岩石和礦物：來自地殼的寶藏
各位小科學家，你好！戒指上的金和商場的大理石地板，都是來自岩石的。你將會學習如何從岩石中取得金屬、酸怎樣腐蝕金屬和岩石、焰色怎樣揭示金屬，以及雨水和酸雨怎樣改變我們的地球。標示為延展部分的內容是可選的挑戰。
1. 岩石、礦物和礦石
礦物是天然存在、具有固定化學成分的固體，例如石英或方解石（碳酸鈣）。岩石由一種或多種礦物組成，就像一個水果蛋糕，裏面有果仁和提子乾。香港常見的花崗岩，就是石英、長石和雲母的混合物。
礦石：值得開採的岩石
礦石是含有足夠金屬（通常以化合物形式存在）、值得開採和提取的岩石，例如赤鐵礦（氧化鐵）、鋁土礦（氧化鋁）和綠色的孔雀石（碳酸銅）。
以元素或化合物形式存在的金屬
少數活性很低的金屬，例如金、銀，有時還有銅，在自然界中以純元素的形式存在，常見的是閃亮的金屬塊。它們幾乎不與空氣或水反應。
大部分金屬，例如鐵、鋁和鋅，活性較高。它們早已與氧、硫或其他元素結合，因此在礦石中以化合物的形式存在。我們需要利用化學反應把金屬提取出來。（有關金屬的性質和合金，請參閱「金屬」一章。）
重點總結：岩石由礦物組成。金和銀可以元素形式存在，但大部分金屬都以化合物形式「鎖」在礦石中。
2. 從礦石中提取金屬
提取是指從礦石中取得金屬。採用哪種方法，取決於金屬的活性。
方法一：物理方法——淘金
金本身已是元素，所以只需把它從沙中分離出來。淘金時，把河中的砂石和水放在淺盤中旋動。密度高的金沉到盤底，較輕的沙則隨水從盤邊流走。
你知道嗎？在1850年代，很多中國人遠赴美國加州淘金，所以三藩市至今在中文裏仍被稱為「舊金山」！
方法二：單獨加熱
一些活性低的金屬的氧化物，單獨加熱便會分解。釋出的氧能使餘燼木條復燃。
\(\text{氧化銀} \rightarrow \text{銀} + \text{氧}\)
\(2\text{Ag}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Ag} + \text{O}_2\)
\(\text{氧化汞(II)} \rightarrow \text{汞} + \text{氧}\)
\(2\text{HgO} \rightarrow 2\text{Hg} + \text{O}_2\)
汞蒸氣有毒，所以學校通常以影片示範這個反應。
方法三：與碳共熱
碳能從活性中等的金屬的氧化物中「搶走」氧。把黑色的氧化銅(II)與碳粉一起強熱，便會生成紅褐色的銅。
\(\text{氧化銅(II)} + \text{碳} \rightarrow \text{銅} + \text{二氧化碳}\)
\(2\text{CuO} + \text{C} \rightarrow 2\text{Cu} + \text{CO}_2\)
\(\text{氧化鉛(II)} + \text{碳} \rightarrow \text{鉛} + \text{二氧化碳}\)
\(2\text{PbO} + \text{C} \rightarrow 2\text{Pb} + \text{CO}_2\)
鐵也是在鼓風爐中把鐵礦石與碳共熱而製成的。
寫出平衡的方程式
先寫出文字方程式，再把名稱改為化學式，然後點算原子數目。在化學式前面加上數字，直至兩邊相等。在以上氧化銅(II)的方程式中，每邊都有2個Cu、2個O和1個C。
為甚麼活性高的金屬較難提取
金屬的活性越高，便越緊緊抓住氧，因此越難提取：
活性最高（鉀、鈉、鈣、鎂、鋁）——電解，需用大量電力
活性中等（鋅、鐵、鉛、銅）——與碳共熱
活性較低（汞、銀）——單獨加熱
活性最低（金）——以元素形式存在；物理方法
記憶小貼士：「電、碳、熱、淘」＝電解、與碳共熱、單獨加熱、淘金，由活性最高的金屬排到最低。
重點總結：金屬的活性越高，提取它所需的方法就越困難。
3. 自然界中的碳酸鈣
碳酸鈣（\(\text{CaCO}_3\)）在自然界中有多種形式：
石灰石——由海洋生物的外殼和骨骼經過數百萬年形成的岩石
白堊——一種柔軟、白色、易碎的石灰石，由海洋浮游生物的微小外殼形成
大理石——石灰石在地底深處受熱和受壓而形成的堅硬岩石；經打磨後可用作地板和雕像
生物也會製造碳酸鈣：貝殼、珊瑚、珍珠和蛋殼的主要成分都是碳酸鈣。
重點總結：石灰石、白堊和大理石是同一種化合物——碳酸鈣——的不同形式。
4. 稀酸腐蝕金屬和岩石
酸與金屬
很多金屬會與稀酸反應，放出氫氣氣泡：
\(\text{金屬} + \text{稀酸} \rightarrow \text{鹽} + \text{氫}\)
\(\text{鎂} + \text{氫氯酸} \rightarrow \text{氯化鎂} + \text{氫}\)
氫氣燃燒時會發出「噗」的一聲（見「碳循環和從空氣中提取的氣體」一章）。鎂反應很快，鋅和鐵較慢；銅和金則不會反應。
酸與石灰石和大理石
稀酸會與碳酸鈣反應，放出二氧化碳：
\(\text{碳酸鈣} + \text{氫氯酸} \rightarrow \text{氯化鈣} + \text{水} + \text{二氧化碳}\)
因此，酸會慢慢腐蝕以石灰石和大理石建造的建築物和雕像，也會腐蝕金屬欄杆和橋樑。
重點總結：金屬與稀酸反應產生氫氣；碳酸鈣與稀酸反應產生二氧化碳。
5. 加快反應速率（延展部分）
這部分屬2025年課程的延展部分，也是一項重點實驗。
表面面積：粉末與碎塊
酸只能與固體的表面反應。同等質量的大理石磨成粉末後，表面面積大得多，同一時間有更多酸粒子撞擊它。所以粉末比碎塊起泡更快，就像碎冰比一大塊冰融化得更快。
其他因素
濃度——同一體積中有更多酸粒子：反應較快。
溫度——溫度較高時，粒子移動較快，碰撞較頻密：反應較快。
設計公平測試
自變量——大理石碎塊的大小
因變量——例如一分鐘內產生的二氧化碳體積
控制變量——大理石的質量；酸的體積、濃度和溫度
重點總結：表面面積越大、酸的濃度越高、溫度越高，反應便越快。
6. 焰色測試：金屬的顏色線索
一些金屬在火焰中會呈現特別的顏色。我們可以此作為證據，推斷礦物樣本中含有哪種金屬。
怎樣進行焰色測試
把鎳鉻線或鉑線圈浸入稀氫氯酸，再放在本生燈炙熱的非光焰（藍色火焰）中加熱，直至火焰不再出現顏色，線圈便已清潔。然後把它蘸上粉末樣本，再放回火焰中，觀察火焰的顏色。記得戴上安全眼鏡。
要記住的顏色
鈉——金黃色
鉀——淡紫色
鈣——磚紅色
銅——藍綠色
記憶小貼士：「鈉黃、鉀紫、鈣磚紅、銅藍綠」，多讀幾遍就記得！
以焰色測試作為證據
如果岩石的焰色是磚紅色，它很可能含有鈣（例如石灰石）。岩鹽的焰色是金黃色：含鈉。孔雀石的焰色是藍綠色：含銅。
你知道嗎？維多利亞港上空煙花的顏色來自金屬化合物，原理跟焰色測試一樣！
重點總結：焰色是推斷所含金屬的線索。
7. 侵蝕：岩石怎樣被磨損
侵蝕是指岩石慢慢被磨損並被帶走的過程。
雨水、河流、風和海浪
雨水和河流沖走鬆散的碎塊；不斷翻滾的石塊會變得光滑渾圓。
風把沙吹向岩石，像砂紙一樣把岩石磨損。
海浪會沖蝕出海蝕洞和海蝕拱，在香港聯合國教科文組織世界地質公園便可看到。
雨水溶解石灰石
雨水溶有二氧化碳，所以呈弱酸性。經過數千年，雨水滲入石灰石的裂縫，慢慢把岩石溶解，形成洞穴。滴下的水留下碳酸鈣，形成鐘乳石和石筍。桂林的石灰岩山峰也是這樣形成的。
記憶小貼士：鐘乳石像倒掛的鐘，從洞頂垂下；石筍像竹筍，從地面長出來。
重點總結：雨水、河流、風和海浪會侵蝕岩石；呈弱酸性的雨水會溶解石灰石，形成洞穴。
8. 酸雨和海洋酸化
酸雨的成因
發電廠、工廠和車輛燃燒化石燃料時，會釋出二氧化硫（\(\text{SO}_2\)）和氮氧化物（\(\text{NO}_x\)）。這些氣體溶於雨水中形成酸，造成酸雨。（這些污染物亦見於「空氣質素」一章。）
酸雨的影響
酸雨會溶解以石灰石和大理石建造的建築物和雕像、腐蝕金屬橋樑、令湖泊酸性過高而不適合魚類生存，並損害樹木和土壤。現時發電廠會除去廢氣中的二氧化硫。
海洋酸化
空氣中的二氧化碳越來越多，溶入海水的二氧化碳也隨之增加，形成弱酸。海水仍然呈弱鹼性，但其pH值正慢慢下降，這就是海洋酸化。
珊瑚、蠔和蜆會利用碳酸鈣建造外殼或骨骼。在酸性較高的海水中，這會變得較困難，外殼甚至可能被溶解。珊瑚變弱，海洋生物便會失去居所和食物；香港的珊瑚（例如海下灣海岸公園的珊瑚）也可能受影響。
重點總結：二氧化硫和氮氧化物造成酸雨；過多的二氧化碳造成海洋酸化，危害珊瑚和貝類。
常見錯誤
常見錯誤一：「所有金屬都以純金屬形式存在。」只有少數活性很低的金屬（例如金）才是這樣。
常見錯誤二：「與碳共熱可提取任何金屬。」活性很高的金屬（例如鋁）需要用電解。
常見錯誤三：為了平衡方程式而改動化學式中的小數字。只可以在化學式前面加上數字。
常見錯誤四：「海洋酸化即是海水變成了酸。」其實海水只是鹼性正在減弱。
重點回顧
1. 礦石是值得開採以提取金屬的岩石。
2. 金和銀以元素形式存在；大部分金屬以化合物形式存在。
3. 提取方法：物理方法、單獨加熱、與碳共熱。
4. 石灰石、白堊和大理石都是碳酸鈣。
5. 酸與金屬反應產生氫氣；酸與碳酸鈣反應產生二氧化碳。
6.（延展部分）表面面積、濃度和溫度會影響反應速率。
7. 焰色：鈉金黃色、鉀淡紫色、鈣磚紅色、銅藍綠色。
8. 侵蝕會磨損岩石；雨水會令石灰石形成洞穴。
9. \(\text{SO}_2\) 和 \(\text{NO}_x\) 造成酸雨；過多的 \(\text{CO}_2\) 造成海洋酸化。
岩石小偵探，做得好！接着試試溫習卡吧。