岩石和矿物：来自地壳的宝藏
各位小科学家，你好！戒指上的金和商场的大理石地板，都来自岩石。你将学习如何从岩石中获取金属、酸怎样腐蚀金属和岩石、焰色怎样揭示金属，以及雨水和酸雨怎样改变我们的地球。标示为延展部分的内容是选学的挑战。
1. 岩石、矿物和矿石
矿物是天然存在、具有固定化学成分的固体，例如石英或方解石（碳酸钙）。岩石由一种或多种矿物组成，就像一个水果蛋糕，里面有坚果和葡萄干。香港常见的花岗岩，就是石英、长石和云母的混合物。
矿石：值得开采的岩石
矿石是含有足够金属（通常以化合物形式存在）、值得开采和提取的岩石，例如赤铁矿（氧化铁）、铝土矿（氧化铝）和绿色的孔雀石（碳酸铜）。
以单质或化合物形式存在的金属
少数很不活泼的金属，例如金、银，有时还有铜，在自然界中以单质（纯元素）的形式存在，常见的是闪亮的金属块。它们几乎不与空气或水反应。
大部分金属，例如铁、铝和锌，比较活泼。它们早已与氧、硫或其他元素结合，因此在矿石中以化合物的形式存在。我们需要利用化学反应把金属提取出来。（有关金属的性质和合金，请参阅“金属”一章。）
重点总结：岩石由矿物组成。金和银可以单质形式存在，但大部分金属都以化合物形式“锁”在矿石中。
2. 从矿石中提取金属
提取是指从矿石中获得金属。采用哪种方法，取决于金属的活动性。
方法一：物理方法——淘金
金本身已是单质，所以只需把它从沙中分离出来。淘金时，把河中的砂石和水放在浅盘中旋动。密度大的金沉到盘底，较轻的沙则随水从盘边流走。
你知道吗？在19世纪50年代，很多中国人远赴美国加州淘金，这就是“旧金山”这个中文名字的由来！
方法二：单独加热
一些不活泼金属的氧化物，单独加热就会分解。放出的氧气能使带火星的木条复燃。
\(\text{氧化银} \rightarrow \text{银} + \text{氧气}\)
\(2\text{Ag}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Ag} + \text{O}_2\)
\(\text{氧化汞} \rightarrow \text{汞} + \text{氧气}\)
\(2\text{HgO} \rightarrow 2\text{Hg} + \text{O}_2\)
汞蒸气有毒，所以学校通常用视频演示这个反应。
方法三：与碳共热
碳能从活动性中等的金属的氧化物中“抢走”氧。把黑色的氧化铜与碳粉一起强热，就会生成红褐色的铜。
\(\text{氧化铜} + \text{碳} \rightarrow \text{铜} + \text{二氧化碳}\)
\(2\text{CuO} + \text{C} \rightarrow 2\text{Cu} + \text{CO}_2\)
\(\text{氧化铅} + \text{碳} \rightarrow \text{铅} + \text{二氧化碳}\)
\(2\text{PbO} + \text{C} \rightarrow 2\text{Pb} + \text{CO}_2\)
铁也是在高炉中把铁矿石与碳共热而炼成的。
写出配平的化学方程式
先写出文字表达式，再把名称改为化学式，然后数一数原子数目。在化学式前面加上数字，直到两边相等。在以上氧化铜的方程式中，每边都有2个Cu、2个O和1个C。
为什么活泼的金属较难提取
金属越活泼，就越紧紧抓住氧，因此越难提取：
最活泼（钾、钠、钙、镁、铝）——电解，需要大量电能
活动性中等（锌、铁、铅、铜）——与碳共热
较不活泼（汞、银）——单独加热
最不活泼（金）——以单质形式存在；物理方法
记忆小贴士：“电、碳、热、淘”＝电解、与碳共热、单独加热、淘金，从最活泼的金属排到最不活泼的金属。
重点总结：金属越活泼，提取它所需的方法就越困难。
3. 自然界中的碳酸钙
碳酸钙（\(\text{CaCO}_3\)）在自然界中有多种形式：
石灰石——由海洋生物的外壳和骨骼经过数百万年形成的岩石
白垩——一种柔软、白色、易碎的石灰石，由海洋浮游生物的微小外壳形成
大理石——石灰石在地底深处受热和受压而形成的坚硬岩石；经打磨后可用作地板和雕像
生物也会制造碳酸钙：贝壳、珊瑚、珍珠和蛋壳的主要成分都是碳酸钙。
重点总结：石灰石、白垩和大理石是同一种化合物——碳酸钙——的不同形式。
4. 稀酸腐蚀金属和岩石
酸与金属
很多金属会与稀酸反应，放出氢气气泡：
\(\text{金属} + \text{稀酸} \rightarrow \text{盐} + \text{氢气}\)
\(\text{镁} + \text{盐酸} \rightarrow \text{氯化镁} + \text{氢气}\)
氢气燃烧时会发出“噗”的一声（见“碳循环和从空气中提取的气体”一章）。镁反应很快，锌和铁较慢；铜和金则不会反应。
酸与石灰石和大理石
稀酸会与碳酸钙反应，放出二氧化碳：
\(\text{碳酸钙} + \text{盐酸} \rightarrow \text{氯化钙} + \text{水} + \text{二氧化碳}\)
因此，酸会慢慢腐蚀用石灰石和大理石建造的建筑物和雕像，也会腐蚀金属栏杆和桥梁。
重点总结：金属与稀酸反应生成氢气；碳酸钙与稀酸反应生成二氧化碳。
5. 加快反应速率（延展部分）
这部分属于2025年课程的延展部分，也是一项重点实验。
表面积：粉末与碎块
酸只能与固体的表面反应。同等质量的大理石磨成粉末后，表面积大得多，同一时间有更多酸粒子撞击它。所以粉末比碎块冒泡更快，就像碎冰比一大块冰融化得更快。
其他因素
浓度——同一体积中有更多酸粒子：反应较快。
温度——温度较高时，粒子运动较快，碰撞较频繁：反应较快。
设计公平测试
自变量——大理石碎块的大小
因变量——例如一分钟内产生的二氧化碳体积
控制变量——大理石的质量；酸的体积、浓度和温度
重点总结：表面积越大、酸的浓度越高、温度越高，反应就越快。
6. 焰色反应：金属的颜色线索
一些金属在火焰中会呈现特别的颜色。我们可以以此作为证据，推断矿物样本中含有哪种金属。
怎样进行焰色反应实验
把镍铬丝或铂丝圈浸入稀盐酸，再放在本生灯炽热的不发光火焰（蓝色火焰）中灼烧，直到火焰不再出现颜色，丝圈就已清洁。然后把它蘸上粉末样本，再放回火焰中，观察火焰的颜色。记得戴上护目镜。
要记住的颜色
钠——金黄色
钾——浅紫色
钙——砖红色
铜——蓝绿色
记忆小贴士：“钠黄、钾紫、钙砖红、铜蓝绿”，多读几遍就记住了！
以焰色反应作为证据
如果岩石的焰色是砖红色，它很可能含有钙（例如石灰石）。岩盐的焰色是金黄色：含钠。孔雀石的焰色是蓝绿色：含铜。
你知道吗？香港维多利亚港上空烟花的颜色来自金属化合物，原理跟焰色反应一样！
重点总结：焰色是推断所含金属的线索。
7. 侵蚀：岩石怎样被磨损
侵蚀是指岩石慢慢被磨损并被带走的过程。
雨水、河流、风和海浪
雨水和河流冲走松散的碎块；不断翻滚的石块会变得光滑浑圆。
风把沙吹向岩石，像砂纸一样把岩石磨损。
海浪会冲蚀出海蚀洞和海蚀拱，在香港联合国教科文组织世界地质公园就可以看到。
雨水溶解石灰石
雨水溶有二氧化碳，所以呈弱酸性。经过数千年，雨水渗入石灰石的裂缝，慢慢把岩石溶解，形成溶洞。滴下的水留下碳酸钙，形成钟乳石和石笋。桂林的石灰岩山峰也是这样形成的。
记忆小贴士：钟乳石像倒挂的钟，从洞顶垂下；石笋像竹笋，从地面长出来。
重点总结：雨水、河流、风和海浪会侵蚀岩石；呈弱酸性的雨水会溶解石灰石，形成溶洞。
8. 酸雨和海洋酸化
酸雨的成因
发电厂、工厂和车辆燃烧化石燃料时，会释放二氧化硫（\(\text{SO}_2\)）和氮氧化物（\(\text{NO}_x\)）。这些气体溶于雨水中形成酸，造成酸雨。（这些污染物也见于“空气质素”一章。）
酸雨的影响
酸雨会溶解用石灰石和大理石建造的建筑物和雕像、腐蚀金属桥梁、令湖泊酸性过高而不适合鱼类生存，并损害树木和土壤。现在发电厂会除去废气中的二氧化硫。
海洋酸化
空气中的二氧化碳越来越多，溶入海水的二氧化碳也随之增加，形成弱酸。海水仍然呈弱碱性，但其pH值正慢慢下降，这就是海洋酸化。
珊瑚、牡蛎和蛤蜊会利用碳酸钙建造外壳或骨骼。在酸性较高的海水中，这会变得较困难，外壳甚至可能被溶解。珊瑚变弱，海洋生物就会失去栖息地和食物；香港的珊瑚（例如海下湾海岸公园的珊瑚）也可能受到影响。
重点总结：二氧化硫和氮氧化物造成酸雨；过多的二氧化碳造成海洋酸化，危害珊瑚和贝类。
常见错误
常见错误一：“所有金属都以纯金属形式存在。”只有少数很不活泼的金属（例如金）才是这样。
常见错误二：“与碳共热可以提取任何金属。”很活泼的金属（例如铝）需要用电解。
常见错误三：为了配平方程式而改动化学式中的小数字。只可以在化学式前面加上数字。
常见错误四：“海洋酸化就是海水变成了酸。”其实海水只是碱性正在减弱。
重点回顾
1. 矿石是值得开采以提取金属的岩石。
2. 金和银以单质形式存在；大部分金属以化合物形式存在。
3. 提取方法：物理方法、单独加热、与碳共热。
4. 石灰石、白垩和大理石都是碳酸钙。
5. 酸与金属反应生成氢气；酸与碳酸钙反应生成二氧化碳。
6.（延展部分）表面积、浓度和温度会影响反应速率。
7. 焰色：钠金黄色、钾浅紫色、钙砖红色、铜蓝绿色。
8. 侵蚀会磨损岩石；雨水会令石灰石形成溶洞。
9. \(\text{SO}_2\) 和 \(\text{NO}_x\) 造成酸雨；过多的 \(\text{CO}_2\) 造成海洋酸化。
岩石小侦探，做得好！接着试试复习卡吧。