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化学元素趣闻--黑色金属

来源:未知作者:章金莲 点击:所属专题: 化学元素简介 金属材料
在冶金工业上,常把金属分为黑色金属与有色金属,黑色金属就是铁,铬,锰,除了这三,其他金属都是有色金属。很好记的,“铁哥们”不是吗?还有这些金属的颜色不是黑色的,事实上纯净的铁是银白色的,由于钢铁表面通常覆盖一层黑色的四氧化三铁,而锰及铬主要应用于冶炼

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在冶金工业上,常把金属分为黑色金属与有色金属,黑色金属就是铁,铬,锰,除了这三,其他金属都是有色金属。很好记的,“铁哥们”不是吗?还有这些金属的颜色不是黑色的,事实上纯净的铁是银白色的,由于钢铁表面通常覆盖一层黑色的四氧化三铁,而锰及铬主要应用于冶炼黑色的化学元素趣闻--黑色金属合金钢,把这三个金属归为黑色金属,突出了钢铁在国民经济中占有极其重要的地位,是非常有意义的。

 

最重要的金属——铁Fe

 

我国是世界上最早发明冶炼铸铁的国家

我国考古工作者曾发现公元前五世纪的铁器,但数量不很多;另外,还发现公元前三、四世纪的铁器,数量较多,而且冶铸水平较高。如1950年,我国考古工作者曾在河南辉县固围村发掘战国时代的魏墓,发现铁制生产工具九十多件,其中有铁犁、铁锄、铁镰刀、铁斧、铁链等。从这些实物可以推断,我国劳动人民早在近三千年前的周代,已会冶炼铸铁了。到了公元前三、四世纪,我国铁器的使用便普遍起来。这说明我国使用铸铁的时间要比欧洲早出一千六百年,是我国古代劳动人民对世界冶金技术的伟大贡献。

自春秋以来,我国设有专门管理炼铁的“铁官”,也有专门经营炼铁的“铁商”。到了汉朝,我国已普遍用熟铁制造工具代替铸铁工具。到了唐朝,铁的年产量达一千多万斤。宋朝,铁的年产量达三千万斤以上。明朝,铁的年产量则高达九千万斤以上。明末宋应星著的《天工开物》一书,不仅对古代的炼铁技术作了详细地介绍,而且还画成了插图作了形象的描绘。

铁在地壳中的藏量为4.2%,就金属而论,仅次于铝,占第二位

据不完全统计,到1971年,世界各国已查明的铁矿储量为2500亿吨以上。另外,还有5000亿吨属可利用的铁矿资源。在大自然中,纯净的金属铁很少——只有从天上掉下来的“陨石”才几乎是纯铁(仅含一点点杂质镍Ni),绝大部分铁都是以化合物的状态存在:乌黑发亮、具有磁性的磁铁矿Fe3O4,紫红色的赤铁矿Fe2O3,棕黄色的褐铁矿2Fe2O3·3H2O,黑灰色的菱铁矿FeCO3,金光闪闪的黄铁矿FeS2。除了黄铁矿含硫太高,不适用于炼铁,一般只用作制造硫酸的原料外,磁铁矿等都是炼铁的原料。

这“钢”与“铁”是两回事

纯净的铁是银白色的金属,富有延展性。不过,纯铁的机械强度不高,在工业上不很常用。通常所说的“钢铁”,这“钢”与“铁”是两回事。在工业上,铁是分生铁、熟铁两种——生铁含碳1.7-4.5%,熟铁含碳0.1%以下,而钢呢?含碳量在0.1-1.7%之间。因此,生铁、钢、熟铁的不同,主要在于含碳量的不同。

随着含碳量的高低不同,生铁、钢、熟铁的性能大不相同,用途也不同。

生铁很脆,一般是浇铸成型,所以又称“铸铁”,如铁锅、火炉等,在工业上用来制造机床的床身、蒸气机和内燃机的汽缸等,它的成本比较低廉、耐磨,但没有延性和展性,不能锻打。

熟铁所含杂质少,接近于纯铁,韧性强,可以锻打成型,所以又叫“锻铁”,如铁勺、锅铲等。

钢的韧性好,机械强度又高,在工业上的用途最广。按含碳量的高低,分为三种碳素钢,即低碳钢(含碳低于0.25%),中碳钢(含碳在0.25-0.6%之间),高碳钢(含碳0.6%以上)。含碳约多,钢的强度越大,化学元素趣闻--黑色金属硬度越高,但韧性、塑性却越差。由于低碳钢的性能与熟铁近似,而成本比熟铁低得多,现在工业上大都用低碳钢代替熟铁,如制造铁丝、铆钉、白铁皮(镀锌Zn)、马口铁(镀锡Sn)等。碳素钢广泛的被用来制造各种机器零件,如齿轮、凸轮、螺帽、铁轨、钢筋等等;曰常生活中用的刀、手表壳、钢笔尖、针、剪刀等。另外,在钢中加入各种不同的金属或非金属,可以制成许多性能不同的合金钢。如含镍Ni 36%的镍钢几乎不因冷热而仍煌冷缩,用来制造精密仪表零件;含18%钨W的钨钢,即使已炽热,仍非常坚硬,用来制造高速切割的车刀;含少量钒V的钒钢,可使钢的弹性增加一倍,用来制造各种弹簧;含2.5%硅Si的硅钢做成硅钢片,用作变压器的铁心,不仅可减少变压器发热现象,而且大量节约了电能。

在工业上,人们是在高炉中把铁矿同焦炭、石灰石等混合在一起,在高温下炼制铁。焦炭是作为燃料与还原剂,石灰石则用来除去铁矿中的杂质,如氧化硅、硫、磷等。从高炉中炼出来的是生铁。生铁还需放入转炉或平炉、电炉中,除去部分碳,炼制成钢。

比之铝、铜等金属,铁有一个很大的缺点,就是容易被锈蚀。纯铁虽是银白色的,但是曰常所见的铁,表面总是布满褐色的铁锈。不过,铁在干燥的空气里,放几年也不会生锈;把铁放在煮沸的、干净的水里,也很久不会生锈。只有在潮湿的空气或溶有空气(使铁生锈主要是空气中的氧气)的水中,才易使铁生锈。铁锈,是钢铁的心腹大患。据统计,在1890-1923年这33年之中,全世界生产的钢铁有40%因生锈而损失掉了!为了防锈,人们常在钢铁制品表面涂上油漆、陶瓷或镀上防锈金属。

重要的铁的化合物

氧化铁Fe2O3是咖啡色的,常用的棕色颜料便是它(颜色深浅与粉末粗细有关)。氧与铁的化合物还有两种——氧化亚铁FeO是黑色的,而四氧化三铁Fe3O4也是黑色的,但表面闪着蓝光。时钟的针、发条表面常是黑中透蓝,便是表面经过“发蓝处理”——用化学方法使表面生成一层致密的四氧化三铁可以防锈。

硫酸亚铁FeSO4本是白色的粉末,但常见的硫酸亚铁晶体通常是浅绿色的,那时因为含有结晶水的缘故FeSO4·7H2O。所以硫酸亚铁的俗名便叫“绿矾”。绿矾是十分重要的无机农药,也是制造蓝黑墨水的主要原料。

还有两种常见的铁盐:一种叫“黄血盐”,是黄色的晶体,化学成分为亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]。黄血盐与铁离子Fe3+作用生成蓝色的亚铁氰化铁Fe4[Fe(CN)6]3的蓝色沉淀,俗称普鲁士蓝,用作蓝色颜料。这个生成普鲁士蓝沉淀的反应,在分析化学上常用来鉴定铁离子。另一种叫“赤血盐”,是红色晶体,化学成分为铁氰化钾K3[Fe(CN)6]。赤血盐与亚铁离子Fe2+作用生成铁氰化亚铁Fe3[Fe(CN)6]2的蓝色沉淀,俗称腾氏蓝。这一反应,在分析化学上常用来鉴定亚铁离子。

铁是生命的动力

一个成年人的血液中,大约含有 3克铁,相当于一根小铁钉的重量。这些铁,有75%是存在于血红素中,因为铁原子是血红素的核心原子——这正如镁是叶绿素的核心原子一样。在器官中,含铁最多的是肝和脾。

植物也离不了铁,因为铁是植物制造叶绿素时不可缺少的催化剂。如果一盆花得不到铁,那么花很快就失去那艳丽的颜色,失去那沁人肺腑的芳香,叶子也发黄枯萎。

在铁矿附近的水、泥沼、池塘以及自来水管中,常繁殖着一种“铁菌”。它们把两价铁的化合物变成三价铁的化合物,形成厚厚的红棕色的氢氧化铁Fe(OH)3沉淀。 在一般土壤中,含有不少铁的化合物。如红土壤中,便含有很多氧化铁。也有的土壤缺乏铁,就得施加“铁肥”——硫酸亚铁了。


最硬的金属——铬

铬是1797年法国化学家范奎林在分析铬铅矿时首先发现的。1799年人们便制得了纯净的金属铬。

铬是银白色的金属,难熔(熔点1800℃),比重为7.1,和铁差不多。铬是最硬的金属!

通常的铬都很脆,因为其中含有氢或微量的氧化物。极纯的铬却并不脆,富有展性。

铬的化学性质很稳定

在常温下,放在空气中或浸在水里,不会生锈。手表的外壳常是银闪闪的,人们说它是镀了“克罗米”,其实“克罗米”就是铬。一些眼镜的金属架子、表带、汽车车灯、自行车车把与钢圈、铁栏杆、照象机架子等,也都常镀一层铬,不仅美观而且防锈。所镀的铬层越薄,越是会紧贴在金属的表面,不易脱掉。在一些炮筒、枪管内壁,所镀的铬层仅有0.005毫米厚,但是发射了千百发炮弹、子弹以后,铬层依然还在。如果往钢上镀铬,那么最好先镀上一层镍,然后再镀上铬,这样可以更加耐用一些。

铬的最重要的用途是制造合金

不锈钢便含有12%以上的铬(也有的是含13%的铬和8%的镍)。不锈钢具有很好的韧性和机械强度,受热不起鳞皮,尤其可贵的是耐腐蚀。例如硝酸是具有很强腐蚀性的酸,人们曾把两块重量都为20克的不锈钢和普通碳素钢,放在稀硝酸中煮沸一昼夜,结果普通钢被强烈的腐蚀,只剩下13.6克重,而不锈钢却重19.8克。在常温下,不锈钢对空气、海水、水蒸气、盐水、有机酸、食品介质等,都具有很好的耐腐蚀性。在化工厂里,人们常用不锈钢制造各种管道、反应设备。像合成氨工厂,便需要二十多种具有不同性能的不锈钢。一只手表中,不锈钢差不多占总重量的60%以上,因为表壳、机器很多都是用不锈钢做的。所谓“全钢手表”,便是指它的表壳与表后盖全都是用不锈钢制的,而“半钢手表”,则是指它的表后盖是用不锈钢做的,表壳是用黄铜或其他金属做的。一些医疗器械,如手术刀、注射器的针头、剪刀等,大都是用不锈钢做的,清洁、美观而经久耐用。用不锈钢制成的轮船、汽艇,根本不用涂漆。

铬的化合物,五光十色

铬的希腊文原意,便是“颜色”。金属铬是雪白银亮的,硫酸铬是绿色的,铬酸镁是黄色的,重铬酸钾是桔红色的,铬酸是猩红色的,氧化铬是绿色的(常见的绿色颜料“铬绿”就是它),铬矾(含水硫酸铬)是蓝紫色的,铬酸铅是黄色的(常见的黄色颜科“铬黄”就是它)。

重铬酸钾是重要的铬化合物。在制革工业上,重铬酸钾常被服来代替鞣酸鞣制皮革。在化学上,常把它溶解在浓硫酸或浓硝酸中,配制成“洗液”,可以洗去玻璃仪器上的油迹和污斑。在分析化学上,重铬酸钾常用来作为氧化剂,来测定铁矿中的含铁量,叫做“重铬酸钾法”。

化学元素趣闻--黑色金属


(铬铁矿)

 

 

锰最重要的用途是制造合金——锰钢

锰是瑞典化学家氯气的发现者社勒于1774年从软锰矿中发现的。锰是银灰色的金属,很象铁,但比铁要软一些。如果锰中含有少量的杂质——碳或硅,便变得非常坚硬,而且很脆。不过,纯净的金属锰的用途并不太广,因为它比铁还易生锈,在潮湿的空气中,没一会儿便变得灰蒙蒙的,失去了光泽——表面生成了一层氧化锰。再说,锰的熔点又比铁低,机械强度不如钢铁,而价格又比钢铁贵得多,因此人们几乎不生产金属锰,而大量生产钢铁。

 锰钢的脾气十分古怪而有趣

如果在钢中加入2.5—3.5%的锰,那么所制得的低锰钢简直脆得象玻璃一样,一敲就碎。然而,如果加入13%以上的锰,制成高锰钢,那么就变得既坚硬又富有韧性。高锰钢加热到淡橙色时,变得十分柔软,很易进行各种加工。另外,它没有磁性,不会被磁铁所吸引。

现在,人们大量用锰钢制造钢磨、滚珠轴承、推土机与掘土机的铲斗等经常受磨的构件,以及铁轨、桥梁等。上海新建的文化广场观众厅的屋顶,采用新颖的网架结构,用几千根锰钢钢管焊接而成。在纵76米、横138米的扇形大厅里,中间没有一根柱子。由于用锰钢作为结构材料,非常结实,而且用料比别的钢材省,平均每平方米的屋顶只用45公斤锰钢。1973年兴健的上海体育馆(容纳一万八千人),也同样采用锰钢作为网架屋顶的结构材料。在军事上,用高锰钢制造钢盔、坦克钢甲、穿甲弹的弹头等。炼制锰钢时,是把含锰达60一70%的软锰矿和铁矿一起混合冶炼而成的。

锰钢含有30%的锰,具有很好的机械强度。由84%的钢、12%的锰和4%的镍组成的“孟加臬”合金(又名锰镍铜齐),它的电阻随温度的改变很小,被用来制造精密的电学仪器。 

锰的重要化合物

在大自然中,便有大量天然的二氧化锰——软锰矿。人们早在远古时代便知道软锰矿了。二氧化锰是黑色的粉末。干电池中那些黑色的粉末,便是二氧化锰。人们常在油漆中加入它,以便加速油漆干燥的速度。人们在制造玻璃时,常往里加入二氧化锰,因为它能消除玻璃的绿色,使绿色玻璃变得无色透明。

锰的另一重要化合物是高锰酸钾(俗称“灰锰氧”)。高锰酸钾是紫色针状晶体。只要加入一点儿高锰酸钾,便足以使一大桶水变成紫色。高锰酸钾是很强的氧化剂,能杀菌。生活中也会使用浓度为千分之一的高锰酸钾溶液消毒,人们称之为“灰锰水”。不过这种水不能喝进肚里,因为它有催吐作用,在医学上用作洗胃剂和催吐剂。在分析化学上,高锰酸钾常用作氧化剂,著名的高锰酸钾法便是用它作滴定液进行化学分析的。高锰酸钾被还原后,常变成二氧化锰。“灰锰水”用完后,底下常有些黑色的渣子那便是二氧化锰。

此外,碳酸锰是重要的白色颜料,俗称“锰白”。而硫酸锰在农业上,则用作种子催芽剂或作“锰肥”——微量元素肥料。

在动植物体中,锰的含量一般不超过十万分之几。但红蚂蚁体内含锰竟达万分之五,有些细菌含锰甚至达百分之几。人体中含锰为百万分之四,大部分分布在心脏、肝脏和肾脏。锰主要是影响人体的生长、血液的形成与内分泌功能。

化学元素趣闻--黑色金属

(硬锰矿)

化学元素趣闻--黑色金属
(软锰矿)

(责任编辑:化学自习室)
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