手掌里能熔化的金属
一块银白色的金属放在你的手心里,当你刚想仔细端详一下的时候,它就熔化了,象水银一样流动起来,你只得象托住一颗大水珠似地小心托住它。它就是金属镓。
1875年法国化学家布瓦博德朗发现它时,为了纪念自己的祖国,以法国古时候的名字——家里亚命名它,简称镓。
镓的熔点只有29.8℃,低于人的体温,所以在手心里会熔化;然而镓的沸点却高达2403℃,这一特点被人们用来制作高温温度计。因为汞的沸点是357℃,水银温度计一般做到350℃,当然也有400℃以上的,但很容易因热产生气泡,影响准确度,而用石英管做的镓温度计,可以测量1500℃的高温,称得上是直接读数温度计的冠军。
由于镓的熔点低,可做易熔合金,用在消火栓上做堵头,一旦起火,温度升高,堵头熔化,水能自动喷出灭火,消防人员可以很快找到它,消火栓口也受到水的降温保护,不会被烧毁。
比镓晚发现十五年的铯,其熔点比镓还低,只有28.5℃;但是谁也不敢把它放在手心里,因为它太活泼了,在空气中会自燃,在水中能爆炸,要是搁在手心里,还不把肉皮烧焦了?!人们只能将它放在煤油里。
煤油那么爱着火,不危险么?不,因为煤油隔绝了空气和水,铯就不会燃烧,更不会爆炸了。
由于铯能与水激烈反应,所以已被用来做电子管里的干燥剂。极少量的铯在真空管里吸干净微量的水蒸气,能大大提高真空度,延长电子管的寿命。光线照到金属铯上,它就能释放出一束电子,科学家利用铯的这个特性,做成了光电管。光电管是这样一种器件,当受光照射时,它就有电流通过,这个电信号可用于自动控制。当你走近北京饭店的大门时,门自动开了,你进去之后,门又自动关了,这就是光电管在指挥着自动门的开闭。
近年来,铯又担负了新的重任,做时间的计量标准,叫做“铯原子束时间频率基准器”。这是当前世界上最准确而又最稳定的时间频率计量基准,准确到十万亿分之一,三十万年都差不了一秒钟。这对于天文测量、航天飞行都是不可缺少的,因为在这些领域里,时间常常是以微秒(百万分之一秒)为单位的呀!
能拉成细丝的金属
“真金不怕火炼”,这是句俗话。实际上,纯金加热到1063℃也会熔化的。
然而,它多次熔化后,并不改变性质,金还是金,完整无损,这大概就是不怕火的真意吧!金的另一个特点是软,纯金可以用手指甲划出印来,它有极好的延展性,一两金子可以打成两张双人床那么大的金箔,这样薄的金箔是绿色半透明的;而一克金子可以拉成万米金丝。由于金有特别好的导电性,又永不生锈,电子工业上常用它做集成电路的接点和导线,在显微镜下加以焊接。
金是很贵的。在地壳里,金的含量并不太少,自然界的砂金又大都是纯金,为什么金子还会这样贵?是的,金在地壳中不算稀少,甚至比许多稀有元素还多得多;然而,它太分散了,几千年以来,人类主要利用金子比重大这个特点,进行砂里淘金,一两砂金得有七八十万颗金粉,天然砂金的细小和分散是人们想象不到的,这几十万颗金粉是靠淘洗许多吨河沙才能得到的。这对机械化淘金都不是一件轻松的事,何况,古代人一直用手工淘金,那要付出多大的劳动啊!有史以来,人类不知炼出了多少亿吨钢铁,然而,黄金的累计产量仅有九万七千多吨,这就可以想见采金的难度了。由于金不会因生锈而被消耗掉,所以,九万多吨黄金,除了做成科学仪器、电器和首饰以外,绝大部分都锁在各国银行的金库里呢!
金的化学性质稳定,所以特别耐腐蚀,灿烂的金光夺目而持久。为此,人们喜欢用金做成笔尖,做成首饰,把金镀在表壳上,眼镜架上,烟盒上;用华美的金色外表装饰一新。
金虽然稳定,耐腐蚀,但能溶解黄金的液体也不少呢!
王水是其中之一,它是用一份硝酸加三份盐酸混合而成的,盐酸有“络合”的能力;硝酸具有氧化能力。
这两种能力联合起来,就能溶解黄金。金子溶于王水后,生成一种新的化合物,叫做氢金氯络酸,它是一种金黄色的晶体,象细针一样纤巧美丽。
另一种能溶解黄金的是氰化钠溶液。氰化钠是剧毒品,但它的溶液有很强的“络合”能力,所以也能溶解黄金。另外,硒酸和硫酸的混合酸,硝酸钠和火碱的高温熔融液也能溶解黄金。
有了溶解黄金的液体,使人们在炼金和回收废弃的含金物质时,都增添了有力的手段。
能抓气体的金属
气体能溶解在固体里吗?能!有许多气体,的确能溶解在固体里。
就拿氢气来说吧,它能大量溶解在金属钯中。
钯,是银白色的金属,它的化学性质很稳定,在空气中不会被氧化,然而,它是抓气体的能手。据试验,在常温下,钯片能吸收比它的体积大700倍的氢气!它的外表随着也改变了:体积显著膨胀,变脆,并且布满了裂纹。如果把钯捣成细粉,随着它的表面面积的增大,溶解气体的本领也不断增大。据测定,钯粉在常温下,可吸收比自己体积大850倍的氢气。
氢气,为什么能溶解在钯中呢?据人们用X射线进行研究后发现,当氢气溶解到钯中以后,钯的晶格就胀大了;当钯中的氢气浓度大到某一程度,钯的晶格会转变成另一种更疏松的形式。
钯不仅能吸收氢气,而且能吸收氧气、氮气、乙烯等许多气体。除了钯以外,铂也是一个抓气体的能手。据测定,粉末状的铂在常温下,溶解氢气的本领虽然比钯差一些,但是溶解氧气的本领比钯好。
钯和铂的这一奇妙的性质,在化学工业上可作为催化剂。例如,在钯的催化下,可以使液态的油脂加氢变成固态;可使不饱和的烯、炔类化合物,加氢后变成饱和的烷类化合物;可使不饱的醛、酮、酸,变成相应的饱和有机化合物。铂,也可作催化剂,譬如:氢气与氧气混合在一起,在平常的温度下,就是相处几万年,也不会化合,可是,只要倒进一点铂粉到这种氢、氧混合气体中,立刻会发生爆炸——氢气与氧气猛烈地化合成了水,可是,铂依然是铂,没有一点变化。
目前,虽然还没有彻底弄清楚钯与铂的催化原理,但是,人们认为,这与它们能大量溶解气体的性质有关的:因为在溶解了大量的气体之后,等于把气体浓缩到钯(或铂)中,增加了气体分子相互碰撞、进行化学反应的机会。
而当一些气体分子发生了化学反应,放出部分热量,使温度升高,这又反过来大大促进了其它气体分子进行化学反应。
不容易生锈的铝
铝并不是不会生锈,而是生了锈以后不会像铁一样继续“锈”下去,直到全部“锈”完为止。
铝遇到空气后,与空气中的氧发生化学反应,生成一层氧化铝,这就是“铝锈”。铝锈紧紧地贴在铝锅的表面,使内层的铝和外界的空气隔绝开来,这样,铝就不会继续生锈了。所以,铝的表面看上去总是灰蒙蒙的,其实正是这层灰蒙蒙的铝锈才使铝不容易生锈的。
为了防止铝生锈,应该保护好这层氧化铝薄膜,不要让它接触酸或碱。因为氧化铝与酸、碱反应生成的化合物会脱落,使内层的铝暴露在空气里。所以,根据这个道理,最好不要把菜肴较长时间盛放在铝制的器具里,因为菜肴中往往含有酸碱的成分。另外,千万不要因为铝锅不光亮而用砂子去擦,这样会把氧化铝擦掉,起不到保护作用了。
脸色发暗的铜
铜锅有着一副紫色的、庄严的脸膛,因为它是用紫铜做的。不过,新的紫铜锅只消熬过一次粥,脸上立即蒙上一层暗晦的面纱。铜壶、铜锁、铜徽章等,日子长了,也都披上一件黑罩衣。为什么它们的表面都要发暗呢?
这是因为铜发生了化学变化。铜起初与空气中的氧气化合,变成氧化亚铜。氧化亚铜是红色有毒的,轮船的船底常常漆红色,那油漆里便有少量氧化亚铜,可以防止一些寄生动植物生长在船底。在高温时,氧化亚铜会很快地继续与氧气化合,变成了氧化铜。氧化钢是黑色的,所以铜器表面也都发暗了。
铜的这层锈——氧化铜,比铁锈强多啦,因为它能象一层漆一样,紧贴在铜的表面,保护着里头的铜。
铜器放久了,表面就发黑。人们常用“擦铜粉”来擦亮铜器。“擦铜粉”大多是滑石粉、刚玉沙粉、铁丹(氧化铁)、硅藻土以及石蜡与油脂的混合物,主要是借机械磨擦作用来擦掉氧化铜。
还有一种“擦钢水”,它比擦铜粉强:人们用棉花蘸点擦铜水,稍为一擦,铜器立即变成亮闪闪的了。
这也是一场化学反应。一闻这种擦铜水就明白了,它很臭,是氨水(俗称阿摩尼亚水)。氨水能够溶解氧化铜,变成深蓝色的铜氨络合物,怪不得只要稍稍花点力气,就可以把铜器擦得很亮。同时,铜氨络合物却使蘸擦钢水用的棉花变成蓝色了。
“皮肤”易破损的金属——铁
铁,是一种容易生锈的金属。博物馆里陈列的古代铁器,几乎没有一个不是铁锈斑斑的;切菜刀几个月不用,就会满身是锈。每年,世界上有几千万吨的钢铁变成了铁锈。
铁容易生锈,除了由于它的化学性质活泼以外,同时与外界条件也极有关系。水分是使铁生锈的条件之一。化学家们证明:铁放在绝对无水的空气中,几年也不生锈。然而,光有水也不会使铁生锈。如果把一块铁放在煮沸的、密闭的蒸馏水瓶里,铁也不会生锈。原来,只有当氧气与水同时作用时,才会使铁生锈。除此之外,空气中的二氧化碳溶在水里,也能使铁生锈。铁锈的成分很复杂,主要是氧化铁、氢氧化铁与碱式碳酸铁等。
铁锈又松又软,像块海绵,一块铁完全生锈后,体积可胀大8倍。海绵状的铁锈特别容易吸收水分,这样就使铁烂得更快了。
还有不少因素也使铁容易生锈,如水中有盐,铁制品表面不干净、粗糙,铁中含有碳等杂质。
人们想出各种各样的办法,来保护钢铁。最普通的防锈办法,是给铁穿“衣服”——在铁的表面涂上油漆或者镀上别的不容易生锈的金属。例如,小轿车穿着一身闪闪发亮的喷漆;暖气管上涂着铝漆;做罐头用的马口铁镀了一层锡;白铁皮表面镀了一层锌。
更彻底的办法,是给铁注射“强心针”——加入其他金属,制成不锈合金。大名鼎鼎的不锈钢,就是在钢中加入一点镍和铬后制成的合金。
生活在水中的白磷
在火柴匣的两侧,住着一种化学物质——“红磷”,或称“赤磷”。红磷有一个兄弟,叫白磷,或叫黄磷。它们俩都是磷,可以变来变去:把白磷放在隔绝空气的密闭器中,加热到260℃,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,迅速冷凝成白磷。
白磷,软绵绵的,用小刀都能切,看样子性格挺柔和。
事实上,白磷非常活泼,放在空气里,它都会自燃起来,放出一股浓烟——五氧化二磷,所以平常总是把它浸在水里。
红磷比白磷老实得多啦,它不会自燃。要想点燃它,那也得加热到100℃以上。
“舍己救人”的锌
皮鞋的后跟是最容易磨损的,于是有人想到在后跟上钉了一块“鞋码”。这样“鞋码”就作了后跟的替死鬼,等鞋码磨损不能再用时,可以重新换上,于是皮鞋的寿命就大大延长了。
有趣的是,在金属的防蚀措施中,有时也使用类似钉鞋码这类玩意。比如江河中的闸门、钢壳海轮、锅炉等,因为经常与水接触,腐蚀的速度相当惊人,可是只要在闸门、船身、锅炉上钉上几块锌板,说来也奇怪,腐蚀就会转移到锌板上,使闸门、船身、锅炉的腐蚀显著减慢。当锌板被腐蚀后,可换上新的锌板,使闸门、船身能够延年益寿。
锌板究竟使用了什么法术,竟能使腐蚀这个“恶魔”放弃了闸门,而专门来对付自己呢?
钢铁和其他各种金属容易被腐蚀,并不是钢铁或其他金属的本性如此,而是因为钢铁或其他金属不纯所引起的。也就是说,这是杂质在里面捣的鬼。即使象铁这样容易遭到腐蚀的金属,如果将它提炼得十分纯净,也具有很强的抗蚀能力。遗憾的是,通常使用的金属器材,都难免含有许多杂质——主要是其他各种金属。
为什么一种金属中夹杂有其他金属时,腐蚀就会大大加速呢?原来各种金属的电势是有高低的,当两种不同的金属连在一起放在电解质溶液中时,两种金属就会组成一个小小的化学电池——原电池。电势较高的金属作为正电极,而电热较低的金属作为负电极。作负极的金属不断溶解到水中,并放出电子交给正极,因而有电流产生。由于作负极的金属不断溶解到水中去,结果就慢慢被腐蚀掉了,这个过程就是通常所说的金属电化腐蚀。
聪明的读者看到这里,也许已经注意到,在整个电化腐蚀中,真正遭到腐蚀的,其实只有作为负极的金属,而作正极的金属是并不被腐蚀的。不过,在一件金属器材中,不论作为负极的主要金属还是杂质,既然它们在一起,当它们遭到腐蚀时,对整个金属器材来说,都是腐蚀。
可是在闸门、船身等易于遭到电化腐蚀而又不宜用其他方法防蚀的金属上,钉上几块锌板以后,情况就大不相同了。因为锌的电势比铁、镍、锡、铅、铜、银、金等都低,因此当闸门或船身上钉了锌板后,闸门与船身上的各种金属就不再彼此组成原电池,而是争先恐后地都和电势更低的锌组成原电池,这时锌是负极,而铁和其他各种杂质金属都成了正极。前面说过,原电池中只有作负极的金属遭到腐蚀,这样一来,铁和其他的杂质就在锌板的“自我牺牲”下保全下来,闸门自然也就变得长寿了。
自相矛盾的钢
当你走到车床、刨床或铣床旁边时,可以看到用钢作的刀具在对钢料进行切削加工。而且真是“削钢如泥”一般,不一会,就把钢料加工成所需要的零件了。
表面上看来,两个都是钢。为什么用钢做的刀具能够切削钢料呢?
原来它们是有差别的。做刀具的钢,只要比被加工的钢料硬度高,就能进行切削。一般做工具用的钢,含碳量比较高(大约是0.6~1.4%),而且经过了热处理,使它变得更硬,不易磨损。但是在切削速度很高的情况下,往往会因摩擦产生高温;而高碳钢在高温下就不够硬了,因此用于高速切削的刀具,必须用高速钢(俗称锋钢)来做。高速钢是一种合金工具钢,它主要含有钨、铬、钒等合金元素,就是在高温下(600℃以下),仍然十分坚硬。但是在更高的温度下(大于600℃),高速钢的硬度也显著下降,不能使用了。在这种情况下就要采用硬质合金。通常用的硬质合金是由钴、钨、铬和碳等元素组成的。它已经不是钢了,因为其中含铁量很少,而且铁被看作无用的杂质。
遇水爆炸的金属
我们认识的金属,少说也有二三十种。其中象铜、铁、锡、铅、锌、铝等,几乎天天都要和它们打交道。
也许在你的印象里,金属都是不怕水的。可不是吗?把一块铁或者铜丢进一盆水里,什么事情也不会发生。
你也许不会想到,世界上竟然会有这样一些金属,它们是碰不得水的,如果让它们遇上了水,立刻就会引起一场火灾和爆炸。锂、钾、钠等,就是这样的金属。