第一大类自然元素

第一大类自然元素
自然铜
(Copper)
【化学组成】 Cu原生自然铜中往往含有少量的Au(可达2%～3%)、Ag(可达3%～4%)、Fe(可达2%～3%)等混入物。

而次生自然铜的化学成分则较纯净。

【晶体结构】等轴晶系；-Fm3m，具铜型结构；a0=0.361nm；Z=4。

【形态】通常呈不规则树枝状、片状或致密块状集合体。

以单晶出现时可见有立方体{100}、八面体{111}、菱形十二面体{110},亦可有四六面体{410}等单形。

但自然铜完好的晶体很少见。

可依(111)成双晶。

【物理性质】铜红色，表面常因氧化而出现棕黑色锖色；条痕铜红色；金属光泽，不透明。

无解理；断口呈锯齿状。

硬度2.5～3。

相对密度8.95(纯铜)。

具延展性。

熔点1083℃。

为热和电的良导体。

【成因及产状】自然铜常见于原生热液矿床、含铜硫化物矿床氧化带下部及砂岩铜矿床中，它是各种地质作用过程中还原条件下的产物。

自然铜在地表及氧化环境中不稳定，易氧化成氧化物和碳酸盐，如赤铜矿、孔雀
石、蓝铜矿等矿物。

【鉴定特征】铜红色，表面氧化膜呈棕黑色，强延展性，相对密度大。

【主要用途】积聚量大时可作为铜矿石开采。

自然金(Gold)
Au
【化学组成】成分中常有Ag类质同像置换Au，两者可形成完全类质同像系列。

当成分中含Ag＜5%时称自然金；含Ag在5%～15%时称含银自然金；15%～50%时称银金矿；50%～85%称金银矿；85%～95%时称含金自然银；＞95%时称为自然银。

此外，自然金化学成分还有少量的B、Pt、Cu、Pd、Te、Se、Ir等元素。

【晶体结构】等轴晶系；-Fm3m，具铜型结构；a0=0.408 nm；Z=4。

【形态】通常呈不规则粒状集合体。

此外尚可见树枝状、鳞片状、薄片状、网状、纤维状，偶见较大的团块状集合体。

肉眼可辨的单晶体少见,显微镜下常可见自形半自形晶体，常见的单形有：立方体{100}、八面体{111}、菱形十二面体
{110}、四六面体{210}及四角三八面体{311}。

常依(111)形成双晶。

我国学者薛君治（1993）通过大量研究认为自然金的形态具有标型意义。

一般地，在深部形成者形态较简单，浅部则形态复杂。

总的变化趋势是，深部以八面体{111}为主，中深部以菱形十二面体{110}为主，浅部以四角三八面体{311}、三角三八
面体{223}或其它更复杂的形态为主。

【物理性质】颜色与条痕色均为金黄色，但随其成分中含Ag量的增高而逐渐变浅，含Ag量愈高者色愈浅，至银金矿时呈淡黄色至奶黄色，含Cu时，色变深，呈深黄色；金属光泽，随Ag的含量增高光泽加强。

无解理。

硬度2.5～3。

相对密度19.3(纯金)。

具强延展性可以锤成金箔或抽成细丝。

熔点1 062℃。

为热和电的良导体。

化学性质稳定，不溶于酸，只溶于王水。

火烧后不变色。

【成因及产状】自然金主要形成于各种高、中温热液作用和变质作用过程中。

世界上主要的金矿床类型有：各种热液脉型金矿、变质砾岩型金矿、古老变质岩中的石英脉型金矿、沉积岩中浸染型金矿和砂金型金矿。

80年代以前所发现的金矿床以变质砾岩型规模最大，进入90年代后，美国、澳大利亚、加拿大、南非等国相继发现一系列与各种热液作用有关的石英脉、长石石英质脉型特大型金矿，打破了长期以来世界金的主要来源以变质砾岩型金矿占绝对优势的格局。

近年来国家投入大量资金找金矿，但找金工作尚无重大突破，目前我国还未发现世界级特大型金矿。

我国已发现的金矿主要类型有热液型和风化型、砂金型。

最有
名的金矿产地有山东、湖南、河南、黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古等。

【鉴定特征】金黄色，强金属光泽，相对密度大，低硬度，强延展性；化学性稳定，火烧不变色。

与黄铁矿的区别除了硬度、条痕、化学稳定性及相对密度性
质外，较为简易的区别是后者易于被击碎。

【主要用途】自然金几乎是Au的唯一来源。

各种金矿床中开采的基本上都是自然金。

黄金储备量是衡量一个国家经济实力的指标之一，是世界性的“硬通货”。

除了被用于制造货币、装饰品外，在工业上用途也极其广泛，因其具有优良的稳定性、导热导电性、延展性常被用作如高级真空管的涂料，计算机、电视机、收录机的涂金集成电路，核反应堆的衬料，喷气发动机和火箭发动机的涂金防热罩
或热遮护板，用于制造特种精密电子仪器的拉丝导线等等。

自然铂(Platinum)
Pt
【化学组成】成分中常含Fe、Ir、Pd、Rh、Ni等类质同像混入物。

【晶体结构】等轴晶系；-Fm3m，具铜型结构；a0=0.392 nm(纯铂)；Z=4。

【形态】以不规则细小颗粒状、粉状、葡萄状常见，有时形成较大的块体集合体。

单晶少见，偶见立方体{100}或八面体{111}的细小晶体。

【物理性质】锡白色，颜色视铁含量多少由银白至钢灰色；条痕钢灰色；金属光泽。

无解理；断口锯齿状。

硬度4～4.5。

相对密度21.5(纯铂)。

熔点1774℃。

具延展性。

微具磁性。

电和热的良导体。

【成因及产状】自然铂主要见于与基性、超基性岩有关的岩浆矿床如铜镍硫化
物矿床中。

此外，也常见于砂矿中。

【鉴定特征】锡白、银白至钢灰色，相对密度大,在空气中不氧化，在普通酸类中不溶解。

【主要用途】工业上利用铂的高度化学稳定性和难熔性，制作高级化学器皿，或与镍等制成特种合金。

近年来铂族元素在人造卫星、核潜艇、火箭、导弹、遥
测遥控等国防工业上得到广泛利用。

自然硫(Sulphur)
α-S
【化学组成】成分一般不纯净。

火山喷气作用形成的自然硫往往含有少量Se、As、Te和Tl。

而作为生物化学作用沉积的产物则夹杂有泥质、有机质、沥青等
混入物。

【晶体结构】斜方晶系；-Fddd;a0=1.044 nm,b0=1.285 nm,c0=2.437 nm；Z=16。

晶体结构为分子型：8个S以共价键组成硫分子,原子上下交错排列在两平面上
呈环状。

【形态】晶形常呈双锥状或厚板状。

通常呈块状、粒状、土状、球状、粉末状、
钟乳状等集合体产出。

【物理性质】带有各种不同色调的黄色；晶面呈金刚光泽,而断面显油脂光泽。

不完全解理；贝壳状断口。

硬度1～2。

相对密度2.05～2.08。

性脆。

不导电，
摩擦带负电。

【成因及产状】形成于生物化学沉积作用和火山喷气作用过程中。

【鉴定特征】以黄色、油脂光泽、低硬度、性脆、硫臭味和易熔为特征。

【主要用途】主要用于制造硫酸。

此外用于化肥、造纸、炸药、橡胶生产。

金刚石(Diamond)
C
【化学组成】成分中可含有N、B、Si、Al、Na、Ba、Fe、Cr、Ti、Ca、Mg、Mn等元素。

其中N、B最为重要，是目前金刚石分类的基本依据。

首先根据是否含N分为两类：一是含N 者为Ⅰ型，Ⅰ型又据N的存在形式进一步分为Ⅰa型和Ⅰb型。

Ⅰa型中N含量大于0.1%，以细小片状的形式存在，增强了金刚石的硬度、导热性、导电性。

天然金刚石中98%为Ⅰa 型。

Ⅰb型中N含量很小，N以单个原子置换金刚石中的C，Ⅰb型绝大多数见于人造金刚石中，而仅占天然金刚石的1%左右。

二是不含N或含量极微(＜0.001%)，又根据是否含B进一步分为Ⅱa型和Ⅱb型。

Ⅱa型一般不含B。

天然的金刚石中Ⅱa型含量很小。

具良好的导热性是Ⅱa金刚石的特性。

Ⅱb型含B杂质元素，往往呈天蓝色，具半导体性能，Ⅱb型金
刚石在自然界
中也罕见。

此外，还可出现混合型金刚石，即同一颗粒金刚石内，氮的分布不均匀，既有Ⅰ型区，又有Ⅱ型区；或既有Ⅰa型区，又有Ⅰb型区。

【晶体结构】等轴晶系； -Fd3m；a0=0.356 nm;Z=8。

在金刚石的晶体结构中C分布于立方晶胞的8个角顶和6个面中心,在将晶胞平均分为8个小立方体时，其中的4个相间的小立方体中心分布有C。

金刚石结构中的C以共价键与周围的另外4个C相连,键角109°28′16″，形成四面体配位(图Z-5(b))。

金刚石具有紧密的结构，原子间以强共价键相连，这些特征造成了它具有高硬度、高熔点、不导电的特性。

由于结构在{111}方向上原子的面网密度大，其间距也大，故产生{111}中等解理。

【形态】自然界中金刚石大多数呈单晶产出，常见圆粒状或碎粒。

其单形主要是八面体{111}，菱形十二面体{110}及它们的聚形。

少数为八面体{111}、菱形十二面体{110}与立方体{100}、四六面体{hk0}成聚形。

由于熔蚀作用常见晶体呈浑圆状，晶面弯曲，并出现蚀像，不同的
单形有不同的蚀像，如八面体晶面出现三角形，立方体晶面出现四边形熔蚀坑。

目前也发现有些金刚石具四面体晶形(如我国辽宁已发现几颗四面体金刚石)，这样就可能导致金刚石的对称型为 3m，这与通常认为金刚石的对称型为m3m相矛盾，对于这个问题，目前已有研究报道，认为是双晶结构引起的假像四面体晶形（A. Yacoot, M. Moore, 1993）。

【物理性质】无色透明，常带深浅不同的黄色色调，也有呈乳白色、浅绿色、天蓝色、褐色和黑色等等；典型的金刚石光泽，断口油脂光泽。

平行{111}解理中等。

硬度10。

相对密度3.50～3.52。

性脆。

折射率N=2.40～2.48，具强色散性。

纯净金刚石导热性良好，室温下
其导热率几乎是铜的5倍。

【成因及产状】金刚石仅形成于高温高压的条件下，为岩浆作用的产物，目前仅见产于超基性岩的金伯利岩(角砾云母橄榄岩)、钾镁煌斑岩及高级变质岩榴辉岩中。

当含金刚石的岩石遭受风化后，可以形成金刚石砂矿。

世界上著名金刚石产地有南非、扎伊尔、前苏联亚库梯等。

我国山东、辽宁、贵州等地相继
发现金刚石的原生矿床。

【鉴定特征】极高的硬度，标准金刚光泽，晶形轮廓常呈浑圆状。

【主要用途】金刚石具有很高的经济价值。

根据用途不同可分为宝石金刚石和工业金刚石。

前者主要利用其光彩诱人的色泽和极高的硬度，金刚石经人工琢磨成各种多面体后就成为“钻石”，钻石至今仍然是最紧俏、最名贵的宝石，质优粒大者价格更为昂贵，如大于1g的优质钻石价格可达5000美元/克拉以上。

后者主要利用其各种特性，如利用I型金刚石的高硬度制作仪表轴承、玻璃刀、表镶钻头；用Ⅱb型金刚石制作固体微波器及激光器件折散热片；利用其优良的红外线穿透性制造卫星窗口和高功率激光器的红外窗口。

利用其半导体性能制作整流器、三极管等等。

随着科学技术的迅速发展，金刚石的用途越来越广泛。

石墨(Graphite)
C
【化学组成】成分纯净者极少，往往含大量的(10%～20%)各种杂质如粘土、沥青及SiO2、
Al2O3、FeO等各类氧化物混入物。

【晶体结构】六方晶系； -P63/mmc;a0=0.246 nm,c0=0.680 nm；Z=4。

石墨具典型的层状结构：C成层排列，每个C与相邻的3个C之间以等距相连，每一层中的C按六方环状排列，上下相邻层的C六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。

上下两层中的C之间的距离比同一层内的C之间的距离要大得多(层内C—C间距=0.142 nm，层间C—C间距=0.340 nm)。

石墨是一种多键型的晶体，层内主要为共价键，也有部分金属键，这是因为每个C的3个外层电子占据3个sp2杂化轨道中，而sp2杂化轨道呈平面三方对称分布，因此可与层内周围3个C 成3个σ键(共价键)，还有一个外层电子占据未参加杂化的一个p轨道中，此p轨道垂直层面，同一层内的不同碳原子的这一p轨道相互平行、重叠，形成一个大π键(金属键)。

而层间则为分子键。

这种化学键的差异造成石墨的物性具明显的异向性，并具导电性。

石墨具两种不同的多型，除图Z-8常见的2H型外，还有3R型。

【形态】单晶体呈片状或板状,但完整的却极少见。

通常为鳞片状,块状或土状集合体。

【物理性质】颜色和条痕均为黑色；半金属光泽；隐晶质的则暗淡。

平行{0001}解理极完全。

硬度1～2。

相对密度2.21～2.26。

解理片具挠性。

有滑感，易污手。

具导电性。

【成因及产状】石墨是高温变质作用的产物。

我国石墨产地很多，其中以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。

【鉴定特征】黑色，硬度低，相对密度小，有滑感。

如果将硫酸铜溶液润湿的锌粒放在石墨上，则可析出金属铜的斑点，在与石墨相似的辉钼矿上则无此种反应。

【主要用途】石墨由于其熔点高，抗腐蚀，不溶于酸等特性，用于制作冶炼用的高温坩埚;具滑感，作为机械工业的润滑剂；导电性良好，又可制作电极等。

成分纯净的所谓高碳石墨可做原子能反应堆中的中子减速剂及供国防工业应用。

3R型石墨用于人工合成金刚石的原
料,因它容易转化为金刚石。

自然铋(Bismuth)
Bi
【化学组成】成分较纯,偶含微量Fe、S、Te、As、Sb等元素。

【晶体结构】三方晶系; -R m，arh=0.475 nm,α=57°14′,Z=2;ah=0.456 nm,ch=1.187 nm，Z=8。

砷型结构(图Z-12)。

【形态】单晶少见,常见呈粒状、片状、致密块状或羽毛状集合体。

【物理性质】新鲜断面呈微带浅黄的银白色,在空气中易变成具浅红的锖色；条痕灰色；金属光泽。

{0001}完全解理。

硬度2～2.5。

相对密度9.70～9.83;具弱延展性;熔点271°C。

具逆磁性。

【成因及产状】自然铋可形成于高温热液矿床、伟晶矿床中。

自然铋在地表条件
下易于氧化形成铋华和泡铋矿。

【鉴定特征】
浅红的锖色，完全的解理，硬度较低和相对密度较大。