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第8章 千姿百态的金属(1)

这种散发着光芒的物质将人类的生活装点得更加美丽。这种气质刚硬的物质,使得人类能够在与尖牙利爪的争斗中胜出。它的千姿百态,它的变幻莫测,是让人类对它更加着迷的原因所在。

生性活泼的锂

锂是一种柔软的银白色的金属,首先它特别的轻,是所有金属中最轻的一种。它生性活泼,爱与其他物质“结交”。

生性活泼

锂生性活泼,喜动不喜静,喜欢与各种物质“结交”。比如,将一小块锂投入玻璃器皿中,塞上磨砂塞,里边会通过反应很快耗尽器皿内的空气,使其成为真空。于是,纵然你使上九牛二虎之力,也别想把磨砂塞拔出来。显然,对于这样一个顽皮的家伙,要保存它是十分困难的,它不论是在水里,还是在煤油里,都会浮上来燃烧。化学家们最后只好把它强行捺入凡士林油或液状石蜡中,把它的野性禁锢起来,不许它惹是生非。

锂的发现

锂是继钾和钠后发现的又一碱金元素。发现它的是瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特森。1817年,他在分析透锂长石时,最终发现一种新金属,贝齐里乌斯将这一新金属命名为lithium,该词来自希腊文lithos(石头),元素符号定为Li。

锂发现的第二年,得到法国化学家伏克兰重新分析肯定。

工业化制锂是在1893年由根莎提出的,锂从被认定是一种元素到工业化制取前后历时76年。现在电解氯化锂制取锂,仍要消耗大量的电能,每炼一吨锂就耗电高达六七万度。

锂被人发现已有170多年了。在它被制取后的100多年中,它主要作为抗痛风药服务于医学界。直到20世纪初,锂才开始步入工业界,崭露头角。如锂与镁组成的合金,能像点水的蜻蜓那样浮在水上,既不会在空气中失去光泽,又不会沉入水中,成为航空、航海工业的宠儿。

锂高能电池是一种前途广泛的动力电池。它重量轻,贮电能力大,充电速度快,适用范围广,生产成本低,工作时不会产生有害气体,不至于造成大气污染。

由锂制取氚,用来发动原子电池组,中间不需充电,可连续工作20年。

氢弹里装的不是普通的氢,而是比普通氢几乎要重一倍的重氢或重二倍的超重氢。用锂能够生产出超重氢——氚,还能制造氢化锂、氘化锂、氚化锂。

早期的氢弹都用氘和氚的混合物作“炸药”,当今的氢弹里的“爆炸物”多数是锂和氘的化合物——氘化锂。我国1967年6月l7日成功地爆炸的第一颗氢弹,其中的“炸药”就是氢化锂和氘化锂。1公斤氘化锂的爆炸力相当于5万吨烈性梯恩梯炸药。据估计,1公斤铀的能量若都释放出来,可以使一列火车运行4万公里;1公斤氘和氚的混合物通过热核反应放出的能量,相当于燃烧20000多吨优质煤,比1公斤铀通过裂变产生的原子能多10倍。

曾经的“贵族”金属——铝

铝是白色轻金属,在地壳中的含量仅次于氧和硅,居第三位。铝在航空、建筑、汽车这三大产业中有非常重要和广泛的应用。

拿破仑三世的王冠

在150多年前,狂妄自大、骄奢淫逸的法国皇帝拿破仑三世,为显示自己的富有和尊贵,命令官员给自己制造一顶铝王冠。他戴上铝王冠,神气十足地接受百官的朝拜,这成为轰动一时的新闻。拿破仑三世在举行盛大宴会时,他有一套专用的餐具,是用铝制作的,而他人只能用金制、银制餐具。

听起来似乎不可思议,铝怎么会成为制作王冠的材料?皇帝的御用餐具用铝来制作?但这是事实,那时候的铝,是一种稀有的贵重金属,被称为“银色的金子”,比黄金还珍贵。

那时候的铝之所以贵重,在于当时落后的冶炼技术。

铝在19世纪才被发现,然而奇怪的是,铝在被发现很长时间,而且已经有了自己的名字很久之后,才被正式地提炼出来。

铝刚被提炼出来后,被当做贵重金属,被当做珠宝来对待。泰国当时的国王曾用过铝制的表链;1855年巴黎国际博览会上,展出了一小块铝,标签上写道:“来自黏土的白银”,并将它放在最珍贵的珠宝旁边。1889年,俄国沙皇赐给门捷列夫铝制奖杯,以表彰其编制化学元素周期表的贡献。

1886年,美国的豪尔和法国的海朗特,分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝,奠定了今天大规模生产铝的基础。这样使得铝的价格大大下降,不再受到珠宝商的青睐,而生活生产中大规模的应用也成为可能。

铝的发现

1825年,丹麦科学家奥斯特发表文章说,他提炼出一块金属,颜色和光泽有点像锡。他是将氯气通过红热的木炭和铝土(氧化铝)的混合物,制得了氯化铝,然后让钾汞齐与氯化铝作用,得到了铝汞齐。将铝汞齐中的汞在隔绝空气的情况下蒸掉,就得到了一种金属。现在看来,他所得到的是一种不纯的金属铝。

奥斯特忙于研究自己的电磁现象,这个实验被忽视。而他的朋友德国年轻化学家维勒,在知道了这件事之后,很感兴趣,便开始重复奥斯特的实验,但未能制出纯金属铝。于是,他改进了试验方法,终于提炼出了纯度较高的金属铝。

1827年末,维勒发表文章介绍了自己提炼铝的方法。当时,他提炼出来的铝是颗粒状的,大小没超过一个针头。但他坚持把实验进行下去,终于提炼出了一块致密的铝块,这个实验用去了他十八个年头。

铝具有多种优良性能,因此有着极为广泛的用途。

铝的密度很小,仅为2.7克/立方厘米,虽然它比较软,但可制成各种铝合金,如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等。这些铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外,宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其铝合金。例如,一架超音速飞机约由70%的铝及其铝合金构成。船舶建造中也大量使用铝,一艘大型客船的用铝量常达几千吨。

铝的导电性仅次于银、铜,虽然它的导电率只有铜的2/3,但密度只有铜的1/3,所以输送同量的电,铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力,而且有一定的绝缘性,所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。

铝是热的良导体,有较好的延展性,不易受到腐蚀,铝在氧气中燃烧能放出大量的热和耀眼的光,常用于制造爆炸混合物,耐低温,铝在温度低时,它的强度反而增加而无脆性,因此它是理想的用于低温装置材料,如冷藏库、冷冻库、南极雪上车辆、氧化氢的生产装置。

工业维生素——稀土金属

稀土金属从18世纪末叶开始被陆续发现。从1794年加多林分离出钇土至1947年制得钷,历时150多年。当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土,例如把氧化铝叫陶土。稀土一般是以氧化物状态分离出来,又很稀少,因而得名稀土。

廉价的重要战略物资

邓小平曾经说过,“中东有石油,中国有稀土”,稀土是可以与石油相提并论的主要战略物资。

2009年,美国相关报告显示:中国稀土储量为3600万吨,占世界36%;美国稀土储量为1300万吨,占世界13%;俄罗斯稀土储量为1900万吨,占世界19%。另外,巴西、澳大利亚、越南、加拿大和印度等国的拥有量也相当可观。

中国控制世界稀土市场98%的份额。但是稀土的价格在多年以来一直被以“土豆价”“白菜价”卖到国外。

从中国进口稀土的主要三个国家有:日本、韩国、美国。其中,日本、韩国没有稀土资源,而美国拥有稀土资源但禁止开采。如果中国一直保持着这样的出口量,20年后,中国可能成为稀土小国或无稀土国。

2009年开始,中国加大对稀土出口的管理。

万能之土

在军事方面,稀土可以大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。而且,稀土同样是电子、激光、核工业、超导等诸多高科技的润滑剂。美国在军事上的先进,也可以说成是美国在稀土开发利用上的先进。

在冶金工业方面,稀土金属加入钢中,能脱除有害杂质,并可以改善钢的加工性能;稀土硅铁合金、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸铁,用于汽车、拖拉机、柴油机等机械制造业;稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中,可以改善合金的物理化学性能,并提高合金室温及高温机械性能。

在新材料方面,稀土钴及钕、铁、硼永磁材料,具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积,被广泛用于电子及航天工业;纯稀土氧化物和三氧化二铁化合而成的石榴石型铁氧体单晶及多晶,多用于微波与电子工业;用高纯氧化钕制作的钇铝石榴石和钕玻璃,可作为固体激光材料;稀土六硼化物可用于制作电子发射的阴极材料;近年来,世界各国采用钡钇铜氧元素改进的钡基氧化物制作的超导材料,可在液氮温区获得超导体,使超导材料的研制取得了突破性进展。

1927年7月,中瑞(典)西北科学考察团在中国西北地区进行科学考察,途经内蒙古乌兰察布草原阴山北麓、包头北约150公里处时,中国地质工作者丁道衡被一座黑色山峰吸引。在好奇心的驱使下,他独自前往勘查,首次发现了白云鄂博矿铁矿,在当时,他并不知道铁矿中还含有稀土,而且是世界上储量最大的稀土矿。

直到8年之后,前中央研究院地质研究所研究员何作霖对丁道衡采回的白云鄂博矿石进行研究后,从中发现了稀土。

但是,由于战争原因和当时对稀土的研究较为落后,在相当长一段时间,相关开发利用并未启动。

20世纪60年代,中国开启稀土相关研究和实体建设。

1961年,8861稀土实验厂开工建设,建设项目包括:稀土精矿选矿车间,混合稀土氧化物、混合稀土金属、单一稀土氧化物、单一稀土金属提取分离车间以及相应的辅助设施工程,后来发展为包钢稀土冶炼厂。

70年代初,日本曾经要求高价购买白云鄂博铁矿中的矿渣。此事报到国务院,周恩来总理指示中国科学院和矿冶研究院进行调查,不过,由于当时中国科技水平的限制,对于日本的动机,科学界无法解释。尽管如此,周恩来还是拒绝了这笔看似合算的买卖,同时,指示相关部门对包钢矿藏进行进一步的研究。

补钙是永远不过时的话题

钙是一种质软的银白色金属,化学性质活泼,能与水、酸反应,有氢气产生。空气在其表面会形成一层氧化物和氮化物薄膜,以防止继续受到腐蚀。加热时,几乎能还原所有的金属氧化物。

天才科学家的妙手偶得

英国化学家戴维是世界上最伟大的科学家之一,他最主要的成就是发现了最多的化学元素。

1808年5月,戴维电解石灰与氧化汞的混合物,得到钙汞合金,将合金中的汞蒸馏后,就获得了银白色的金属钙。瑞典的贝采利乌斯、法国的蓬丁,使用汞阴极电解石灰,在阴极的汞齐中提出金属钙。

钙在自然界分布广,以化合物的形态存在,如石灰石、白垩、大理石、石膏、磷灰石等;也存在于血浆和骨骼中,并参与凝血和肌肉的收缩过程。金属钙可由电解熔融的氯化钙而制得;也可用金属在真空中还原石灰,再经蒸馏而获得。

人体不可缺

钙是人体内含量最多的一种无机盐。正常人体内钙的含量为1200克~1400克,约占人体重量的1.5%~2.0%。其中99%存在于骨骼和牙齿之中,另外1%的钙大多数呈离子状态存在于软组织、细胞外液和血液中,与骨钙保持着动态平衡。机体内的钙,一方面构成骨骼和牙齿,另一方面则可参与各种生理功能和代谢过程,影响各个器官组织的活动。

钙与镁、钾、钠等离子保持一定比例,使神经、肌肉保持正常的反应;钙可以调节心脏搏动,保持心脏连续交替地收缩和舒张;钙能维持肌肉的收缩和神经冲动的传递;钙能刺激血小板,促使伤口上的血液凝结;在机体中,有许多种酶需要钙的激活,才能显示其活性。

钙除了是骨骼发育的基本条件,直接影响身高外,还在人体内具有其他重要的生理功能。这些功能对维护机体的健康,保证正常生长发育的顺利进行具有重要作用。比如钙能促进体内某些酶的活动,调节酶的活性作用;参与神经、肌肉的活动和神经递质的释放,调节激素的分泌;血液的凝固、细胞黏附、肌肉的收缩活动也都需要钙。钙还具调节心律、降低心血管的通透性、控制炎症和水肿、维持酸碱平衡等作用。

人体对钙的需要可以通过从食物中获得。但钙在体内的吸收过程容易受到其他因素的影响,如膳食的成分、体内钙及维生素D的状态、生理状态(包括生长、孕妊、哺乳、性别、年龄等)等。应注意避免一些干扰钙吸收的不利因素,创造有利于钙吸收的条件,以使机体得到充分的钙。从食物中补钙以乳类及乳制品为好,因其含钙量大,吸收率高,如100毫升牛奶中钙含量达100毫克。另外,水产品中的虾皮、海带含钙量也较高。干果、豆类及其豆制品、绿叶蔬菜中含钙也不低,都是钙的来源。膳食中一些因素会影响钙的吸收,如:植物性食物中的植酸盐、纤维素、草酸容易与钙结合成难溶性的盐,降低钙的吸收。膳食中的浮糖、维生素D及某些氨基酸则能明显增加钙的吸收。

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