，磨成细粉制成。

石灰乳：熟石灰加水形成的悬浊液，用于粉刷墙壁。

大理石：经过高温高压形成，坚硬、美观，用于建筑装饰。

其他：石灰石是制造生石灰和熟石灰的原料。

生石灰（氧化钙，CaO）

生石灰的制备

石灰石在高温下分解生成生石灰：

CaCO₃ → 加热 → CaO + CO₂

生石灰的性质

化学名称：氧化钙（CaO）。

性质：能吸收水分，具有干燥作用；与水反应生成大量热能。

生石灰的用途

干燥剂：可用来干燥氨气等气体。

生产电石（碳化钙，CaC₂）：生石灰与煤炭混合加热，生成电石。

电石用途：生产有机化工原料；与水反应生成乙炔气（C₂H₂），用于点灯或焊接。

熟石灰（氢氧化钙，Ca(OH)₂）

熟石灰的制备

生石灰与水反应生成熟石灰：

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

熟石灰的性质

化学名称：氢氧化钙（Ca(OH)₂）。

形态：加水形成悬浊液称为石灰乳；过滤后得到透明溶液，称为石灰水。

熟石灰的用途

建筑材料：熟石灰与空气中的二氧化碳反应生成坚硬的碳酸钙，牢牢粘合砖、碎石和沙子。

农业用途：

石灰浆：保护树木免受冻伤和害虫侵害。

波尔多液：熟石灰与胆矾混合，具有杀菌作用，可用作农药。

检验二氧化碳：石灰水遇二氧化碳会变浑浊。

石灰石与硅酸盐的对比

类别	主要成分	性质	用途
石灰石	碳酸钙（CaCO₃）	不溶于水，高温分解生成氧化钙与二氧化碳。	制备生石灰、熟石灰，建筑材料（混凝土、大理石）。
生石灰	氧化钙（CaO）	与水反应生成熟石灰，能吸收水分作干燥剂，与煤炭加热生成电石。	干燥剂、生产电石、建筑材料。
熟石灰	氢氧化钙（Ca(OH)₂）	与二氧化碳反应生成碳酸钙，形成坚硬结构，可用作检验二氧化碳。	建筑材料（石灰水、石灰乳）、杀菌农药（波尔多液）、树木保护剂。

矿物资源的主要用途

宝石

用途：用于制造首饰和装饰品。

特点：颜色鲜艳、透明度高、硬度大、美观稀有。

金属

用途：

拉成电线：如铜，用于电力传输。

制成金属板：如铁、铝，用于建筑和工业设备。

滑石

用途：用于制造药片和胶囊，具有润滑效果，常用于化妆品和工业润滑剂。

石晶

用途：用作显微镜的棱镜，因其透明度高和光学性能稳定。

石英

用途：

制造玻璃。

用于电子设备（如计算机芯片）。

制作手表中的振荡器。

矿物中提炼金属

提炼金属的基本原理

从矿物中提炼金属通常通过化学反应或电解方法，将金属从矿物中分离出来。

化学反应法

常用方法：使用碳与金属氧化物在高温下反应。

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂

工业冶炼方法

高炉炼铁：

铁矿石、焦炭和石灰石加入高炉。

焦炭与氧气反应生成一氧化碳，一氧化碳与氧化铁反应生成铁。

电解法：利用电流将金属离子还原为金属单质，用于提炼高纯度金属（如铝、铜等）。

总结

矿物资源	主要用途	提炼方法
宝石	制造首饰和装饰品。	无需提炼，直接加工。
金属	制造电线、金属板，用于建筑和工业设备。	化学反应法或电解法。
滑石	制造药片、胶囊，润滑剂，化妆品。	无需提炼，直接加工。
石晶	显微镜棱镜，光学仪器。	无需提炼，直接加工。
石英	制造玻璃、电子设备、手表。	无需提炼，直接加工。
铁矿石	提炼铁，用于建筑、机械制造等。	高炉法。
铝土矿	提炼铝，用于航空、交通工具、电子设备等。	电解法。

第四章 地球矿物资源的开发和利用