桃園親子教育博物館二

　　氧族在週期表位於由右往左〈倒數〉第三排也稱為６A族；按此順序倒數第一排是８A的鈍氣〈即稀有氣體或惰性氣體〉由於很不活潑〈比最不活潑的金屬金Au還鈍，其中氦He、氖Ne仍然沒有化合物，其他氬Ar、氪Kr、氙Xe有少數人工化合物但須儲存在無光與極低溫的條件下〉，因此在大自然化學反應槽中他們是沒參與的局外人；倒數第二排７A鹵族已經介紹，現在談到氧族元素，以族對族比較氧族是第二活潑的非金屬〈次於鹵族〉，自然界存在的成員包括氧O、硫S、硒Se、碲Te〈與釙Po是放射性元素〉，然而氧的性質顯然與後三者有相當的差別，〈１〉氧不但容易與金屬作用，也易與非金屬作用。〈２〉氧易與其他元素作用後形成穩定帶負電的原子團〈即酸根、氫氧根〉再與正離子結合成離子化合物，而這類型化合物佔了地殼的大部分。因此氧可以說是無機化學的主角，但是硫、硒、碲加上氮族的砷與過渡元素〈包括貴金屬〉形成的礦物，卻常是礦物探勘人員最注重的焦點；就重要性而言氧族礦物顯然超過前幾章的總和，由於內容較多且性質不同，因此我們將本單元分二次介紹，屬於含氧酸的鹽類化合物在下次介紹。

〈一〉氧是非常活潑的元素，自然界如火星、金星上都沒有元素狀態的氧，地球最初也沒有元素氧，氧是植物行光合作用的產物，氧氣O2是產出後且穩定的型態，然而地球有植物後最初的幾十億年空氣中的氧濃度並沒有增加很多，因為那時海水中充滿亞鐵離子Fe２＋，亞鐵離子與氧作用產生最常見的氧化物之一赤鐵礦Fe2O3〈如圖一〉

，等亞鐵作用完後大氣的氧濃度才漸漸升高，於是地球又跟著發生重大改變〈１〉較大形的動物誕生〈氧為生物活動所呼吸作用所必須，濃度不夠大型動物無法生存〉，即所謂的寒武紀大爆發。〈２〉累積的氧氣擴散到同溫層，吸收紫外線變成臭氧O3，足夠的臭氧阻止了大部分紫外線，使得日後動物能夠登陸演化。因此若有其他星球也有像地球一樣的有氧氣，表示有生物大致上是不會錯的。而生物體內的生理特性，有時也顯示出生物演化時的環境背景，例如動物血液中的食鹽濃度與海水接近，動物以蛋白質固定住亞鐵離子以便補捉運送氧氣，這些當然不會是巧合。此外我們從礦物的氧化價數可以推測礦物形成的環境及深淺，例如地殼內部硫、硒、碲若不是與元素狀態便是與過渡元素或重金屬結合，到了地表便常被氧化成硫酸、硒酸及碲酸及其鹽類，過渡元素在地殼內氧化數較低如Cr2O3，到地表則變成CrO4２-，因此我們在地表可以經常看見像鉻鉛礦PbCrO4、鉬鉛礦PbMoO4...這類礦物其中的鉻、鉬均為＋６價，而寶石通常形成於地殼較深處如紅寶石、祖母綠、翡翠其中的鉻則是＋３價。

　　自然界的氧化物氧都是以--２價能穩定的存在，在極端的狀況如雷電或實驗室、化工廠才會有過氧化物〈氧是--１〉如雙氧水H2O2〈唯哺乳類的乳汁竟含有這種殺菌物〉、超氧化物〈氧為--１/２〉如超氧化鉀KO2及氟化氧OF2〈氧為＋２），因此我們取得礦物知其成份後，都是以氧為--２價為標準推算其他元素的價數，如圖二金紅石TiO2，

鈦Ti是＋４價，若再加上１A鹼金屬＋１價、２A鹼土族＋２價，其他元素在化合物中的價位更是容易計算。金屬氧化物中正離子為＋１與部分＋２價時，此氧化物偏向鹼性，大部分非金屬氧化物或是金屬氧化物金屬離子為＋３價以上時便會表現出酸性，在大自然反應槽裏，物質彼此相混酸鹼會中和，因此不容易找到酸性或鹼性很強的天然礦物質，吾人所見各種含氧酸〈或是鹵族〉的鹽類無ㄧ不是酸鹼中和的產物，就如尖晶石這類氧化物，雖不列為酸根鹽類，但也看得到酸鹼中和的影子，如：

　　圖三〈紅色〉尖晶石

、圖五藍色尖晶石Spinel (MgAl2O4)

我們可以看成是鹼MgO與酸Al2O3反應產生，硬度為８，比鋼玉Corundum如紅寶石Ruby、藍寶石Sapphire(Ai2O3)的９小，但仍然很硬，又容易合成，所以人造尖晶石常被用來偽造鋼玉。

　　圖４鋅鐵尖晶石Franklinite

(典型的化學式為ZnFe2O4)硬度小於６〈有關硬度的的討論可以參考，本館部落格文章“寶石專題一月生日石”內容。〉

由於氧化鋁Al2O3、氧化鐵Fe2O3酸性不強所以在自然界可以常見，前者如鋼玉後者如赤鐵礦，如果金屬氧化物與水完全反應為氫氧化物，則必然為鹼性，反應不完全則較接近中性：

　　圖６水鋁石Diaspore〈AlO(OH)〉

，這是石探紀賣給本館的精品，礦物本身常見，但卻是少數含有鎵的礦物〈Tsumgallite　GaO(OH)〉。

　　圖７水鎂石Brucite〈Mg(OH)2〉

，也就是常見的化學藥品氫氧化鎂，被用來做胃藥中的制酸劑，雖然是弱鹼性，但偏離中性比較遠，故較為稀少，礦物標本市場中價格通常不低。此標本是由晶鎮以極低價賣給本館的。

〈二〉硫對台灣的學生並不陌生，地殼含量２６０ｐｐｍ海水中有８７０ｐｐｍ（多為硫酸根狀態存在），除了中學課本有教之外，陽明山國家公園有不少硫氣噴發口如大、小油坑、馬槽等，野外教學時有些同學也都曾實地觀察，同學有印象看到的硫是圖９針狀的單斜硫（β-Sulphur S8)

，但礦石市場賣的或許多博物館陳列的卻是圖８的斜方硫(α-Sulphur 化學式也是S8)

，為什麼？不是應該選針狀的比較漂亮嗎？原因中學課本中也有說明，溫度在９６度C以下時硫的穩定狀態是斜方硫，超過１２０度C硫即熔化，所以單斜硫能存在的溫度範圍很小，本博物館目前設計的環境還不夠大，保存了一小塊斜方硫，是目前世界各博物館唯一在室內陳列的斜方硫，希望以後能保存更大的。硫早期用於製造火藥，稍後成為硫酸的原料，對工業有一定的重要性，但是對探礦人員而言硫的金屬化合物更吸引人；圖１０、１１黃鐵礦Pyrite(FeS2)俗稱愚人金

這是僅次於水晶的第二名通俗礦物，雖有鐵礦之名卻不能用煉鐵，因為鐵中含有雜質硫不易除去並且使鐵中看不中用，若用於製造硫酸利潤也很少，因此單純的黃鐵礦除了觀賞之外並沒有經濟上的價值。但是黃鐵礦也可能含有其他成份如鋅、鉛、銀、金等成份，在此情況黃鐵礦晶體成長會有所不同，如圖１０便是含有鋅、鉛的黃鐵礦，九份金瓜石一帶的黃鐵礦則是含有金銀，將此黃鐵礦製造硫酸後殘渣則是含金的氧化鐵，可以再提煉黃金。

　　圖１２鐵銅藍Idaite(Cu₅Fe²⁺S₆ )

圖１３斑銅礦Bornite(Cu₅Fe²⁺S₄ )

圖１４台灣金瓜石含金黃銅礦Chalcopyrite(CuFe²⁺S₂

)圖１５加州含金黃銅礦與方鉛礦Galena(PbS)，

在不同條件下鐵、銅、硫會形成不同的化合物，在無氧高壓的狀態下黃鐵礦與此類硫化物，熔點與銅族〈銅、銀、金〉相近，所以常會溶入金、銀等元素，因而變成有價值的礦物。

　　圖１６淡紅銀礦Proustite(Ag₃AsS₃ )

常形成美麗的晶體，本圖礦物中還有共生的汞輝銀礦Imiterite(Ag₂HgS₂)、黃銀礦Xanthoconite(Ag₃AsS₃)、含銀黃鐵礦Argentopyrite(AgFe³⁺₂S₃)；也是一種大驚奇礦物。

　　圖１７硫銅銀礦Stromeyerite(AgCuS)，

圖１８輝銅銀礦Jalpaite(Ag₃CuS₂)，

圖１９螺狀硫銀礦Acanthite(Ag2S)

與輝銀礦Argentite(Ag2S)是主要生產銀的礦物，這些銀礦常混在其他銅礦中，使得銀常成為銅礦的附產品。　

　　圖２０黃硫鎳礦Heazlewoodite(Ni3S2)

，圖２１硫鎳鈀礦Vysotskite(Pd_0.75Ni_0.25S)硫鉑礦Cooperite(Pt_0.6Pd_0.3Ni_0.1S)

，許多鎳(鈷)礦外觀與白金族的礦石十分相近，事實上兩種礦石主要成份很可能都是鎳礦，因為鎳如果是與硫、砷、硒或銻形成化合物時，其性格會與白金族化合物的性質相近，所以形成礦物時會混在一起，這類鎳礦中通常含有若干ｐｐｍ的白金族成份，所以提煉鎳時同時可以得到白金等附產品，如果鎳礦中白金族含量相當可觀時就以鈀礦、鉑礦這類名稱稱呼，而不再稱做鎳礦，圖２１顯示的礦物，含白金族成份０．１%以上，硫鎳鈀礦與硫鉑礦散佈在其中。

〈三〉硒Selenium(Se)是相當稀少的非金屬元素，地殼含量只有０‧０５ｐｐｍ，是人體中非常重要的微量元素。圖２２、２３自然硒Se

，硒礦物很稀少，自然硒就更少了，這是本博物館搶破頭才買到的。雖具有金屬光澤但不易導電。

　　圖２４硒銅藍Klockmannite(CuSe)

圖２５硒銀礦Naumannite(Ag2Se)

圖２６硒鉍銀礦Bohdanowiczite(AgBiSe2)

從這些標本對照硫的礦物，可以發現硒與硫的真的十分相似。但是硒礦無法像黃鐵礦(FeS2)、黃銅礦(CuFeS2)一般容易收到大塊標本。

〈四〉碲Tellurium(Te)比硒更稀少的非金屬，但比硒更接近金屬因此屬於類金屬元素，地殼含量只有０．００１～０．００５ｐｐｍ，與金０．００１１～０．００３ｐｐｍ、鉑０．００１～０．００３ｐｐｍ含量接近，在自然界除了半衰期短的放射性元素如鐳、氡等之外只比銥０．０００００３ｐｐｍ、鋨０．０００１ｐｐｍ與錸０．０００４ｐｐｍ、銠０．０００２ｐｐｍ、鈀０．０００６ｐｐｍ多。雖然稀少但因為與硫的性質差別較大，所以要找到單獨的礦物並不顯得比硒礦難〈硒往往成為硫礦物中的雜質〉。

　　圖２７自然碲Native Tellurium。

　　圖２８碲金礦Calaverite(AuTe2)與自然碲

，金的活性是金屬中最小的，在自然界與之形成穩定化合物的碲卻排第一，這不表示碲比較活潑，而是形成化合物時碲〈帶些負電〉與金〈帶些正電〉兩者大小非常相近，排在晶體中最吻合，因此成為穩定化合物。

　　圖２９碲金礦加熱前，與加熱後金析出的對照。

但加熱時產生TeO2氣體有劇毒。事實上碲金礦照光也會變化。