地球中的元素

第一节、地球中的元素第二节、自然界中的矿物第三节、矿物晶体结构─矿物的DNA第四节、岩石的科学与情趣地球是一个特殊的物理化学体系元素－矿物－岩石第一节地球中的元素宇宙中的元素是通过热核聚变反应，经历了从简单到复杂的形成演化过程的。物质复杂多样地球上多种多样的物质，都是从基本粒子聚变而成氢开始的,然后是四个氢合成一个氦，氦再进一步合成其它元素约在150亿年前的大爆炸以后50—100万年时，从轻元素到重元素，现今所有的元素就已逐渐形成两千多年前中国李耳“道生一，一生二，二生三，三生万物”的哲学思想美国化学家克拉克(F.W.Clarke,1847-1931)·根据大陆地壳中(地下16Km以内)的5159个岩石、矿物、土壤和天然水的样品分析数据，于1889年第一次算出元素在地壳中的平均含量数值(平均质量百分比)，即元素的丰度。·为了纪念这个创举，命名为克拉克值。·克拉克值：某一种元素在地壳中的平均重量百分含量地壳中各元素的丰度·氧(45.2%）,硅(27.2%)·铝(8%),铁(5.8%),钙(5.06%)·镁(2.77%),钠(2.32%),钾(1.68%)·钛(0.68%),氢(0.14%),锰(0.10%),磷(0.10%)·其它所有元素(0.95%)地壳中其它重要元素·10-5:Cu5.5,Pb1.25,Zn7,·Co2.5,Ni7.5·10-6(g/t):W1.5,Sn2,U2.7,·Mo1.5,As1.8·10-7:Sb2·10-8:Ag7,Au4·10-9:Pt5整个地球的物质（按重量计算）各元素的丰度·铁近34.6%，氧为29.5%·硅为15.2%，镁为12.7%·镍为2.4%，硫为1.9%，·钙和铝为2.2%·其它所有元素共占1.5%·地核：大部分以金属状态存在的铁和镍·地壳和地幔：大部分是氧和硅、铝也较多·水圈：以氧和氢为主·生物圈：主要为碳、氢、氧和氮·大气圈：主要为氮、氧全球的质量近六十万亿亿吨(5.976×1027g)·几乎都集中在平均半径为6371km的固体地球内·以岩石和金属的形态出现,其平均密度为5.52g/cm3(即1立方厘米5.52克)。·大气、水和生物体的总质量不足0.1%。Top第二节自然界中的矿物矿物：天然形成的、具有一定化学成分、内部原子排列顺序和物理特征的元素单质和无机化合物。·矿物一般都有自己固有的形态，但在自然界产出时常不完整·只有部分矿物如水晶、金刚石、黄铁矿、方解石、黑云母、石棉等少数矿物易形成其固有的形态特征·矿物也有较大的形体，可以用肉眼及简单的试验方法辨认自然金孔雀石金刚石红宝石石英黄铁石矿物肉眼鉴定方法·颜色：对白光中不同波长光波吸收的结果，为吸收光的补色·条痕色：矿物粉末的颜色·透明度：透过可见光的能力·光泽：矿物表面的总光量·硬度：抵抗外来机械力（刻划、压入、研磨）的能力·比重：·磁性：·解理：矿物在外力作用下严格沿着一定的结晶方向破裂，并裂成光滑平面的性质孔雀石白云母方解石Top第三节矿物晶体结构─矿物的DNA·绝大部分矿物都是结晶体·德国物理家冯·劳埃(M.VonLaue,1879-1960)用X光观测晶体，发现不论晶体的外形如何，内部的原子、离子、分子都是有序的排列·这种质点的有序排列，就好像生物的基因物质──脱氧核糖核酸（DNA）一样矿物的各种特征·不仅与它的化学成分相关更受到晶体构造的控制矿物种数·从20世纪初的两千多种到20世纪90年代的五千多种矿物分类·自然元素矿物：如金，金刚石、石墨、硫磺，还有铜、银、汞等·卤化物矿物（F、Cl、Br、I化合物）：石盐、钾盐、萤石等·硫化物矿物：黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉钼矿、雄黄等·氧化物和氢氧化物矿物：如赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、锡石、铝土矿、软锰矿、硬锰矿、沥青铀矿、石英等。·含氧酸盐矿物：最重要的是下面三种：·硫酸盐矿物：有石膏、芒硝、重晶石等·碳酸盐矿物：如方解石、孔雀石·硅酸盐矿物：自然铂（Pt）（自然元素矿物）黄铁矿（FeS2）硫化物石膏（Ca(H2O)2［SO4］）（氢氧化物）奥长石（100－nNa［AlSi3O8］－nCa［AlSi2O8］）硅酸盐钾盐（KCl）（卤化物）锡石（SnO2）氧化物方解石（CaCO3）（含氧酸盐）硅酸盐矿物氧离子和硅离子结合的基础上，再与金属离子结合而成硅酸盐矿物石英（SiO2）硅酸盐矿物种类繁多，约占已知矿物种数的1/4，占地壳总重量的85%其中最常见的就是各类长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石等几种，它们广泛分布在地壳与地幔内。硅酸盐矿物的晶体结构黄玉（岛状硅酸盐）蔷薇辉石（链状硅酸盐）蛇纹石（层状硅酸盐）奥长石（架状硅酸盐）矿物的非晶质体：黑曜岩、珍珠岩、蛋白石由于仪器观测精度越来越高，过去许多以为是非晶质的矿物，其实是晶体微小的“隐晶质”原来被列为非晶质矿物的种数变得越来越少Top第四节岩石的科学与情趣·矿物总是集合成为岩石而产出的·岩石：自然状态下形成的，由一种或几种矿物有规律组合而成的矿物集合体·岩石是混合物岩石的成因·水成论－魏尔纳(A.G.Werner,1750-1815）·火成论－赫顿（J.Hutton,1726～1797）按岩石成因来进行科学分类地球上的岩石：·沉积岩主要来自地表的沉积物（很多沉积于水中），也称水成岩·岩浆岩是岩浆冷凝的产物，也叫火成岩·变质岩是原岩在固体状态下、经过一定的温度与压力的作用，有时还有新的成分加入，使其内部物质组成或结构发生了不同程度的变化古代中国的学者走的是另一条路·不是去探究岩石的成因和寻求合乎逻辑的分类，而是想从岩石的身上找出精神的价值。·将玉与普通的石头区别开来，并把它摆到崇高的位置，就是这种追求的表现。·将玉的色泽、晶莹、柔润、坚固，敲击时声音清纯绵长等特点，看作仁义道德和勇敢机智的体现。玉乃“石之美有五德者”，“君子必佩玉”。玉·古人不知道它是什么成分，经过现代技术手段测定，才知道玉不是矿物而是矿物的集合体，即岩石一类·大多为透闪石(Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2)或阳起石(Ca2(Mg,Fe)5[Si4O11]2(OH)2）一类，成纤维状，非常细微·商周两代最盛。商王后妇好的墓中挖出玉器755件。·武王灭商，“得佩玉亿有八万”即18万块之多。·欧洲人没有这些讲究，哥伦布带回印地安人用来治病的玉，这才有了Jade（玉）这个名词祖母绿(绿柱石)玉透雕三龙环型饰中国人不仅追求精神，也重视实用·四千多年前就会开采铜矿石、冶炼金属在两千多年前就知道把煤拿来当燃料将矿物岩石用于医药，更有独到之处。·总之，一句话，事情做了不少，但却从来没有人去探索其中的科学奥秘。贤哲们是不去做这些事的，他们醉心的仍是在天人合一的境界中去领略石头的情趣。爱因斯坦在1953年致斯威策(J.E.Switzer)的信中说过：·“西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础，那就是：希腊哲学家发明形式逻辑体系（在欧几里得几何学中）以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系（在文艺复兴时期）。在我看来，中国的贤哲没有走上这两步，那是不用惊奇的，令人惊奇的倒是这些发现（在中国）全都做出来了。”主要概念·克拉克值·矿物·岩石·地球地壳中的主要元素总结与思考1．地球和地壳中丰度最高的前10种元素是那些？为什么存在如此大的差异？2．矿物和岩石有何区别？3．如何用肉眼来鉴定矿物？Topback