百變化學 – 化學元素與礦物

圖／鍾坤煒、何恭算提供

探索元素的奧秘：百變化學與地球礦物的關聯

俄國化學家門得列夫於 1869 年發現了元素的週期性與規律性，迄 2019 年 150 週年，聯合國科教文組織更宣告 2019 年為國際化學元素週期表年（The International Year of the Periodic Table of Chemical Elements,簡稱IYPT）。在 2019 年國內、外化學界無不紛紛推出各式展示教育及推廣活動以資紀念，科博館也特別與國立師範大學和中國化學會合作推出「百變化學 – 元素週期表 150 週年」特展。特展中除了介紹發現週期表的大事記、元素的命名與應用、天文中的化學元素外，更加入了本館的特色「地殼中的化學元素 – 礦物」單元，讓觀眾進一步認識化學元素與礦物之間的關係。

地球上的萬物都是由化學元素所組成，人類到目前為止已經發現了 118 種元素，組成了約三千多萬種的物質。地殼乃是地球層圈構造的最外層，在地殼中元素的含量稱之為「地殼含量」（註），通常以百分比來表示。含量最多者依序為氧、矽、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀和鎂，以上 8 種元素占了超過 98 % 的地殼含量，而這些元素在地殼中多以礦物的形式存在。

地殼之石英家族：氧和矽元素的結合與矽酸鹽礦物的多樣性

氧和矽是地殼中含量最多的兩種元素，分別達 48.6 % 及 26.3 % ，因此，地殼中含有氧和矽兩種元素的礦物種類也相當多。例如：氧和矽結合形成了常見的石英、水晶、玉髓、瑪瑙等石英家族的二氧化矽礦物，而由含矽的陰離子團與其他陽離子結合，便形成大量的矽酸鹽礦物，在自然界已知的礦物種類中，矽酸鹽礦物約占總數的四分之一，包含常見的長石、石英、雲母、輝石、角閃石、橄欖石、黏土礦物等造岩礦物。

鋁的多樣性：從礦物到合金，硬度與光彩的交織             

鋁是地殼內蘊藏最豐富的金屬元素，地殼中的含量約為 7.73 % ，在自然界通常以氧化物的形式存在。鋁主要賦存在鋁土礦，或稱為水礬土（Bauxite）內，這種礦物主要成分是含有雜質的水合氧化鋁（Al₂O₃·2H₂O），一般供作煉鋁用的水礬土含有 50 ~ 60 % 的氧化鋁，而氧化鋁不僅是製造鋁的來源，也是製造礬土水泥和耐火材料的重要原料。鋁具有質輕且不易生鏽的特性，不過質地較軟，須與其他金屬混合，以合金的型態被廣泛運用。在自然界中純的三氧化二鋁，稱為剛玉，硬度高，常被用來當做研磨材料；另外，結晶透明的剛玉可作為寶石，其中紅寶石、藍寶石就是剛玉中有名的品種。

鐵的奇妙之旅：從礦物到世界主要鐵礦來源的探索

鐵在地殼中的含量約為 4.75 % ，也是地球內核及外核的重要成份，堅硬而有延展性，且具有良好的可塑性和導熱性。自然界裡很少有純鐵，大多是以和氧化合之後的狀態存在。一般提煉鐵的主要礦物有赤鐵礦（Fe₂O₃）、磁鐵礦（Fe₃O₄）、菱鐵礦（FeCO₃）、褐鐵礦（Fe₂O₃·nH2O），以及針鐵礦（FeO(OH)）。現今世界上最重要的鐵礦來源為帶狀鐵礦層（Banded Iron Formations，簡稱 BIF），此種帶狀鐵礦是由大量且呈薄層的磁鐵礦或赤鐵礦等氧化鐵反覆堆疊，並常夾雜帶狀虎眼石、碧玉或燧石等所組成，主要在距今約 30 多億至 10 多億年前的太古代（Archean）和元古代早期（early Proterozoic）所形成，是一種相當古老的沈積岩。

鈣的多重面貌：從礦物到自然界的化學元素存在

鈣的英文 calcium 是來自拉丁文 calx ，意指生石灰，地殼中鈣的含量約為 3.45 % 。鈣在自然界多以離子狀態或化合物形式存在，並無單質存在。地球上最常見的含鈣化合物為碳酸鈣（CaCO₃），主要產於石灰岩和早期海洋生物的化石殘骸中，廣泛用於塑料、橡膠、油墨、塗料等方面，也是製作水泥與玻璃的原料。自然界主要的含鈣礦物有方解石、霰石（CaCO₃）、白雲石（CaMg (CO₃)₂）、石膏（CaSO₄·2H₂O）、螢石（CaF₂）、磷灰石（Ca₅(PO₄)₃F）等。另外，在珍珠、貝殼、珊瑚、蛋殼及一些動物殼體的有機體中也都含有鈣。

鈉的化學寶庫：從鹽類到化工產品的廣泛應用

鈉是最常見的鹼金屬元素，元素名稱來自拉丁文 Natrium，原意是天然鹼。在地殼中鈉的含量為 2.74 % ，主要以鈉鹽的形式存在。鈉鹽是指有鈉離子和酸根離子化合而成的鹽類，如常見的氯化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、碳酸氫鈉等，其中由氯化鈉組成的礦物－石鹽（Halite），除了可作為調味料和防腐劑，也是製作蘇打、鹽酸、金屬鈉等化工產品的重要原料，故有 「化學工業之母」 的稱號。其他常見的含鈉礦物有鈉長石（NaAlSi₃O₈）、芒硝（Na₂SO₄·10H₂O）、鈉硝石（NaNO₃）等。

鉀的多重角色：從還原劑到植物生長要素的關鍵

鉀元素在自然界中以離子化合物形式存在，在地殼中的含量約佔 2.47 % 。鉀金屬在工業上可作為一種較強的還原劑，而鉀的化合物在工業上用途很廣，例如鉀鹽可以用於製造化肥及肥皂。鉀對動物與植物的生長和發育相當重要，是植物生長的三大營養元素之一。可用來提取鉀的礦物有鉀鹽（KCl）、光鹵石（KCl·MgCl₂·6H₂O）和雜鹵石（K₂Ca₂Mg(SO₄) ₄·2H₂O）等，而地殼中分布極廣的鉀長石（K(AlSi₃O₈)）、雲母（KAl₂(AlSi₃O₁₀) (OH)₂）等矽酸鹽中也都富含鉀元素。

鎂的輕巧特性：從海水到人體的多功能元素

鎂是一種銀白色金屬，很輕、具柔韌性，且化學性質活潑，在地殼中的含量約為 2 % 。鎂在海水中的含量很多，也是人體的基本元素之一。鎂的英文名字 magnesium ，是由菱鎂礦（magnesite）的名字衍生而來。菱鎂礦的化學成份為碳酸鎂（MgCO₃），是提煉鎂的主要來源，它還可用作耐火材料和製取鎂的化合物。另外，人們也開採白雲石（CaMg (CO₃)₂）做為鎂元素的原料之一。

註：各元素的地殼含量以質量百分比為準。其中的數字是估計值，會隨著資料來源及估計方式不同而改變，本文所列各元素含量多寡，只能作大致上的參考。