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浮光掠影话金属(Ⅳ)——稀者为贵

2013-01-28 字号:[ ] 编辑:56hx 来源:未知 浏览:
    按习惯,人们将金属分成三大类:铁、锰、铬及其合金被称为黑色金属;金、银、铜、锡、铅、锌、镍等称为有色金属;而将一些不常见的金属称为稀有金属。物以稀为贵,这些金属大多价格不菲,如铂(白金)比金(黄金)贵得多,而比铂更贵的金属比比皆是。
    其实,许多稀有金属在地壳中的含量大大超过了金和银,是它们的几十倍,几百倍,甚至上万倍,为什么仍称之为“稀有”呢?这是因为,稀有金属在地壳中的分布大都很分散,或者是很难提炼。另外,在海洋中,许多金属的总含量比陆地上大得多,实际上,周期表中已知元素的2/3都能在海水中找到,问题是要开发出能够以合算的成本从大量的海水中提取金属的办法。
    还有,人们在远古时代就发现了金和银,铜和锡也有4000年的历史,而稀有金属的发现和应用却晚得多。如较早发现的钨和钼也只有200年历史,其它大多数都是近百年,甚至近四五十年才发现或应用的,因此,普通人对它们不够熟悉,称之为“稀有”就不足为奇了。
    稀有金属数目很多,人们进一步又将其分为五大“家族”。即轻稀有金属,高熔点稀有金属,放射性稀有金属,稀散金属和稀土金属。
    轻稀有金属包括锂、铍、铯、铷等。锂是最轻的金属,密度为铝的1/5,水的1/2。锂十分活泼,一见空气就生成毫无机械强度可言的疏松的化合物——氧化锂。“天生我材必有用”,锂的用途很多。如金属锂与氢气作用,就生成白色的氢化锂粉末,氢化锂遇水猛烈反应,放出大量氢气,1千克氢化锂和水作用,可放出2800升氢气,故氢化锂是很好的贮氢体,而氢是很有前途的清洁能源。锂电池性能稳定可靠,使用寿命长,是心脏起搏器的动力。锂还是核工业的材料。
    铍,这个从珍贵的绿宝石中发现的有甜味的金属,在早期化学手册上被武断地认为是没有实用价值的金属。随着20世纪科技的发展,人们越来越认识到铍的宝贵性能和特殊而广泛的用途。铍比铝轻1/3,而强度超过结构钢,抗拉强度是铝的6倍,1平方毫米的铍线能承受60多千克的拉力(约一个成人的体重)。用铍制造飞机零件比铝轻且耐用得多。在铜里加入一点点铍,就得到合金“铍青铜”,其综合机械性能极其优越,广泛用于航天工业等各个领域。
    高熔点金属包括钨、钼、钽、铌、钒、钛、锆、铪8种。其中熔点最高的是钨,坚硬的合金钢钨钢在强热时,硬度不仅不减,反而增强。一次大战时,俄国和法国的平射炮在发射8000发炮弹后就报销了,而德国的平射炮用了钨钢,可连续发射15万发炮弹。金属钨的延展性极佳,拉成比头发还细的丝仍能承受上百吨的重量。钨还常用来制作各种照明设备的灯丝。
    钼主要用来制造特种钢材。钽由于极耐腐蚀又对人体无毒,被誉为“亲生物”金属,在外科医疗上用途很大。铌是超导元素。在钢中加入1%的钒制成的钒钢弹性极好,故钒被称为金属维生素。美国的汽车大王福特曾说:“如果没有钒,就没有我的汽车。”而锆是原子能工业的重要材料。
    稀散金属如锗、镓、铟、铊,它们在地壳中的含量其实并不算太少,如锗比金、银、铂多得多,而链和锡差不多。锡很容易采得,而锗、镓却难以得到,因为锡矿比较集中,而它们却极为分散,不形成单独的矿物。它们往往和别的金属矿共生,甚至煤矿里也有锗和镓。
    工业上往往在提炼铝、锌以后的废料中提取锗、镓、铟、铊,但它们的用途却不可小看。如锗是电子工业的功臣,是常用的半导体材料,光敏电池也用到锗。由于错的导电能力随温度的变化极为灵敏,锗又被用来制造热敏电阻,可察觉1千米以外人体放射的红外线。
    镓除了也是电子工业的材料外,还有一些奇异的特性,首先,它是超导材料,其次,它熔点极低,为29.78℃,放在手心里就可以熔化。不过这只是形象地说明其熔点低,千万不要做这样的实验,因为锗和镓都有毒。医学家发现,镓可以伤肾,破坏骨髓,引起肿瘤。人们利用镓熔点低的特征,把镓跟锌、锡、铟等金属制成低熔点合金,用到火灾自动报警装置和自动救火龙头的开关上。镓还有一个奇异的特性,即冷胀热缩,当镓从液体凝固成固体时,体积要膨胀3%。
    放射性稀有金属,包括铀、钍、镭等等,它们是核工业的原料。
    稀土金属一共有17个兄弟,它们的理化性质相近,常共生在一起。稀土元素神通广大,稀土的开发和利用是一个极有前途的领域。稀土在许多国家确实很稀少,但在我国却很丰富。内蒙古包头市的白云鄂博矿,是世界上最大的稀土矿,我国的稀土资源占全世界的70%~80%。
    为什么叫“稀土”这个名字呢?这个名字是18世纪取的,当时人们认为这些元素在自然界形成的矿床极为稀少,且提取困难,故称“稀”;又因为这些元素的氧化物不溶于水,且没有金属光泽,外形像泥土,故称“土”;由此得到“稀土”的名称,并被沿用至今。
    为什么将17个元素放在一起呢?这是因为它们性质相近,在元素周期表上为同一族(锕系单列)。类似于碱金属或碱土金属。实际上,稀土元素在周期表上更集中,如果我们把元素周期表比作一栋楼房,这楼房有7层(即7个周期),每层楼的每个房间一般都只有一个元素“居民”,各个元素居民按自己的原子序数“对号入座”。但有两处反常情况,其中一处就是从57号到71号共15个元素,由于核外电子排布和所谓“镧系收缩”的原因,他们的化学性质十分接近,以至于一定要挤在元素大楼的同一间房子里。如果按顺序全排出来,一来周期表太长,二来破坏了同族元素的变化规律。于是只好让它们全在一间房子里“上户口”,另在楼房外盖一排平房安排它们“居住”,并将它们统称为镧系元素(类似的还有锕系元素)。镧系元素加上上方的同族元素39号元素钇和21号元素钪共17个元素,统称为稀土元素。
    由于性质太相似,稀土元素的分离很困难,但采用离子交换法淋洗或溶剂萃取法反复萃取,可成功地制取高纯度的单一稀土产品。
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