供稿|賈成廠 /

金屬的密度

密度是反映物質(zhì)特性的物理量，在物理學(xué)中把單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為密度。常見金屬密度見表1，密度最大的金屬是鋨，密度最小的金屬是鋰。金屬鋨的密度比黃金還要大，是鋼鐵材料密度的3倍，是密度最小的金屬鋰的42倍。鋰的密度僅有水的一半多一點(diǎn)，可以輕易地漂浮在水上，但是它會(huì)與水發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。

金屬鋨的秘密

鋨的化學(xué)元素符號(hào)是Os，源于希臘語的“味道”一詞。鋨的密度為22.59 g/cm3，是密度最大的金屬[1]。鋨的密度大約相當(dāng)于鉛的2倍，鐵的3倍，鋰的42倍。緊隨其后，密度排在第二位的金屬是在化學(xué)元素周期表中鋨的鄰居——金屬銥，密度為22.56 g/cm3。在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的金屬銥的密度被測(cè)定為22.65 g/cm3，而鋨的密度則被測(cè)定為22.61 g/cm3，這使得金屬銥一度被錯(cuò)誤地認(rèn)為是密度最大的金屬元素，但如今科學(xué)家們已經(jīng)確切地證實(shí)這些數(shù)字是錯(cuò)誤的。

如圖1所示，鋨是一種銀白且?guī)\藍(lán)色的金屬，硬而脆，在空氣、水和酸中穩(wěn)定，不溶于普通的酸，甚至在王水里也不會(huì)被腐蝕，但溶于熔融的堿中。把金屬鋨放在鐵臼里，會(huì)很容易地?fù)v成藍(lán)黑色的鋨金屬粉末。鋨被搗成粉末后，在常溫下就會(huì)緩慢氧化，生成具有揮發(fā)性的四氧化鋨(OsO4)，具有強(qiáng)刺激性氣味。四氧化鋨熔點(diǎn)低至48℃時(shí)，沸點(diǎn)低至130℃。四氧化鋨蒸氣有劇毒，對(duì)人的眼睛會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致眼睛失明。吸入其蒸氣可使人死亡。據(jù)一名專家介紹：“四氧化鋨是可怕的。它能刺激眼睛、鼻、喉嚨和肺，造成受害者如同哮喘病發(fā)作般死去?！闭且?yàn)槠溲趸锏恼魵饩哂羞@樣可怕的味道而源于希臘語的“味道”一詞命名該元素為“Osmium”——鋨。

在工業(yè)生產(chǎn)中，鋨被用做催化劑。合成氨時(shí)，如果用鋨做催化劑，可以提高轉(zhuǎn)化率。氨是一種重要的化學(xué)物質(zhì)，合成氨在農(nóng)業(yè)和工業(yè)中起很大的作用。在農(nóng)業(yè)上?？梢杂冒敝圃斓剩I(yè)上使用其中的氮與其他物質(zhì)化合而成各種不同的含氮化合物，然后再用于各個(gè)領(lǐng)域。德國(guó)卡斯魯荷技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家哈伯教授是合成氨的鼻祖，在世界上第一個(gè)研究成功合成氨技術(shù)并使其實(shí)施。1908年他通過大量的研究和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用鋨為催化劑在17.5～20 MPa、500～600 ℃條件下，已可獲得6%的氨含量，遠(yuǎn)高于不使用鋨催化劑時(shí)氨的最高平衡濃度0.9%。由于哈伯的杰出貢獻(xiàn)，他被授予1918年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。德國(guó)巴斯夫公司購(gòu)買了哈伯的專利，并派博施作為代表進(jìn)行工業(yè)化合成氨實(shí)驗(yàn)。于1913年建成世界上第一座合成氨工廠并正式進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行，博施的特殊貢獻(xiàn)被授予1931年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

鉑鋨合金是鉑基含鋨的二元合金。鋨具有提高合金硬度及電阻系數(shù)的作用。該合金一般用高頻爐氬氣保護(hù)熔煉，熱軋后再冷軋成材，含鋨大于10%的合金很難加工。在用金屬鉑制作手術(shù)刀時(shí)，如果加入微量的鋨，可以使手術(shù)刀變得更加堅(jiān)硬而鋒利。

單質(zhì)鋨粉末易氧化，鋨的氧化物又有毒性，所以鋨銥合金比純鋨更常見，更穩(wěn)定。鋨銥合金的最大特點(diǎn)就是其優(yōu)異的耐磨性。銥金筆筆尖上那顆銀白色的“小圓點(diǎn)”就是鋨銥合金，之所以比普通的鋼筆尖耐用，關(guān)鍵就在這個(gè)鋨銥合金“小圓點(diǎn)”。利用鋨銥合金的耐磨性，還可以做鐘表和重要儀器的軸承以及電子開關(guān)等需要高硬度及耐磨的地方，能使用多年而不會(huì)損壞。

金屬鋰的秘密

如圖2所示，鋰是一種銀白色、質(zhì)地柔軟的金屬。鋰的密度僅為0.534 g/cm3，是密度最小的金屬。鋰的原子半徑很小，因而在堿金屬元素中鋰的壓縮性最小、硬度最大、熔點(diǎn)最高。在自然界中，鋰主要以鋰輝石、鋰云母、透鋰長(zhǎng)石和磷鋁石等鋰礦物的形式存在。在人及其他動(dòng)物的機(jī)體、土壤、礦泉水、可可粉、煙葉、海藻等物質(zhì)中也存在有鋰元素[2]。

表1 常見金屬元素密度

圖1 金屬鋨

1 kg鋰燃燒可放出42998 kJ的熱量。將1 kg鋰通過熱核反應(yīng)放出的能量能夠抵上燃燒2萬多噸優(yōu)質(zhì)煤，因此金屬鋰是制作固體燃料的最佳金屬之一。用鋰制成固體燃料作為推進(jìn)劑用于宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈等，不僅能量高、燃速大，而且比沖量能夠極大地提高，從而大大增加飛行器的有效載荷。

在鋁中加入少量的鋰等金屬熔成合金，既輕便，又堅(jiān)硬，用來制造飛機(jī)，能使其質(zhì)量減輕約2/3。另外，鋰-鉛合金是一種良好的固體潤(rùn)滑減摩材料。

20世紀(jì)30—40年代研制開發(fā)的優(yōu)質(zhì)能源之一是鋰電池，具有比能量高、工作溫度范圍寬、開路電壓高、放電平衡等優(yōu)點(diǎn)。鋰電池是極具前途的動(dòng)力電池，已被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。鋰電池汽車的行車能源消耗僅為普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的1/3。發(fā)展鋰電池等新型能源電池是解決汽車用油危機(jī)和排氣污染的重要途徑之一。

由鋰可以制取氫的同位素氚。氚是元素氫的一種放射性同位素，簡(jiǎn)寫為3H，專用符號(hào)為T，其原子核由一個(gè)質(zhì)子和二個(gè)中子組成。氚在自然界中含量極微。自然界的氚是宇宙射線與大氣層上層的大氣間作用，通過核反應(yīng)生成的。用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚。氚主要用于科學(xué)研究中的標(biāo)記化合物，制作發(fā)光氚管，還可能成為熱核聚變反應(yīng)的原料。氚用于發(fā)動(dòng)原子電池組，可連續(xù)工作20年之久，且中間不需要充電[3]。

非金屬元素在特定環(huán)境下也可能呈現(xiàn)金屬特征[4]。例如，2016年1月英國(guó)科學(xué)家在愛丁堡大學(xué)首次制成金屬態(tài)氫，從而金屬氫成為了密度最小的金屬。但是常態(tài)下氫畢竟是非金屬。

圖2 金屬鋰

金屬的熔點(diǎn)

熔點(diǎn)是晶體物質(zhì)的一種物理性質(zhì)，金屬晶體在加熱時(shí)從開始熔化到完全熔化時(shí)溫度保持不變，這個(gè)固定的溫度叫做該金屬的熔點(diǎn)。常見金屬的熔點(diǎn)見表2，熔點(diǎn)最高的金屬是鎢，熔點(diǎn)最低的金屬是汞。鎢的熔點(diǎn)與汞的熔點(diǎn)相差約3450℃。

熔點(diǎn)最高的金屬——鎢

鎢是熔點(diǎn)最高的金屬，它的熔點(diǎn)高達(dá)3410℃，沸點(diǎn)為5927℃。如圖3所示，金屬鎢的硬度大，密度高，高溫強(qiáng)度好，在2000～2500℃高溫下，蒸汽壓仍很低[知識(shí)小貼士]。

鎢最早用于制作白熾燈絲。在工業(yè)生產(chǎn)中，鎢大部分用于生產(chǎn)硬質(zhì)合金。鎢與鉻、鉬、鈷組成的耐熱合金用于制作刀具、金屬表面層硬化材料、燃?xì)廨喨~片和燃燒管等。鎢與鉭、鈮、鉬等組成難熔合金。鎢銅和鎢銀合金用作電解觸點(diǎn)材料。高密度的鎢鎳合金用作防輻射的防護(hù)屏。金屬鎢的絲、棒、片等用于制作電燈泡、電子管的部件和電弧焊的電極。利用鎢粉可以制作成過濾器具，并且通過調(diào)節(jié)鎢粉的粒度與制備工藝可以得到不同孔隙度的過濾器具。可以由鎢的化合物來制作一些熒光劑、顏料、染料等，還可以用于鞣革和制作防火織物等。

表2 常見金屬的熔點(diǎn)

圖3 金屬鎢

現(xiàn)代的超硬質(zhì)合金是由碳化鎢和一些其他元素的碳化物用燒結(jié)方法生產(chǎn)的。把難熔金屬(鎢、鉭、鈦、鉬等)的碳化物的硬質(zhì)顆粒跟一種或幾種鐵族元素(鈷、鎳或鐵)的粉末混合后壓制成型，再經(jīng)燒結(jié)制成超硬質(zhì)合金器具。

熔點(diǎn)最低的金屬——汞

汞俗稱水銀，是熔點(diǎn)最低的金屬，熔點(diǎn)只有–38.87 ℃，也是常溫常壓下惟一以液態(tài)存在的金屬[5]，如圖4。常溫也叫一般溫度或者室溫，一般定義為25 ℃。但是從嚴(yán)格的意義上說，鎵(Ga，31號(hào)元素)和銫(Cs，55號(hào)元素)在室溫29.76 ℃和28.44 ℃下也呈液態(tài)。汞是銀白色閃亮的重質(zhì)液體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于酸也不溶于堿。汞常溫下即可蒸發(fā)，汞蒸氣和汞的化合物多有劇毒(慢性)。

圖4 常溫下為液態(tài)的金屬汞

汞的使用歷史很悠久，用途很廣泛。在中世紀(jì)(公元5世紀(jì)到公元15世紀(jì))煉金術(shù)中汞與硫磺、鹽共稱煉金術(shù)神圣三元素。天然的硫化汞又稱為朱砂，由于具有鮮紅的色澤，因而很早就被人們用作紅色顏料。根據(jù)殷虛出土的甲骨文上涂有丹砂，可以證明中國(guó)在有史以前就使用了天然的硫化汞。中國(guó)古代還把汞作為外科用藥。1973年長(zhǎng)沙馬王堆漢墓出土的帛書中的“五十二藥方”，抄寫年代在秦漢之際，是當(dāng)今已發(fā)掘的中國(guó)最古醫(yī)方，其中有四個(gè)藥方就應(yīng)用了水銀。如果吞食微量的液體汞一般是無毒的，但是汞蒸氣是劇毒的，大部分汞鹽也是劇毒的，口服、吸入或接觸汞蒸氣或汞鹽后會(huì)導(dǎo)致腦和肝損傷。汞容易被皮膚以及呼吸道和消化道吸收，汞在生物體內(nèi)積累后對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有損害作用，所產(chǎn)生的不良影響還會(huì)涉及到口、粘膜和牙齒等。長(zhǎng)時(shí)間暴露在高汞環(huán)境中可以導(dǎo)致腦損傷和死亡。20世紀(jì)50年代在日本造成很大影響的水俁病就是汞中毒的一種。

結(jié)束語

通過對(duì)金屬的密度與熔點(diǎn)的知識(shí)綜述，使我們對(duì)金屬的世界有了進(jìn)一步的了解。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的一百多種元素組成的物質(zhì)中密度最大的是金屬鋨。金屬鋨的密度大約是鋼鐵材料密度的3倍，是密度最小的金屬鋰的42倍。鋰的密度僅有水的一半多一點(diǎn)，可以輕易地漂浮在水上，但是它會(huì)與水發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。熔點(diǎn)最高的金屬是鎢，熔點(diǎn)最低的金屬是汞。鎢的熔點(diǎn)與汞的熔點(diǎn)相差約3450℃。

攝影 賈大庸

[1] 柳柳. 地球上最重的金屬. 青年科學(xué)，2008 (6) ：33

[2] 林大澤. 鋰的用途及其資源開發(fā). 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004-09-30

[3] 360百科. 金屬之最 [EB/OL]. [2018-3-18]. https：//baike.so.com/doc/9140545-9473688.html

[4] 賈成廠. 金屬(1)：地殼與人體中的金屬. 金屬世界，2018(2)：22

[5] 張?chǎng)╂? 巧測(cè)大氣壓強(qiáng). 科技視界，2016(3)：151

知識(shí)小貼士

蒸汽壓指的是在液體(或者固體)的表面存在著該物質(zhì)的蒸汽，這些蒸汽對(duì)液體(或者固體)表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是該液體(或者固體)的蒸汽壓。飽和蒸汽壓是物質(zhì)的一個(gè)重要性質(zhì)，它的大小取決于物質(zhì)的本性和溫度。飽和蒸汽壓越大，表示該物質(zhì)越容易揮發(fā)。鎢的蒸汽壓很低，表明鎢很不容易揮發(fā)。