Bài học

Khoáng sản và vật liệu từ vỏ Trái Đất

Mục tiêu bài học

Học xong bài này, em nói được vỏ Trái Đất chủ yếu gồm những nguyên tố nào, xếp được các khoáng sản quen thuộc vào đúng ba nhóm oxide, carbonate, silicate, và chỉ ra được khoáng sản nào dùng làm vật liệu xây dựng hay gốm sứ trong đời sống.

Kiến thức cần nhớ

Ở lớp 8 em đã học oxide (hợp chất của oxygen với một nguyên tố khác), muối và calcium carbonate CaCO₃ (thành phần chính của đá vôi). Bài này dùng lại đúng những khái niệm đó để phân loại khoáng sản trong vỏ Trái Đất — chưa cần kiến thức mới nào khác.

Khởi động

Vì sao cát ở sông, đá vôi ở núi, đất sét ở ruộng lại được gọi là "tài nguyên khoáng sản" chứ không chỉ là đất đá? Gợi ý: mỗi loại đều là hợp chất hoá học của một vài nguyên tố rất phổ biến trong lớp vỏ ngoài cùng của Trái Đất — và con người khai thác đúng những hợp chất đó để làm xi măng, thuỷ tinh, gốm sứ, kim loại.

Vỏ Trái Đất được tạo nên từ những nguyên tố nào?

Vỏ Trái Đất (lớp đá rắn ngoài cùng mà con người khai thác được) không phải một khối đồng nhất, mà là hỗn hợp rất nhiều hợp chất của một số ít nguyên tố phổ biến. Theo khối lượng, hai nguyên tố chiếm ưu thế tuyệt đối là oxygen (khoảng 46,6%) và silicon (khoảng 27,7%) — cộng lại đã hơn 74%. Phần còn lại chủ yếu là nhôm (aluminium, ~8,1%), sắt (iron, ~5,0%), calcium (~3,6%) và một số nguyên tố khác (~12,6%). Vì oxygen và silicon áp đảo như vậy, phần lớn khoáng sản trong vỏ Trái Đất tồn tại dưới dạng hợp chất chứa oxygen — không có kim loại tự do nằm sẵn ngoài tự nhiên (trừ vài trường hợp đặc biệt như vàng, đồng ở dạng tự sinh).

Thành phần phần trăm khối lượng các nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất.

Từ hai nguyên tố nền tảng oxygen và silicon, ba nhóm khoáng sản chính hình thành:

Oxide: hợp chất trực tiếp của một nguyên tố với oxygen, ví dụ SiO₂ (cát, thạch anh), Al₂O₃ (có trong quặng bauxite để sản xuất nhôm), Fe₂O₃ và Fe₃O₄ (quặng sắt hematite, magnetite).
Carbonate: hợp chất chứa nhóm CO₃²⁻, tiêu biểu nhất là CaCO₃ — thành phần chính của đá vôi, đá phấn, đá hoa (marble).
Silicate: hợp chất phức tạp hơn, chứa silicon liên kết với oxygen và một hoặc nhiều kim loại (ví dụ nhôm, magnesium), tạo nên đất sét, cao lanh, mica, fenspat — nguyên liệu chính của gốm sứ.

Phân loại đúng nhóm giúp em đoán được khoáng sản đó dùng để sản xuất vật liệu gì: oxide SiO₂ dùng làm thuỷ tinh; carbonate CaCO₃ dùng làm vôi, xi măng; silicate (đất sét) dùng làm gốm, gạch ngói.

Từ hai nguyên tố nền tảng oxygen và silicon, ba nhóm khoáng sản chính hình thành: - Oxide: hợp chất trực tiếp của một nguyên tố với oxygen, ví dụ SiO₂ (cát, thạch anh), Al₂O₃ (có trong quặng bauxite để sản xuất nhôm), Fe₂O₃ và Fe₃O₄ (quặng sắt hematite, magnetite). - Carbonate: hợp chất chứa nhóm CO₃²⁻, tiêu biểu nhất là CaCO₃ — thành phần chính của đá vôi, đá phấn, đá hoa (marble). - Silicate: hợp chất phức tạp hơn, chứa silicon liên kết với oxygen và một hoặc nhiều kim loại (ví dụ nhôm, magnesium), tạo nên đất sét, cao lanh, mica, fenspat — nguyên liệu chính của gốm sứ. Phân loại đúng nhóm giúp em đoán được khoáng sản đó dùng để sản xuất vật liệu gì: oxide SiO₂ dùng làm thuỷ tinh; carbonate CaCO₃ dùng làm vôi, xi măng; silicate (đất sét) dùng làm gốm, gạch ngói.

Ví dụ

Tính khối lượng oxygen trong một mẫu đất đá

1
Giả sử một mẫu đất đá có khối lượng 200 kg, phản ánh đúng tỉ lệ trung bình các nguyên tố trong vỏ Trái Đất. Tính khối lượng oxygen chứa trong mẫu đó.
2
Theo số liệu trung bình, oxygen chiếm 46,6% khối lượng vỏ Trái Đất. Đây là bài toán tính khối lượng theo phần trăm — kiến thức đã học ở lớp 8.
3
Khối lượng oxygen = 200 kg × 46,6% = 200 × 0,466 = 93,2 kg.
4
Vậy trong 200 kg đất đá trung bình có khoảng 93,2 kg là oxygen — gần một nửa khối lượng, đúng như tỉ lệ 46,6% đã cho. Kết quả hợp lý vì oxygen luôn là nguyên tố áp đảo.

Ví dụ

Phân loại và tính thành phần của một khoáng sản carbonate

1
Một mẫu quặng ở vùng núi đá vôi có thành phần chính là calcium carbonate CaCO₃. Hãy cho biết mẫu quặng này thuộc nhóm khoáng sản nào, có thể dùng sản xuất vật liệu gì, và tính phần trăm khối lượng calcium (Ca) có trong CaCO₃ nguyên chất.
2
CaCO₃ chứa nhóm CO₃²⁻ nên thuộc nhóm khoáng sản carbonate — cùng nhóm với đá phấn, đá hoa. Đây chính là loại khoáng sản dùng để nung vôi và sản xuất xi măng.
3
Khối lượng mol của CaCO₃ = 40 (Ca) + 12 (C) + 16×3 (O) = 40 + 12 + 48 = 100 g/mol.
4
%Ca = (40 ÷ 100) × 100% = 40%. Vậy trong mỗi 100 g đá vôi nguyên chất có 40 g nguyên tố calcium.
5
Vì tỉ lệ Ca cao và dễ nung tách CO₂, đá vôi CaCO₃ là nguyên liệu chính để sản xuất vôi sống (CaO) và xi măng — nội dung em sẽ học kỹ ở bài tiếp theo.

Lỗi thường gặp

Nhiều em hay nhầm oxide với carbonate: SiO₂ là oxide (không chứa carbon, không giải phóng khí khi nung ở nhiệt độ vừa phải), còn CaCO₃ là carbonate (chứa nhóm CO₃²⁻, khi nung mạnh sẽ giải phóng khí CO₂). Một lỗi khác là gọi silic đơn chất (Si) là "silicate" — silicate luôn là hợp chất, không phải nguyên tố tự do.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Vỏ Trái Đất chủ yếu gồm oxygen và silicon; từ đó hình thành ba nhóm khoáng sản — oxide (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃), carbonate (CaCO₃) và silicate (đất sét, cao lanh). Mỗi nhóm là nguyên liệu cho một loại vật liệu khác nhau trong đời sống.

Bài sau sẽ đi sâu vào nhóm carbonate và silicate cụ thể hơn — em sẽ học cách đá vôi CaCO₃ biến thành vôi sống, vôi tôi, và cùng đất sét, cát tạo nên xi măng, thuỷ tinh, gốm sứ trong công nghiệp.