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生活中的礦物學. 一、礦物是什麼 ?. 礦物的定義：礦物是天然產出的結晶物質，有一定的化學組成和物理特性。例如金剛石 ( 又名鑽石 ) ，嚴格的定義是：由地殼中結晶出來碳晶體，屬等軸晶系，摩氏硬度為十度。 礦物是結晶的物質，也就是說組成礦物的原子 ( 或分子 ) 在礦物晶體依照一定秩序很規則地排列在一起。所謂結晶構造或是晶體結構指的便是原子 ( 或分子 ) 在晶體內部的規則排列而言。礦物或人造晶體表現在外的物理性質、光學性質或電學性質等都直接受到晶體內部原子排列變化的影響。.
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一、礦物是什麼? • 礦物的定義：礦物是天然產出的結晶物質，有一定的化學組成和物理特性。例如金剛石(又名鑽石)，嚴格的定義是：由地殼中結晶出來碳晶體，屬等軸晶系，摩氏硬度為十度。 • 礦物是結晶的物質，也就是說組成礦物的原子(或分子)在礦物晶體依照一定秩序很規則地排列在一起。所謂結晶構造或是晶體結構指的便是原子(或分子)在晶體內部的規則排列而言。礦物或人造晶體表現在外的物理性質、光學性質或電學性質等都直接受到晶體內部原子排列變化的影響。
礦物本身也與人類日常生活發生極為重要的關係。人們身上配戴的鑽戒或玉鐲都是礦物。人們居住場所的磚、牆、石材地板也都是由礦物所組成。電子錶內的振盪器則是人工培育的石英晶體。電腦或電子工業所大量使用的IC中則使用了加了些微量元素的純矽，這則是礦物學(或材料科學)發展的極緻表現。礦物本身也與人類日常生活發生極為重要的關係。人們身上配戴的鑽戒或玉鐲都是礦物。人們居住場所的磚、牆、石材地板也都是由礦物所組成。電子錶內的振盪器則是人工培育的石英晶體。電腦或電子工業所大量使用的IC中則使用了加了些微量元素的純矽，這則是礦物學(或材料科學)發展的極緻表現。
礦物的物理性質 • 定礦物最簡易的方法便是利用礦物的物理性質，如顏色、晶形、硬度、條痕、解理和韌度等來比較。
顏色 • 不同的礦物常有不同的顏色，但有時同一種礦物因含少量雜質而有不同的顏色。世人所喜愛的寶石常有一些迷人的色彩，如祖母綠(照片)發出迷幻般熒熒綠光，翡翠(照片)卻發出溫暖潤澤綠袍，貴蛋白石有多彩變化莫測的炫光，而海藍寶綠柱石(照片)有著如海水般透明的湛藍。
大部份晶體成色原理與晶體內部電子因能階躍升而吸收部份可見光有關，電子能階之間的能量差，決定電子吸收的光波波長(波長愈短者能量愈大)，而能階之變化又決定於晶體之結構。不同的光源照射在同一物質上，也可能呈現不同的顏色。大部份晶體成色原理與晶體內部電子因能階躍升而吸收部份可見光有關，電子能階之間的能量差，決定電子吸收的光波波長(波長愈短者能量愈大)，而能階之變化又決定於晶體之結構。不同的光源照射在同一物質上，也可能呈現不同的顏色。 • 俄國沙皇亞歷山大二世所配戴的寶石—著名的亞歷山大石(就是變石，是含有鉻元素的金錄寶石，chrysoberyl)，白天在太陽光下是綠色的寶石，晚上在燭光或紅熾光源下則變為紅色，而華人買賣玉器的商場也流傳一句話，所謂「燈下不辨色」，昂貴的玉器在夜晚的人工光源下買賣成功，但拿到白天的陽光下色澤全都走了樣，徒增買賣糾紛。
晶形 • 礦物可以分為結晶質(Crystalline)和非晶質(Amorphous)二類。凡屬結晶質的礦物，它內部具有一定的原子結構。因此在適當情況下形成固態的礦物時，在外形上可以有平滑的表面，形成有規律的多面體，稱為晶體。各種礦物大致具有一定的晶形，故研究礦物的晶形，常可以作為鑑定和區別的方法。
結晶學上根據晶軸(Crystallographic Axis)間相互的交角和長度，可以將各種礦物劃分為六大晶系，所謂晶軸是通過晶體中心垂直相對兩晶面的假想直線，常為三或四條，長度不等，交角也不一致。
等軸晶系：具有等長的結晶軸三條，垂直一條，水平二條，這三條互相成正交。如方鉛礦，黃鐵礦。 • 正方晶系：具有三晶軸，互成正交，兩水平軸的長度相等，垂直軸則或長或短，如鋯石，金紅石。 • 六方晶系：具有四晶軸，其中水平軸有三，其長均相等，彼此成60度的交角。另一垂直軸則和水平軸不等長，如石英，方解石。 • 斜方晶系：具有不等長的三晶軸，互成直角相交，如橄欖石，重晶石。 • 單斜晶系：具有不等長的三晶軸，其中兩軸相交成斜角，而第三軸和其他兩軸所成的面成正交，如正長石，石膏。 • 三斜晶系：具有不等長的三晶軸，彼此互成斜角相交，如斜長石，藍晶石。
火成岩中，岩漿中早期結晶礦物有充足空間生長，常具良好晶形，例如台灣北部安山岩(照片)中常可見呈菱形的角閃石晶體(照片)，一般民眾最感興趣的，莫過於晶洞中生長的(紫)水晶晶簇，晶洞原為一充滿液體的空間，水晶由壁面向中心生長，因為有自由空間，水晶可以長出良好的六角尖柱狀，此種水晶晶簇以生長半滿且晶體獨立完整的晶洞為上品。 • 台灣東部變質岩中有少數礦物晶形甚為完美，如石榴子石(照片一，照片二)具完美的正十二面體，磁鐵礦具完美的正八面體，而黃鐵礦則具完美的正立方體、正八面體、五角十二面體、偏方三八面體等。
硬度 • 礦物的表面因為外力所加的摩擦力而產生的抵抗力大小，稱為該礦物的硬度。礦物的硬度可以用比較而得知，就是用兩種礦物互相摩擦來決定，如果用軟硬兩物相刻劃，則較軟者必定被劃傷而出現痕跡。 • 奧地利礦物學家摩氏(Frederich Mohs)曾經創立一種硬度表，可作為礦物間相對硬度的標準，稱為摩氏硬度計(照片一，照片二)。其最軟者為滑石，最硬者為金剛石，共有十種礦物。由軟至硬分為： • 滑石(Talc) • 石膏(Gypsum) • 方解石(Calcite) • 螢石(Fluorite) • 磷灰石(Apatite) • 正長石(Orthoclase) • 石英(Quartz) • 黃玉(Topaz) • 剛玉(Corundum) • 金剛石(Diamond)又稱為鑽石
摩氏硬度表所定的數字，並沒有一定比例上的關係。如石英的硬度為7，並不表示其硬度為滑石的7倍，僅表明數字大者，其硬度比較高，所以摩氏硬度計只是一種相對硬度。另外以儀器可以測量出礦物本身的絕對硬度，稱為壓痕硬度，單位為kgw/mm2，是使用錐狀金剛石在晶體表面上以一定壓力施壓一段時間後，再觀測表面壓痕的大小深淺以決定晶體的硬度。滑石以至於剛玉的壓痕硬度，皆在2000 kgw/mm2以下呈線性遞增，但金剛石的壓痕硬度卻高達10000 kgw/mm2。金剛石和剛玉的硬度差，比起剛玉和黃玉的硬度差，大的非常多，由此不難發現，世界上的礦物縱然軟硬有差，但都沒有金剛石那麼的超硬出眾，所以有人說把金剛石看成是鋼鐵的話，那麼剛玉就成了橡膠了。
硬度是礦物晶體很重要的物理性質之一，自然也受制於晶體構造、化學成分以及瑕疵構造等影響。結晶構造對硬度的影響主要在於鍵結的強弱。由強力共價鍵(註：共價鍵等名詞可查閱高中化學課本)結合而成的晶體包括金剛石、碳化矽、碳化硼、氮化硼、氮化矽等都是硬度很高(大於9)的晶體，在超硬材料應用上具有重要價值。其中碳化矽已經被發展成鑽石的代用品上市，稱為美神萊寶石(Moissanite)，此礦物硬度相當高為9.25(明顯優於蘇聯鑽)，更重要的特性是它的折射指數、色散指數和光澤率皆優於金剛石，若得到適當的切磨，會比金剛石擁有更燦爛的火彩和更明亮的光澤。硬度是礦物晶體很重要的物理性質之一，自然也受制於晶體構造、化學成分以及瑕疵構造等影響。結晶構造對硬度的影響主要在於鍵結的強弱。由強力共價鍵(註：共價鍵等名詞可查閱高中化學課本)結合而成的晶體包括金剛石、碳化矽、碳化硼、氮化硼、氮化矽等都是硬度很高(大於9)的晶體，在超硬材料應用上具有重要價值。其中碳化矽已經被發展成鑽石的代用品上市，稱為美神萊寶石(Moissanite)，此礦物硬度相當高為9.25(明顯優於蘇聯鑽)，更重要的特性是它的折射指數、色散指數和光澤率皆優於金剛石，若得到適當的切磨，會比金剛石擁有更燦爛的火彩和更明亮的光澤。
金剛石的高硬度主要來自碳原子間強有力的共價鍵，想要在金剛石表面劃上一道刮痕，必須具備足夠破壞這個共價鍵結合的能量才能辦到。同是由碳結晶而成的石墨，同一碳層內之原子間雖然是強有力的SP2鍵結，然而相鄰碳層間卻是以微弱的凡得瓦力相連結，這使得石墨極軟，硬度約1，用指頭即可搓下粉末，或者可以石墨在紙上劃線。現代鉛筆中已不含鉛，而以石墨代替，但純石墨太軟，只好加入黏土硬化成形，而黏土的比例加的愈高，劃出的線條顏色愈淡。金剛石的高硬度主要來自碳原子間強有力的共價鍵，想要在金剛石表面劃上一道刮痕，必須具備足夠破壞這個共價鍵結合的能量才能辦到。同是由碳結晶而成的石墨，同一碳層內之原子間雖然是強有力的SP2鍵結，然而相鄰碳層間卻是以微弱的凡得瓦力相連結，這使得石墨極軟，硬度約1，用指頭即可搓下粉末，或者可以石墨在紙上劃線。現代鉛筆中已不含鉛，而以石墨代替，但純石墨太軟，只好加入黏土硬化成形，而黏土的比例加的愈高，劃出的線條顏色愈淡。
就同一晶體而言，由於晶體本身的異向性(anisotropy)，會使得同一顆晶體上不同的晶面有不同的硬度，甚至於同一晶面上的不同方向，硬度也有所不同。比方金剛石的(111)晶面，是碳原子排列最緊密的面，所以硬度最大，我們可以說這個面是已知自然界中最硬的晶面。在用力敲擊金剛石時，要破壞這晶面比破壞其他晶面困難的多，所以金剛石選擇在此面裂開，而成為解理面，因此，不要以為堅硬如金剛石者也無堅不摧，因而任意地使用它在物體上擦劃，稍有不慎即可能撞碎了昂貴的金剛石。其實，愈堅硬者反而愈易碎(韌度小)，例如，玻璃比起橡膠來說，硬度不小，但若摔落地面，何者易碎，不說亦明。就同一晶體而言，由於晶體本身的異向性(anisotropy)，會使得同一顆晶體上不同的晶面有不同的硬度，甚至於同一晶面上的不同方向，硬度也有所不同。比方金剛石的(111)晶面，是碳原子排列最緊密的面，所以硬度最大，我們可以說這個面是已知自然界中最硬的晶面。在用力敲擊金剛石時，要破壞這晶面比破壞其他晶面困難的多，所以金剛石選擇在此面裂開，而成為解理面，因此，不要以為堅硬如金剛石者也無堅不摧，因而任意地使用它在物體上擦劃，稍有不慎即可能撞碎了昂貴的金剛石。其實，愈堅硬者反而愈易碎(韌度小)，例如，玻璃比起橡膠來說，硬度不小，但若摔落地面，何者易碎，不說亦明。
因為金剛石的硬度無人可比，所以常被拿來鑲在鑽頭上，以鑽入堅硬的物體中，因此金剛石也常被稱為鑽石。下列是常需要鑽石鑽頭或鋸片的地方：探採石油時鑽入岩層的鑽頭，開挖隧道的斷面機鑽頭，牙醫用的鑽頭，切割和研磨寶石的鋸片和砂輪片，水泥工切割磚牆用的鋸片等。為何鑽切岩石時特別需要鑽石?因為石英和長石是岩石中主要而常見的礦物，它們的硬度分別是7和6，比普通的鋼鐵還硬，因此非經硬化處理的鋼鑽根本鑽不進。因為金剛石的硬度無人可比，所以常被拿來鑲在鑽頭上，以鑽入堅硬的物體中，因此金剛石也常被稱為鑽石。下列是常需要鑽石鑽頭或鋸片的地方：探採石油時鑽入岩層的鑽頭，開挖隧道的斷面機鑽頭，牙醫用的鑽頭，切割和研磨寶石的鋸片和砂輪片，水泥工切割磚牆用的鋸片等。為何鑽切岩石時特別需要鑽石?因為石英和長石是岩石中主要而常見的礦物，它們的硬度分別是7和6，比普通的鋼鐵還硬，因此非經硬化處理的鋼鑽根本鑽不進。
但是鑽石何等貴重，拿來當鑽頭豈不可惜?別擔心，鑲埋在鑽頭裏的都是碎鑽，它們根本不能當寶石。世界上80%以上的鑽石產量皆淪為工業用途，有很大的比例就是用在鑽頭上。其實，鑽石礦中大到能成為寶石的不多，而今天南非開採鑽石的方法是採碾碎岩石再找尋鑽石的工法，這方法很有效率，但也碾碎了不少的大鑽石。除了上述岩石中的碎鑽外，成色不佳的鑽石也常被淘汱，例如黃色和黑色鑽石是比較不受歡迎的鑽石顏色。此外，在切磨鑽石時也會產生一些碎鑽。但是鑽石何等貴重，拿來當鑽頭豈不可惜?別擔心，鑲埋在鑽頭裏的都是碎鑽，它們根本不能當寶石。世界上80%以上的鑽石產量皆淪為工業用途，有很大的比例就是用在鑽頭上。其實，鑽石礦中大到能成為寶石的不多，而今天南非開採鑽石的方法是採碾碎岩石再找尋鑽石的工法，這方法很有效率，但也碾碎了不少的大鑽石。除了上述岩石中的碎鑽外，成色不佳的鑽石也常被淘汱，例如黃色和黑色鑽石是比較不受歡迎的鑽石顏色。此外，在切磨鑽石時也會產生一些碎鑽。
既然，鑽石如此堅硬，那用什麼來琢磨鑽石?以前在公車廣告上看到一面某物理補習班的廣告「只有鑽石才能琢磨鑽石」，意指只有明師才能教出英材。鑽石研磨技師在動手之前常在針對每一顆原石的不同特質，選擇不同的鑽石切割型式，例如標準的圓形，或是特殊的梨形或馬眼形，考慮的重點不外乎保留原石的最大重量，或是隱藏內部的瑕疵，決定好切割型式後再利用上述解理的特性，沿某些解理面敲擊或切割。在這裡用「切割」這個字，並不像我們拿小刀在紙上切割，可以直接將紙張一刀割成兩半，技師所使用的是一片鑲有碎鑽的金屬片，利用高速旋轉的碎鑽在原石上磨，硬碰硬，兩敗俱傷，欲研磨的切面成形了，至於碎鑽則消秏掉了。既然，鑽石如此堅硬，那用什麼來琢磨鑽石?以前在公車廣告上看到一面某物理補習班的廣告「只有鑽石才能琢磨鑽石」，意指只有明師才能教出英材。鑽石研磨技師在動手之前常在針對每一顆原石的不同特質，選擇不同的鑽石切割型式，例如標準的圓形，或是特殊的梨形或馬眼形，考慮的重點不外乎保留原石的最大重量，或是隱藏內部的瑕疵，決定好切割型式後再利用上述解理的特性，沿某些解理面敲擊或切割。在這裡用「切割」這個字，並不像我們拿小刀在紙上切割，可以直接將紙張一刀割成兩半，技師所使用的是一片鑲有碎鑽的金屬片，利用高速旋轉的碎鑽在原石上磨，硬碰硬，兩敗俱傷，欲研磨的切面成形了，至於碎鑽則消秏掉了。
條痕 • 條痕是礦物粉末的顏色。同種礦物的顏色可能不相同，然而同種礦物粉末的顏色絕不改變，因為礦物中所含雜質造成的顏色不會在條痕中出現。例如赤鐵礦的顏色變化很大，從紅色、紅褐色到黑色，但是赤鐵礦的條痕則都為磚紅色。而黃鐵礦是不透明具金屬光澤的金黃色晶體(因此也被稱為愚人金)，但是將黃鐵礦在白瓷板上擦劃，會在白瓷板上留下一條黑色的痕跡，因此黃鐵礦的條痕是黑色。
其實要鑑定愚人金很簡單，除了它的條痕是黑色之外，它的硬度比黃金要硬的多，但密度卻小的多。黃鐵礦的硬度6到6.5度，密度5.2 g/cm3，自然金的硬度只有2.5度(用牙齒即可咬出齒痕)，密度卻高達19.3 g/cm3。此外，黃鐵礦的顏色較淡，沒有黃金般黃澄澄的顏色，而天然黃鐵礦經常出現結晶外形，如正立方體，正八面體和五角十二面體是很常見的晶形，但自然金本來就不多見，要看見它的晶形更是困難，其實自然金經常以塊狀聚合體來面對世人。
