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第3章 “绿宝石”之谜

稀有金属铍的矿石叫做绿柱石,又叫绿宝石。

绿柱石

几何学揭开“绿宝石”出身之谜

法国化学家富尔克鲁瓦曾经十分感慨地说:“我们之所以能够发现铍,应该把大部分的功劳归于几何学。因为有了几何学,我们对铍才有所认识。可以这样说,假如没有几何学,恐怕再经过若干年代,也难以发现这种金属。”铍是一种化学元素,它的发现为什么要归功于几何学呢?话题还得从距今200多年前的一件事谈起。18世纪末,法国有一位著名矿物学家,名叫阿维。一次,阿维在研究祖母绿和绿柱石这两种矿物时,发现它们晶体的几何结构完全相同。于是,阿维断定,祖母绿和绿柱石其实是同一种矿物,因为根据当时已经知道的结晶学面角守恒定律:几何结构相同的晶体,它们的化学组成也相同,也就是说,每种晶体都有自己独特的结构,如同人的指纹一样。

当然,以上结论只是阿维推断出来的,确认这一点还必须有实验的依据。为了保证实验准确无误,阿维决定请化学家来帮忙。他把祖母绿和绿柱石的标本寄给法国著名矿物化学专家沃克兰,只请他鉴定一下矿物的成分,其他什么也没说。阿维这么做,并不是不信任沃克兰,而是为了避免实验中受先入为主的观念影响。

沃克兰的分析结果很快就出来了。没错,祖母绿和绿柱石的化学组成确实是完全相同的,祖母绿实际上是绿柱石的一种。

阿维的推断得到了证实,但事情并没有到此为止。由于沃克兰的实验做得格外仔细,分析的项目也很多,在实验中他意外地发现:在绿柱石中,除了含已知的硅和氧化铝外,还有一种新物质。

1798年2月,沃克兰在法国科学院宣布了自己的这一发现。他给这种新元素取名“铍”,铍是“绿柱石”的意思,这自然因为铍首先是从绿柱石中得到的。不过,沃克兰虽然宣布了自己的发现,但并未真正将铍分离出来。铍是在30年以后,由德国化学家韦勒于1827-1828年间分离出来的。这个应用几何原理发现化学元素的故事告诉我们:各门学科之间是有着许多内在联系的,因此,要提倡综合推理分析,这样可能会有更多的发现和发明!

通灵宝玉“显灵”之谜

古代中国人非常喜欢玉,他们把玉看成是“纯洁”、“美丽”的象征。说也奇怪,正像中国古时候有人相信“通灵宝玉”可以辟邪一样,外国古时候也有人迷信绿宝石的奇迹,流传着绿宝石能够治病,能够使人未卜先知这一类的说法。

但什么是宝玉呢?它怎么“显灵”呢?

据我国地质学家章鸿钊考证,我国古代称作“猫儿眼”的宝石,有时候就是指绿柱石。

当然,因为古时候没有化学分析和矿物鉴定,只看宝玉的外表,就难免把不同的矿石混为一谈。但是,我国的绿柱石矿至少在清代已经开采,可见铍的矿石——绿柱石早就被我国看做是宝玉了。

经过试验知道:稀有金属铍的矿石叫做绿柱石,又叫绿宝石,是宝玉的一种。

铍这种稀有金属很轻,密度不到钢铁的1/4。

铍是一种又轻又强韧的银灰色金属,外表有点像铝,却比铝耐热,可以用来做原子能工业的结构材料。

今天,绿宝石真正出现了奇迹,这个奇迹是科学家发现的。原来从绿宝石中提炼出来的稀有金属铍,可以在原子能和火箭技术里大显神通。

铍青铜“百折不挠”之谜

谁都见过铜,并且知道铜比钢铁要软得多,但是只要在铜里加进2%的铍,铜的性质就会发生惊人的变化,变成强韧的合金,叫做“铍青铜”。铍青铜的抗拉强度要比普通的钢铁大几倍,并且弹性极好,真是“百折不挠”。用它来制造手表、精密仪表和航空仪表上的弹簧和零件,那是再好不过的了。所以,铍青铜在工业上有着广泛的用途。

铍青铜产品原件

除了铜铍合金以外,微量的铍也用来改善镁铝合金的性能。最近,人们正在研究用含铍合金制造宇宙飞船材料的可能性。铍非常轻,又比较耐高温。

铍的盐类还用来制造荧光灯。氧化铍是很好的特种耐火材料。

揭秘铍的冶炼

铍的性能优异,它的冶炼却是个十分棘手的问题。

首先,铍在冶炼过程中,除绿柱石以外,其他一切物料都有剧毒,就是所谓的“铍毒”。据研究,每立方米空气中只要有0.1%克铍的灰尘,就能够使人马上得急性肺炎,死亡率很高。如果长期在含有铍灰尘的空气中工作,那么,每立方米空气中哪怕只有十万分之五克铍,也能够使人得病。美国在建立原子能业的初期,因为操作不当,许多人中铍毒而亡。因此,生产铍必须采取特殊的安全措施:工厂一定要设在野外,附近必须划作铍毒区,不能住人。一切非工厂人员,没有经过检查不许进入铍毒区。工作人员必须定期检查身体,出入工厂要换衣服、淋浴。

氟的分子结构图

工厂的一切设备都用罩子罩起来,为了避免灰尘飞扬,厂里不能扫地,只能用吸尘器或者用水冲洗。工厂的垃圾不能随便处理,要堆在指定地区或者用专门的船只运到海里倒掉。在医学上,铍毒还是一个谜,没有特效药,无法治疗。

其次,铍的冶炼过程十分复杂。绿柱石和石灰一起在电炉中熔化,流到水里急剧冷却,粉碎以后和硫酸作用,用水浸出硫酸铍。因为硫酸铍溶液里含有很多硫酸铝,还要加硫酸铵除去铝,才能够结晶出硫酸铍。硫酸铍和氨水作用得到氢氧化铍,再和氟化氢铵作用制成氟化铍,氟化铍和镁作用制成金属铍。金属铍的价格比银还贵8倍多!

氧化铍(原件)

现在冶炼出来的铍很脆,这是什么原因呢?人们对这个问题有不同的看法。有人说,主要是因为铍里有少量杂质。如果这种说法是对的,那么高纯度的铍就不会有脆性了。因此,近年来有些科学家千方百计地制造极纯的铍,想看一看极纯的铍是不是有韧性。但有些人却认为,就是极纯的铍也还是有脆性的。总之,这还是一个谜。

因为铍在冶炼上存在着这样大的困难,有的冶金学家就称它是“冶金学上第一号头痛问题”。

原子锅炉也有外套

火车、汽车、飞机、轮船和潜水艇等现代化交通工具都有一个共同的缺点,就是要消耗大量的燃料。为了添加燃料,飞机飞行了一段时间以后一定要降落,轮船航行了一定距离就要靠岸,潜水艇在水底下的时间久了也必须浮出水面。

怎样才能解决这个问题呢?

如果采用原子核燃料,情况就会完全不同,轮船和潜水艇就能够长期不停地航行,飞机不用加油就可以做环球飞行。用原子能做宇宙飞船的燃料,对星际航行更是具有重大的意义。

但是,在交通工具中应用原子能却是个非常复杂的问题。原子锅炉的体积一般都很大,为了防止射线伤害人体,外面有很厚的防护层。要把这样一个庞然大物搬到飞机或者潜水艇上,可以想象有多么困难!

在飞机或者潜水艇上建立小型原子锅炉,仅是安装就面临2个困难。首先,它的射线容易散失到外面去,使锅炉里的原子核反应不容易维持。这正像烧煤的炉子如果太小,容易散热,燃烧也就不容易维持一样。其次,散射出来的射线还会损害驾驶员和乘客的健康。

人们终于找到了铍,请它来帮忙。氧化铍有一种宝贵的性质,它能够像镜子反射光线那样来反射原子锅炉里的射线,只要用氧化铍做成的砖头砌在原子锅炉外边,就像给原子锅炉穿上外套,射线想逃也逃不出来,一举解决了两个困难。现在,原子能已经应用在轮船和潜水艇上,至于在航空上和铁路、公路运输上应用原子能,还要解决许多科学技术问题以后才能实现。

形状各异的铀棒

除了原子能交通工具外,地面上的原子锅炉也利用氧化铍做“反射体”,把中子射线反射回去,使链式反应顺利地进行下去。核燃料铀棒还要用金属铍做“外套”,因为它不吸收中子,又耐高热。

“人老珠黄”为何由

珍珠是人人尤其是女人喜爱的装饰珍品,然而,珍珠的色泽却远不如宝石或玉石稳定和持久。一般在存放几十年以后便会变成黄色,并失去迷人的珍珠光泽。这就是人们最担心的所谓的“人老珠黄”现象。

珍珠的化学成分主要为碳酸钙(约占总成分的92%),矿物成分是文石。珍珠是在蚌壳内由薄层文石叠聚而成,光线透过珍珠的薄层文石,便会反射出“珍珠光泽”。

色泽亮丽的珍珠

但文石暴露在空气中时间一长,便会由表到里逐渐变成比较稳定的方解石。方解石的化学成分虽然也是碳酸钙,但其结晶形态和光泽有很大的变化,颜色也随之变黄。但变黄仅限于珍珠的表层,可用10%的稀盐酸将它稍稍浸泡一下,随着泡沫的产生,珍珠的黄色外壳被溶解,珍珠就可重放光彩。但切忌在稀盐酸中浸泡过久,以防珍珠受破坏。

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