漫谈“愚人金”

2018-01-30

大自然探索 2018年12期

黄铁矿金黄色的色泽让许多人误认为它是黄金。

如果你的朋友送给你一块闪亮的“金块”，先别急着高兴，因为你收到的可能是“愚人金”，也就是黄铁矿。要验证这块金属是不是黄金，你只需要将它在粗陶片表面刮擦：黄金会留下金色划痕，而黄铁矿的划痕则是黑绿色的。黄铁矿愚弄了许多淘金者，但它也是推动人类文明发展的重要资源。在从电子设备到化肥的各行各业，黄铁矿都是重要参与者。而今天，人们也学会了利用愚人金寻找真正的黄金。

引火助人类走出非洲

早在约100万年前，人类的祖先就学会了生火。起初，古人类先是发现长时间用力摩擦木材可以产生火花，但这种技巧难以掌握，并不可靠。大约25万年前，黄铁矿有如镜面的金色外观和锋利的晶体棱角，引起了某个古人的兴趣。他可能用所有能自收集到的材料敲击黄铁矿，当某块燧石和黄铁矿飞快擦过的刹那，快速運动的燧石携带的动能在黄铁矿晶体锋利的边缘释放。由此产生的高压让二硫化亚铁的硫-硫化学键断裂，释放热量和光。掉落的火花点燃了他身边的干草。由此，人类第一次掌握了撞击取火技术。经过千万次尝试和失败后，古人类发现单一晶体的黄铁矿质地坚硬，表面光滑，不太容易和燧石擦出火花;反而是表面不规则、容易破碎的黄铁矿结核，更容易在碰撞过程中产生火花。在使用火种方面的便利，大大提高了人类制造工具和武器的能力，并对人类文明产生深远影响。

古人类曾用黄铁矿结核敲击燧石生火。

黄铁矿和燧石的体积不大。这种便于随身携带的工具让游牧部落可以随时随地使用火，这意味着比生食更健康的熟食变得更容易获得。同时，夜间也不再是漆黑一片。在火光映照下，人类在夜间多了许多时间共处，社交的需求催生出语言和更复杂的人际关系。有人类学家甚至认为，黄铁矿和燧石的“生火组合”是20万年前人类祖先能够走出非洲的重要原因之一。

第一件矿物收藏品

黄铁矿最标志性的特征，要数靓丽规则的大块结晶、介于黄铜和黄金之间的闪耀光泽，以及迷人的拉丝纹理。黄铁矿不但是全世界最常见的矿物收藏品，而且是许多矿物爱好者的第一件藏品。这是因为，相比其他昂贵矿物，黄铁矿储量丰富，所以价格极低。要获取品相优良的标本，成本并不高。

古人类很早就开始收集并利用黄铁矿。和玉髓（微晶质石英，自然界最常见玉石品种）和黑曜石（火山玻璃，常用于制造石质切割器或饰品）一样，黄铁矿也是古人类最早利用的矿物之一。

黄铁矿的正式名为“二硫化亚铁”。它的结晶除了最常见的四四方方的正立方体之外，还有粒状、球状、放射状、钟乳石状、纤维状、结核状等结晶形态。黄铁矿莫氏硬度为6.0～6.5（略低于玻璃），比重为4.9～5.2，其明亮度甚至超过黄铜，但略逊于黄金。

黄铁矿中的亚铁离子很容易和其他金属发生置换。黄铁矿中除了含有铁，还可能含有镍、锰、铜、银甚至金。因此，不同矿区的黄铁矿，硬度、密度和颜色存在轻微差别。

天然黄铜

天然黄金

天然黄铁矿

纺织业的大明星

古代染工已经知道，某些物质能够帮助天然染料附着到织物上。早期的法国染工甚至认为这些物质能够打开纤维的“气孔”。但实际上它们的作用是帮助形成色素沉淀。这些物质后来被人们称为“媒染剂”。传统媒染剂多为金属盐，主要来自工业生产副产品和火山喷发物。但是它们一般都不纯净，因此最后固定在织物上的颜色往往淡于染料的颜色。

中世纪时期，羊毛贸易支撑起整个英国的繁荣。羊毛染色商用富含黄铁矿的页岩和碳酸钾（提取自草木灰）混合，然后将混合物加热，让二硫化亚铁形成硫酸铁，并将碳酸钾转化为近乎纯净的明矾（十二水合硫酸铝钾），而明矾在过去是非常好用的媒染剂。

直到17世纪中叶，整个欧洲都以黄铁矿为原料生产明矾。不仅如此，不少历史学家认为，明矾产业让人类第一次利用复杂化学反应制取纯净物，因此明矾制造业可以说孕育了现代化学工业。

药物、武器和炼金

早在公元前7世纪（东周初期），中国古代医生利用从火山口附近收集到的硫黄，开创了用加热硫黄产生的刺激性气体清理肠道的疗法。当时，硫黄燃烧后产生的烟雾还可用于杀死藏于动物毛发或衣物纤维中的寄生虫。硫黄粉末被制成各种药物，用于治疗皮肤病。但到了公元前4世纪（东周末期），火山口地区的硫黄资源逐渐稀少，于是古代中国人学会了从黄铁矿中提炼硫黄。明朝（17世纪）《天工开物》中记载：“凡硫黄，乃烧石承液而结就。”这里的“石”指的就是黄铁矿或是含有黄铁矿的其他矿物。黄铁矿被加热后，会产生“金黄色蒸气”，遇冷凝结后就形成纯净的硫单质。黄铁矿本身也是一种药材，中药中的一味药材“自然铜”就是黄铁矿，中医认为其具有化瘀血作用。

东汉时期的方士已经发现，在火药中添加硫黄，火药不但更容易被点燃，而且燃烧速度更快。这种可以爆炸的火药配方是冷兵器向热兵器转型的重要奠基石。清康熙年间，全国火药制造厂每年耗费400吨硫黄，而所有這些硫黄都来自黄铁矿。在公元2世纪前，黄铁矿是大多数没有火山硫矿的亚洲和欧洲国家获取硫黄的主要来源。

公元10世纪时，阿拉伯炼金术师观察到，黄铁矿被加热后释放硫黄烟雾，留下黑渣。基于这种观测，他们大胆猜测这个过程应该可以逆转。他们相信美丽的黄铁矿结晶最初就是由硫黄和这些黑渣所化。他们甚至相信所有物质都能升级到更高形态，比如黄金。

无独有偶，不少欧洲炼金术师也抱有这种想法。在炼金术的历史中，黄铁矿和硫黄是炼金术师们“炼化”黄金的主要原材料。还有不少炼金术师相信，黄铁矿是一种没完全成熟的黄金，要让这些“幼金”成熟，需要添加更多硫黄。虽然炼金术师们努力了好几百年也没有炼出黄金，但黄铁矿催生出的炼金热，在一定程度上也为现代化学工业奠定了基础。

中世纪欧洲炼金术师们被黄铁矿所吸引，不断追寻炼金之术。

打破硫黄垄断

19世纪初，人们发现植物对过磷酸盐化肥的吸收速度非常快，这种肥料让人类能以前所未有的速度从土地上获取粮食作物。由此引发的一场化肥革命让欧洲人口持续且快速增长。为了满足更多人对生活物资的需求，工业大革命在全欧洲如火如荼上演。在其中，黄铁矿扮演了重要角色。

生产过磷酸盐化肥需要硫酸，而制造硫酸首先要有硫黄。因此，天然硫黄成了各国重要的战略资源。起初，意大利西西里岛火山还能满足欧洲大部分硫黄需求。但1839年，一家法国公司控制了整个西西里岛的硫黄资源，将硫黄售价提高到原先的四倍。硫黄价格飙升，逼得大多数欧洲国家放弃购买硫黄，转而重新开启各自的黄铁矿厂。他们用高温焙烧黄铁矿的方法生产二氧化硫气体，溶于水后形成硫酸。黄铁矿作为全世界硫元素主要来源的重要地位一直持续到1894年。直到德国人弗拉施发明利用过热水和过热蒸汽从硫黄矿中提取硫的方法之后，人类对黄铁矿的依赖才开始有所减弱。但即便如此，在20世纪50年代之前，全世界半数硫黄依然是以黄铁矿为原料生产的。

西西里岛有丰富的天然硫黄资源。图为喷气孔周围熔化的硫黄。

淘金梦让他们定居北美

数百年来，黄铁矿吸引大量欧洲淘金客前往北美大陆。1542年，法国探险家卡迪尔听信传闻，前往加拿大北部圣劳伦斯河地区寻找宝藏。后来，他带回法国的“黄金”和“水晶”被鉴定为黄铁矿和石英石。1574年，英国探险家弗罗比歇尔来到加拿大北部寻找黄金。回到英国后，他将一块黑石头交给分析师检验，得到的回答是黄铁矿。他不甘心，又将石头交给第二位分析师，也得到了相同的回复。直到他将石头交给第三位分析师时，他才得到了他想要的答案：石头里有黄金。这个消息鼓舞了弗罗比歇尔。他再次前往加拿大，并带回了140吨“金矿石”。

弗罗比歇尔带回一大堆“金矿石”的消息很快就传到英国女王伊丽莎白耳朵里。伊丽莎白本来就很羡慕西班牙人从墨西哥和秘鲁掠夺大量黄金。一听说加拿大可能有黄金，她当即调拨了15艘大船，让弗罗比歇尔率领船队前往加拿大。几年后，他率领的船队浩浩荡荡驶入伦敦码头，带回了1350吨“金矿石”。不过，弗罗比歇尔还没来得及向女王讨要封赏，那个报告黄铁矿中有黄金的分析师的作假手段就被揭穿——他承认黄铁矿样本中的金粉是他私自加入的。虽然英国人在加拿大的黄金梦破灭了，但黄铁矿确实激发了一代欧洲人前往北美洲寻找矿藏，并积累了许多关于北美大陆的宝贵知识，为后来的探险家开辟了可靠路线。

17世纪初，黄铁矿再次被人们关注。1607年，英国探险家史密斯带领团队，前往今天的美国弗吉尼亚州寻找黄金。他回到英国时，一同带回了1100吨含有闪闪发亮金黄色晶体的沙黏土矿。但后来这些黄色晶体被证实为黄铁矿。英国人再次扑空，但发现黄金的假消息确实促使大量英国人定居弗吉尼亚等北美地区。

黄铁矿点燃了英国人的淘金梦，也间接促成了大量英国人定居北美。

造成危险，也带来财富

尽管黄铁矿为人类文明发展做出了很大贡献，但黄铁矿产业也会破坏环境。黄铁矿在空气中氧化的速度非常快，一旦暴露在湿润空气中，很容易与氧气和水生成硫酸。一旦硫酸汇入河流，很容易污染水质，杀死水生生物，引发人畜中毒。因为黄铁矿几乎存在于所有硫化物矿石和含煤沉积中，所以采矿活动会导致黄铁矿大量暴露于空气中。爆破、碾压和粉碎矿石大大增加了黄铁矿与空气的接触面积，极大提高了黄铁矿氧化的速度。

黄铁矿也是建筑工作者时刻提防的对象。混凝土路面比沥青路面强度更高，耐久性更好，但混凝土石块中一旦混入黄铁矿，其氧化产生的硫酸会降低混凝土路面强度，路面就容易损坏。同理，建筑地基中如果被检测出黄铁矿超标，施工方会直接掏空含有黄铁矿的基层，然后用符合标准的基层替代。

黄铁矿氧化会释放大量热，而一旦温度超过320℃，黄铁矿粉尘就很可能被引燃。1894年，美国亚利桑那州一个铜矿因大量黄铁矿暴露于空气引发大火，大火持续了数十年。虽然黄铁矿极易氧化，但前提是必须有水，只要不接触水，它的氧化速度就十分缓慢。而且，干燥条件下，黄铁矿会在表面形成一层氧化铁保护层，能够抑制矿石进一步氧化。

黄铁矿还是一种半导体材料。半导体能在特定条件下传导电流，在另一些特定条件下则不能，因此半导体材料可以精准控制电子设备中的电流流动。在无线电蓬勃发展的20世纪上半叶，廉价的黄铁矿晶体和方铅矿晶体被作为矿石收音机的半导体材料，让收音机成为一种家家户户都买得起的娱乐设备。

现代电池行业从业者利用黄铁矿超微细颗粒作为“量子点”，大大提高了锂离子电池的充电速度。黄铁矿也是太阳能光伏面板中被视为能够替代硅基面板的新一代半导体材料。相比硅，黄铁矿吸收太阳辐射的能力更强，而且成本更低。

1829年，美国费城一家杂志刊载文章，第一次用“愚人金”指代黄铁矿。文章用刻薄的文字将加利福尼亚州北部淘金者们戏称为“炼金术师”。然而在今天，加州北部竟然是全美首屈一指的黄金出产地。不仅如此，目前全球开采的绝大部分黄金——约每年3000吨，都来自于含黄铁矿的矿石。这些矿石中含有极少量肉眼无法看到的黄金微粒。作为目前全世界最主要的黄金冶炼原矿，岩金矿（相对于砂金矿）最常见的共生矿物就是五角十二面体黄铁矿。找到了这种特殊的黄铁矿，就有很大概率在附近发现岩金矿。至此，黄铁矿终于可以不再背负“愚人金”的名号。