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第7章 稀有金属家族之谜(2)

砷就是由德国的炼金家马格努斯发现的。1250年,他在炼金时,用雌黄(硫化砷)与肥皂共热的方法,意外得到了色白如银的砷。这一发现使许多人以为用此法就可得到大量白银。然而,由于砷和砷的化合物有很大的毒性,许多采矿的奴隶因此断送了性命。在炼金术士的记录符号中,砷是用一条盘卧的毒蛇来表示的,在现代科学应用中,砷的化合物可做杀虫剂、木材防腐剂等,高纯砷可用于半导体和激光技术中。

磷,这种在黑暗处会发出冷光的物质,是德国人布兰德最早制取的。布兰德曾当过医生,后来受到炼金术士的诱惑,想变成百万富翁,便做了炼金家。他看到人尿颜色橙黄,就想从尿中提取物质,这种物质被称为“哲人石”,据说哲人石可以“点银成金”。1669年,布兰德在提取哲人石的实验中,却意外得到一种色白质软的物质。奇怪的是,这种物质在黑暗处竟能闪烁幽幽光芒!这种物质就是磷,磷它的希腊文意思是“鬼火”。有人把磷带到勃兰登堡的鬼火宫廷去展览,当夜幕降临时,大厅里所有的烛光都熄灭了,只有瓶中那一小块磷在闪耀着魅惑的荧光。随着贵族小姐和妇人们的惊叫,磷也成了稀世珍宝,欧美各国的达官贵人竞相争购,许多炼金术士因此发了财。现在,磷主要做磷肥,用于农业;磷还可以制造火柴、杀虫剂、燃烧弹等。可以说,古代的炼金术是近代化学的前驱,那些神秘莫测的炼金家们,如同在葡萄园中挖金子的人一样,没有炼出黄金,却为元素的发现开掘出一块沃土。

翻译家的身世

铯和铷被称为“翻译家”。它们的身世是什么呢?

铯榴石是炼铯的最好原料,铍的矿石——绿宝石常常含有铷和铯,所以也是提炼铷和铯的原料。但是,最大量的铷和铯却蕴藏在海水中。据估计,海水中的铷共有4000亿吨,比陆地上的铁矿还多!可惜到现在为止,还没有找到从海水中提取铷和铯的有效方法。但是在古代的海干涸以后所遗留下的盐层或者盐湖里,铷和铯的含量要比海水中浓得多,已经有办法把它们提炼出来。有的国家就是从岩盐矿层中提取铷和铯的。

知道了它们的身世,可是为什么他们被称为“翻译家”呢?

电视翻译之谜

我国大部分地区都有电视台,它不但能够播送声音,还能够播送图像。譬如,北京举行的奥运会,除了在场的观众,全国各地成千上万坐在电视机前面的观众都可以欣赏到。他们是通过天空中的无线电波间接地看到比赛实况的。

十分明显,直接利用光线传播比赛实况是不可能的。电视的妙处,就在于它能够把光线“翻译”成无线电波,辗转播送到全国各地。千家万户的电视机接收到了无线电波,又把它“翻译”成光线,使电视观众看到比赛实况。

各种类型的光电管

这种“翻译”在科学上叫做光电现象,是电视广播的基础。把“光”翻译成“电”的,是一种叫做“光电管”的设备,稀有金属铯和铷,在光的照射下能够产生电流,是光电现象最强烈的材料,所以是制造光电管的主要感光材料。

测量星际距离的手段

铯和铷的“翻译”工作在天文学上也很有用。我们仰望夜空,可以看到繁星点点,有的明亮,有的昏暗,有的每天每月在改变亮度。天文学家用光电管做成的仪器,把星光变做电流,只要测量电流的大小,就能够算出每颗星星的亮度。你千万不要以为这是无关紧要的工作,天文学家正是从这里获得许多有关宇宙的宝贵知识。其中一个重要的收获,就是测量遥远的恒星的距离。

造父型变星

要知道北京到天津的距离,只要在地面上做一次测量就行了,但是要测量银河中遥远的恒星集团的距离,那就十分困难。因为我们不但没法到那里去,而且距离过分遥远了。后来,天文学家终于找到一种方法,他们发现,有一种改变亮度的星,这种星的总发光量和亮度变化的周期有一定的关系,它是变星中的一种,叫做“造父型变星”。不论多么遥远的地方,只要找到一颗这样的星星,我们就可以从它的亮度变化周期,推算出它的总发光量,然后再用光电管测量出它的亮度。总发光量相同的星星,距离越远亮度就越低,所以从星星的总发光量和实测亮度,就可以算出它的距离,于是这个地方的远近,也就可以算出来了。

天文学家正是用了这种方法,才算出了银河或者更远的星云离我们有多远。

看不见的防线

对森林资源来说,火灾是一件最头痛的事情。特别是绵延几百千米的大森林,有时候失火还不知道,这样会造成很大的损失。

用铷和铯做主要感光材料的光电管,在这里能够帮人们的忙,装着光电管的自动报警器,能够把火灾的光线变成电流,向遥远的管理中心发出警报。

也可以利用光电管做成看守重要地区或者仓库的设备。如果有人进行破坏、盗窃活动,只要他一遮断预先围绕在建筑物上的光线,光电管就会使电铃、汽笛、警灯之类的信号器接通电源,发出警报。

自动化的眼睛

光电管能够“看见”附近的事物,这就给自动化提供了有利条件。如果说光电管是自动化的眼睛,那么铯和铷就是这个眼睛的“视网膜”。

发电站外景图

转炉炼钢的“火候”,过去只能是单凭有经验的工人用眼睛来观察,而且有时不精确。现在已经用光电管制成的“电眼”来控制了。

在高温的电炉旁边装上光电管,能够记下从炉子里发出来的光的强弱,从光的强弱就可以算出温度高低。如果再接上自动化装置,光电管更可以根据炉子的情况决定供电多少,来控制电炉的温度。

在拥有现代化工业的国家里,通常有许多电站组成统一的供电网,统一调度,互补余缺。拿我国来说,东北、华北和华东等地区,就都有这种统一的供电网。

统一的调度站,离开各发电站常常有几百千米远。要在这样远的地方知道各电站的情况,并且还要进行遥远控制,是非常复杂的事情。光电管在这里又大显神通,它把电站仪表的指数变成信号,“告诉”几百千米外的调度站,不论距离多远,误差不会超过2%。

从盐水到“电眼”之谜

从盐水或者岩盐矿层中提取铷和铯可不是一件简单的事情,因为铷和铯在那里的浓度尽管要比海水中浓得多,一般也只有硫酸铯十万分之几,要把它们浓缩到百分之九十几,是很不容易的。此外还有一个困难,那就是铷、铯的化合物和盐水中其他成分的性质十分相近,不好分离。

通常采用的分离方法是“重结晶分离法”。原来铷和铯的化合物,在水里溶解得比较少,可是盐水中的其他成分在水里就溶解得比较多,如果我们把盐水蒸发浓缩,首先结晶出来的盐中,所含的铷和铯就特别多。把这些盐溶化在水里,再蒸发浓缩,先结晶出来的盐中,所含的铷和铯就更多。这样反复地进行几十次,就能够得到氯化铷和氯化铯。

从氯化铷和氯化铯制取金属铷和金属铯,是利用“金属热还原”的方法。用钙跟氯化铷或氯化饱互相作用,就能够得到金属铷或金属铯。

保存在油里的铷

铷和铯都是银白色的金属,柔软得可以用小刀切割,它们都很容易熔化成液体。铯只要28℃就熔化了,铷在38℃下也会熔化。这两种金属碰到水都要着火,必须保存在油里。

把金属铯喷镀在银片上,做成铯的薄层,就成了最好的光电管——能够“看”光的“电眼”的元件。铷也可以用来制造光电管,但是效果比铯差些。

铷元素周期表

多才多艺的双生兄弟之谜

钛和锆都是高熔点稀有金属,它们的性质非常相近,像一对双生兄弟。除了耐热这个共同的特点外,钛的特点是轻而强韧,是用在火箭、飞机和宇宙飞船上的好材料;锆的特点是不吸收原子射线,可以用来建造原子锅炉。

兄弟俩住在海滩上,海滩上有成亿吨砂石,钛是用来造飞机、飞船的理想材料钛和锆这两种比砂石重的矿物,就混杂在砂石里。

海边,一阵阵海水卷起白雪般的波涛,昼夜不停地冲刷着海滩。在海浪中,砂石翻滚,来回不停地淘洗着。这种大自然的壮丽景象早就引起了诗人的注意。

冶炼出的钛块

1000多年前,我国著名的诗人白居易,在东海滨就写过这么2首诗:

白浪茫茫与海连,

平沙浩浩四无边,

暮去朝来淘不住,

遂令东海变桑田!

一泊沙来一泊去,

一重沙灭一重生,

相搅相淘无歇日,

会教山海一时平!

诗人虽然看出海水昼夜不停地淘洗会引起陆地和海洋的变化,可是他却不会想到:海浪帮了冶金学家的大忙。千百万年来,“暮去朝来淘不住”的海浪,把比较重的钛铁矿和锆英砂矿冲在一起,在“平沙浩浩四无边”的海岸边,形成了一片一片的钛矿层和锆矿层。

这种矿层是一种“黑色的砂子”,通常有几厘米到几十厘米厚,有些地方的蕴藏量特别大,就成为开采钛矿和锆矿的中心。

此外,在河床或山里,也可能有巨大的钛、锆矿。

钛和锆的妙用

军事上的理想材料

钛是一种不寻常的金属材料,它兼有质量轻、强度大、耐热、耐腐蚀和原料丰富五大优点,所以人们抱着莫大的希望,把它叫做“未来的金属”。

钢铁、铜、铝这些常用的金属材料,它们虽然各有优点,可是往往只有“一技之长”,总有不少缺陷。例如:钢铁的强度大,但是太重,又容易生锈;铝很轻,却不耐高热。钛可是个“多面手”,它的密度只有钢铁的一半,却和钢铁一样强韧,它不生锈,熔点又高。

把钛算做“稀有”金属,真有点冤枉。地球表面十千米厚的地层中,含钛达千分之六,比铜多61倍!随便从地下抓起一把泥土,其中都含有千分之几的钛。世界上储量超过1000万吨的钛矿并不稀罕。钛几乎可以说是“取之不尽,用之不竭”的金属。

现在,让我们来看看这位“多面手”的本领吧!

最初发明的飞机,飞行速度比汽车快不了几倍。后来,制造出越来越快的飞机,有一种飞机只要15分钟就能够从北京飞到上海,而坐火车要走一天!

飞机可以飞得快些,在军事上的价值是不言而喻的。所以,近年来各国都在努力制造更快的飞机。要让飞机飞得更快,得过许多技术关,其中有一个重要的难关就是机翼发热问题。

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