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来源:作者:王兵 点击:所属专题: 化学元素简介
白铁皮的外衣锌 我国是世界上最早发现并使用锌的国家。据王琎在1922年对我国古钱的化学成分进行化学分析,证明其中含有锌。接着,章鸿钊于1923年对我国古代用锌问题进行专门研究,连续发表了《中国用锌的起源》及《再论中国用锌之起源》。他根据对我国古代文献的考证及

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白铁皮的“外衣”——锌

我国是世界上最早发现并使用锌的国家。据王琎在1922年对我国古钱的化学成分进行化学分析,证明其中含有锌。接着,章鸿钊于1923年对我国古代用锌问题进行专门研究,连续发表了《中国用锌的起源》及《再论中国用锌之起源》。他根据对我国古代文献的考证及对汉钱的分析,认为我国在汉初(公元前一世纪)已知道用锌。

我国用锌是从炼制黄铜开始的。黄铜即铜锌化学元素漫话合金。我国在汉朝时,便有过这样的法律——不准使用“伪黄金”。据考证,这“伪黄金”就是黄铜。在我国南北朝(公元四世纪)时的一些著作中,有“鍮石”一词。据考证,我国古代称黄铜为“鍮石”。在唐朝的一些文献中,则记载着用“炉甘石”(碳酸锌)炼制黄铜。《唐书·食货志》中说:“玄宗时(712—755年)天下炉九十九,每炉岁铸三千三百缗(即丝),黄铜二万一千二百斤”。明宋应星著的《天工开物》一书,便更具体,详细地记载了炼制黄铜的方法:“每红铜六斤,入倭铅四斤,先后入罐熔化,冷定取出,即成黄铜。”这里所说的“红铜”即铜,“倭铅”即锌。

我国炼制黄铜始于汉初,那么,炼制金属锌从什么时候开始的呢?据考证,至迟当在明朝。明《天工开物》一书《五金》一章,十分详细地讲述了如何用“炉甘石”升炼“倭铅”,亦即用碳酸锌炼制金属锌。炼锌要比炼铁、炼铜容易,因为锌的熔点只有419℃,沸点也不过907℃,况且锌又较易被还原。如果把锌矿石和焦炭放在一起,加热到1000℃以上,金属锌被焦炭从矿石中还原出来,并象开水一样沸腾起来,变成锌蒸气。再把这种蒸气冷凝,便可制得非常纯净而又漂亮的金属锌结晶。在过去,世界上都以为最早会炼制金属锌的是英国,因为英国在1739年公布了蒸馏法制金属锌的专利文献。其实,经过我国化学史工作者的考证,证明这个方法是英国人在1730年左右从中国学去的。据考证,在十六、七世纪,我国制造纯度高达98%的金属锌,被以东印度公司为代表的西方殖民者从我国大量运至欧洲,后来,连我国炼锌的方法也被他们传至欧洲。至今,欧洲仍有人称锌为“荷兰锡”,这是因为东印度公司是由荷兰、英、法、葡萄牙等国开设的,锌的外表又酷似锡,那锌被称为“荷兰锡”便不言而喻了。实际上,这“荷兰锡”的真名应该是“中国锌”。 

锌是银白色的金属。提水的小铁桶,常常见用白铁皮做的,在它的表面有着冰花状的结晶,这就是锌的结晶体。在白铁皮上镀了锌,主要是为了防止铁被绣蚀。然而,奇怪的是,锌比铁却更易生锈:一块纯金属锌,放在空气里,表面很快就变成蓝灰色——生锈了。这是因为锌与氧气化合生成氧化锌的缘故。可是这层氧化锌却非常致密,它能严严实实地覆盖在锌的表面,保护里面的锌不再生锈。这样,锌就很难被腐蚀。正因为这样,人们便在白铁皮表面镀了一层锌防止铁生绣。每年,世界上所生产的锌,有40%被用于制造白铁皮,制成各种管子、桶等等。 

白铁皮要比马口铁耐用:马口铁碰破一点,很快会烂掉;可是白铁皮即使碰破一大块,也不容易被锈蚀。这是因为锌的化学性质比铁活泼,当外界的空气和水份向白铁皮“进攻”时,锌首先与氧气化合,而保护了铁的安全。不过,白铁皮要比马口铁贵。

金属锌除了用来制造白铁皮外,也用来制造干电池的外壳(图31)。不过干电池外壳的锌是较纯的。此外,锌也与铜制成铜锌合金——黄铜。 

最重要的锌的化合物是氧化锌,俗名叫“锌白”,是著名的白色颜料,用来制造白色油漆等。在室温下氧化锌是白色的,受热后却会变成黄色,而再冷却时,又重新变成白色。现在,人们利用它的这个特点,制成“变色温度计”——用它颜色的变化来测量温度。 

锌,还是植物生长所不可缺少的元素。硫酸锌是一种“微量元素肥料”。据测定,一般的植物里,大约含有百万分之一的锌,有些个别的植物含锌量却很高,如车前草含万分之一的锌,芹菜含万分之五的锌,而在某些谷类的灰中,竟有12%的锌。
在人体中,也含锌在十万分之一以上。含锌最多的是牙齿(0.02%)和神经系统。有趣的是,鱼类在产卵期以前,几乎把身体中的锌,全部转移到鱼卵中去。 

锌在地壳中的含量约为十万分之一。最常见的锌矿是闪耀着银灰色金属光泽的闪锌矿,它的化学成分是硫化锌。现在,工业上常用闪锌矿来炼锌。据不完全统计,1971年锌的世界年产量达370万吨。

顺便提一句,锌常被人误为铅,如镀锌铁丝被误称为“铅丝”,镀锌的白铁皮被误称为“铅皮”,用白铁皮做成的桶被误称为“铅桶”,这是应该纠正过来的。

地球上最多的金属——铝Al

许多人常常以为铁Fe是地壳中最多的金属。其实,地壳中最多的金属是铝Al,其次才是铁,铝占整个地壳总重量的7.45%,差不多比铁多一倍!地球上到处都有铝的化合物,像普通的泥土中,便含有许多氧化铝Al2O3。最重要的铝矿是明矾矿和铝土矿。我国有极为丰富的铝矿。
铝虽然藏量比铁多,但是,人们炼铝比炼铁晚得多。这是因为铝的化学性质比铁活泼,不易还原,因此从矿石中冶炼铝也就比较困难。这样,铝一向被称为“年轻的金属”。据世界化学史记载,金属铝是在1825年才被英国化学家戴维制得的。

现在,铝很普遍。我们平常使用的硬币,便是铝做的。在厨房里,铝锅、铝饭盒、铝匙、铝盆、铝勺、铝镬……。然而,在一百多年前,铝却被认为是一种稀罕的贵金属,价格比黄金还贵,以至被列为“稀有金属”之一。 

其实,这是不足为奇的。因为铝的价值贵×,完全取决于炼铝工业的水平。在一百多年前,人们使用金属钠Na来制取铝。钠很贵,当然铝就更贵了。直到十九世纪末,人们发明了大量生产铝的新方法——在冰晶石和矾土(氧化铝)的熔融混合物中通入电流进行电解。这时,铝才开始走向大工业,走向生活的每一个角落。

铝,是银白色的轻金属(比重只有2.7)。人们常把铝叫做“钢精”。纯净的铝很软,可以压成很薄的箔,现在包糖果、香烟的“银纸”,其实大都是铝箔。纯铝的导电性很好,又轻盈,人们常用它来代替铜,制造电线,特别在远距离送电时,多用铝线来代替铜线,可以减少电线杆等设备。无产阶级文化大革命以来,我国大力发展“以铝代铜”,攻克了“以铝代铜”的技术关键——铝的焊接技术,制成了各种马力的铝线电机,节约了大量的铜。纯铝也大量用于化学、半导体与电子学的研究及光学仪器的生产上。纯铝能很好的反射光线,所以探照灯的灯罩常常用纯铝做。 

不过,纯铝太软了些,平常人们总是往里加入少量的铜Cu、镁Mg、锰Mn等,制成坚硬的铝合金——“硬铝”。铝和铝合金美观、轻盈而又不易锈蚀,用途很广。例如前些年有人统计,一架飞机中约有五十万个用铝做的铆钉!机身、机翼、机尾、螺旋桨、引擎也离不了铝和铝合金,据统计,铝和铝合金占飞机总重的70%左右。如果火车的车皮都用铝做,重量将大大减轻,机车牵引效率也可提高。铝制的舰艇,不仅速度快、不被海水浸蚀,而且没有磁性,不为磁性水雷所发现,军事上十分重要。最近几年铝合金又成为制造人造卫星、火箭的重要材料。此外,在运输部门,铝也被用来制造高速度的机车、桥梁、输油车的油罐以及船只和汽车中的某些零件;在建筑工业上,用铝作骨架、铝梁、空心铝壁板以及各种铝制构件。 

铝是银白色的,可是铝制品用没多久,表面常变得白蒙蒙的,这是什么缘故呢?这便是铝生锈了。铝的表面与空气中的氧化合,生成一层薄薄的氧化膜——氧化铝。这层氧化铝非常致密,它紧紧的贴在铝的表面,防止里头的铝继续和氧化合。这层氧化铝不怕水浸,不怕火烧,熔点高达2050℃,怪不得铝制品很难锈蚀,经久耐用。这层氧化铝甚至不怕硝酸的浸蚀,所以硝酸厂里常用铝罐来装浓硝酸。不过,这层氧化膜却怕碱,碱能溶解它,盐酸和硫酸也能溶解它。因此,铝制品不能用来盛碱性物质,脏了也不要用草木灰来擦,草木灰是碱性物质,用它擦铝制品,会缩短使用寿命的。另外,也不要把酸性的菜蔬等方在铝锅里过夜。

别看氧化铝薄膜那么白蒙蒙的,自然界里坚硬而美丽的宝石——刚玉,也是氧化铝呢!他是一种晶态无水氧化铝。刚玉的化学元素漫话硬度仅次于金刚石,常被用来制造金属制品的磨轮,手表里的轴承就装在这耐磨的刚玉上。常听人们谈起手表里的“钻数”,这钻数就是指表里刚玉的颗数。除手表外,天平、时钟、电流计、电压表里也要用到刚玉。现在,人们从铝土矿里提取纯净的白色氧化铝粉末,放在炽热的电炉里加热熔化,制取人造刚玉,它甚至比天然的刚玉还要坚硬。

大理石里的金属——钙

在首都天安门广场,巍立着用汉白玉雕成的人民英雄纪念碑。华表和白玉桥,也都是用汉白玉雕成的。汉白玉是大理石中的一种。在这些洁白如玉的石头里,住着一种金属——钙。

不光是大理石里住着这种金属。瞧瞧你的周围:那砌墙的石灰、刷墙的白垩、脚下的水泥地、雪白的石膏象……,里头都住着钙。当然,这钙是成化合物的状态存在着。

金属钙是英国化学家戴维和瑞典化学家柏齐利乌斯在1809年制得的。钙是银白色的金属,比锂、钠、钾都要硬、重;在815℃熔化。

金属钙的化学性质很活泼。在空气中,钙会很快被氧化,蒙上一层氧化膜。加热时,钙会燃烧,射出砖红色的美丽的光芒。钙和冷水的作用较慢,在热水中会发生激烈的化学反应,放出氢气(锂、钠、钾即使是在冷水中,也会发生激烈的化学反应)。钙也很容易与卤素、硫、氮等化合。

在工业上,金属钙的用途很有限,如作为还原剂,用来制备其他金属;用作脱水剂,制造无水酒精;在石油工业上,用作脱硫剂,在冶金工业上,用它去氧或去硫。然而,钙的化合物,却有着极为广泛的用途,特别是在建筑工业上。

还是从大理石说起吧。大理石是很名贵的建筑材料;因盛产于我国云南省大理县而得名,别的地方也出产,但也叫“大理石”。大理石是石灰石中的一种。石灰石的化学成分是碳酸钙。石灰石大都是青灰色,坚硬、很脆。在大自然中,常常一大片地区的地层都是由石灰岩组成的。石灰石被用来修水库、铺路、筑桥。如河南林县著名的“红旗渠”,就是用当地盛产的石灰石彻成的。 

石灰石在石灰窑中,和焦炭混合在一起燃烧后,制成生石灰(图40)。生石灰的化学成分是氧化钙。生石灰是白色的石头,它很有趣,一遇水会发生激烈的化学反应,变成白色的粉末——熟石灰,同时放出大量的热(图41)。在建筑工地上,你常可看见人们往生石灰中加水。这时,如果往里放个鸡蛋,足以把它煮熟。熟石灰的化学成分是氢氧化钙,能溶于水。石灰水,就是氢氧化钙溶液、石灰水刷在墙上,起初,并不怎么白、过了一会儿,却会越来越白。这是一场有趣的循环:熟石灰和空气中的二氧化碳作用,又重新变成了碳酸钙;然而,人们在石灰窑中,却是用石灰石(碳酸钙)来烧成生石灰。燃烧时,石灰石放出了塞氧化碳,变成氧化钙。 

硫酸钙也是钙的重要化合物,俗名石膏。在工业上,人们用石膏做成各种模型,来浇铸金、银、铝、镁、铜以及这些非铁金属的合金。石膏还大量用来制造各种石膏象。不过,天然的石膏矿并不是雪白色的致密固体,外貌倒是象石蜡,它是含水结晶体。生石膏燃烧后,才变成熟石膏。

天然水,如河水、湖水、江水中,常含有一些可溶性的钙化合物,如碳酸氢钙。这种水,被称为化学元素漫话硬水。硬水给人们带来不少麻烦,用它烧开水,原先溶解在水中的碳酸氢钙受热会转化成不溶性的碳酸钙,沉淀出来,变成锅垢。工厂里的锅炉如果锅垢太厚了,不仅浪费燃料,甚至会因受热不均匀而引起爆炸;用它洗衣服,碳酸氢钙会和肥皂起化学作用,成硬脂酸钙沉淀出来,浪费了肥皂。为了克服硬水的这些缺点,人们常要把硬水软化,如加入苏打(碳酸钠),便可以使碳酸氢钙变成碳酸钙沉淀出来,滤掉。也有的用煮沸的方法使硬水软化。 

钙是人体和动物必不可缺的元素。人和动物的骨骼的主要成分,便是磷酸钙。血液中也含有一定量钙离子,没有它,皮肤划破了,血液将不易凝结。据测定,人一昼夜需摄取O.7克钙。在食物中,以豆腐、牛奶、蟹、肉类含钙较多。婴儿比成年入更需要钙,因为婴儿在不断发育中,骨骼不断在长大。这样,大夫常给婴儿、孕妇吃些钙糖片。植物也很需要钙,尤其是烟草、荞麦、三叶草等,更是需要钙。
在大自然中,钙是存在最普遍的元素之一,占地壳原子总数的1.5%。在所有的化学元素中,钙在地壳中的含量仅次于氧、铝、硅、铁,居第五位。

“鬼火”——磷

磷,是德国汉堡的炼金家勃兰德在1669年发现的。按照希腊文的原意,磷就是“鬼火”的意思。

游离态的纯磷有两种——白磷P4(又叫黄磷)和红p(又叫赤磷)。虽然他们都是磷,可是,脾气却相差很远:白磷软绵绵的,用小刀都能切开。它的化学性质非常活泼,放在空气中,即使没点火,也会自燃起来,冒出一股浓烟——和氧气化合变成白色的五氧化二磷4P+5O2→2P2O5。这样,平常人们总是把白磷浸在煤油或水里,让它跟氧气隔绝;红磷比白磷要老实得多,它不会自燃,要想点燃它,也得加热到100℃以上。白磷剧毒,红磷对人却并无毒性。

白磷和红磷,可以变来变去:如果隔绝空气,把白磷加热到250℃,就会全部变成红磷;相反的,如果把红磷加热到很高的温度,它就会变成蒸气,遇冷凝为白磷。白磷和红磷,也是同素异形体。此外,磷的同素异形体还有紫磷和黑磷。黑磷是把白磷蒸气在高压下冷凝得到的。它的样子很像石墨,能导电。把黑磷加热到125℃则变成钢蓝色的紫磷。紫磷具有层状的结构。

人体里有很多磷,据测定,约有一公斤左右。不过,这许多磷既不是白磷,也不是红磷,而是以磷的化合物的形式存在于人体。骨头中含磷最多,因为骨头的主要化学成分便是磷酸钙Ca3(PO4)2。在人的脑子里,也有许多磷的化合物——磷脂。在人的肌肉、神经中,也含有一些磷。动物骨头的主要成分,也是磷酸钙。在坟地或荒野,有时在夜里会看见绿幽幽或浅蓝色的“鬼火”。原来人、动物的尸体腐烂时,身体内所含的磷分解,变成一种叫做磷化氢H3P的气体冒出;磷化氢有好多种,其中有一种叫“联膦”,它和白磷一样,在空气中能自燃,发出淡绿或浅蓝色的光——这就是所谓的“鬼火”。

磷在工业上,被用来制造火柴。火柴盒的两侧,便涂着红磷。当你擦火柴时,火柴头和火柴盒摩擦生热,并从盒上沾了一些红磷。红磷受热着火,先点燃了火柴头上的药剂——三氧化二锑Sb2O3和氯酸钾KClO3,然后又点着了火柴梗。 

磷还被用来制造磷酸H3PO4。磷酸可以代替酵母菌,以比它快几倍的速度烤制面包;在优质的光学玻璃、纺织品的生产中,也要用到磷酸。把金属制品浸在磷酸和磷酸锰Mn3(PO4)2的溶液里,可以在金属表面形成一层坚硬的保护膜——磷化层,使金属不致生锈。磷在军事上有个用处:把磷装在炮弹里可制成“烟雾弹”,在发射后,白磷燃烧生成大量白色的粉末——五氧化二磷,象浓雾一样,遮断了对方的视线。

磷的最大的用途还是在农业方面,因为磷是庄稼生长的不可缺的元素之一。它是构成细胞核中核蛋白的重要物质。磷对于种子的成熟和根系的发育,起着重要的作用。在庄稼开花期间追施磷肥,往往能收到显著的增产效果。一旦缺乏磷,庄稼根系便不发达,叶呈紫色,结实迟,而且果实小。要长好庄稼,每年需要磷肥的数量是很大的。从哪儿获得这么多的磷肥呢?

在二十世纪前,人们只能从鸟粪、鸡粪、骨灰中,获得一点儿磷。现在,化学工业帮助我们从石头——磷灰石中,成吨成吨地制取磷肥。这样,磷灰石被誉为“农业矿石”。最常见的磷肥,是过磷酸钙(俗称普钙,是Ca(H2PO4)2和2CaSO4的混合物),它是灰色的粉末。每100斤过磷酸钙中,含有15斤左右的磷。1斤过磷酸钙所含的磷,相当于30斤到100斤厩肥,100-150斤人粪尿或140-200斤紫云英绿肥中所含的磷。过磷酸钙常被制成颗粒肥料,同厩肥、堆肥等有机肥料混合,用作基肥。有时也用作追肥。此外,磷酸铵(NH4)3PO4也是常见的磷肥,它易溶于水,而且不仅含磷,还含氮。我国近年来还发展了一种新磷肥——钙镁磷肥,它是用磷灰石、白云石、石英一起混合煅烧而成的,生产比较简易,便于推广。

白铜里的金属——镍

镍,一直被认为是瑞典矿物学家克朗斯塔特在1751年首先发现的。然而,实际上我国是最早知道镍的国家。据考证,我国早在克朗斯塔特前一千八百多年的西汉(公元前一世纪),便已懂得用镍与铜来制造合金——白铜。我国古代把白铜称为“鋈”。我国古代还用白铜制造墨盒、烛台、盘子等。在明朝李时珍著的《本草纲目》和宋应星著的《天工开物》中,则更有详细的关于用砒矿炼白铜的记载。这种云南出产的砒矿,即现在矿物学上所说的“砒镍矿”。1929年,王琎曾分析过我国一古代白铜文具的化学成分;证明其中含有6.14%镍,62.5%铜以及少量锡、锌、铁、铅等。 

我国古代制造的白铜器件,不仅销于国内各地,还远销国外。踞考证,在秦汉时,在新疆西边的大夏国,便有白铜铸造的货币,含镍达20%,而从其形状、成分及当时历史条件等分析,很可能是从我国运去的。至今,波斯语(伊朗一带)、阿拉伯语中,还把白铜称为“中国石”,可见我国古代白铜曾远销亚洲西部一带地区。到了十七、十八世纪,东印度公司则更是从我国广州购买各种白铜器件,运销至德国、瑞典等欧洲国家。过去有人把白铜称为“德银”,其实那完全是弄颠倒了——那是德国人在十七、十八世纪从中国学会了炼白铜的技术,大量进行仿造,以致使一些人误以为白铜是德国发明的。同样的,据考证,中国炼制白铜的技术在当时也传入瑞典,这样以至使一些人以为镍是瑞典克朗斯塔特首先发现的。 

镍是银白色的金属,很硬,难熔,熔点高达1455,比黄金还高。镍在空气中不易被氧化,化学性质很稳定,仅易溶于硝酸。镍的性能,在很多方面都超过了铜,然而奇怪的是,镍的希腊文原意竟是“不中用的铜”,这大抵是由于最初炼得的镍不纯,含有许多杂质的缘故。
在大自然中,最主要的镍矿是红镍矿(砷化镍)与辉砷镍矿(硫砷化镍)。此外还有镍黄铁矿(硫铁化镍)和针硫镍矿(硫化镍)。古巴,是世界上最著名的蕴藏镍矿的国家。在多米尼加也有大量的镍矿。有趣的是,“天外来客”——陨石,常含一些镍(主要是铁)。据推测,在地心也存在较多的镍。 

纯镍银光闪闪,不易锈蚀,主要用于电镀工业。自来水笔笔插、外科手术器械等银光闪闪,便是因为表面镀了一层镍(也有的是镀铬),既美观、干净,又不易锈蚀。极细的镍粉,在化学工业上常用作催化剂,如油类的氢化。 

镍大量用于制造各种合金:在钢中加入镍,可提高机械强度。如钢中含镍量从2.94%增加到7.04%时,抗拉强度便由52.2公斤/毫米2增加到73.8公斤/毫米2。镍钢用来制造机器承受较大压力、承受冲击和往复负荷部分的零件,如涡轮叶片、曲轴、连杆等。含镍36%、含碳0.3—0.5%的镍钢,叫“不变钢”(又叫“因瓦”钢)。它的膨胀系数非常小,几乎不热胀冷缩,用来制造各种精密机械、精确量规,如钟表零件、各种测量仪器的刻度标等。含镍46%、含碳0.15%的高镍钢,叫“类铂”,因为它的膨胀系数与铂、玻璃类似。这种高镍钢可熔焊到玻璃中,在灯泡的生产上很重要,用作白热电灯泡中铂丝的代用品。一些精密的透镜框,也用这种类铂钢做,因为它的膨胀系数与玻璃差不多,透镜不会因热胀冷缩而从框中掉出来。由68%镍、28%铜、2.5%铁、1.5%锰组成的合金,化学性质很稳定,用来制造化工仪表。由67.5%镍、16%铁、15%铬、1.5%锰组成的合金,具有很大的电阻,用来制造各种变阻器与电热器。镍具有磁性,能象铁一样被吸铁石吸引,而用铝、钴与镍制成合金,磁性更强了。这种合金受到电磁铁吸引时,不仅自己会被吸过去,而且在它下面吊了比它重六十倍的东西,也不会掉下来。这样,可用它来制造电磁起重机。此外,镍还经常与铬一起,用来制造耐腐蚀的铬镍钢。

镍的盐类大都是绿色的。氢氧化镍是棕黑色的,氧化镍则是灰黑色的。氧化镍常用来制造铁镍碱性蓄电池。

半导体工业的原料——锗

锗,是德国化学家文克列尔在1885年用光谱分析法发现的——也就是门捷列夫在1871年所预言的元素“亚硅”。不过,直到1942年,人们才发现锗是优秀的半导体材料,可以用来代替真空管,锗这才有了工业规模的生产,成了半导体工业的重要原料。 

锗在周期表上的位置,正好夹在金属与非金属之间。锗虽属于金属,但却具有许多类似于非金属的性质,在化学上称为“化学元素漫话半金属”。就其导电的本领而言,优于一般非金属,劣于一般金属,在物理学上称为“半导体”。

锗是浅灰色的金属。据x射线的研究证明,锗晶体里的原子排列与金刚石差不多。结构决定性能,所以锗与金刚石一样,硬而且脆。
锗在地壳中的含量为一百万分之七,比之于氧、硅等常见元素当然是少,但是,却比砷、铀、汞、碘、银、金等元素都多。然而,锗却非常分散,几乎没有比较集中的锗矿,因此,被人们称为“稀散金属”。现在已发现的锗矿有硫银锗矿(含锗5—7%)、锗石(含锗10%),硫铜铁锗矿(含锗7%)。另外,锗还常夹杂在许多铅矿、铜矿、铁矿、银矿中,就连普通的煤中,一般也含有十万分之一左右的锗,也就是说,一吨煤中含有10克左右锗。在普通的泥土、岩石和一些泉水中,也含有微量锗。

长眼睛的金属——铷和铯

一听铷和铯的名字,也许你会感到陌生。其实,每当你看电视时,电视机的光电管里便有着铷和铯。

纯净的铷和铯都是银白色的金属,含有杂质时则略带黄色。铷和铯都很软,富有可塑性,又很易熔化。铯是最软的金属,比石蜡还软。铯又是仅次于汞的易熔金属,熔点只有28℃。铷的熔点也只有38℃,比正常体温只高了一度。铷的蒸气在180℃时看去是绛红色的,而温度高于250℃时,则是橙黄色。

铷和铯的化学性质非常活泼,在空气中会象黄磷一样自燃起来,放射出玫瑰般的紫色光芒。如果把它们投入水中,会猛烈地和水作用,放出氢气,燃烧以至爆炸。甚至把它们放在冰上,也会燃烧起来。正因为它们这般不“老实”,平时都被“关”在煤油里,以与空气、水隔绝。
铷和铯在大自然中很少,而且很分散,铷仅占地壳原子总数的千万分之九左右,铷比铯稍多。不过,在海水中要比陆地上多,据统计,海水中约有十万分之一的铷和铯,含量在四千亿吨以上。现在,人们大都是从铯榴石、绿柱石、金云母以及岩盐中提取铷和艳。“物以稀为贵”,铷和铯比黄金还贵!现在,世界铷、铯的年产量,都只不过几个公斤而巳! 

铷和铯最可宝贵的性质,在于它们是长“眼睛”的金属——具有优异的光电性能。铷和铯一受光的照射,会被激发而释出电子。人们便利用它们的这一特性,把金属铯或金属铷喷镀在银片上,制成各种光电管。光电管受光线照射,便会产生光电流,光线越强,光电流越大,成了自动控制中的“眼睛”。例如,人们在炼钢炉中装了它,随着炉里火焰的明暗不同,光电管的光电流的大小也不同,从中可以算出温度的高低,进行自动控制。另外,在电影、电视、光度计以及许多通讯、自动控制设备中,都要用到光电管。 

在制造真空管时,由于铷和铯能猛烈地和氧气化合,被用作吸氧剂。在医学上,铯的化合物被用来医治休克病、白喉。

铷和铯,几乎是同时被德国化学家本生用光谱仪发现的,铯在1860年,而铷是在1861年。现在,人们是用化学元素漫话重结晶法从盐水中浓缩氯化铷和氯化铯。一般经过几十次重结晶,可得到较纯的氯化铷和氯化铯。然后,用金属钙为还原剂,与氯化铷或氯化铯在真空中一起加热到700—800℃,即可制取金属铷或金属铯。另外,我国有着丰富的铯榴石矿——这种铯矿在世界上是少有的。铯榴石是无色透明的矿物,具有玻璃光泽,很硬,一般含铯可达25—30%。我国在工业上已采用铯榴石作原料,与氧化钙、氯化钙混合烧结,以盐酸酸化,制取氯化铯,然后以金属钙进行热还原,制取金属铯。

电气工业的“主角”——铜

人类最早是用石器制造工具,在历史上称为“石器时代”。接着,人们发明了炼铜并用铜制造工具,在历史上称为“铜器时代”或“红铜时代”。紧接着,人们又发明了炼制铜与锡的合金——青铜,大量用青铜制造工具,在历史上称为“青铜时代”。铜,是人类在古代便发现了的重要的化学元素。

据章鸿钊著《中国铜器铁器时代沿革考》考证,我国在炎黄之世,即公元前二十七世纪(距今近五千年)已开始使用铜器。我国早在黄帝的时候,便会铸青铜鼎了。夏禹时,用青铜铸造了九个很大的鼎。到了殷代,冶铸青铜的技术已很发达了。著名的青铜祭器——“司母戊大鼎”,是我国考古工作者1939年在河南安阳武官村发掘出来的殷代互鼎(图27),高达133厘米,横为110厘米,宽78厘米,重875公斤,内壁的一方有铭文“司母戊”三字。这样巨大的鼎,是世界少见的古代青铜器,也是我国三千多年前高度的炼铜技术水平的一个有力见证。 

青铜的熔点此纯铜低,冶铸所需温度不太高,而且铸造性能比纯铜好,硬度大,所以它在古代比纯铜得到更普遍的应用。不过,由于铜矿、锡矿终究比较少,不能满足生产的大量需要。正如南朝江淹《铜剑赞序》中所说:“古者以铜为兵。春秋迄于战国,战国迄于秦时,攻争纷乱,兵革互兴,铜既不给,故以铁足之。铸铜既难,求铁甚易,故铜兵转少,铁兵转多。二汉之世,既见甚微。”随着生产的发展,铜与青铜逐渐被铁所代替,从而进入“铁器时代”。

纯净的铜是紫红色的金属,俗称“紫铜”、“红铜”或“赤铜”。纯铜富有延展性。象一滴水那么大小的纯铜,可拉成长达两公里的细丝,或压延成比床还大的几乎透明的箔。纯铜最可贵的性质是导电性能非常好,在所有的金属中仅次于银。但铜比银便宜得多,因此成了电气工业的“主角”。纯铜的用途比纯铁广泛得多,每年有50%的铜被电解提纯为纯铜,用于电气工业。这里所说的纯铜,确实要非常钝,含铜达99.95%以上才行。极少量的杂质,特别是磷、砷、铝等,会大大降低铜的导电率。铜中含氧(炼铜时容易混入少量氧)对导电率影响很大,用于电气工业的铜一般都必须是无氧铜。另外,铅、锑、铋等杂质会使铜的结晶不能结合在一起,造成热脆,也会影响纯铜的加工。这种纯度很高的纯铜,一般用电解法精制:把不纯铜(即粗铜)作阳极,纯铜作阴极,以硫酸铜溶液为电解液。当电流通过后,阳极上不纯的铜逐渐熔解,纯铜便逐渐沉淀在阴极上。这样精制而得的铜;纯度可达99.99%。

铜有许多种合金,最常见的是黄铜、青铜与白铜。

黄铜是铜与锌的合金,因色黄而得名。不过,这“黄色”只是“一般来说”罢了。严格地讲,随着含锌量的不同,黄铜的颜色也不同。如含锌量为18—20%时,呈红黄色;含锌20—30%,呈棕黄色;含锌30—42%,呈淡黄色;含锌42%,呈红色;含锌50%,呈金黄色,含锌60%,呈银白色。现在工业上所用的黄铜,一般含锌量在45%以下,所以常见的黄铜大都是黄色。黄铜中加入锌,可以提高机械强度和耐腐蚀性。我国很早就会制造黄铜,早在两千多年前的汉朝,便有不准使用“伪黄金”的法律,其实这“伪黄金”便是指黄铜,因为它外表很象黄金、至今,一些“金”字、“金”箔,便常是用黄铜做的。黄铜敲起来音响很好,因此锣、钹、铃、号都是用黄铜做的,甚至连风琴、口琴的簧片也用黄铜做。黄铜耐腐蚀性好,特别是锡黄铜(俗称“海口用黄铜”),用来制造船舶零件。此外,在国防工业上,黄铜大量用于制造子弹壳与炮弹壳。
青铜是铜与锡的合金,因色青而得名。我国古代使用青铜制镜。据文献记载,唐太宗曾说过:“人以铜为镜,可以正衣冠;以古为镜,可以见兴替;以人为镜,可以知得失。”这“以铜为镜”便是指青铜镜。青铜很耐磨,青铜轴承是工业上著名的“耐磨轴承”,纺纱机里便有许多青铜轴承。青铜还 有个反常的特性——“热缩冷胀”,因此用来铸造塑象,受冷膨胀,可以眉目清楚、轮廓正确。

至于白铜,则是铜与镍的合金,因色白而得名。它银光闪闪,不易锈蚀,常用于制造精密仪器。 

铜受潮,易生成绿色的“铜绿”——碱式碳酸铜,是有毒的,因此铜锅内壁常镀锡,以防生铜绿。 

对于成年人来说,每天约需吸收5毫克的铜。如果进入人体的铜量不足,将会引起血红素减少与患贫血症。在人体中,铜主要聚集在肝脏以及其他组织的细胞中。瘤细胞中含铜量极少。孕妇的血液中,含钢量比一般人高一倍。植物同样需要少量的铜。铜化合物(如硫酸铜),是微量元素肥料——铜肥。铜肥施在沼泽地区,能显著提高作物产量。 

据测定,在L公斤干燥的谷物中,约含有5—14毫克铜;1公斤豆类,含铜18—20毫克;瓜类为30毫克,面包为3—5毫克。在食物中,含铜量最多的是牛奶,以及章鱼、牡蛎等。 

在大自然中,常见的铜矿是孔雀石。此外,黄铜矿和辉铜矿也是很重要的铜矿。在世界上,产铜较多的国家是赞比亚与智利。天然的纯铜,在大自然中不多。到目前为止,发现最重的一块纯铜为420吨。铜在地壳中含量为十万分之三。

近年来,虽然铜在某些方面,逐渐被铝代替,但铜仍不失为一种重要的金属。据统计,现在工业上生产100万吨钢铁,大约需要生产1吨铜来配合。七十年代以来,世界铜的年产量每年都有增长。据不完全统计,1971年世界精铜年产量达571.13万吨。

重要的铜的化合物是硫酸铜与氧化铜;硫酸铜俗称“蓝矾”。不过,纯净的无水硫酸铜,并不是蓝色的,而是白色的粉末。含结晶水硫酸铜,才是天蓝色的晶体。在化学上,常用无水硫酸铜来鉴别有机溶液中是否含水。例如,判断酒精是否是无水酒精,只需放进一点无水硫酸铜。如果硫酸铜变蓝了,就说明这酒精中含水。在农业上,硫酸铜是著名的无机农药。常将硫酸铜与石灰混合配制成波尔多液使用。硫酸铜主要用来杀菌,而不是杀虫。 

氧化铜是黑色的粉末。近年来,我国普遍推广使用氧化铜无机粘结剂。这种无机粘结剂是把磷酸与氢氧化铝混合,加热制成甘油股的粘稠液体,然后倒到氧化铜粉末中,不断搅拌,调成黑色的“浆糊”。把这种黑“浆糊”涂在需粘结的金属表面,然后压紧,过两、三天后,两块金属就紧紧地粘在一起了。氧化铜无机粘结剂能把金属与金属、陶瓷与陶瓷、金属与陶瓷牢牢地粘合。过去,刀具上的刀刃——硬质合金,是用焊接的方法焊上去,焊接时温度很高,往往会降低刀具的硬度,缩短使用寿命。改用氧化铜无机粘结剂粘合,不用加热,粘合很牢,使用寿命可延长一倍左右。用它粘结红宝石挤压器、弹簧夹片、玻璃仪器等效果也很好。氧化铜无机粘结剂成本低廉,只及铜焊成本的十分之一。这种粘结技术,是一项多快好省的新技术。我国各地化工厂已成批生产氧化铜粘结剂,使铜这个古老的元素又有了新用途。

固体润滑剂里的金属——钼

在几十年前,新西兰有个牧场曾发生了一件怪事:那一年,有个农民在牧场上混合播种了三叶草和禾本科牧草。年景实在不好,牧草长得又矮又小。甚至枯萎发黄了。 

然而,奇怪的是,在那一片凋黄的牧场上,竟有一块地方的牧草长得格外好,远远看去,好象是黄色海洋里的一个绿色的“小岛”。这是怎么回事呢?这个农民经过仔细地观察,终于发现了秘密:原来,在那个“小岛”的旁边,是一个钼矿工厂。许多贪图抄近路的工人,常常从那儿经过,径直走向工厂的大门。工人们的皮靴上粘着许多钼矿粉。这些钼矿粉落在草地上,使牧草长得格外好。
钼矿,为什么会使牧草长得好呢?后来,人们经过仔细地研究,才发现原来钼是植物生长必不可缺的微量元素。那块牧场是缺钼的土壤,因此落了一些钼矿粉,便大见增产效果。尤其是豆科和禾本科植物,更加需要钼。在人的眼色素中,也含有微量的钼。在蔬菜中,以甘蓝、白菜等含钼较多。经常吃些甘蓝、白菜,对眼睛很有好处。不过,据试验,在有角的家畜(如牛、羊)的饲料中,如果含有过多的钼,容易引起胃病。 

钼,是银白色的坚硬金属。很重,比重为L0·2。难熔,熔点高达2620℃。纯净的钼富有延展性,但含有少量杂质时,变得很脆。钼的化学性质也很稳定,不会被盐酸、化学元素漫话氢氟酸及碱液所腐蚀,但在硝酸、化学元素漫话王水或热浓硫酸中会被腐蚀。在纯氧中,加热到500℃以上,钼会燃烧,变成三氧化钼。 

金属钼的用途并不太广,主要是用来制造真空管的阴极、阳极,电灯泡里的钨丝托架等。1927年,人们制成超纯金属钼,纯度高达99.999%,拉成细丝,用作集成电路的导线。另外,金属钼丝还用于机床的电火花加工。近年来我国制成的数控线切割机床,就是用金属钼丝导电,进行切割——电火花加工的。在惰性气体的保护气氛中,钼丝和钨丝可配制成高温热点偶,用以测量1200-2000℃的高温。

钼,约有90%左右是用来制造各种特种钢材。钼钢有很好的弹性、冲击韧性和很高的硬度,用来制造车轴、装甲车板、枪炮筒。在生铁中加入极少量的钼,可以大大改善它的机械性能。钼和钨制成的合金,抗酸性能特别好,被用来代替昂贵的铂。

钼的化合物在化学工业上常用作催化剂、浸透剂、染料。钼和磷、硅会形成复杂的杂多酸——“磷钼蓝”和“硅钼蓝”,具有特殊的蓝色。在钢铁分析中,常用这两种化合物来测定含磷量和含硅量(比色分析)。 

钼和硫的化合物——二硫化钼,是一种黑灰色的粉末,样子很象石墨。近年来,我国在工业上大力推广用二硫化钼做固体润滑剂。据测定,如果把二硫化钼加到润滑油中,可以使摩擦阻力降到三分之一。像在汽车底盘的润滑油中,加入百分之三左右的二硫化钼,就可以使行车里程从一千五百公里提高到六千公里;冲天炉鼓风机的轴承,原先用黄油润滑,滑,每隔两天就得加一次油,而改用二硫化钼后,一年只需加一次,而且,效果很好。特别可贵的是,一般的润滑剂在机件压力增加或旋转速度增快时,摩擦阻力增大。如果使用二硫化钼的话,摩擦阻力却会减少,所以它非常适用于接触面很紧密、受压大和高速转动的机器。如用二硫化钼代替牛油润滑马达的轴承,可使轴瓦温度下降四到六度,节约电力15%。二硫化钼还具有许多优点:它的化学性质稳定,耐酸碱,仅溶于王水和热浓硫酸,因此,在使用时不易变质;它又能耐高温和低温,从-60—400℃,一直可以保持良好的润滑性能。 

二硫化钼是固体,为什么有良好的润滑性能呢?原来,二硫化钼的晶体结构是层状的;就像一本没有装订的“书”:它的每一层分子相当于一页“书”,在同一页“书”上,许多二硫化钼分子是结合得十分紧密的。然而,每一页之间,分子的作用力不大,所以当它受到一定的外力(这个力与每层的方向平行),“书”页之间就会相互移动了。这种只有头发直径那么薄的二硫化钼晶体中,约有三、四十个滑动面。因此,把它放在机器中,机器一转动,二硫化钼里的千万层分子,就相互滑动,起着润滑作用。

二硫化钼在自然界中蕴藏不少,天然的钼矿——辉钼矿里的主要成分就是它。这种矿石经过提纯后,就可以制得极细的二硫化钼,所以成本不高。另外,把二氧化钼、三氧化钼或钼酸铵在硫气氛中加热,也可制得二硫化钼。大力推广二硫化钼固体润滑剂,是符合多快好省的一项技术措施。

在农业上,钼的化合物被用作微量元素肥料。

在地壳中,钼的含量约为百万分之三。最重要的钼矿有辉钼矿。钼华及钼酸铅。我国东北一带有丰富的钼矿。 

钼是瑞典化学家社勒在1778年发现的。1883年,瑞典化学家盖尔姆制得了金属钼。

钼的希腊文原意竟是“铅”,这是因为辉钼矿是铅灰色的,和铅在外表上很相似,因此,人们曾误把钼当作“铅”。

“灰锰氧”里的金属——锰

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。当时,这种软锰矿通称为“mANGaNeSe”,社勒就用这名字作为新元素的名字,即“锰”。 

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。

锰最重要的用途是制造合金——锰钢。

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%的软锡矿和铁矿一起混合治炼而成的。

除了锰钢外,锰钢也是重要的锰合金,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。

锰的重要化合物是二氧化锰。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。二氧化锰是黑构色的粉末。干电池中那些黑色的粉末,便是二氧化锰。二氧化锰能够催化油类的氧化作用,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。在公共场所的茶缸旁,常放着一桶紫色的消毒用水,人们称之为“灰锰水”,其实,这就是高锰酸钾溶液,浓度为千分之一。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。 

在大自然中,锰是分布很广的元素之一,约占地壳总原子数的万分之三。最重要的锰矿是软锰矿和硬锰矿。虽然海水中含锰量很少,但在海洋深处的淤泥中,含锰却达千分之三。有人预言,在不久的将来,人们将从海底开采锰矿!

活泼的金属——钾

钾是著名的英国化学家戴维在1807年发现的。钾,是银白色的金属,非常柔软,用小刀可以象切石蜡似的,把它切成一块块。钾的熔点很低,只63℃。也就是说,在比沸水还要低的温度下,金属钾就熔化成水银般的液体了。金属钾很轻,甚至此水还轻!“金属比水轻”,这在当时简直是不可理解的事情。所以,在当时有不少人怀疑、反对戴维的见解,认为钾根本不能算是金属。直到后来,人们经过种种实验,制得了很纯的金属钾,这才最后使“钾是金属”这一点得到公认。

金属钾的化学性质非常活泼。刚刚切开的金属钾的表面是银白色的,可是在空气中暴露几分钟,便变成灰暗了。因为钾能与氧气化合,变成白色的氧化钾。这样,钾平时总是被小心地浸在煤油里。如果把它扔进水里,立即会吱吱发响,发生猛烈的化学反应,甚至燃烧、爆炸!因为金属钾能与水作用,放出氧气,生成氢氧化钾。在大自然中,钾都是以化合物的状态存在着。 

金属钾的用途不算太广,主要是用来作为脱水剂,因为它能强烈地吸收水分。另外,在制造电子管时,也用它来吸收真实管内剩余的氧气与水汽。金属钾与金属钠的合金,熔点很低,在常温下是液体,可以用来代替水银制造温度计。

钾的最重要的化合物,要算是氢氧化钾,俗称苛性钾。氢氧化钾是白色的固体,很易溶解在水里,具有很强的腐蚀性,是最强的碱之一。如果把你的羊毛线衣放在5%的氢氧化钾溶液里煮五分钟,那毛线衣便不见了——被溶解了!在工业上,人们用氢氧化钾制造肥皂、精炼石油与制造各种化工产品。用氢氧化钾制造的“钾肥皂”很有趣,它是一种液态肥皂。理发店里用的软肥皂就是它。

钾的最主要用途是制造钾肥。庄稼是非常需要钾的。庄稼缺乏钾,茎秆便不会硬挺直立,易倒伏,对外界的抵抗力也大大减强。平均起来,每收获一吨小麦或一吨马铃薯,就等于从土壤中取走五公斤钾;收获一吨甜萝卜,相当于取走二公斤钾。全世界平均每年要从土壤中取走2,500万吨钾!有入才有出,这也就是说,全世界每年必须至少要往土壤中施加合钾2,500万吨的钾肥!

含钾的化学肥料,主要有硝酸钾、氯化钾、硫酸钾、碳酸钾。人们是从钾长石(花岗岩)、海水等中提取钾的化合物。特别是海水,含有不少氯化钾。在农家肥料中,以草木灰,特别是向日葵灰,含钾最多,这是因为植物本来就从土壤中吸收了钾,那么,把它烧成灰后,灰中当然也就含有钾了。在每吨粪便中,大约含有六公斤钾。

在动物与人体内也含有钾,特别是在肝脏、脾脏里含钾最多。整个说来,成年人的器官(不包括血液、汗、尿等,仅是指器官而言),钾多于钠。有趣的是,在婴儿的器官中,钠却多于钾。有些科学家就把这一点引来证明:陆上动物是起源于海中的有机体,因为在海水小,钠多于钾。

金属的“贵族”——金

金,是人类最早发现的金属之一,此铜、锡、铅、铁、锌都早。1964年,我国考古工作者在陕西省临潼县秦代栋阳宫遗址里发现八块战国时代的金饼,含金达99%以上,距今也已有两千一百年的历史了。在古埃及,也很早就发现金。图32就是古埃及的金匠在加工金制品的情形。

金之所以那么早就被人们发现,主要是由于在大自然中金矿就是纯金(也有极少数是碲化金),再加上金子金光灿烂,很容易被人们找到。在古代,欧洲的炼丹家们用太阳来表示金,因为金子象太阳一样,闪耀着金色的光辉。在我国古代,则用黄金、白银、赤铜、青铅、黑铁这样的名字,鲜明地区别各种金属在外观上的不同。

不过,虽然说金的自然状态大都是游离状的纯金,但自然界中的纯金却很少是真正纯净的,它们大都含金达99%以上,但总含有少量银,另外还含有微量的钯、铂、汞、铜、铅等。

金在地壳中的含量大约是一百亿分之五;这数字,比之于铝、铁之类金属,当然是少,但比许多希有金属的含量却多得多了。在海水中,约含有十亿分之五的黄金。也就是说,在1立方公里的海水中,含有5吨金!另外,据光谱分析,在太阳周围灼热的蒸汽里也有金,来自宇宙的“使者”——陨石,也含有微量的金,这表明其他天体上同样有金。

金在地壳中的含量虽然还不算是太少,但是非常分散。至今,人们找到的最大的天然金块,只有112公斤重,而人们找到的最大的天然银抉却重达13.5吨(银在地壳中的含量只不过比金多一倍),最大的天然铜块竟达420吨重。在自然界中,金常以颗粒状存在于砂砾中或以微粒状分散于岩石中。 

金很重。1立方米的水只重1吨,而同体积的金却达19.3吨重!人们利用金与砂比重的悬殊,用水冲洗含金的砂,这就是所谓的“砂中淘金”(图33)。近年来,人们发现含有氰化物的水能溶解金,生成溶于水的NaAu(CN)2,于是采用0.03—0.08%的氰化钠溶液冲洗金砂,使金溶解,然后把所得的溶液用锌处理,锌就把金置换出来,于是制得金。这种化学的“砂里淘金”法,大大提高了淘金的效率。不过,氰化物剧毒,在生产时必须严格采取安全措施。现在,只要砂中含有千万分之三或岩石中含有十万分之一的金,都已成了值得开采的金矿了。

金是金属中最富有延展性的一种。1克金可以拉成长达4000米的金丝。金也可以捶成比纸还薄很多的金箔,厚度只有一厘米的五十万分之一,看上去几乎透明。带点绿色或蓝色,而不是金黄色。金很柔软,容易加工,用指甲都可以在它的表面划出痕迹。 

俗话说:“真金不怕火”、“烈火见真金”。达一方面是说明金的熔点较高,达1063℃,火不易烧熔它;另一方面也是说明。金的化学性质非常稳定,任凭火烧,也不会锈蚀。古代的金器到现在已几千年了,仍是金光闪闪。把金放在盐酸、硫酸或硝酸(单独的酸)中,安然无恙,不会被侵蚀。不过,由三 份盐酸、一份硝酸(按体积计算)混合组成的“王水”,能溶解金。溶解后,蒸干溶液,可得到美丽的黄色针状晶体——“氢金氯铬酸”。另外,上面已提到,氰化物的溶液能溶解金。硒酸(或碲酸)与硫酸(或磷酸)的混合物,也能溶解金。在高温下,氟、氯、溴等元素能与金化合生成化学元素漫话卤化物,但温度再高些,卤化物又重新分解。熔融的硝酸钠、氢氧化钠能与金化合。 

过去,黄金成了金属中的“贵族”——主要被用作货币、装饰品。由于黄金硬度不高,容易被磨损,一般不作为流通货币。现在,随着生产的发展,黄金已成了工业原料。例如,自来水笔的金笔尖上常写着“14K”或“14开”的字样,便是说在制造金笔尖的24份(重量)的合金中,有14份是金。在我国生产的一些电子计算机的集成电路中,也有用金丝作导线。此外,一些重要书籍的精装本封面上的金字,便是用金粉印上去的(一般书的金字常用电化铝或黄铜粉代替)。如果把极细的金粉掺到玻璃中,可以制得著名的红色玻璃——“金红玻璃”(含金星为十万分之一到万分之三)。

“硫磺”——硫

硫,俗称“硫磺”,是黄色的晶体。在自然界中,有天然的硫磺,所以人们早在古代便发现了硫。硫的比重比水大一倍,在112.8℃熔化。硫有股臭味,并且能杀菌。医生便常用硫黄膏给得了疥疮的人治病。在一些火山附近,常有天然的硫黄矿。火山旁的温泉里,也常含有一些硫,一些患疥疮等皮肤病的人去温泉洗澡,也可有助于治好皮肤病。

在农业上,硫黄是重要的农药。不过,硫黄只能杀死它周围1毫米以内的害虫。因此,在使用时,人们不得不把它研得非常细,然后,均匀的喷洒到庄稼的叶子上。为了增强杀虫力,现在人们大都把硫黄和石灰混合,制成石灰硫黄混合剂。石灰硫黄混合剂是透明的樱红色溶液,常用来防止小麦锈病和杀死棉花红蜘蛛、螨等。 

在橡胶的生产中,硫有着特殊的用途。生橡胶受热易粘,受冷易脆,但加入少量硫黄后,由于硫黄能把橡胶分子连接在一起,起“交联剂”的作用,因此大大提高了橡胶的弹性,受热不粘,与冷不脆。这个过程叫做“硫化处理”。 

硫能燃烧,是制造黑色火药的三大原料(木炭粉、硝酸钾、硫黄)之一3C+2KNO3+S→K2S+N2↑+3CO2↑。我国是世界上最早发明黑色火药的国家。 

不过,硫最重要的用途是在于制造它的化合物——硫酸H2SO4。硫酸,被人们誉为“化学工业之母”,很多化工厂及其它工厂都要用到硫酸。例如,炼钢、炼石油要用大量的硫酸进行酸洗;制造人造棉(粘胶纤维)要用硫酸做凝固剂;制造硫酸铵(NH4)2SO4、过磷酸钙(Ca3(PO4)2与Ca(H2PO4)2的混合物)等化肥,也消耗大量硫酸;此外象染料、造纸、蓄电池等工业,以及药物、葡萄糖等的制造,都离不了硫酸。 

硫酸是无色、透明的油状液体,纯硫酸的比重是水的1.8倍多。浓硫酸具有极强的脱水性。你见过白糖变黑炭吗?你只要把浓硫酸倒进白糖里,白糖立即变成墨黑的了。这是因为白糖是碳水化合物,浓硫酸脱去了其中的水(氢、氧原子个数比以2∶1水的形式脱去),剩下来的当然是墨黑的炭了。不过,把浓硫酸用水冲稀时,千万要注意:应该是把浓硫酸慢慢倒入水中,而不能把水倒入浓硫酸中。这是因为浓硫酸稀释时,会放出大量的热,以至会使水沸腾起来。水比浓硫酸轻得多,把它倒进浓硫酸中,它就会象油花浮在水面上似的浮在浓硫酸上面。这时,产生的高热能使水沸腾起来,很容易会把酸液四下飞溅,造成事故。硫酸是三大强酸之一,具有很强的酸性和腐蚀性。硫酸滴在衣服上,很快的便会把衣服烂成一个洞。

硫酸,现在倒很少用硫黄作原料来制造,而使用硫的化合物——黄铁矿(二硫化铁FeS2)作原料。硫酸在工业上的制造方法有铅室法(制成浓度约为65%)。铅室法制成的硫酸浓度不可超过75%,若超过该浓度,硫酸会溶解铅表面的氧化膜——硫酸铅,使铅腐蚀。铅室法是较古老的制硫酸方法,从十八世纪中叶开始,现已基本淘汰。塔室法(制成浓度为75—76%)和接触法(制成浓度为93%,98%或105%)。硫酸是三氧化硫溶于水而制得的SO3+H2O→H2SO4。三氧化硫还可溶于浓硫酸,故用接触法可制得105%浓度的浓硫酸,即在100%浓度的浓硫酸中还含有部分三氧化硫。这种硫酸,打开后即冒白烟,叫化学元素漫话发烟硫酸。 

硫燃烧,形成蓝紫色火焰,并放出一股呛人的气体——二氧化硫 。黄铁矿燃烧后,也生成二氧化硫。二氧化硫经过进一步氧化,变成三氧化硫。三氧化硫溶解与水,就成了硫酸。二氧化硫具有一定的漂白作用。有这样一个化学魔术:把一束彩色花放在玻璃罩里,点燃硫黄,彩色花很快变成白花了。这就是由于硫燃烧,生成大量的二氧化硫,使彩色花退色。现在,工业上常用二氧化硫作漂白剂,漂白不能用氯漂白的稻草、毛、丝。麦杆是金黄色的,用麦杆编成的草帽却是白色的,这草帽便是用二氧化硫熏过,漂成白色。

硫的另一重要化合物是硫化氢H2S。硫化氢是大名鼎鼎的臭气。粪便中有它,臭鸡蛋那臭味也是它在作怪。硫化氢对人体有毒,吸入含有千分之一的硫化氢的空气会使人中毒。如果浓度更大些时,会使人昏迷,甚至因呼吸麻痹而死亡。在工业上,硫化氢常被用来制造硫化物、硫化染料以及作为强还原剂。银器遇上硫化氢,会变成黑色的硫化银Ag2S。大气中常含有微量的硫化氢,这些硫化氢大都来自火山喷发的气体以及一些动植物腐烂后产生的气体。

硫是重要的一种非金属,它广泛的存在于大自然,它在地壳中的含量约为万分之六。除了存在着天然的纯硫外,还有各种含硫矿物,如方铅矿(硫化铅PbS)、黄铁矿(二硫化铁FeS2)、闪锌矿(硫化锌Zns)等。在蛋白质中,也常含有硫。臭鸡蛋之所以会产生很臭的硫化氢,便是由于在鸡蛋的蛋白质(特别是蛋黄)中含有硫。另外,在煤中平均含硫1-1.5%,这些硫一部分是以黄铁矿形式存在的,另一部分则以有机化合物的形式存在。在煤块中常可看到仅闪闪的粉末,那便是夹杂着的黄铁矿。含硫量高的煤,不能用来炼铁,因为它会使铁热脆。

奇臭的液体——溴

溴的发现,曾有一段有趣的历史:1826年,法国的一位青年波拉德,他在很起劲地研究海藻。当时人们已经知道海藻中含有很多碘,波拉德便在研究怎样从海藻中提取碘。他把海藻烧成灰,用热水浸取,再往里通进氯气,这时,就得到紫黑色的固体——碘的晶体。然而,奇怪的是,在提取后的母液底部,总沉着一层深褐色的液体,这液体具有刺鼻的臭味。达件事引起了波拉德的注意,他立即着手详细地进行研究,最后终于证明,这深褐色的液体,是一种人们还未发现的新元素。波拉德把它命名为“滥”,按照希腊文的原意,就是“盐水”的意思。波拉德把自己的发现通知了巴黎科学院。科学院把这新元素改称为“溴”,按照希腊文的原意,就是“臭”的意思。

波拉德关于发现溴的论文——《海藻中的新元素》发表后德国著名的化学家利比息非常仔细、几乎是逐字逐句进行推敲地读完了它。读完后,利比息感到深为后悔,因为他在几年以前,也做过和波拉德相似的实验,看到过这一奇怪的现象,所不同的是,利比息没有深入地钻研下去。当时,他只凭空地断定,这深褐色的液体只不过是氯化碘(ICl)——通氯气时,氯和碘形成的化合物。因此,他只是往瓶子上贴了一张“氯化碘”的标签就完了,从而失之交臂,没有发现这一新的元素。从这件事以后,利比息在科学研究工作中,变得踏实得多了,在化学上作出了许多贡献。他把那张“氯化碘”的标签小心地从瓶子上取下来,挂在床头,作为教训,并常把它拿给朋友们看,希望朋友们也能从中吸取教训。后来,利比息在自传中谈到这件事时,这样写道:“从那以后.除非有非常可靠的实验作根据,我再也不凭空地自造理论了”。
溴的发现史上的这一段故事,再一次证明了毛主席所指出的真理:”你要有知识,你就得参加变革现实的实践。”科学是老老实实的学问,任何一点调皮都是不行的。” 

在所有非金属元素中,溴是唯一的在常温下处于液态的元素。正因为这样,其他非金属元素的中文名称部首都是“气”(气态)或“石”(固态)旁的,如氧、碘,而只有溴是三点水旁的——液态。涣是深褐色的液体,此水重两倍多。溴的熔点为-7.3℃,沸点为58.78℃。溴能溶于水,即所谓的“溴水”。溴更易溶解于一些有机溶剂,如三氯甲烷(即氯仿)、四氯化碳等。 

溴在大自然中并不多,在地壳中的含量只有十万分之一左右,而且没有形成集中的矿层。海水中大约含有十万分之六的溴,含量并不高,自然,人们并不是从海水中直接提取,而是在晒盐场的盐卤或者制碱工业的废液中提取:往里通进氯气,用氯气把溴化物氧化,产生游离态的溴,再加入苯胺,使溴成三溴苯胺沉淀出来。

溴很易挥发。溴的蒸气是红棕色的,毒性很大,气味非常刺鼻,并且能刺激眼粘膜,不住地流泪。在军事上,溴便被装在催泪弹里,用作催泪剂。在保存溴时,为了防止溴的挥发,通常在盛溴的容器中加进一些硫酸。溴的比重很大,硫酸就象油浮在水面上一样地浮在溴的上面。 

溴的最重要的化合物,要算是溴化银了。溴化银具有一个奇妙的特性——对光很敏感,受光照后便会分解。人们把溴化银和阿拉伯树胶制成乳剂涂在胶片上,制成“溴胶干片”。我们平常所用的照相胶卷、照相底片、印相纸,几乎都涂有一层溴化银。现在,照相消耗着大量的溴化银。1962年全世界溴的化合物的产量已近十万吨,其中有将近九万吨被用于摄影。由于人们在溴化银中加入一些增敏剂,胶片的质量也不断得到了提高。不久前,人们已经能把曝光时间缩短到十万分之一秒以至百万分之一秒拍下正在飞行中的子弹、火箭;人们也能在菜油灯或者火柴那样微弱的光线下,拍出清晰的照片。 

生物学家们发现,人的神经系统对溴的化合物很敏感。在人体中注射或吸收少量溴的化合物后,神经便会逐渐被麻痹。这样,溴的化合物——溴化钾、溴化钠和溴化铵,在医学上便被用作镇静剂。通常,都是把这三种化合物混合在一起使用,配成的水溶液就是我们常听到的“三溴合剂”,压成片的便是常见的“三溴片”,是现在最重要的镇静剂之一。不过,溴化物主要从肾脏排泄出去,排泄比较慢,长期地服用不太合适,容易造成中毒。 

近年来,我国用溴和钨的化合物——溴化钨制造新光源。溴钨灯非常明亮而体积小,已开始用于我国电影摄影、舞台照明等方面。在高温时,碘钨灯中碘的蒸气是红色的,会吸收一部分光,影响发光效率,而溴蒸气在高温时是无色的,因此,溴已逐渐代替碘来制造卤化钨新光源。 

在有机化学上,溴也很重要,像溴苯、溴仿、溴萘、溴乙烷都是常用的试剂。另外,在制造著名的汽油防震剂——化学元素漫话四乙基铅时,也离不了溴,因为要合成四乙基铅,首先要创得中间产品——二溴乙烯。

马口铁的“外衣”——锡

锡是大名鼎鼎的“五金”——金、银、铜、铁、锡之一。早在远古时代,人们便发现并使用锡了。在我国的一些古墓中,便常发掘到一些锡壶、锡烛台之类锡器。据考证,我国周朝时,锡器的使用已十分普遍了。在埃及的古墓中,也发现有锡制的日常用品。

在自然界中,锡很少成游离状态存在,因此就很少有纯净的金属锡。最重要的锡矿是锡石,化学成分为二氧化锡。炼锡此炼铜、炼铁、炼铝都容易,只要把锡石与木炭放在一起烧,木炭便会把锡从锡石中还原出来。很显然,古代的人们如果在有锡矿的地方烧篝火烤野物时,地上的锡石便会被木炭还原,银光闪闪的、熔化了的锡液便流了出来。正因为这样,锡很早就被人们发现了。 

我国有丰富的锡矿,特别是云南崮旧,是世界闻名的“锡都”。此外,广西、广东、江西等省也都产锡。1800年,全世界锡的年产量仅四千吨,1900年为八万五千吨,1940年为二十五万吨,现在已超过六十万吨。

锡是银白色的软金属,比重为7.3,熔点低,只有232,你把它放进煤球炉中,它便会熔成水银般的液体。锡很柔软,用小刀能切开它。锡的化学性质很稳定,在常温下不易被氧气氧化,所以它经常保持银闪闪的光泽。锡无毒,人们常把它镀在铜锅内壁,以防铜温水生成有毒的铜绿。牙膏壳也常用锡做(牙膏壳是两层锡中央着一层铅做成的。近年来,我国已逐渐用铝代替锡制造牙膏壳)。焊 锡,也含有锡,一般含锡61%,有的是铅锡各半,也有的是由90%铅、6%锡和4%锑组成。

锡在常温下富有展性。特别是在100℃时,它的展性非常好,可以展成极薄的锡箔。平常,人们便用锡箔包装香烟、糖果,以防受潮(近年来,我国已逐渐用铝箔代替锡箔。铝箔与锡箔很易分辨——锡箔比铝箔光亮得多)。不过,锡的延性却很差,一拉就断,不能拉成细丝。
其实,锡也只有在常温下富有展性,如果温度下降到13.2℃以下,它竟会逐渐变成煤灰般松散的粉末。特别是在-33℃或有红盐(SnCl4·2NH4Cl)的酒精溶液存在时,这种变化的速度大大加快。一把好端端的锡壶,会“自动”变成一堆粉末。这种锡的“疾病”还会传染给其他“健康”的锡器,被称为“锡疫”。造成锡疫的原因,是由于锡的晶格发生了变化:在常温下,锡是正方晶系的晶体结构,叫做白锡。当你把一根锡条弯曲时,常可以听到一阵嚓嚓声,这便是因为正方晶系的白锡晶体间在弯曲时相互摩擦,发出了声音。在13.2℃以下,白锡转变成一种无定形的灰锡。于是,成块的锡便变成了一团粉末。

锡不仅怕冷,而且怕热。在161℃以上,白锡又转变成具有斜方晶系的晶体结构的斜方锡。斜方锡很脆,一敲就碎,展性很差,叫做“脆锡”。白锡、灰锡、脆锡,是锡的三种同素异性体。

由于锡怕冷,因此,在冬天要特别注意别使锡器受冻。有许多铁器常用锡焊接的,也不能受冻。1912年,国外的一支南极探险队去南极探险,所用的汽油桶都是用锡焊的,在南极的冰天雪地之中,焊锡变成粉末股的灰锡,汽油就都漏光了。

锡的化学性质稳定,不易被锈蚀。人们常把锡镀在铁皮外边,用来防止铁皮的锈蚀。这种穿了锡“衣服”的铁皮,就是大家熟知的“马口铁”。1吨锡可以覆盖七千多平方米的铁皮,因此,马口铁很普遍、也很便宜。马口铁最大的‘主顾”是罐头工业。如果注意保护,马口铁可使用十多年而保持不锈。但是,一旦不小心碰破了锡“衣服”,铁皮便很快被锈蚀,没多久,整张马口铁便布满红棕色的铁锈斑。所以,在使用马口铁时,应注意切勿使锡层破损,也不要因它受潮、受热。“马口铁”这名字,是由于它是从西藏阿里部马口地方输入(英国经印度从马口输入)而得名的。 

锡,也被大量用来制造锡铜合金——青铜。 

 锡与硫的化合物——硫化锡,它的颜色与金子相似,常用作金色颜料。 

锡与氧的化合物——二氧化锡。锡于常温下,在空气中不受氧化,强热之,则变为二氧化锡。二氧化锡是不溶于水的白色粉末,可用于制造搪瓷、白釉与乳白玻璃。1970年以来,人们把它用于防止空气污染——汽车废气中常含有有毒的一氧化碳气体,但在二氧化锡的催化下,在300℃时,可大部转化为二氧化碳。

锡和氯可形成两种化合物: 

1.二氯化锡(又称氯化亚锡),具有很强的还原能力,工业上常利用氯化亚锡使别种金属还原,是化学上常用的还原剂之一;在染料工业上,也可用做媒染剂。 

2.四氯化锡:在二氯化锡溶液里通入足量的氯气,便可得到四氯化锡,四氯化锡是沸点为114的无色液体。——遇水蒸气就水解,冒出强烈的白烟,形成白色的浓雾,军事上用它装在炮弹里,制成烟雾弹。四氯化锡能与氯化铵化合,生成一种复盐(SnCl4·2NH4Cl),是重要的媒染剂。

奇妙的催化剂——铂

铂的俗名叫“白金”,在化学上把两个字并成了一个字——铂。

铂是银白色的金属,它的西班牙文原意便是指银。铂在大自然中和金子一样,常以纯金属的形式存在于砂粒中,但由于很少,直到1748年才被西班牙科学家安东尼奥·乌洛阿在平托河金矿中发现。现在,全世界铂的年产量,也只有二十吨。至今,人们在大自然中找到的最大的铂块,重达9.6公斤。铂很重,一立方米的铂重达21.4吨,如果按体积来计算,全世界每年生产的铂还不到一立方米呢! 

铂具有很高的化学稳定性,在空气中,加热到发红,也不会生锈。除了王水外,盐酸、硫酸、硝酸都不能单独腐蚀它(王水是盐酸和硝酸的混合物)。铂具有很好的延展性,可以轧成只有0.0025毫米厚的铂箔。二十张这样薄的铂箔叠在一起,也只有一页纸那么厚。铂又很耐高温,熔点高达1773.5℃。这样,在化学上常用它制造各种反应器皿:蒸发皿、坩埚以及电极、铂板、铂网等。不过,在高温下,铂也能和一些物质化合,因此,在使用铂器皿时要注意勿和王水、氯水、氯化铁、一氧化碳等接触。

铂最可贵的性质,在于它能加速许多化学反应的速度。这样,粉末状的铂,常被用作催化剂。例如,在一空瓶中装了氢气和氧气,在平常的悄况下,即使放上多少年,它们也是不会相互化合的。然而,只要放一点铂粉,立即会爆发一声巨响,瓶子里闪耀着火花——氢气和氧气猛烈化合成水。而铂在反应后,还是原样的,没发生什么化学变化。 

铂竟然还有火柴的作用:本来,化学元素漫话煤气灯都是用火柴来点着的,然而,如果在煤气灯口放一块铂,虽然铂是冷的,煤气也是冷的,可是,过了一、两分钟,铂块居然发红了,煤气灯也点着了。这道理也和上面的实验一样:煤气和空气中的氧气在常温下很难直接化合,但有了铂作催化剂以后,它们便能直接化合,放出大量的热,使铂块发红,最后以致把煤气灯点着。

铂不仅能催化许多化合反应,还能加速许多分解反应。例如,双氧水是大夫常给病人消毒用的药水,平常象水一样,仅撒进一点点铂粉,立即白浪翻滚,分解出大量的氧气。因此,铂现在成了化学工业上重要的催化剂。

在高温下,一体积的铂可溶解一千体积的氢气。这样,铂常被用作气体的载体。

奇妙的晴雨花——钴 

你见过这样的晴雨花吗?在晴天,它是蓝色的;即将下雨时,它变成紫色;到了下雨天,它是鲜艳的玫瑰色。 

这奇妙的睛雨花,并不是真正的花,而是用滤纸做的人们把滤纸浸在二氯化钴的溶液里,晾干,做成花的形状。

二氯化钴有这样古怪的脾气:在无水状态时,是蓝色的;而一旦吸水,形成含水的晶体(COCl2·6H2O),便成了玫瑰红色。人们便利用它这怪脾气,制作睛雨花:晴天时,空气中水分少,二氯化钴保持无水状态,呈蓝色;即将下雨,空气中水分渐多,它便部分变成含水化合物,红蓝相混,成了紫色;到了下雨时,空气中水汽很多,绝大部分二氯化钴都成了含水化合物,于是,便呈玫瑰红色。人们利用这“花”的颜色的变化,便可预知晴雨,因此称它为“睛雨花”。 

二氯化钴,是钴的重要的化合物。二氯化钴的颜色时红时蓝,金属钴却是银白色的。金属钴很坚硬,而且与铁一样;具有磁性,能被吸铁石吸起。钴比铁重,此重为8.8。在1490℃熔化。 

钴的化学性质比铁稳定,在常温下,在空气和水中,不会被锈蚀。在稀酸中,也很难被溶解。但在加热时,钴会与氯、氧、硫等起化学作用,生成氯化物、氧化物、硫化物等。 在工业上,金属钴的用途不大,而主要是制成各种钴合金:钴合金的硬度很高,含有78—88%钨,6—15%钴与5—6%碳的合金,被称为“超硬合金”,在1000℃,也不会失去原来的硬度,用来制造切削刀具。由35%钴、35%铬、15%钨、13%铁与2%碳组成的“钨铬钴合金”,也是用来制造高速切削刀具、钻头的著名硬质合金;钴合金还具有磁性。著名的永久磁铁,便是由15%钴、5—9%铬、1%钨和碳组成的钴钢。在有些磁性合金中,钴的含量甚至高达49%,另外,在一些耐热、耐酸的合金中,也常用到钴。
在无色的玻璃中,如果加入一些钴的化合物,可以制得深蓝色的玻璃。这种玻璃,能很好地挡住紫外线,电焊工人、炼钢工人在工作时,便常戴这种钴眼镜,保护眼睛。在景泰蓝、搪瓷、陶瓷的制造过程中,也常用钴的化合物作为蓝色的颜料。 

在生物学上,钴是重要的微量元素。据试验,如果在羊的饲料中缺少钴,将会引起严重的脱毛症,然而,只要在调料中加入微量的钴——每昼夜1毫克,便可治好脱毛症。维生素B12,是钴的有机化合物,含有4.5%的钴。现在,人们已人工地大量合成维生索B12,用来医治恶性贫血、气喘、脊髓肋病等。

在地壳中,钴的含量约为十万分之一。重要的钴矿有砷钴矿、辉砷钴矿、硫钴矿、钴华等。在陨石中约含有千分之五的钴,这证明在其他天体中,也含有不少的钴。大自然中,不仅有稳定的钴,还有放射性钴。放射性钴—60,现在已用来代替镭治疗癌症,并广泛地用作示踪原子。 

钴是瑞典化学家格·波朗特在1735年发现的。

“汽车的基础”——钒

早在1801年,墨西哥矿物学家安德烈斯·德耳·吕阿,在一种铁矿里便发现了黄色的钒的化合物,但他怀疑这是不纯的铬酸铅,没有肯定下来。1831年,瑞典化学家塞夫斯德朗发现了钒。1867年,英国化学家罗斯特第一次制得纯净的金属钒。 

钒在地壳中的含量并不少,平均在每两万个原子中,便有一个钒原子,比铜、锡、锌、镍的含量都多。然而,钒分布得太分散了,几乎没有比较富集的矿。差不多所有的铁矿中都含有钒,但含量大部分都在万分之一以下。奇怪的是,海鞘、海参等海生动物,却竟然能从海水中摄取钒,浓集到血液中去。据测定,用海鞘、海参烧成的灰中,含矾竟达15%! 钒是银灰色、富有光泽的金属,较轻(比重为6),难熔(熔点达1735),比钢还硬,可以刻划玻璃和石英。高纯度的钒富有延展性,可以拉成细丝,或者压成比纸还薄的钒箔。然而,若含有少量的氮、氢、氧等杂质时,便变得很脆,一敲就碎。 

钒的化学性质十分稳定,在常温下不会被氧化,甚至在300℃的高温下也没有明显的氧化现象,表面保持光亮。钒也不怕水、盐酸、稀硫酸、稀硝酸和碱液的侵蚀,只有热的浓硫酸、浓硝酸、王水和氢氟酸才能溶解它,熔融的氢氧化钠、碳酸钠等与它作用生成钒酸盐。
纯钒的用途不很广,只是用作x射线的滤波器和电子管中的阴极材料。钒的最重要的用途是制造合金。 

钒钢,是在钢中加入不到1%的钒制成的。含量虽少,作用却不小,这少量的钒使钢的弹性显著增加,坚硬、结实,在低温下也仍保持很好的抗冲强度,在海水中不被腐蚀。这样,钒钢大量被用来制造汽车、飞机的发动机、轴、弹簧,火车头的汽缸,被誉为“汽车的基础”。钒钢制的穿甲炮弹,能够射穿40厘米厚的钢板。当然,在工业上并不是先制得纯钒,再把它加到钢中,而是直接用含钒的铁矿石炼制钒钢。
在生铁中加入钒,也能大大提高抗张、抗压、抗弯、耐磨性能,使用寿命延长一倍。钒铜合金也很耐腐蚀,不怕海水,常用来制造船舶的推进器。钒铝合金具有很高的硬度、弹性,耐海水,轻盈,用来制造水上飞机和水上滑翔机。

红色的钒的氧化物——五氧化二钒,钒,是近年来发现的重要的催化剂。在硫酸工业上,用它代替昂贵的铂作催化剂,加速二氧化硫变成三氧化硫的反应。 

钒的盐类,五光十彩,如二价钒盐常呈紫色,三价钒盐呈绿色,四价钒盐呈浅蓝色,四价钒的碱性衍生物常是棕色或黑色,而五氧化二钒则是红色的。这些彩色缤纷的钒的化合物,被用作颜料。人们还把它们加到玻璃中,制成彩色玻璃;涂到陶瓷器上,作彩色的釉料。
钒的化合物大都是有毒的,人吸多了,会得肺水肿。不过,如果在牡牛和猪的饲料中加入微量的钒盐,却能使它们的食量增加,脂肪层也加厚。

热缩冷胀的金属——锑

我国是世界上锑矿最多的国家,也是世界上产锑最多的国家。我国的锑矿,分布在湖南、广东、广西、云南、贵州、四川等省,其中以湖南省新化县锡矿山的锑矿储量最大。早在明朝,新化当地的居民就发现山上有锑矿,不过,当时以为它是锡矿,因此便叫它为“锡矿山”,这名字一直沿用到今天。 

最重要的锑矿是辉锑矿,有着锡一般的金属光泽,它的化学成分是三硫化二锑,含锑20%以上。在工业上,人们用碳还原辉锑矿,制得金属锑。

锑,是银灰色的金属,很脆,易熔。除了常见的灰色的锑以外,还有黄色的黄锑,黑色的黑锑和很易爆炸的爆炸锑。不过,这三种锑的同素异性体都不很稳定:黄锑在-80℃以上,就很快变成黑锑,而黑锑加热就变成普通的灰锑;爆炸锑甚至用较硬的东西撞击,也会放出大量的热和火花,很快变成灰锑。 

锑,大都用来与铅熔在一起,制成合金使用。加了锑的合金,叫做“硬铅”。我们平常遇到的许多“铅”做的东西,其实大都是用硬铅做的。例如铅笛电池里的铅板,便是用硬铅做的。如果用纯铅做就太软了,放在汽车上,一受颤动,很容易变形。据试验,用硬铅制成铅板,比纯铅的使用寿命至少延长十五倍!在化学工业上,一些耐强酸的材料,如铅管、反应罐,常用硬铅来铸造或作衬垫。制硫酸的“铅室法”,那铅室也是用硬铅做的。在第一次世界大战时,人们还曾用硬铅来制造在空中爆炸的榴散弹。

锑有一个反常的特性——热缩冷胀。一般的物体都是热胀冷缩,然而,液态的锑在受冷凝固时,体积反而稍为膨胀。这样,人们在制造铅字时,便往铅字合金里加入一些锑。当熔化了的铅字合金浇入铜模里冷却凝固时,合金也就稍为膨胀,使每一个细小的笔划都十分清晰地凸出来。不仅如此,加入锑后,还能使铅字合金更为坚硬、耐磨,弥补了铅的一些不足之处。 锑除了与铅制成合金外,还用来与其他金属制成合金。例如,含有90%锡、7%锑、3%铜的巴必脱合金,含90%锡和L0%锑的不列颠合金等,常用来制造轴承。 

锑的化合物也有许多用途。在火柴工业上,用三硫化锑或五硫化锑作火柴盒的摩擦剂。在橡胶工业上,用五硫化二锑作着色剂。用五硫化二锑处理过的橡胶,具有特殊的红色。在医药上,锑用来制造许多药物,例如,治肺病、血吸虫病、黑热病等的一些特效药,都是锑的有机化合物。我国医药工作者研究制成了治疗血吸虫病的“锑剂”,为彻底消灭血吸虫病作出了贡献。另外,锑的一些化合物常用作颜料。在我国古代,锑的化合物早就用作化妆品和颜料。现在,锑的一些氧化物和硫化物,仍被大量用作颜料。硫化锑还是很好的半导体材料。

闪光灯中的金属——镁

夜晚,当摄影记者给盛大的集会拍照时,常伴随着“咔嚓、咔嚓”的响声和一道道夺目的闪光。这闪光,便是镁粉在燃烧。

镁,是英国化学家戴维在1808年用电解法首先发现的。它的希腊文名称的原意为“美格尼西亚”,因为在希腊的美格尼西亚当时盛产一种名叫苦土的镁矿。镁,与铝很相似,是银白色的轻金属,不过,它比铝更轻些,一立方米的镁仅重1.74吨,只有同体积铝重量的三分之二。镁十分坚硬,机械性能也不错。 

与铝一样,镁在空气中,它的表面也会迅速地氧化而失去光泽,同时生成一层薄薄的氧化膜,这层氧化膜很稳定,能保护里面的金属不再氧化。当镁在空气中燃烧时,还会射出耀眼的亮光来,要是在纯氧中燃烧,那白光更是亮得眩目。因此,人们便用镁粉来制成闪光粉(镁粉与氯酸钾的混合物),供夜间摄影用。另外,人们也用镁粉来制成照明弹、焰火等。

不过,镁的最重要的用途是用来制造合金。

最常见的镁合金,是镁铝合金,它含有5—30%的镁。镁铝合金,要比纯铝更坚硬,强度更大,而且比铝更容易加工与磨光,镁铝合金也格外轻盈,被大量用于飞机制造工业,成了重要的“国防金属”。在制造汽车及其他运输工具时,也常用到镁铝合金。据国外报导,1972年用于结构方面的镁合金比1971年有大幅度的增长。人们新制成含9%钇、1%锌的镁合金,又轻盈又结实,用于制造直升飞机零件。此外,在铸铁中加入0.05%的镁;还能大大增加铸铁的延展性和抗裂性。

镁最重要的化合物是氧化镁和硫酸镁。 

氧化镁熔点非常高,达2800℃,是很好的耐火材科。砌高炉用的“镁砖”,就含有许多氧化镁,它能耐得住2000℃以上的高温。氧化镁也被用来制造水泥,氧化镁水泥不仅是很好的建筑材料,而且还常用来制造磨石和砂轮。如果把木屑刨花之类浸在氧化镁水泥浆里,加以压力,硬化后便成了坚固耐用的纤维板。这种纤维板很轻,隔音、绝热的本领很好,又能耐火。 

硫酸镁是著名的泻药,它是一种无色结晶物质,很容易溶于水,味道很苦。当病人口服后,在肠道内它很难被吸收,但由于渗透压的关系,在肠内留有大量的水分,使肠容积增加,于是机械地刺激肌壁,引起排便。服用硫酸镁是较安全的,但剂量也要有一定限制,成年人每次约15—30克。硫酸镁也被用在纺织工业和造纸工业中。 

在生物学上,镁极为重要。因为它是叶绿素分子中的核心原子——在镁原子的周围,围着许许多多氢原子、氧原子等,组成叶绿素分子。在叶绿素中,镁的含量达2%。要是没有镁,就没有叶绿素,也没有绿色植物,没有粮食和青菜了。据估计,在全世界的植物体中,镁的含量高达L00亿吨。在土壤中施镁肥,可以显著地提高产量,尤其是甜菜。 

在大自然中,镁是分布很广的元素之一。在地壳中,镁的含量约为千分之十四。主要的镁矿有白云石、菱镁矿等。在石棉、滑石、海泡石中也都含有镁。特别在海水中,镁的含量仅次于钠。据计算,在全世界海水中,镁的含量高达60,000,000,000,000,000吨。现在,人们便是从海水中提取镁。

食盐里的金属—一—钠

在我国两千多年前的《管子》一书《海王篇》里,有这样一句话:“十口之家,十人食盐;百口之家,百人之盐。”可见我国在很早以前,便十分普遍地食用食盐了。过去,在我国西藏,甚至还把盐巴作为货币。食盐大都来自海水。在海水中,水占96%,各种盐类占4%,而其中食盐占海水总量的3%。世界上每年食盐产量达四、五千万吨!图37为我国塘沽盐场。人天天要吃食盐。据统计,每个正常的人一天要摄取10—20克食盐,一年吸收5—10公斤食盐。

也许会使你感到惊讶:在这雪白的食盐里,却隐藏着一种金属——在酱油、咸菜、咸鱼中,都“住”着这金属呢!这金属就是钠。钠是英国化学家戴维在1807年发现的。

钠,是银白色的金属,比水还轻,十分柔软,可用小刀切成一块抉。不过,000它的化学性质非常活泼,一遇水便激烈地起化学作用,变成氢氧化钠溶解于水。人们利用钠强烈的吸水性,在工业上常用钠作脱水剂。另外,金属钠熔点低,在97.8就变成液体。液体钠是液体中传热本领最好的一种,比水银高十倍,比水高四十到五十倍,因此,在工业上用液体钠作冷却剂。在空气中,钠还会和氧气化合,变成过氧化钠。这样,在电子管工业上,人们还用钠作吸气剂——用它吸收管内残余的少量氧气。平常,钠总是被浸在煤油中,与水、空气隔绝。钠的性质和锂、钾相近,但由于钠最便宜,因此金属钠应用比它们广,常用它代替锂或钾。

当然,食盐中所含的钠,并不是金属钠。食盐,是最重要的钠的化合物——氯化钠。一个食盐分子,是由一个钠原子和一个氯原子组成的。图59为氯化钠的结晶格子。食盐除了作食用外,90%以上是用作上业原料:人们把食盐溶液电解,制得三种重要的化工原料——烧碱、氯气、氢气。用氯气和氢气可以合成氯化氢。氯化氢溶于水,便成了盐酸。 

烧碱是氢氧化钠的俗称,又叫苛性钠,因为它的腐蚀性非常强,是两大强碱之一(另一强碱是氢氧化钾)。衣服上如果滴上烧碱,会很快烂成一个洞。滴在皮肤上,皮肤会腐烂。日子久了,甚至连盛烧碱溶液的玻璃瓶,也会被腐蚀、溶解,瓶壁上留下一个白色的圆圈。在工业上,烧碱大量用来制造肥皂、人造棉、各种化工产品和精炼石油。炼钢和炼铝,也要消耗大量的烧碱!据统计,制造1000个铝锅,约消耗20多公斤烧碱。

另一个重要的钠的化合物是“纯碱”——碳酸钠,俗称“苏打”。最初,人们是从一些海生植物的灰中提取苏打,然而,产量非常有限。现在,人们用食盐、硫酸与石灰石作原料制造纯碱。我国化学工作者侯德榜,对制造纯碱的方法有重大的改进,创立了“联合制碱法”。纯碱是白色晶体,常用于洗濯,商业上称“洗濯苏打”。玻璃、肥皂、造纸、石油等工业都要消耗成千上万吨纯碱。

至于“小苏打”,则是碳酸氢钠的俗称。医治胃病的小苏打片,“苏打饼干”,便是用它做的。小苏打是细小的白色晶体,微有咸味,常用作发酵剂,因为它受热或受酸作用,很易放出二氧化碳气体,在面团中形成蜂窝状。

还有一个“大苏打”,也是钠的化合物——化学元素漫话硫代硫酸钠,又称“海波”。它主要用作摄影上的定影剂,因为它能与卤化银起化学反应,形成易溶于水的银化学元素漫话络合物,冲走胶片上多余的感光剂,起定影作用。此外,也用于纺织工业上,用来除去漂白后多余的氧。在分析化学上,硫代硫酸钠是著名的还原剂。

硫酸钠,俗称“芒硝”(Na2SO4·10H2O),用于玻璃工业,在医药上用来做泻药。

水一样的银子——汞

在八十多种金属中,在常温下绝大部分都是固态,唯有汞是液态。因此,在中文中绝大部分金属的部首都是写成“金”旁,如锌、钙、镍、铁等;而只有汞字的部首是“水”。

汞,我国俗名叫水银,如李时珍著《本草纲目》中便说:“其状如水、似银,故名水银。”汞的希腊文的原意也是“液态的银”的意思。汞的熔点为-39.3℃,直到357℃才沸腾,因此在常温下总是呈液态。人们很早就知道汞了。我国在三千多年前,便已利用汞的化合物来作药剂医治癞疾。希腊著名哲学家亚里斯多德,在公元前350年也在自己的作品中描写过汞。古代的炼金家们常常想用普通金属制造金子、银子,汞便是最常被用来炼金的一种。

汞是非常重的液体:1立方米的汞重达13.6吨。汞的内聚力又大,在平整的表面上,会散成一粒粒银珠,犹如荷叶上滚动着的水珠。古希腊的炼金家们曾用土星的符号来表示汞,因为土星又重又圆,有点象汞珠。

汞被称为“金属的溶剂”,因为它能溶解许多金属,形成柔软的合金——“汞齐”(希腊文的原意便是“柔软的物体”)不光是锌、铅等很易被汞镕解,金、银也都能被汞溶解!正因为这样,在上世纪,人们便曾用汞从砂中溶解金,以提取金。钠溶解于汞,得钠汞齐,它是有机化学上常用的还原剂。锌汞齐则是在稀硫酸中常用的还原剂。用汞溶解银锡合金,得银锡汞齐,它能在很短的时间内变硬,常用来补牙。铁不溶于汞,不生成汞齐,所以汞通常是装在铁罐中。汞能溶于熔化了的白磷中,而冷后又从中折出。 

汞有着广泛的用途:气压表、压力计、温度计、真空泵、日光灯、汞整流器等,都用到汞。如果在汞中加入8.5%的铊,形成铊汞齐,凝固点可低至-60,比纯汞更低,被用来制造低温温度计。在目光灯管中,装着汞蒸气,这是因为汞蒸气在电场的激发下会射出紫外线来,照射到玻璃壁上那白色的涂料——硫化锌上,使它产生白色的冷光——也就是日光灯的“日光”。 

汞是有毒的。在工厂中,总是在汞的表面上倒一层水,防止汞蒸发。如果不惧将盛汞的罐打翻了,应立即把地上的汞滴收拾起来,或者撒上硫磺粉,使汞变成硫化汞,这样可以不致使汞蒸发到空气中去。在制汞或使用汞的工厂中,常常定期用碘熏蒸,碘能与汞化合,生成碘化汞,消除汞患。 

汞的化合物也大都是有毒的。如氯化汞,又称升汞,便是剧毒的。但是,适量使用,氯化汞可作为消毒剂。在医院里,便常用千分之一的氯化汞水溶液作消毒剂,消毒外科所用的刀剪。雷酸汞,俗称“雷汞”,则是常用的炸药起爆剂。

在大自然中,汞有时以游离态存在,形成巨大的银光闪闪的水银湖。汞更多是以红色的硫化汞的形式存在。硫化汞俗称辰砂、朱砂,是著名的红色颜料。红色印泥中,便含有它。我国是世界上最早利用和研究辰砂的。据《广黄帝本行记》记战:“带遂炼九鼎之丹服之,以丹法传于玄子,重盟而付之。”这里所说的“丹”,便是硫化汞。可见我国早在公元的2500年便知道硫化汞了。而古希腊在公元前700年才开始采掘硫化汞。人们把硫化汞加热,硫硬被氧化成二氧化硫跑掉,而汞被还原成金属汞。我国古代的炼丹家们,便常把硫化汞加热进行炼丹。我国汉朝(公元二世纪)魏伯阳著的炼丹书籍《周易参同契》,便详细地谈到了如何用硫化汞炼丹。1972年1月到4月,我国考古工作者在湖南长沙市郊马王堆发掘出一座汉代古墓,这座汉墓离现在已有二千一百多年了,而墓中尸体仍保存完好。尸体的半身是泡在带红色的水里。据分析,这水中的红色东西便含有硫化汞。

太阳的元素——氦

1868年德国天文学家詹逊和英国物理学家乐耶尔,在用光谱分析法研究太阳光谱时,发现了一种新元素。由于这种元素当时在地球上还未发现过,因此他们把它命名为“氦”,按照拉丁文原意,就是“太阳”的意思。其实,地球上也有氦,1895年英国化学家拉姆赛,在分析钇铀矿时便发现了氦。后来,人们在大气中、水中,以至陨石和宇宙线中也发现了氦。

氦,是一种无色、无味、无臭的惰性气体。它和其他惰性气体一样,都是单原子分子,即一个分子是由一个原子组成的(一般气体分子大都是双原子分子)。在大气中,它的含量很少,按体积计算,仅占百万分之五。不过,从地下冒出的天然气中,氦的含量较多,达2—6%。现在,工业上都是利用天然气来制取氦的。 

氦很轻。在所有的元素中,除了氢外,就数氦最轻了。它的重量,只有同体积的空气的七分之一。由于氦不象氢那样会燃烧,使用非常安全,因此,人们便用氦来代替氢气,填充气球和飞艇的气囊。用氦气填装的飞艇的上升能力,大约等于同体积的用氢气填装的飞艇的93%。不过,氦比较贵。充填一个现代化的飞艇,约需20万立方米的氦。氦,最近还被人们混在塑料、人造丝、合成纤维中,制成非常轻盈的泡沫塑料、泡沫纤维。 

氦,又是极难溶于水的气体,100体积的水在0℃时,大约只能溶解1体积的氦。在医学上,便利用氦的这一特性来医治“潜水病”。过去,当潜水员潜入海底时,由于深海压力很大,吸进体内的空气的氦气,随着压力的增加大量溶解在血液里;而当潜水员出水时,压力猛然下降,原先溶在血液里的氮气纷纷跑出来,以致使血管阻塞而造成死亡。这种病叫做“潜水病”。现在,人们利用氦气和氧气混合,制成“人造空气”来供给潜水员呼吸。由于氦起在血液中溶解很少,因此,潜水员即使沉降到离水面一百米以下的水底,也不会再患“潜水病”。这种“人造空气”也常被用来医治支气管气喘和窒息等病,因为它的密度只及空气的三分之一,因此呼吸时要比呼吸空气轻松的多,可以减少病人呼吸的困难。

氦是最难液化的气体,曾经被认为是“永久气体”,意思是说,氦是永远不能被变成液态的。直到1908年才终于被液化。氦在-286℃以下才变成液态,在-272.2℃以下才会变成“氦冰”——固态氦。现在,在低温工业上,液态氦常被用作冷却剂。

氦具有极高的激发电势,在电子管工业上,常用氦作填充气体。氦也被用来制造精密温度计、辉光灯、验极器、高压指示器等。 氦的化学性质极不活泼,几乎不和别的元素相化合,是惰性气体之一。在工业上,当焊接金属时,常用氦作保护气体,隔绝空气,防止金属在焊接时被氧化。

生命的基础——氮

在空气中占总体积78.16%的是氮气。氮是在1771年被瑞典化学家社勒发现的。

纯净的氮气,在常温下是无色无味的气体,此空气略轻;在摄氏零下195.5度时成无色的液体。如果温度低至摄氏零下240度以下,液体氮就凝结为雪花般的白色晶体。

氮气在平常的温度下,化学性质很不活泼,既不助燃,也不能帮助呼吸。这样,社勒最初把它命名为“无用的空气”。有离态的氮气,用途并不很广--人们只是利用它的孤独的脾气:在电灯泡里灌有氮气,可以减慢钨丝的挥发速度。在博物馆里,那些贵重而罕有的画页、书卷,常常保存在充满氮气的圆筒里,因为蛀虫在氮气中不能生存,当然也就无法捣乱了。医治肺结核的“人工气胸术”,也是把氮气(或空气)打进肺结核病人的胸腔里,压缩有病灶的肺叶,使它得到休息。最近,我国还应用氮气来保存粮食,叫做“真空无氮储粮”。

然而,氮气真的是“无用的空气”吗?不,恰恰相反!

氮气在高温下十分活泼,能与许多东西化合。例如,在高温、高压与催化剂的作用下,氮气能与氢气化合,变成氨。氨俗称阿摩尼亚。夏天,从存放冰棍的冰箱旁,有时会逸出一股刺鼻的臭味,那便是氨,因为氨很易液化,常被用作冷冻机里的冷冻剂。氨是制造氮肥的重要原料。氨与硫酸化合,便制成最常用的化肥--硫酸铵(浴称肥田粉)。氨与二氧化碳化合。可制成尿素--碳酸酰胺。氨溶解在水中。便成了氨水。氨水是成本低廉、肥效很好的速效氮肥。其他氮肥如氯化铵、硝酸氨、碳酸按,磷酸按(氮磷复合肥料)等,都是以氨为原料的。不过,氨具有强烈的刺激性,对人体是有毒的。空气中如果含有0.5%的氨,便会强烈刺激人的鼻黏膜。严重氨中毒时,会使人气喘,发生眼睛和呼吸系统的疾病,以至使人昏迷。

氨经氧化以后,可制造著名的强酸--硝酸。硝酸是无色的液体,具有很强的酸性与氧化性。稀硝酸能迅速腐蚀铁,而浓硝酸却可装在铁器中--因为浓硝酸会氧化铁器的表面,生成一层氧化膜,而使内部的铁不被腐蚀。用硝酸可制造黄色炸药--梯恩梯(三硝基甲苯)、五光十色的各种染料、著名的消炎药物--磺胺。

这样,氮成了氮肥、炸药、染料、制药工业的“主角”。 

氮还是“生命的基础”!一切生命现象,都离不了蛋白质,而氮就是组成蛋白质的重要成分。羊毛、蚕丝、头发、指甲、羽毛以及人体中的各种酶、激素、血红蛋白,都是蛋白质。牛奶、鸡蛋、黄豆等都含有大量的蛋白质。蛋白质则是由氨基酸组成的。味精,就是一种氨基酸--麸氨酸(常用的是它的钠盐)。 

蛋白质是与生命现象紧密联系在一起的:不论在什么地方,只要我们遇到生命,那里就有蛋白质;不论在什么地方,只要我们遇到不处于解体过程的蛋白质,我们也无例外地可发现生命现象。恩格斯在《反杜林论》中指出:“如果化学有一天能够用人工方法制造蛋白质,那末这样的蛋白质就一定会显示出生命现象……”研究人工合成蛋白质,具有重要的意义。1965年我国在世界上第一次人工合成了具有生物活力的蛋白质--结晶牛胰岛素。在无产阶级文化大革命中,成功地用X光衍射法完成了分辨率为2.5艾的猪胰岛素晶体结构的测定工作。现在,正为进一步揭开生命现象的本质而努力。

另外,我国在无产阶级文化大革命以来,广泛应用制革新工艺--酶法脱毛。用蛋白酶脱毛,不仅成本低,质量好而且大大减轻工人的劳动强度。正因为氮是“生命的基础”,所以植物也离不了氮。缺少了氮,庄稼便长得又瘦又小,叶子发黄,花小而不易受孕,果实小而不饱满(如图10)。因为氮不仅是庄稼制造叶绿素的原料。而且是庄稼制造蛋白质的原料。据统计,全世界的庄稼,在一年之内,要从土壤里摄取四千多万吨氮!也正因为这样,被誉为庄稼生长的“三大要素”--氮、磷、钾--中的一个。氮不仅在工业上很重要,在农业上也很重要。
在豆科植物的根部,常常长着许多小疙瘩--根瘤(如图11)。根瘤里住着根瘤菌。根瘤菌能够直接从空气中吸取氮气,制造氮肥。正因为这样,在种植豆科作物时,常不需施用太多的氮肥。目前,在我国农村广泛使用的“5406”菌肥,也是一种固氮菌肥。
在大自然中,氮约占地壳总重量的0.04%,共中绝大部分集中在空气中。另外,硝石(即硝酸钠)中也含有很多氮。氮的希腊文原意,便是“来自硝石”。拉丁美洲的智利盛产硝石。在土壤中,一般也含有微量的硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙等氮化物。

未来的钢铁———钛

在人类历史上,第一种得到普遍使用的金属是铜。在发明了炼铁之后,铁很快又代替了铜,成为使用最广泛的金属。二十世纪初,炼铝工业又迅速发展,现在世界铝产量已超过了铜,仅次子钢铁。然而,在最近二十多年来,钛又引起了人们的普遍重视。钛,在1789年英国化学家马克·格列戈尔就从矿石中发现了它,但在1910年才第一次制得纯净的金属钛。1910年,全世界钛的年产量仅0.2克!到1947年,增至两吨;1955年,迅速增加到两万吨;到了1962年,猛增到十万吨! 

在几十年前,钛被称为是“希有金属”。然而,经过地球化学家们的仔细勘探,发现钛在地壳中的储藏量比常见的铜、锡、锰、锌等金属还多,在地球上居于第七位,仅次于铝、铁、钙、钠、钾和镁。

纯净的钛,是银白色的金属,它具有比重小、强度高、耐高温、抗蚀性强的优点。钛的硬度和钢铁差不多,重量却只有同体积的钢铁的一半。据试验,如果采用钛和钛合金作为火车头的蒸气机零件,可以比钢制的蒸气机轻30%,而且更为坚固耐用。钛耐高热,在1668℃的高温下才熔化,比号称“不怕火”的黄金熔点还高出六百度左右。钛在常温下很稳定,就是在强酸、强碱的溶液里,甚至在“凶猛”的王水(三体积盐酸和一体积硝酸的混合物)中,也不会被腐蚀。有人曾把一块钛片沉到海底,经过五年后取出来,还是亮闪闪的,没生一点锈! 

正因为这样,钛在现代科学技术上有着广泛的用途。轻盈而结实的钛已被用来制造飞机的发动机。钛制的轮船,银光闪闪,用不着涂漆,在海中航行几年也不生锈。钛制的坦克、潜水艇;军舰也已出现,它们没有磁性,不会被雷达所发现,这在军事上十分重要。在化学工业上,钛可以代替不锈钢;不锈钢虽号称“不锈”,在遇上具有强烈腐蚀性的酸碱,例如热硝酸,还会生锈、腐烂,因此在化工厂中常要更换用不锈钢制成的反应罐、输液管等。如果改用钛制造,就可以使用好几年。近年来,钛的应用越来越广。据统计,在化学工业上,约有50%的钛用于使用氯化物的工厂,25%钛用于使用硫酸的工厂,10%钛用于使用硝酸的工厂,15%钛用于其他的工厂。

钛在医学上有着独特的用途。在骨头损坏了的地方,用钛片和钛螺丝钉钉好,过儿个月,骨头就会重新生长在钛片的小孔和钛螺丝钉的螺纹里,新的肌肉纤维就包在钛的薄片上,这钛的“骨头”犹如真的骨头一样,因此,钛被称为“亲生物金属”。如果用钛作罐头盒,能长久保存食品的色、香、味。 

钛的最大的缺点,是难于提炼。因为钛的熔点极高,要在高温下进行熔炼,而在那样高的温度下钛的化学性质变得比较活泼,能和氧、碳、氮及其他许多元素化合,因此,钛必须在隔绝了空气、水分的环境中进行冶炼。现在,人们都在努力研究这个关键性的问题,最近每年发表的关于钛的科学文献已在三百篇以上,其中大部分是谈关于钛的冶炼,近年来已获得很大进展,因而钛的年产量也随着逐年激增。七十年代以来,世界的钛的年产量逐年以增加15%的稳定速度上升,而钛在化学工业中的用量则以20%的速度逐年增加。钛的价格在逐年下降,1970年的价格为1960年的2/3。在不久的将来,钛的冶炼问题终将会得到彻底解决,那时,炼钛厂将会和钢铁厂一样普遍,钛成为继钢、铁、铝之后的第四种被广泛使用的金属!钛,被誉为“未来的钢铁”。 

主要的钛矿是金红石(二氧化钛)、铁钛矿(钛酸铁)、钙钛矿(钛酸钙)等。许多铁矿中常含钛。

重要的钛的化合物有三种:二氧化钛、四氯化钛和钛酸钡。纯净的二氧化钛是雪白的粉末,是目前最好的白色颜料,商业上称为“钛白”。钛白的遮盖性优于锌白(氧化锌),而且不会变黑,持久性优于铅白(碳酸铅)。人们常把钛白加在油漆、纸浆中,制成白漆、白纸。在制造白色或浅色的塑料、合成纤维时,也往往加入钛白。在1947年前,人们开采钛矿的主要目的,还不是炼制金属钛,而是制取二氧化钛作颜料。现在,世界上每年用作颜料的二氧化钛,达几十万吨。 

四氯化钛是一种无色的液体。它有个怪脾气——极易水解。在湿空气中,它会大冒白烟,即水解成氯化氢与氢氧化钛。在军事上,人们便利用四氯化钛的这个怪脾气,作为人造烟雾剂。特别是在海洋上,水蒸气多,一放四氯化钛,顿时白烟四起,浓雾重重,象一道白色的长城,挡住了敌人的视线。在农业上,人们用四氯化钛形成的浓雾,减少夜间地面热量的散射,可以防霜。

至于钛酸钡晶体,它又另有一种怪脾气——受压会产生电;一通电,又会改变形状。这样,人们把钛酸钡放在超声波中,它受压便产生电流,通过测量电流的强弱可测出超声波的强弱。同样,用高频电流通过它,则可产声超声波。现在,几乎所有的超声波仪器中,都要用到钛酸钡。

我国的丰产元素——硼

在我国西藏的一些湖里,含有许多硼砂和化学元素漫话硼酸。硼砂是硼最重要的化合物。在焊接金属时,人们便用硼砂净化金属表面。医院里也常用硼酸作消毒剂。硼砂在古代便已为阿拉伯的炼金家们所熟知,他们就是从我国西藏获得硼砂的。硼在国外常被列为希有元素。然而,在我国却有丰富的硼砂矿,硼在我国不是希有元素,而是丰产元素! 

虽然人们很早就和硼砂打上交道,然而,纯净的、游离态的硼,直到1808年才由英国的戴维、法国的盖吕萨克和泰纳尔制得。纯净的硼是一种深棕色、铁锈般的粉末,和铝一起加热熔融,冷却后能得到大块的晶态硼。这些硼的晶体非常坚硬,和金刚石不相上下,而且又非常耐热,熔点为2075℃,它在机械工业上被用来代替昂贵的金刚石,制造切削工具和钻头。现在,人们是用铂丝通电加热溴化硼蒸气,在1500℃时溴化硼分解,得到纯硼。

游离态的硼用途不算太大。在工业上,往铝、铜、镍等金属中加入百万分之一的硼,可以改善这些金属的机械性能。硼砂的用途比游离态的硼要广得多,在工业上用来制造瓷器,特别是搪瓷的易熔釉药。硼砂也被用来制造各种耐热玻璃和作为肥皂的填充剂。 

在分折化学上,硼砂有一个特殊的用途:用铂丝做成一个小圆圈,蘸一点硼砂,放在煤气或酒精灯上加热。硼砂一开始冒出一些小气泡--结晶水受热蒸发了,然后熔融成无色的液体。冷后,成了无色透明的固体,就像一颗玻璃珠似的,牢牢地粘在铂丝做成的小圆圈上。如果你再用这铂丝蘸一点金属的氧化物放在灯上加热,冷后,这小珠却被着上各种颜色。例如,蘸金属钴的氧化物,则小珠呈蓝色;蘸金属铬的氧化物,小珠为绿色;蘸铁的氧化物,小珠为黄色(热时为棕色)……。在分析化学上,这叫做硼酸珠反应。利用硼酸珠的不同颜色,可以分析各种金属。现在,地质勘探工作者就常用这种硼酸珠反应,在野外分析所采集的金属矿物、因为这种化学分析方法极为简便,可以迅速判断样品的化学成分。 

同样地,硼砂也常被用作除锈剂。因为硼砂在加热时,能熔解金属表面的氧化物--除锈。此外,在焰火中也用到硼砂,因为它受热后,会射出美丽的绿色光芒。

值得提到的是,硼砂逐渐成了农业上的重要角色--硼肥。人们发现,植物中硼的含量并不多,仅占植物干重的十万分之一到万分之一左右;然而,却是不可缺少的。如果土壤中缺少了硼,亚麻、大麻和苜蓿等植物,便会停止生长,甚至死亡。向日葵要是缺少硼,会瘪粒,含油量下降。甜菜要是缺少硼,会得干腐病——地下茎腐烂掉;缺少硼,豆科植物的根瘤发育也会受到影响。据研究,硼是植物生长不可缺少的微量元素之一,它对植物体内的醣类代谢起着很重要的调节作用。为了满足庄稼对硼的需要,人们就往田里施加适量的“硼肥”--硼砂。但硼肥的施用量必须合适,并不是越多越好;如果太多了,庄稼反而会被饶死,甚至连吃了这种庄稼叶的羊,也会得肠炎,这种肠炎在兽医学上称为“硼肠炎”。

最近,硼更添了一项重要的用途:“高能燃料”。人们用硼的金属化合物--硼化镁和酸类作用,制得了硼和氢的化合物——“化学元素漫话硼烷”。硼烷有的是无色气体,有的是无色液体,也有的是白色晶体,通常具有恶臭和剧毒。这种硼氢化合物,在燃烧时能放出比一般物质多得多的热量。如L克分子硼乙烷燃烧,可产生484千卡的热量。这样,硼烷立刻引起了各国科学家的注意。现在,硼烷已是主要的火箭燃附之一。
我国有丰富的硼矿。硼,在我们社会主义建设中,正越来越发挥巨大的作用。

无机世界的“主角”——硅

硅,在稍微老一点的化学书上都写作矽。因为矽与锡同音,“二氧化矽”和“二氧化锡”读起来使人不易分辨,这样,我国化学界在1953年一致同意把矽改称为硅。

如果说碳是有机世界的“主角”,那么,无机世界的“主角”该是算硅了。硅是地壳中第二个含量最多的元素,占地壳总重量的26%,仅次于氧;而在地壳中,绝大部分硅是以二氧化硅SiO2的形势存在的,据统计,二氧化硅占地壳总重量的87%,这也就是说,硅和氧这两种最多的元素所形成的无机化合物,几乎“垄断”了地壳。重要的岩石,如长石类、辉石类、角闪石类和云母类,都含有二氧化硅(或以其它形势存在的硅的化合物)。砂子中也含有大量的二氧化硅。最纯净的二氧化硅要算是石英了。具有六面角柱形,头上带有六面角锥的透明无色的石英结晶,便是水晶。水晶硬而透明,特别是能很好的透过紫外线,折光率大,在光学上具有重要用途。水晶眼镜,便是用水晶磨成的。水晶图章,美观而耐用。水晶中如含有一些杂质,则带有颜色,如紫水晶、烟水晶。在大自然中,大的水晶不多,最大的有一米多高。

所有的植物都含有硅,特别是马尾草和竹子中含硅最多。动物中含硅较少。在海绵、鸟的羽毛、动物的毛发中含有硅。人体中含硅量约为万分之一。 

人们早在远古时代便和硅的化合物打交道。但是,纯净的硅直到1811年才第一次被制得。到1823年,硅才被确定为化学元素。粉末状的纯硅,是棕褐色的,在空气中可燃烧变成二氧化硅 。如果把粉末状硅溶解在熔化了的金属(如锌、镁、银)中,慢慢冷却,可制得以完整的八面体析出的结晶硅。结晶硅具有钢灰色的金属光泽,熔点为1414℃,具有显著的导电性。纯净的结晶硅(含硅量达99.9999%以上),是现在最重要的半导体材料之一,与锗Ge齐名。但是,随着提炼技术的改进,硅将会比锗更重要,因为硅的原料比锗要普遍易得。现在,我国已大量生产半导体硅。

硅和碱作用,能析出大量的氢气。制备1立方米的氢气只需0.63公斤硅,如果改用金属的话,却需2.9公斤的锌或2.7公斤的铁。在工业上,用焦炭在电路中还原二氧化硅SiO2(石英)来制取纯硅。 

纯硅的用途并不太广,最重要的硅的化合物是二氧化硅,它是重要的工业原料。玻璃工业每年消耗几百万吨的砂子,因为玻璃是用砂子(主要成分二氧化硅SiO2)、苏打(碳酸钠Na2CO3)和石灰石(主要成分碳酸钙CaCO3)作原料熔炼成得。用纯二氧化硅——石英制成的石英玻璃,能耐高温,即使剧烈灼烧后立即浸到水里也不会破裂。由于石英玻璃能很好的透过紫外线,所以常用来制造光学仪器。纯净的玻璃是无色的。加入不同的化学元素,可使玻璃产生不同的颜色:电焊工人所戴的蓝色护目镜片,是加了氧化铈或氧化钕。加入氧化铁Fe2O3,玻璃呈黄色。若加入氧化亚铁FeO,则变成红色。若加入极细的金粉Au、铜粉Cu或硒粉Se,玻璃呈红色。若加入极细的银粉Ag,则呈黄色。

粘土的主要成分是水化硅酸铝。粘土大量被用来和石灰石一起煅烧,制成水泥。粘土也被用来烧制砖、瓦等建筑材料。纯净的粘土——高岭土,是制造瓷器、陶器最重要的原料。玻璃、水泥、陶瓷、建筑材料等工业,均以硅为“主角”,被合称为“硅酸盐工业”。 

硅和碳的化合物——化学元素漫话碳化硅,俗称金刚砂,是无色的晶体,含有杂质时为钢灰色,它非常坚硬,硬度和金刚石相近。在工业上,常用金刚砂制造砂轮和磨石。它还很耐高温,用来做耐火的炉壁。 

硅和氯的化合物——四氯化硅SiCl4,是无色的液体,很易挥发,在57℃就沸腾。在军事上用来作烟雾剂,因为它一遇水,便水解生成硅酸和氯化氢SiCl4+3H2O→H2SiO3+4HCl,产生极浓的白烟。特别是海战时,水蒸气多,烟雾更浓。四氯化硅的成本比白磷P4低廉的多。

硅虽然是无机世界的“主角”,但是近年来,它在有机世界中也成为引人注目的角色——人们制成了一系列有机硅化合物。有机硅有个特性——憎水。一些药品瓶的内壁,如青霉素瓶,便常涂着一层有机硅。这样,在使用后瓶壁上就不会留有药液。巍立在首都天安门广场上的人民英雄纪念碑,表面也涂着一层有机硅,这样可以防尘防潮,保护那精美的浮雕。有机硅塑料具有很好的绝缘性能,如果用它作为电动机的绝缘材料,可以使电动机的体积和重量都减少一半,而使用寿命却可以延长八倍多,并且在高温、潮湿的情况下都能使用。有机硅橡胶,在冰天雪地之中(甚至低到-90℃),或在烈日酷晒之下(甚至高达350℃),都不龟裂、不化学元素漫话老化、保持弹性,用它来制造汽车轮胎非常合适。

消毒的毒气————氯Cl

清晨,当你用自来水洗脸时,常会闻到一股刺鼻的气味。这就是氯气Cl2的气味。

氯,是黄绿色的气体,有股强烈的刺激性气味。氯是瑞典化学家社勒在1774年发现的,它的希腊文原意就是“绿色的”。我国清末翻译家徐寿,最初便把它译为“绿气”,后来才把两字合为一字——“氯”。氯约比空气重2.5倍,每升氯重3.21克(在标准状态下)。在常温和六个大气压下,氯就可以被液化,变成黄绿色的液体。在工业上,便称之为“液氯”。

氯的化学性质很活泼,它几乎能跟一切普通的金属、以及除了碳、氮、氧以外的所有非金属直接化合。不过,氯在完全没有水蒸气存在的情况下,却不会与铁作用。这样,在工业上,液氯常常被装在钢筒里。装液氯的钢筒,一般都漆成绿色。(习惯上,装氧的钢筒漆为蓝色,装氨的漆成黄色,装二氧化碳的则漆成黑色。化工厂中输送这些气体的管道。也往往漆成这些颜色,以资区别。不过,也有例外的。) 

氯是呛人、令人窒息的有毒气体。在空气中,如果含有万分之一的氯气,就会严重的影响人的健康。在制氯的工厂中,空气里游离氯气的含量最高不得超过1毫克/立方米。氯气中毒时,人会剧烈的咳嗽,严重的使人窒息、死亡。一旦发生氯气中毒,应把患者抬到空气新鲜的地方,吸入氨也有解毒作用。

氯气虽然是有毒的,而氯的化合物有的却是无毒的。 

氯气易溶于水,在常温常压下,1体积水大约可溶解2.5体积的氯气。氯气的水溶液,叫做“氯水”。我们平常所用的自来水,严格地说,是一种很稀的氯水!这是因为在自来水厂,人们往水里通进少量氯气,来进行杀菌、 消毒。另外,人们也常把氯气通入石灰水中,制成漂白粉(主要成分是氯化钙和次氯酸钙,有效成分是次氯酸钙Ca(ClO)2) 。漂白粉也可用来作饮水消毒。在工业上,漂白粉还被用来漂白纸张、棉纱、布匹,因为它在水中能分解,放出具有很强氧化能力的初生态氧,具有很强的氧化性能。不过,漂白粉必须保存在阴凉的地方,它受热或见光,都会逐渐分解,失去杀菌、漂白能力。

氯气能在氢气中燃烧,氢气也能在氯气中燃烧。燃烧后,都生成重要的氯化物——氯化氢 。氯化氢是无色的气体,有一股刺鼻、呛人的气味。在工业上,氯化氢是制造产量很大、用途很广的塑料——聚氯乙烯的主要原料。现在,绝大部分塑料雨衣、塑料窗帘、塑料鞋底、人造革等,都是用聚氯乙烯塑料做的。一吨聚氯乙烯塑料做成的人造革,可以代替一万张牛皮!

氯化氢HCl气体很易溶解于水。在常温常压下,1体积的水可以溶解450体积的氯化氢!氯化氢的水溶液是大名鼎鼎的强酸——盐酸。在化学工业上,盐酸是重要的化工原料,在冶金工业、纺织工业、食品工业上,也有广泛的应用。在人的胃中,含有浓度为千分之五的盐酸,促进食物的消化,并杀死病菌。有些人因胃液中缺少盐酸,引起消化不良,患胃病,医生常给他们喝些稀盐酸。当然,浓盐酸是万万喝不得的,它具有强烈的腐蚀性。人们在焊接金属时,常在表面涂些盐酸,以便清除杂质。

氯的另一个重要化合物是食盐——氯化钠NaCl。食盐,是工业上制烧碱(是氢氧化钠NaOH的俗称)、氯气和盐酸的原料(用电解饱和食盐水的方法 )。此外,象氯化钾KCl,是重要的钾肥;无水氯化钙CaCl2很易吸水,是常用的干燥剂;氯化银AgCl,是制造照相纸和底片的重要感光材料;氯化锌ZnCl2,则用作铁路枕木的防腐剂。

氯的有机化合物也很多。著名的农药——六六六、滴滴涕、氯化苦、敌百虫、乐果、赛力散等,都是含氯的有机化合物。三氯甲烷俗称氯仿。是医院中常用的环境消毒剂。四氯化碳是常用的溶剂和灭火剂。在文化大革命中,我国还试制成功新型、高效化学灭火剂——“1211”,化学成分为二氟一氯一溴甲烷。它的分子结构类似于四氯化碳,但是,灭火能力高于四氯化碳和二氧化碳,尤其是能有效、迅速的扑灭油类着火。“1211”能在很短时间(几秒到几十秒)内扑灭大面积油类火灾。现在,已开始用于我国船舶、油田、炼油厂、酒精厂等部门。 

氯在地壳中的含量很多,约为千分之二,在人体中约含有四百分之一的氯。

“小太阳”里的“居民”——氙

1965年春节,在上海南京路上海第一百货商店大楼顶上,出现一盏不平常的灯,它的功率高达二万瓦。每当夜幕降临,它大放光芒,照得南京路一片雪亮。然而,它并不大,灯管只比普通日光灯长一倍。人们称誉它为“人造小太阳”。这“人造小太阳”是复旦大学试制成功的。
“人造小太阳”,就是高压长弧氙灯的俗称。高压长狐氙灯的“主角”,便是氙气。 

氙是在1898年被英国化学家拉姆赛和特拉威尔斯发现的。它在空气中的含量极少,仅占总体积的一亿分之八,因此,它的希腊文原意便是“生疏”的意思。现在,人们使用分馏液态空气的方法来制取氙。

氙气是一种无色的气体,比同体积的空气重三倍多。在-108℃时,氙会变成无色液体,当温度降到-110.5℃时,会变成白色结晶体。
氙也是一种惰性气体,化学性质及不活泼,一向被认为是“懒惰”的元素,是“永远不与任何东西相化合”的元素。然而,经过人们长期的努力,终于突破了氙“永远不与任何东西相化合”的形而上学的观点。1962年,加拿大一位化学家,用六氟化铂与氙作用,首先制成了一种黄色的六氟化氙固体化合物。紧接着,人们又陆续制得了二氟化氙、四氟化氙、二氧化氙、三氟氧化氙、四氟氧化氙等化合物。1972年,人们还合成了第一个氙与金属形成的新型化合物。 

氙在电场的激发下,能射出类似于太阳光的连续光谱。高压长弧氙灯便是利用氙的这一特性制成的。氙灯是六十年代才发展起来的新光源之一。这种灯的灯管是用耐高温、耐高压的石英管做成的,两头焊死,各装入一个钨电极,管内充入高压氙气。有的高压氙灯内,氙气的压力高达几十个大气压。通电后,氙气受激发,射出强烈的白光。一只六万瓦的氙灯的亮度,相当于九百只一百支光的普通灯泡!高压长狐氙登科用于电影摄影、舞台照明、放映、纺织和油漆工业照明以及广场、运动场的照明用。一盏氙灯,一般可照明一千多小时。氙灯能放出紫外线,因此在医疗上也得到应用。

氙也大量被用来填充光电管和用在真空技术上。用氙制造的照相闪光灯,可以连续时用几千次,而普通的镁光灯,却只能使用一次。
在原子能工业上,氙可以用来检验高速粒子、γ粒子、介子等的存在。氙的同位素还可以代替X射线来探测金属内部的伤痕。 

有趣的是,氙还具有一定的麻醉作用——它能溶于细胞汁的油脂中而引起细胞的膨胀和麻醉,从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙和20%氧组成的混合气体,作为麻醉剂。只不过由于氙比较少,因此目前还不能广泛使用它作麻醉剂。

雄黄和砒霜里的元素——砷

按照我国民间习俗,人们常在酒中放些雄黄,喷洒在屋角墙角,用来杀菌、驱虫、驱蛇。

我国人民早在四千多年前,便知道雄黄了。在云南、广西、四川一带,盛产雄黄。雄黄,是桔黄色的粉末,不溶于水。按照化学成分来说,是四硫化砷。在古代,雄黄被我国的炼丹家用作炼制“长生丹”的原料,也用作黄色的颜料。除了雄黄外,还有一种人们不常听说的雌黄。雌黄也是鲜黄色的粉末,化学成分为三硫化二砷。雌黄和雄黄都是重要的砷矿,它们在大自然中常共生在一起。在地壳中,砷的含量约为百万分之一。 

我国人民早在四千多年前,便知道雄黄了。在云南、广西、四川一带,盛产雄黄。雄黄,是桔黄色的粉末,不溶于水。按照化学成分来说,是四硫化砷。在古代,雄黄被我国的炼丹家用作炼制“长生丹”的原料,也用作黄色的颜料。除了雄黄外,还有一种人们不常听说的雌黄。雌黄也是鲜黄色的粉末,化学成分为三硫化二砷。雌黄和雄黄都是重要的砷矿,它们在大自然中常共生在一起。在地壳中,砷的含量约为百万分之一。

纯净的砷,是德国炼丹家阿尔别尔特·玛卡诺斯在1250年制得的。砷,是灰色的晶体。它是非金属,却具有金属般的光泽,并善于传热导电,只是此较脆,易被捣成粉末。砷很容易挥发,加热到610℃,便可不经液态,直接升华,变成蒸气。砷蒸气具有一股难闻的大蒜臭味。
磷有白磷、红磷、黑磷、紫磷等同素异形体。砷也一样,除了灰色的砷以外,还有黑色无定形的砷和黄砷。黑砷加热到285℃时会变成灰砷;黄砷在暗处会发光,受到光线照时,也很易变成灰砷。

砷不溶于水。在常温下,砷在空气中会缓慢地氧化,但是加热时,会迅速地燃烧,生成白色的亚砷酐——三氧化二砷,也有股大蒜的臭味。在高温下,砷还能和硫、氯、氟等元素直接化合。

纯砷的用途很有限。在铅中加入0.5%的砷,可增加铅的硬度,常用来铸造弹丸。

砷最重要的化合物是三氧化二砷,俗称砒霜。谁都知道, 砒霜是剧烈的毒药。砷的化合物,都是有毒的。正因为这样,在古代、炼金家们用毒蛇作为代表砷的符号(图22)。我国有句成语叫“饮鸩止渴”,意即自寻灭亡。这“鸩酒”,便是指放了砒霜的酒。现在,砒霜成了著名的无机农药。

在我国农村,特别是华北一带,每年下种以前,总是先往田里撒些“信谷”、“信米”,来诱杀田里的蝼蛄、田鼠之类的害虫害兽。这“信谷”、“信米”,其实就是用砒霜稀溶液浸过的谷子、小米。当田鼠、蝼蛄之类吃了信谷、信米,很快就中毒死了。砒霜对人畜剧毒,如果人畜因不慎而误中砷毒,可服用氧化镁和硫酸亚铁溶液强烈摇动而生成的新鲜的氢氧化亚铁悬浮液来解毒。 

砷的其他化合物,如亚砷酸钠、亚砷酸钙、砷酸铅、砷酸钙、砷酸锰等,也都是常用的农药。亚砷酸钠对害虫有剧烈的胃毒作用,常用来配制毒饵,毒杀蝼蛄、地老虎、粘虫、蝗虫、白蚁等;亚砷酸钙常用来防治森林毛虫、草地螟、柞卷叶蛾、松叶蜂等咀嚼口器害虫,砷酸铅和砷酸钙,用来防治金龟子、棉卷叶虫、棉铃虫等食叶害虫;砷酸锰用来防治烟草、马铃薯或棉花上的一些害虫。由于砷的化合物剧毒,在制造这些含砷农药的工厂里,空气中的含砷量必须低于0.3毫克/立方米。 

此外,雄黄在制革工业上,用作脱毛剂。砷的有机化合物,被称为“胂”;正如磷的有机化合物称为“膦”,氨的有机化合物称为“胺”。著名药剂六零六,便是胂中的一种。

蓄电池的“主角”—铅

铅的“资格”够老的了,人们早在几千年前便已认识铅了。我国在殷代末年纣王时便已会炼铅。古代的罗马人喜欢用铅作水管,而古代的荷兰人,则爱用它作屋顶。 

铅是银白色的金属(与锡比较,铅略带一点浅蓝色),十分柔软,用指甲便能在它的表面划出痕迹。用铅在纸上一划,会留下一条黑道道。在古代,人们曾用铅作笔。“铅笔”这名字,便是从这儿来的。铅很重,一立方米的铅重达11.3吨,古代欧洲的炼金家们便用旋转迟缓的土星来表示它,写作“H”。铅球那么沉,便是用铅做的。子弹的弹头也常灌有铅,因为如果太轻,在前进时受风力影响会改变方向。铅的熔点也很低,为327℃,放在煤球炉里,也会熔化成铅水。

铅很容易生锈——氧化。铅经常是呈灰色的,就是由于它在空气中,很易被空气中的氧气氧化成灰黑色的氧化铅,使它的银白色的光泽渐渐变得暗淡无光。不过,这层氧化铅形成一层致密的薄膜,防止内部的铅进一步被氧化。也正因为这样,再加上铅的化学性质又比较稳定,因此铅不易被腐蚀。在化工厂里,常用铅来制造管道和反应罐。著名的制造硫酸的铅室法,便是因为在铅制的反应器中进行化学反应而得名的。

金属铅的重要用途是制造蓄电池。据不完全统计,197L 年,铅的世界年产量达308.3万吨,其中大部分是用来制造蓄电池。在蓄电池里,一块抉灰黑色的负极都是用金属铅做的。正极上红棕色的粉末,也是铅的化合物—一氧化铅。一个蓄电池,需用几十斤铅。飞机、汽车、拖拉机、坦克,都是用蓄电池作为照明光源。工厂、码头、车站所用的“电瓶车”,这“电瓶”便是蓄电池。广播站也要用许多蓄电池。

金属铅还有一个奇妙的本领——它能很好地阻挡x射线和放射性射线。在医院里,大夫作x射线透视诊断时,胸前常有一块铅板保护着;在原子能反应堆工作的人员,也常穿着含有铅的大围裙。铅具有较好的导电性,被制成粗大的电缆,输送强大的电流。铅字是人们熟知的,书便是用铅字排版印成的,然而,“铅字”并不完全是铅做的,而使用活字合金浇铸成的。活字合金一般含有5一30%的锡和10一20%的锑,其余则是铅。加了锡,可降低熔点,便于浇铸。加了锑,可使铅字坚硬耐磨,特别是受冷会膨胀,使字迹清晰。 

保险丝也是用铅合金做的,在焊锡中也含有铅。 

铅的许多化合物,色彩缤纷,常用作颜料,如铬酸铅是黄色颜料,碘化铅是金色颜料(与硫化锡齐名)。至于碳酸铅,早在古代就被用作白色颜料。考古工作者发掘到的古代壁画或泥俑,其中人脸常是黑色的。经过化学分析和考证,证明这黑色的颜料是铅的化合物——硫化铅。其实,古代涂上去的并不是黑色的硫化铅,而是白色的碳酸铅。只不过由于长期受空气中微量硫化氢或墓中尸体腐烂产生的硫化氢的作用,才逐渐变成了黑色的硫化铅。这件事一方面说明碳酸铅作为白色颜料的历史很悠久,另一方面也说明碳酸铅作白色颜料有很大的缺点——变黑。现在,我国已不大用碳酸铅作白色颜料,而是用白色的二氧化钛——俗称“钛白”。铅的最重要的有机化合物是四乙基铅,常用作汽油的防爆剂。

铅和铅的化合物有毒。考古工作者们在发掘古罗马的墓时,曾发现尸骨上常有一些黑斑。经化学分析,确定是硫化铅。骨头里怎么会有硫化铅呢?经考证,原来古罗马人是用铅管做自来水管。水中总溶有少量的氧气,它能与铅作用,生成微溶于水的氢氧化铅。这种自来水被喝进人体后,铅就把骨骼中的钙取代出来,积存于骨骼。久而久之,铅越积越多。人死后,尸体腐烂时产生硫化氢气体,与骨骼中的铅生成黑色的硫化铅。达件事说明铅不仅有毒,而且是积累性的。铅最易积累于人的牙床。这样,中了铅毒的人,牙床边缘便变成灰色。铅中毒使人腹痛,严重的会发展到神经错乱。正因为这样,用铅做茶壶、酒壶,是不适宜的。在炼铅工厂中,要特别注意做好预防铅中毒的工作。

我国是世界上最早会炼铅的国家之一。我国著名的炼丹著作《周易参同契》中,便说: “胡粉投火中,色坏还为铅”。据考证,胡粉即氧化铅。“投火中”后,氧化铅被炭还原成金属铅,于是“色坏”,从黄色“还为铅”。《周易参同契》是我国公元二世纪时魏伯阳的著作,可见我国很早便会炼铅了。不过,在我国古籍中,常把铅与锡并称而又互相混用。《管子》中说:“上有陵石者下有铅锡。”《博物志》中说:“烧铅锡成胡粉。”《太平寰宇记》中引《尔雅》说:“锡之善者曰铅。”都是如此。这是由于铅与锡不仅都是易被木炭还原的金属,几乎同时被人们发现,而且它们的外貌、性质十分类似,容易被混为一谈。

铅占地壳总原子数的十万分之一。在大自然中,最重要的铅矿是方铅矿。我国有丰富的铅矿。

有机世界的“主角”——碳C

碳在地球上虽不算太少,但也不算太多,按重量计算,占地壳中各元素总重量的千分之四,按原子总数计算不超过千分之一点五,然而,碳的足迹却遍布全球。

在大自然中,有纯净的碳。比如说,金刚石便是非常纯净的碳——在纯净的氧气中,金刚石居然会燃烧,变成二氧化碳!金刚石是最坚硬的东西,人们用它来裁玻璃,或者装在钻探机的钻头上,成为向地层深处进军的开路先锋。不过,天然的金刚石终究不多,不能满足工业上的需要。现在,我国已试制成功人造金刚石——在高温高压下,用石墨制造金刚石。 

用石墨怎么能制造金刚石呢?这是因为石墨也是很纯净的碳。铅笔的笔芯,就是用石墨做的。石墨与金刚石的脾气大不一样,它很软,在纸上一划,便留下一条黑道道,因此常用作铅笔芯。石墨能耐3000℃以上的高温,在工业上用石墨制造坩埚来熔炼钢、铜。石墨还能导电,被用作电极,干电池里那个黑芯子,便是石墨。 

金刚石和石墨都是碳,为什么性质截然不同呢?这是因为它们的晶体结构不同。在金刚石中,碳原子排列非常规则,在每一个碳原子周围有四个等距离的碳原子,构成一个正四面体(图14),所以金刚石比重大,坚硬。而是末的晶体结构则是层状(图15),层与层之间距离较大,容易滑动,所以石墨比重比金刚石小,而且软、滑。金刚石与石墨,叫“同素异形体”。既有同一元素构成的两种性质不同的物体。 

木炭、煤、骨灰也是碳(含有一些杂质),叫做无定形碳。我国是世界上最早知道用煤作燃料的国家,早在三千多年前,我国便已用“黑石”(即煤)来取暖、烧饭。煤被誉为“工业的粮食”。正当我国人民以更加优异成绩庆祝党的第十次全国代表大会胜利闭幕的时候,我国又新建成一座大型现代化露天煤矿并已投入生产。煤是最重要的工业燃料。经过炼焦后,从煤焦油中还能得到苯、苯酚等五百多种工业原料。烟囱里的烟炱也是纯净的碳。烟炱用来制造墨、墨汁、油墨。在橡胶中加入烟炱,可以使它的机械强度增加十倍。现在90%的烟炱,都是用作橡胶的“增强剂”。 

木头、煤、炭等燃烧后,生成了二氧化碳。二氧化碳是无色五味的气体,比空气略重,在空气重的含量为万分之三。一加压力,二氧化碳很易变成无色的液体,温度更低些,则变成白色、雪花般的晶体——干冰。二氧化碳易溶解于水,汽水里便溶有二氧化碳。二氧化碳不助燃,化学灭火剂喷出的气体便是二氧化碳。任、动物、植物在呼吸时不断吐出二氧化碳,据统计,全人类每年呼出的二氧化碳达十亿八千万多吨。而全世界工厂、火车、轮船的烟囱,每年要吐出一百多亿吨二氧化碳。这样下去,世界岂不成了二氧化碳的世界吗?不,不会,原来大自然中有一个奇妙的循环:植物在光合作用时,吸收大量二氧化碳,吐出氧气,这样,二氧化碳才不致于越来越多。 

煤不完全燃烧,会生成一氧化碳。一氧化碳是剧毒的气体,“煤气”中毒,这“煤气”便是一氧化碳。一氧化碳在工业上是重要的燃料和原料。一氧化碳燃烧士产生蓝色的火焰,炉膛的煤层上常看见浅蓝色火苗,那便是一氧化碳在燃烧。 

山上,那巨大的石灰岩,也是碳的化合物——碳酸钙。石灰岩可以作建筑材料、铺路、造桥。石灰岩在石灰窑中灼烧后,可变成生石灰(氧化钙),生石灰常用来做建筑粘合剂或粉刷墙壁。生石灰遇水后,变成熟石灰(氢氧化钙),同时放出大量的热,以至可以煮熟鸡蛋。
石油,更是碳的化合物的“仓库”。石油主要是各沸点不同的碳氢化合物的混合物。石油被誉为“工业的血液”,从石油中可提取汽油、煤油、柴油,是工业上最重要的液体燃料,用来开动各种内燃机。用石油作原料,还可制造塑料、合成纤维、合成橡胶等三大合成材料。
天然气常和石油矿“住”在一起。天然气的主要成分是甲烷CH4,也是碳氢化合物,用作气体燃料和化工原料。 

碳,是生命的基础。一切动、植物体中的有机质,都是碳的化合物——蛋白质、油脂、淀粉、糖以及叶绿素、血红素、激素,都离不了碳。在工业上,碳的化合物也是非常重要的,象塑料、化学纤维、橡胶、香料、染料、制药等有机化学工业,绝大部分都是生产碳的化合物。

月亮般的金属——银

银,永远闪耀着月亮般的光辉,银的论文原意,也就是“明亮”的意思。我国也常用银字来形容白而有光泽的东西,如银河、银杏、银鱼、银耳、银幕等。 

我国古代常把银与金铜并列,称为“唯金三品”。《禹贡》一书便记载着“唯金三品”,可见我国早在公元前二十三世纪,即距今四千多年前便发现了银。在大自然中,银常以纯银的形式存在,人们便曾找到一块重达13.5吨的纯银!另外,也有以氯化物与硫化物的形式存在,常同铅、铜、锑、砷等矿石共生在一起。

银的导电本领,在金属中数第一。一些袖珍无线电中用银作导线。银也很富有延展性。 

我国内蒙古一带的牧民,常用银碗盛马奶,可以长期保存而不变酸。据研究,这是由于有极少量的银以银离子的形式溶于水。银离子能杀菌,每升水中只消含有一千亿分之二克的银离子,便足以使大多数细菌死亡。古埃及人在两千多年前,也已知道把银片覆盖在伤口上,进行杀菌。现在代,人们用银丝织成银“纱布”,包扎伤门,用来医治某些皮肤创伤或难治的溃疡。

银不会与氧气直接化合,化学性质十分稳定。奇怪的是,1902年2月,在拉丁美洲古巴附近的马提尼岛上,银器在几天之内都发黑了。后来查明,原来火山爆发了,火山气中含有少量硫化氢,它与银作用生成黑色的硫化银。平常,空气中也含有微量的硫化氢,因此,银器在空气中放久了,表面也会渐渐变暗,发黑。另外,空气中夹杂着微量的化学元素漫话臭氧,它也能和银直接作用,生成黑色的氧化银。正因为这样,古代的银器到了现在,表面不象古金器那么明亮。不过,含有30%钯的银钯合金,遇硫化氢不发黑,常被用来制作假牙及装饰品。

银在稀盐酸或稀硫酸中,不会被腐蚀。但是,热的浓硫酸、浓盐酸能溶解银。至于硝酸,更能溶解银。不过,银能耐碱,所以在化学实验室中,熔融氢氧化钾或氢氧化钠时,常用银坩埚。 

银与金一样,也是金属中的“贵族”,被称为“贵金属”,过去只被用作货币与制作装饰品。现在,银在工业上有了三项重要的用途:电镀、制镜与摄影。 

在一些容易锈蚀的金属表面镀上一层银,可以延长使用寿命,而且美观。镀银时,以银为正极,工件为负极(图34),不过,不能直接用硝酸银溶液作为电解液,因为这样银离子的浓度太高,电镀速度快,银沉积快,镀上去的银很松,容易成片脱落。一般在电解液中加入氰化物,由于氰离子能与银离子形成络合物,降低了溶液中银离子的浓度,降低了负极银的沉积速度,提高了电镀质量。随着银的折出,电解液中银离子浓度下降,这时银氰络离子不断解离,源源不断地把银离子输送到溶液中,使溶液中的银离子始终保持一定的浓度。不过,氰化物剧毒,是个很大缺点。 

玻璃镜银光闪闪,那背面也均匀地镀着一层银。不过,这银可不是用电镀法镀上去的,而是用“银镜反应”镀上去的:把硝酸银的氨溶液与葡萄糖溶液倒在一起,葡萄糖是一种还原剂(现在制镜厂也有用甲醛、氯化亚铁作还原剂),它能把硝酸银中的银还原成金属银,沉淀在玻璃上,于是便制成了镜子。热水瓶胆也银光闪闪,同样是镀了银。

银在制造摄影用感光材料方面,具有特别重要的意义。因为照像纸、胶卷上涂着的感光剂,都是银的化合物——氯化银或溴化银。这些银化合物对光很放感。一受光照,它们马上分解了。光线强的地方分解得多,光线弱的地力分解很少。不过,这时的“像”还只是隐约可见,必须经过显形,才使它明朗化并稳定下来。显影后,再经过定影,去掉底片上未感光的多余的氯化银或溴化银。底片上的像,与实景相反,叫做负片—光线强的地方,氯化银或溴化银分解得多,黑色深(底片上黑色的东西就是极细的金属银),而光线弱的地方反而显得白一些。在印照片时,像片的黑白与负片相反,于是便与实景的色调一致了。现代摄影技术已能在微弱的火柴的光下、在几十分之一到几百分之一秒中拍出非常清晰的照片。如今,全世界每年用于电影与摄影事业的银,已达150吨。

银的最重要的化合物是硝酸银。在医疗上,常用硝酸银的水溶液作眼药水,因为银离子能强烈地杀死病菌。

住在霓虹灯里的气体——氖和氩

霓虹灯是法国化学家克劳德在1910年发明的,它的英文原意是“氖灯”的意思。这是因为世界上第一盏霓虹灯是填充氖气制成的。

氖是1898年被英国化学家拉姆赛发现的,它的希腊文原意是“新”,意即从空气中发现的新气体。

氖是一种无色的气体,在-246℃会变成液体,温度降到-249℃,才变成白色的结晶体。

氖是惰性气体,化学性质极不活泼,几乎不与别的元素化合。在空气中,氖的含量极少,一立方米的空气中,也只有18立方厘米的氖。现在,人们用分馏液态空气的办法制取氖。

在电场的激发下,氖能射出红色的光,霓虹灯便是利用氖的这一特性制成的。在霓虹灯的两端,装着两个用铁、铜、铝、镍制成的电极,灯管里装着氖气,一通电,氖气受到电场的激发,放出红色的光。氖灯射出的红光,在空气中透射力很强,可以穿过浓雾。因此,氖灯还常用在港口、机场、水陆交通线的灯标上。 

除氖以外,惰性气体氩也是霓虹灯里的“居民”。

氩,是最早发现的惰性气体,1894年拉姆赛和雷拉就发现了它,它的希腊文原意是“不活泼”的意思。

在空气中,氩的含量并不太少,按体积计算,约占0.93%——将近百分之一,比起别的惰性气体来,氩是空气中含量最多的了。 氩也是无色的气体,但比较重。在一个大气压和0℃时,1升氩气重1.7837克,几乎比空气重50%。在电场激发下,氩会射出浅蓝色的光。因此,它被用来填充在霓虹灯管里。除了装氖和氩以外,还有的霓虹灯里是充进氦气,射出淡红色的光;有的充进水银蒸气,射出绿紫色的光。也有的是装着氖、氩、氦、水银蒸气等四种气体(或三种、二种)的混合物。由于各种气体的比例不同,便能得到五光十色的各种霓虹灯。

除了制造霓虹灯外,氩气还用来填充普通的白炽电灯泡。因为氩是空气中含量最多的一种惰性气体,比较易得,而且氩分子运动速度相当小,导热性差,用氩来填充电灯泡,可以大大延长灯泡的寿命和增加亮度。在焊接金属时,常用氩作保护气体,焊接一些化学性质非常活泼的金属,如镁、铝等,这样可防止这些金属在高温中氧化。原子能反应堆的核燃料钚,在空气中也会迅速氧化,同样需在氩气保护下进行机械加工。现在,我国许多工厂都已采用氩弧焊接技术。

在低温下,可以用铝硅酸钠作“分子筛”,它能吸附氧而使氩穿过,也就是把氧留在“筛”上,使氩“筛”过去,这样,可以制得纯度为99.996%的氩气。

紫色的元素——碘

碘,是法国巴黎的一位药剂师别尔恩加尔特·库尔图阿在1811年从海藻中发现的。纯净的碘,是紫黑色有光泽的片状晶体,它的希腊文的原意,便是“紫色的”意思。

碘是一个很有意思的元素:碘虽然是非金属,但却闪耀着金属般的光泽;碘虽然是固体,却又很易升华,可以不经过液态而直接变为气态。人们常以为碘蒸气是紫红色的,其实不然,这是因为夹杂着空气的摄故,纯净的碘蒸气是深蓝色的。然而,碘的盐类的颜色,大部分倒和食盐一样--都是白色晶体,只有极少数例外,如碘化银是浅黄色,碘化铜闪耀着黄金般的色彩。碘,真是变化多端。

碘在大自然中很少,仅占地壳总重量的一千万分之一。可是,由于碘很易升华,因此到处都有它的足迹:海水中有碘,岩石中有碘,甚至连最纯净的冰洲石、从宇宙空间掉下来的陨石、我们吃的葱、海里的鱼,都有微量的碘。海水中碘含量约为十万分之一,不过,海里倒有许多天然的“碘工厂”--海藻。它们从海水中吸收碘。据测定,在海藻灰中约含有1%的碘。世界上也有一些比较集中的碘矿,含有较多的碘酸钠和过碘酸钠。在智利硝石中,也含有一些碘化物。

碘能微溶于水,但更易溶解于一些有机溶剂。碘溶液的颜色有紫色、红色、褐色、深褐色,颜色越深,表明碘溶解得越多。碘酒,便是碘的酒精溶液,它的颜色那么深,便是因为碘很易溶解于酒精。碘酒能杀菌,常作皮肤消毒剂。涂了碘酒后,黄斑会逐渐消失,那是因为碘升华了,变成了蒸气,散失在空气中。 

大量的碘对人来说,是很毒的,碘蒸气会剧烈地刺激眼、鼻粘膜,会使人中毒致死。然而,人却又不能缺乏少量的碘。在成年人体内,大约含有20毫克的碘,而共中约有一半是含在靠近喉头的甲状腺里。甲状腺是人体中很重要的器官,它分泌甲状腺素。一个人每年约分泌3.5克甲状腺素。碘是制造甲状腺素必不可缺的原料。缺少了碘,甲状腺素便不能正常分泌,人的脖子便会肿胀起来,发育不正常,得克山病或厚皮病。平常,人们大都是从海盐中吸取少量碘,因为海盐中总夹杂着少量的碘化钠或碘化钾。在我国西南山区,解放前由于缺少海盐,缺乏碘,有些人患肿脖子病--甲状腺肿大。现在,在这些地方,卫生部门在岩盐中掺入少量碘化物,来消除这些缺碘症。 

人们发现,在牛或猪的饲料中,加入少量的碘化物,能促进它们的发育。母鸡经常加喂少量碘化物,可使受精率提高95—99%。 另外,碘还有一个特殊的脾气--它和淀粉会形成一种复杂的蓝色化合物。可不是吗,当你用涂了碘酒的手去拿馒头时,手上立即会出现蓝斑。碘的这一脾气,在分析化学上得到了应用:著名的“碘定量法”,便是利用淀粉溶液来作指示剂。 

近年来,我国利用碘和钨的化合物--碘化钨,制成碘钨灯。大家知道,普通的白炽灯泡中的灯丝是用钨做的。通电时,灯丝温度越高,发光效率也越高。但是,温度高了,钨丝就更易挥发,寿命也就缩短。在碘钨灯中,在钨丝上附着一层碘化钨。通电后,当灯丝温度高于1400℃,碘化钨就受热分解,变成碘与钨。钨留在灯丝上,而碘是极易升华的元素,便立即充满整个灯管。当钨丝上的钨受热蒸发,扩散到管壁上,若管壁温度高于200℃,碘即与钨作用生成碘化钨。碘化钨扩散到灯丝,又受热分解,钨粘附于钨丝,而碘又升华到灯管各部分。如此循环不已,使钨丝保持原状,使用寿命很长。碘钨灯具有体积小、光色好、寿命长等优点。一支普通的碘钨灯管,比一支自来水笔还小,很轻便。通电后,射出白炽耀目的光芒。普通照明用的碘钨灯的使用寿命,可达5000小时左右。现在,我国已普遍应用碘钨灯,作为电影摄影、舞台、工厂、建筑物、广场等照明光源。红外线碘钨灯,则用于工厂的加热、烘干操作。另外,高色温碘钨灯则用于电子照相。

最活泼的元素——氟

在所有的元素中,要算氟最活泼了。 

氟是淡黄色的气体,有特殊难闻的臭味,剧毒。在-188℃以下,凝成黄色的液体。在-223℃变成黄色结晶体。在常温下,氟几乎能和所有的元素化合:大多数金属都会被氟腐蚀,碱金属在氟气中会燃烧,甚至连黄金在受热后,也能在氟气中燃烧!许多非金属,如硅、磷、硫等同样也会在氟气中燃烧。如果把氟通入水中,它会把水中的氢夺走,放出原子氧。例外的只有铂,在常温下不会被氟腐蚀(高温时仍被腐蚀),因此,在用电解法制造氟时,便用铂作电极。 

在原子能工业上,氟有着重要的用途:人们用氟从铀矿中提取铀235,因为铀和氟的化合物很易挥发,用分馏法可以把它和其它杂质分开,得到十分纯净的铀235。铀235是制造原子弹的原料。在铀的所有化合物中,只有氟化物具有很好的挥发性能。 

氟最重要的化合物是氟化氢。氟化氢很易溶解于水,水溶液叫氢氟酸,,这正如氯化氢的水溶液叫氢氯酸(俗名叫盐酸)一样。氢氟酸都是装在聚乙烯塑料瓶里的。如果装在玻璃瓶里的话,过一会儿,整个玻璃瓶都会被它溶解掉——因为它能强烈地腐蚀玻璃。人们便利用它的这一特性,先在玻璃上涂一层石蜡,再用刀子划破蜡层刻成花纹,涂上氢氟酸。过了一会儿,洗去残余的氢氟酸,刮掉蜡层,玻璃上便出现美丽的花纹。玻璃杯上的刻花、玻璃仪器上的刻度,都是用氢氟酸“刻”成的。由于氢氟酸会强烈腐蚀玻璃,所以在制造氢氟酸时不能使用玻璃的设备,而必须在铅制设备中进行。 

在工业上,氟化氢大量被用来制造聚四氟乙烯塑料。聚四氟乙烯号称“塑料之王”,具有极好的耐腐蚀性能,即使是浸在王水中,也不会被侵蚀。它又耐250℃以上的高温和-269.3℃以下的低温。在原子能工业、半导体工业、超低温研究和宇宙火箭等尖端科学技术中,有着重要的应用。我国在1965年已试制成功“聚四氟乙烯”。聚四氟乙烯的表面非常光滑,滴水不沾。人们用它来制造自来水笔的笔尖,吸完墨水后,不必再用纸来擦净墨水,因为它表面上一点墨水也不沾。氟化氢也被用来氟化一些有机化合物。著名的冷冻剂“氟利昂”,便是氟与碳、氯的化合物。在酿酒工业上,人们用氢氟酸杀死一些对发酵有害的细菌。

氢氟酸的盐类,如氟化锶、氟化钠、氟化亚锡等,对乳酸杆菌有显著的抑制能力,被用来制造防龋牙膏。常见的“氟化锶”牙膏,便含有大约千分之一的氟化锶。 

在大自然中,氟的分布很广,约占地壳总重量的万分之二。最重要的氟矿是化学元素漫话萤石——氟化钙。萤石很漂亮,有玻璃般的光泽,正方块状,随着所含的杂质不同,有淡黄、浅绿、淡蓝、紫、黑、红等色。我国在古代便已知道萤石了,并用它制作装饰品。现在,萤石大量被用来制造氟化氢和氟。在炼铝工业上,也消耗大量的萤石,因为用电解法制铝时,加入冰晶石(较纯的氟化钙晶体)可降低氧化铝的熔点。天然的冰晶石很少,要用萤石作原料来制造。除了萤石外,磷灰石中也含有3%的氟。土壤中约平均含氟万分之二,海水中含氟约一千万分之一。
在人体中,氟主要集中在骨骼和牙齿。特别是牙齿,含氟达万分之二。牡蛎壳的含氟量约比海水含氟量高二十倍。植物体也含氟,尤其是葱和豆类含氟最多。 

氟是瑞典化学家社勒在1771年发现的。1810年,英国化学家戴维把它命名为氟,拉丁文的原意就是“萤石”。由于氟很活泼,不易制取,所以直到1886年,法国化学家莫瓦桑才第一次制得了游离态的氟。

最难熔的金属——钨

电灯泡里头的灯丝,就是钨丝。钨是最难熔的金属,熔点高达3410℃。当电灯点亮时,灯丝的温度高达3000℃以上,在这样高的温度下,只有钨才顶得住,而其他大多数金属会熔成液体或以至变成蒸气。 

钨,是瑞典化学家社勒在178L 年用酸分解钨酸时发现的,但过了六十七年,人们才制得纯净的金属钨。纯钨是银白色的金属,只有粉末状或细丝状的锅才是灰色或黑色的。电灯泡用久了会发黑,便是由于灯泡内壁有一层钨的粉末。钨很重,1立方米的钨重达19.1吨,与金差不多,因此它的瑞典语原意,便是“重”的意思。钨又非常坚硬,人们是用最硬的石头——金刚石作拉丝模,使直径为L毫米的钨丝通过二十多个逐渐小下去的金刚石孔,才把它抽成直径只有几百分之一毫米的灯丝。一公斤的钨锭可抽成长达四百公里的细丝。现在,白炽灯、真空管以至连我国近年来制成的新颖的“碘钨灯”。都是用钨作灯丝。据统计,现在全世界每年白炽灯和电子管的产量达几十亿只以上! 

钨的最大的用途,还不是制造灯丝,而是制造钨钢。全世界每年有90%的钨是用于制造钨钢。在我国古代,常有所谓“削铁如泥”的宝刀,《水浒》里说把头发放在“青面兽”杨志的那把宝刀的刀刃上一吹,头发便断成两半。这些传说固然有夸张之处,不过,的确有些刀是格外锋利的。据现代用化学方法分析。原来,在这些钢刀中含有钨!现在,人们便用钨矿和铁矿放在一起,炼成钨钢。钨钢一般含钨9—17%。
钨是最耐高温的金属。钨钢也继承了钨的这一优良特性。用普通碳素钢做的车刀,加热到250℃以上便变软了,自然也就没法切削金属了。然而,钨钢做的车刀,温度高达1000℃,仍然坚硬如故。1900年,人们才第一次在世界博览会上展出用钨钢制造的车刀。然而,由于钨钢车刀具有很大的优越性,便迅速地在工业上得到推广。在短短的五十年间,由于钨钢车刀的使用,使金属切削速度增加了二百倍,从每分钟十米增加到两千米以上。现在,炮筒、枪筒也常用钨钢做,因为在连续发射时,会被炮弹、枪弹摩擦得滚烫,但耐热的钨钢依然保持良好的弹性和机械强度。

钨很坚硬,钨纲也很坚硬、锋利。不过,如果用碳化钨和钴粉制成硬质合金,比钨钢还要坚硬,以至可与金刚石比美。这种硬质合金并不是从炼钢炉里炼出来的,而是用金属粉末做成的。这种制造方法,叫做“粉末冶金”。在制造时,人们先把碳粉与钨粉混合,加热到1500℃左右,制成碳化钨。然后,再把碳化钨粉与黑色的钴粉混合,模压成一定形状,先加热到1000℃进行预烧。预烧后的合金,进行一些机械加工(因为变硬后几乎无法再加土),再加热到1500℃左右,这时,原先是“一盘散沙”般的黑粉,却烧结成非常结实的硬质合金。我国现在正大力推广使用这种简便的粉末冶金法,制造硬质合金。用这种碳化钨硬质合金制成的刀具,在加工同样的机械零件时,切削速度比钨钢刀具还快十五倍。用这种碳化钨硬质合金制成的模具,可以冲三百多万次,而普通的合金钢模具只能冲五万多次。更可贵的是,由于它不易被磨损,所以冲出来的产品,十分精确。硬质合金现在已广泛地用于我国各工业部门,如制造手表中的零件、化工厂用的高压喷嘴以及制造无缝钢管的顶芯、钻探机的钻头等。 

钨的其他合金——钨钛合金、钨铬钴合金等,也都是著名的硬质合金。

钨的化学性质很稳定,即使在加热的情况下,也不会与盐酸、硫酸作用,甚至不会溶解在王水里——在王水中,钨只是表面缓慢氧化而已。只有腐蚀性极强的氢氟酸和硝酸的混合物,才能溶解钨。

钨有许多化合物,其中碘化钨、溴化钨可用于制造新光源;钨酸钠可用来制作防火布;钨酸铅可作白色颜料,氧化钨则是黄色的颜料。
在地壳中,钨的含量为十万分之四。我国钨的储藏量,占世界第一位!其中以江西的大庚山脉藏量最多,此外广西、广东、湖南等地也都盛产钨。

最轻的金属——锂

锂,是瑞典化学家阿·阿尔夫维特桑在1817年首先在一种希有的岩石中发现的。按希腊文原意,锂就是“岩石”。 

锂,是银白色的金属,非常轻,是所有金属中最轻的一种:只有同体积的铝的重量的五分之一、水的二分之一。锂不只是能浮在水面上,甚至会浮在煤油上。如果一架飞机是用锂做的话,两个人就能抬起它!

当然,实际上锂不仅不能被用来制造飞机,甚至不能用来制造茶匙。这是因为锂的化学性质非常活泼,能够和空气中的氧气化合,变成白色、疏松的化合物——氧化锂,完全丧失了原有的机械强度。用锂制成的茶匙,在第一次搅拌热茶时,就会“不翼而飞”,因为这茶匙被水“吃”掉了——锂和水激烈地反应,置换水中的氢,放出氢气,而它本身变成氢氧化锂,溶解到水中去了。

在自然界中,锂还算是比较多的一种元素,它占地壳总原子数的万分之二。在盐层、海水、盐湖、矿泉中,含有许多可溶性的锂的化合物。 

锂被用于冶金工业上。在铜中加入少量的锂(十万分之五),便能大大改善铜的性能:这是因为锂具有活泼的化学性质,能和氧、氮、硫等铜中有害杂质反应,起去气剂的作用。在铝、镁及其他金属中加入少量的锂,能够提高它们的坚固性和耐酸、耐碱性能。 

锂的化合物也有许多用途。其中最值得注意的是锂的氢化物——氢化锂。当金属锂和氢气作用,就生成白色的氢化锂粉末。氢化锂能和水猛烈地反应,放出大量氢气。一公斤的氢化锂和水作用,可以放出2800升氢气!因此,氢化锂可以看成是一个方便的储藏氢气的“仓库”,两公斤氢化锂和水作用放出的氢气,相当于一个压力为120一150个大气压的普通氢气钢筒中所装有的氢气。氢化锂还是热化学元素漫话核反应的重要原料。此外,锂的一些化合物,在陶瓷工业上还被用作釉药。在玻璃工业上,用来制造乳白玻璃和能透过紫外线的特种玻璃。电视机的荧光屏玻璃,就是锂玻璃。在碱性路电池中加入氢氧化锂,能够大大提高它的电容量。 

在植物体中,常常可以遇上锂的化合物。不过,它们对植物的处理作用,现在还不十分清楚。一些红色、黄色的海藻和烟草中,常含有较多的锂的化合物。当把烟草烧成灰烬时,锂就剩在灰烬里。锂能够作为催化剂,用来加速一些化学反应。有趣的是:你把火柴划亮,把糖块放在火柴的火焰上,这时糖只是开始熔化,但并不燃烧。但是,如果你在糖块上撒一些香烟灰,这时糖块就会象纸一样烧起来!这便是由于香烟灰中含有锂,而锂能够加快糖的氧化(燃烧)反应。

在动物和人体中,锂主要存在于肝脏和肺。

最轻的气体——氢

十六世纪末,瑞土化学家巴拉采尔斯把铁放在硫酸中,铁片顿时和硫酸发生激烈的化学反应,放出许多气泡——氢气。但直到1783年,氢才被确定为化学元素。

氢气是无色无味的气体。在地壳中,如果按重量计算,氢只占总重量的1%,而如果按原子百分数计算,则占17%——也就是说,在地壳中,一百个原子里有十七个是氢原子!氢在大自然中分布很广,水便是氢的“仓库”——水中含11%的氢;泥土中约有1.5%的氢;石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中,氢气倒不多,约占总体积的一千万分之五。

在整个宇宙中,按原子百分数来说,氢却是最多的元素--比氧还多。据研究,在太阳的大气中,按原子百分数计算,氢占81.75%。在字宙空间中,氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大一百倍。

氢气是最轻的气体。在0℃和一个大气压下,每升氢气只有0.09克重--仅相当于同体积空气重量的14.5分之一。这样轻盈的气体,很早便引起人们的注意。1780年,法国化学家布拉克便把氢气灌入猪的膀肮中,制得了世界上第一个、也是最原始的氢气球,它冉冉地飞向高空。现在,人们就是往橡胶薄膜中灌入氢气,大量制造氢气球。节日里放的彩色气球,便灌着氢气。在气象台,人们差不多每天都要放几个气球,探测高空的风云。最近,气球又添了一项新用途--支援农业:利用气球携带干冰、碘化银等药剂升上天空,在云朵中喷撒,进行人工降雨。 

氢是元素周期表中的第一号元素,它的原子是118个元素中最小的一个。由于它又轻又小,跑得最快,.也最会“钻空子”。氢气球灌好后,过了一夜,第二天便常常飞不起来,就是由于在一夜之间,大部分氢气都钻过橡胶薄膜上看不见的细孔,溜之大吉了,因此氢气球必须随灌随用。在高温、高压下,氢气甚至还能穿过很厚的钢板,因此合成氨的反应塔总是用很厚的钢筒来做。氢气的导热能力也特别好,比空气高六倍,有些发电机便用氢气来冷却。除了氦之外,氢气是最难液化的气体,沸点低达-253℃,熔点为一259℃。 

氢在空气或氧气中能燃烧,生成水(图12)。因此,它的希腊文原意,便是“水的生成者”。有趣的是,氢气在常温下,化学性质并不活泼,只能与氟直接化合或在紫外线照射下直接与氯气化合,而与氧却很难化合。人们曾做了这样的实验:把氢气和氧气混合放在玻璃瓶中,过了几年,瓶中还没有水迹。据估计,在常温起码要经过一千万年以上,氢气和氧气才会全部化合成水。然而,一遇见火或放进一点铂粉,氢与氧立即会爆炸,在百分之一秒钟内化合成水。这种能发出爆炸声的氢氧混合气,在化学上叫做“爆鸣气”。含氢在9.5%以下与65%以上,点燃时虽也燃烧,但不会发出震耳的爆炸声。 

氢气和氧气化合时,放出大量的热。工业上,人们用氢气作气体燃料。著名的“氢氧焰”,温度高达2500℃,可用来焊接或切割钢板。氢气也是重要的工业原料,人们用氢气和氮气作用制成氨,而氨可说是“氮肥之母”,绝大部分氮肥都是用氨作原料制造的。氢气和氯气化合成氯化氢,它溶解于水,便成为重要的强酸--盐酸。许多金属,要用氢气作还原剂来冶炼。许多液态的油,用镍作催化剂,通入氢气,可变成固态,这叫做“油脂氢化”。如鲸油是具有一股臭味的油液,氢化后,成了漂亮的白色固体,没有臭味。在工业上,人们是用水蒸气温过灼热的煤层制取氢气,也可用电解水来制取纯氢。 

在大自然中,除了普通的氢以外,还有四种氢的同位素--氘、氚、氢-4和氢-5,它们的原子量分别为2,3,4,5。其中,以氘最重要。普通氢原子的原子核是由一个质子组成的,而氘的原子核除了含一个质子外,还含有一个中子。氘俗称重氢。氘和氧形成的水叫化学元素漫话重水。重水的确比水重:一立方米重水比一立方米水重105.6公斤。重水看上去和水差不多,但脾气大不相同:如果你用重水养金鱼,没多久鱼便死去。用重水浸过的种子不会发牙。普通水在100℃沸腾,重水则在101.42℃才沸腾。在大自然中,重水很少,五十吨普通水中才含有一公斤重水。在原子能工业上,重水是重要的中子减速剂。氢弹,也是用氘作主耍原料。现在,人们用电流来大批大批地电解水,由于重水不会被电解,而普通的水则被电解,变成氢气和氧气从两极逸走。于是重水的浓度随着电解的进行不断提高。最后,把电解液蒸馏一下,便可以得到很纯净的重水。 

重水是在1932年才第一次被人们发现的。但是,在短短的四十年间,重水已成了很重要的战略物资。在不久的将来,重水将越发重要,人们称它为“未来的燃料”,因为重水是热核反应的“燃料”--一种在核反应时释放出来的能量异常巨大的好“燃料”,而海水将成为制取重水的取之不尽、用之不竭的原料。图12 氢气在氧气中燃烧生成水

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”,共实,“克罗米”就是铬,是从路的拉丁文名称CHROMIUM音译而来的。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。如果往钢上镀路,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“不锈”——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”。

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(图23)。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。 

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、熟铁的性能大步相同,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,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;日常生活中用的刀、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热胀冷缩,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,但是日常所见的铁,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。 

最重要的铁的化合物是氧化铁Fe2O3和硫酸亚铁FeSO4。氧化铁是咖啡色的,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。至于硫酸亚铁,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。

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。

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