发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标 题: 元素·金属·新金属
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:52:26 星期六), 站内信件
新金属
在最近几十年，我们看到出现了许多有用的新金属——其中
一些新金属过去曾被看作几乎是没有用的，甚至有些在一个世纪
前尚未问世，有些到我们这一代才知道。最显著的例子是铝，它
是所有金属中最普遍的——比铁还普遍 60％。但是从矿石中提
取铝也非常困难。1825年，奥斯特（他曾发现电和磁之间的相互
关系）从矿石中分离出了少量不纯的铝。此后，许多化学家都尝
试着分离纯铝，都没有成功。直到1854年，法国化学家圣克莱尔
德维尔终于设计出可较大量获得纯铝的方法。铝的化学性质是如
此活泼，他不得不使用金属钠（更加活泼）来破坏铝的邻近原子
之间的紧密键连。有一个时期，0．454公斤（l磅）铝卖100美元，
实际上使铝成为一种贵重的金属。拿破仑三世沉迷于铝制的餐具，
还给他的幼儿制造了一种会嘎啦响的铝制玩具；在美国，人民为
了对华盛顿表示敬意，于1885年铸造了一座华盛顿纪念像，就是
用坚固的铝平板复盖在其顶部的。
1886年，在奥贝兰学院攻读化学的年轻学生C．M．霍尔，有
一次被教授的谈话深深打动。教授说不管谁只要能找到一种便宜
的制铝方法，必能致富。因此，他决定试试看。在他存放木柴的
家庭实验室里，C．M．霍尔开始利用戴维早期的发现，把电流通
过熔融的金属可以使金属沉积在阴极板上，以此来分离金属离子。
他在找一种能溶解铝的材料时，偶然发现了冰晶石，这种材料仅
在格
陵兰大量存在（今天可得到人造冰晶石）。C．M．霍尔把氧
化铝溶解在冰晶石中，再将混合物熔融，然后通过电流。果然，
在阴极上得到了纯铝。C．M．霍尔急忙带着几块他的首批金属铝
锭去见他的教授。（至今，这些铝锭仍为美国铝业公司所收藏。）
碰巧，一位正好与C．M．霍尔同龄的法国化学家埃鲁，也在
同年发现了同样的方法。（完全巧合，C．M．霍尔和埃鲁两人都
在1914年逝世。）虽然，霍尔—埃鲁方法使铝成为一种便宜的金
属，但是，它仍然无法像钢一样便宜。因为有用的铝矿比有用的
铁矿少，而且电（炼铝的关键）比煤（炼钢的关键）贵。然而，
铝有两大优点超过钢：第一，它轻，只有钢的1／3 重；第二，
铝受到腐蚀时只在其表面形成一层薄而透明的薄膜，这层薄膜起
保护作用，使深层免遭腐蚀，且不影响铝的外观。
纯铝相当软，但制成合金后就可以得到改善。1906年，德国
冶金学家威尔姆在铝中加入少许的铜与微量的镁，制成一种坚韧
的合金，他把专利权卖给了德国的杜仑金属工厂，他们称该合金
为杜拉铝。
工程师们很快就认识到这种轻而坚固的金属在飞机上的价值。
第一次世界大战期间，德国人把杜拉铝用于飞机，英国人由分析
飞机碎片的合金知道了它的成分，这种新金属的用途普及全世界。
因为杜拉铝不像铝本身那样抗腐蚀，所以冶金学家又在它外层复
盖上一层薄薄的纯铝，这种产品称为铝衣合金。
如今，有些铝合金比某些同重量的钢还坚固，凡是认为轻巧
与抗腐蚀比自然强度更重要的地方，有以铝代替钢的趋势。众所
皆知，目前它几乎成为一种普遍的金属了，用于飞机、火箭、铁
路、火车、汽车、门、荧光屏、房屋挡板、油漆、厨房用具、铝
箔、包装纸等。
现在我们已有镁，一种比铝还轻的金属。如你可预料的那样，
它主要用于飞机，德国已经把镁—锌合金用于此用途了。在第一
次世界大战以后，镁——铝合金的用途逐渐增加。
因镁的丰度大约只有铝的1／4，化学活性也较活泼，较难从
矿物中获得。但是很幸运，镁在海洋中有很丰富的来源。镁不像
铝或铁，它大量存在于海水中。海洋可溶解占它本身重量3．5％
的物质，这些溶解的物质中，有3．7％是镁离子。因此，总的来
说海洋中含有约 20 000 000亿吨的镁，也就是说可供我们使用
到无期限的未来。
问题在于如何提取。过去选用的方法是把海水抽入大水槽，
再加入氧化钙（也可从海中即从牡蛎壳中取得）。氧化钙与水和
镁离子反应形成氢氧化镁。氢氧化镁不溶于水而从溶液中淀沉出
来。以盐酸处理氢氧化镁把它转变成氯化镁，再利用电流把氯分
开，就可以得到镁金属。
1941年1月，道化学公司第一次从海水中生产出镁锭，而在
大战期间，镁的产量大约增加了10倍。
事实上，可从海中提取的任何元素都可视为无限制的供给，
因在使用之后，终究还会再回到海里去。据估计，若每年从海水
提取100万吨的镁，经过 1万年，海洋中镁的含量将会从原先的
0．13％降至0．12％。
如果钢是19世纪中叶“令人惊奇”的金属，20世纪轮到铝，
20世纪中叶轮到镁，那么下一个令人惊奇的新金属是什么新金属
呢？这种可能性是有限的，在地壳中只有7种真正称得上是常见
的金属。除了铁、铝、镁之外，它们是钠、钾、钙和钛。钠、钾
和钙作为结构金属化学性质太活泼了（例如，它们会和水产生剧
烈反应）。剩下来的就是钛了，它的丰度大约是铁的1／8。
钛具有不寻常的综合的优良品质。它大约只是钢的一半重；
比等重的铝或钢坚固；它抗腐蚀，能够耐高温。由于所有这些原
因，钛现在已被用于航空、船舶，而且如果能很好地利用这些性
质，还可用作定向导弹。
为什么这么晚才发现钛的价值呢？理由大致与发现铝、镁相
同：钛容易与其他物质反应，而它的不纯形式——与氧或氮化合
——是一种不吸引人的金属，易碎，似乎没有什么用途。它的强
度与其他特性只有当它经过分离而成为真正纯钛（这样的分离在
真空或惰气中进行）时才显现出来。冶金工作者的努力已成功地
把0．454公斤（1磅）钛的价格从1947年的3000美元降至
1969年的2美元。
但是，已经不需要再去寻找新的令人惊奇的新金属了，因为
我们可以把旧的金属（和某些旧的非金属）改造得比现在更“惊
人”。
在O．W．霍姆斯的诗《执事的杰作》中，讲述了一辆精心制
作的没有最薄弱之点的“单马轻便马车”，这一单马马车最后突
然粉碎成粉末。但这已经是100年以后的事了。
金属和非金属晶态固体的原子结构颇像单马轻便马车的情况。
金属的晶体具有亚微观的裂隙和裂痕，在加压下，断裂会从这些
薄弱点开始，并传遍整个晶体。如果能像执事的奇异的单马轻便
马车，使晶体没有薄弱之点，那么它将具有很高的强度。
这种没有弱点的晶体在晶体表面上确实形成像细纤维一样的
东西，称为晶须。已发现碳晶须的抗拉强度高达217吨／厘米2
（1400吨／英寸2），是钢的抗拉强度的 15～70倍。如果能设计
出大量制造这种无缺陷的金属的方法，我们就会找到惊人强度的
材料。例如 1968年，苏联科学家制成细小的无缺陷的钨晶体，
它能经受 253吨／厘米2（1635吨／英寸2）拉力，而最好的钢只
能经受 33吨／厘米2（21吨／英寸2）。即使得不到无缺陷的块
状晶体，将无缺陷的纤维加入普通金属中也会使金属加固和强化。
迟至1968年才发现把金属结合起来的方法。具有历史意义的
两种方法是合金法和电镀法。合金法把两种或更多的金属熔化在
一起，形成一种近乎均匀的混合物；而电镀法是把一种金属牢固
地粘结到另一种金属上（通常是把较贵的金属薄层镀在大体积的
便宜金属表面，如此一来，该表面就好像金子般漂亮，且具有抗
腐蚀性，但它的整体则像钢一样便宜）。
美国冶金学家N．C．库克和他的助手试图在铂表面上镀一层
硅。他们使用熔融的碱性氟化物当作液体，把铂浸在液体中，来
发生预期的电镀。显然发生了熔融的氟化物把最抗腐蚀的金属的
薄层氧化物去掉了，而使铂表面裸露的对着硅原子。硅原子不是
把它们自身结合到氧原子另二侧的表面上，而是使它们自身进入
表面。其结果是铂的薄外层变成了合金。
N．C．库克遵循这个新方向，发现许多物质可以用这种方式
结合，在纯金属（或其他合金）上形成合金的‘镀层”。库克称
此方法为电解电镀法，并迅速地显示了它的用途。这样，在铜中
加入2％～4％的铍形成一种普通合金，会变得非常坚硬。假如铜
被铍化，以少得多的比较稀有的镀为代价铍化，可以得到相同的
结果。此外，钢以硼来电解电镀（硼化）也会硬化，而加入硅、
钴和钛也可以产生许多有用的性质。
换句话说，令人惊奇的金属若不能在自然界被发现，仍然可
以由人类的智慧创造出来。
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