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金屬之最
在大自然裡,有些特立獨行的金屬具有特殊的迷人之處。 這些金屬的某種特性一被人們發現, 很快就在科學技術的發展中爆發出五彩繽紛的火花。
 
 

最輕的金屬鋰
▲最輕的金屬鋰

 

最輕的金屬—鋰(Li)

 

在自然界中,最輕的金屬是「鋰」(Li)。它是巴西化學家阿.阿爾夫維特桑(José Bonifácio de Andrada e Silva, 1763 –1838)在1817年首先發現的。鋰的比重和乾燥木材差不多,每立方公分只有0.543公克。如果把鋰扔到水裡,它會像軟木塞一樣漂浮著。如果把鋰做成一架飛機,兩個人就能抬著這飛機走。鋰有漂亮的銀白色外表,性質活潑,化學反應能力很強,在工業生產中用途很廣。

 

早在第二次世界大戰時,鋰就和原子能工業結了緣。大家都聽說過威力強大的氫彈,但是氫彈裡裝的氫不是普通的氫,而是比普通氫重一倍的「重氫」(即氘,D)或重二倍的「超重氫」(即氚,T)。用鋰能產出「超重氫」─氚,還能造出氫化鋰(LiH)、氘化鋰(LiD)、氚化鋰(LiT)。最初的氫彈都用氘和氚的混合物做炸藥,後來氫彈逐步改進,爆炸物多採用鋰和氘的化合物─氘化鋰。

 

1967年6月17日,中國成功爆炸的第一顆氫彈,其炸藥就是氫化鋰和氘化鋰。它們在幾千萬度的高溫下發生熱核聚變反應而生成氦,同時在一瞬間釋放出巨大能量。據計算,一公斤氘化鋰的爆炸力等於五萬噸烈性TNT黃色炸藥。因此,人們給鋰起了個美名,叫做高能金屬。

 
最重金屬—鋨(Os)
 

自然界最重金屬是「鋨」(Os),它存在於鋨銥礦中,是一種灰藍色的金屬,硬而脆,每立方公分重達22.48克,是同體積鋰的41.5倍。1804年英國化學家田南特(Smithson Tennant, 1761 –1815)第一個發現了它。後來人們提煉出純鋨,又用鋨製成鋨銥合金,做為鋼筆的筆尖,或做為鐘錶、重要儀器的軸承,因為這種合金十分耐磨,可以使用多年而不損壞。


目前世界上最難熔的金屬是「鎢」(W),人們稱它為「耐熱金屬冠軍」。(圖片來源:種子發)
▲目前世界上最難熔的金屬是「鎢」(W),人們稱它為「耐熱金屬冠軍」。(圖片來源:種子發)
 
最難熔的金屬—鎢(W)
 

目前世界上最難熔的金屬是「鎢」(W),人們稱它為「耐熱金屬冠軍」。鎢是瑞典化學家虛雷(Carl Wilhelm Scheele, 1742 –1786)在1781年用酸分解鎢酸時發現的,到了1848年人們才製得純金屬鎢。鎢熔點高達攝氏3,410度,每立方公分重達19克多,硬度很高,只有加熱到很高溫度才能進行壓力加工。

 

令人驚奇的是,這種熔點高、硬度高的金屬卻有很好的可塑性。一根一公斤重的鎢棒可以拉長成四百多公里的細絲,這種細絲在攝氏3,000度的環境中仍有一定強度,而且發光效率高,使用壽命長,是製造各種燈絲的好材料。白熾燈、碘鎢燈,甚至世界上最新穎的燈管和燈泡等,都用鎢做燈絲,現在世界上每年生產各種燈達10億個以上。

 

鎢還可用來煉製鎢鋼,鎢鋼具有抗高溫、耐磨損、強度大等特點,是製造切削機床車刀的好材料。從1900年世界博覽會上第一次展出鎢鋼車刀,到1950年的50年間,由於使用鎢鋼刀使機床切削的速度增加了200倍,大幅提高了勞動生產率,加速了機器製造業的發展。

 
最硬的金屬—鉻(Cr)
 

世界上最硬的金屬是「鉻」(Cr),素有硬骨頭金屬的稱號。1797年法國化學家伐克林(Louis-Nicolas Vauquelin, 1763 –1829)進行鉻鉛礦分析時首先發現了鉻。1799年,經過反覆實驗,人們才製得純淨的金屬鉻。鉻呈銀白色,化學性質穩定,在水、空氣中不生鏽。它主要用途是製造合金,煉製不銹鋼,不銹鋼的出現大大推動了醫療、儀表和國防工業發展。

 
最易熔化、質地最軟的固體金屬—銫(Cs)
 

目前,世界上最易熔化、質地最軟的固體金屬是「銫」(Cs)。銫在攝氏29.5度就開始熔化,人體正常溫度是攝氏37度,如果把銫放在手裡,它會像冰塊掉到熱鍋裡一樣很快化成液體。銫比石蠟還軟,用小刀可以隨意把它切成各種形狀。銫的化學性質活潑,在空氣中會像黃磷一樣自燃放出紫紅色的光芒。如果投入水中,它會和水猛烈作用,放出氫氣、燃燒甚至爆炸。因為銫不是安分守己的分子,人們平時總是把它「關」在煤油裡,使它與水、空氣隔絕。

 

銫在1860年由德國化學家本生(Robert Wilhelm Bunsen, 1811–1899)首先發現,後來經過人們的不斷尋找探索,才提煉出純淨的金屬銫。直到今天,世界銫的產量才只有幾十公斤。想不到吧!

 

這種世界上最軟、最易熔、產量又最少的金屬,還有很大的用處呢!銫的光電效應特別好,如同人的眼晴一樣,對光有很強的感應能力,是製造光電管的主要感光材料。有了銫,人們就可以把光和電聯繫起來,使光轉換成電,使信號變成電信號,電影、電視、無線電傳真、夜視鏡等都離不開銫。因此銫獲得光敏金屬、長眼晴金屬的稱號。

 
 
空間金屬「鈦」。
▲空間金屬「鈦」。
 
比強度(強度和比重的比值)最高的金屬—鈦(Ti)
 

「鈦」(Ti)的比強度(強度和比重的比值)在目前所有金屬中最高。鈦比鐵強度高,比重卻只有鐵的一半;鈦比鋁稍重,強度卻比鋁大3倍;鈦的比強度是不銹鋼的3.5倍,鋁合金的1.3倍,鎂合金的1.6倍。許多新型的鈦合金,抗拉強度每平方公分都在100公斤以上。同時,鈦合金又能經受攝氏500度以上高溫的鍛鍊,抗得住攝氏零下100多度低溫的考驗。因此,鈦和鈦合金是製造飛機、火箭、飛彈、潛艇、坦克等現代化武器不可缺少的材料。

 

用鈦合金代替鋼材製造坦克的履帶和懸吊裝置,可使坦克重量減輕百分之四十,大幅提高坦克機動作戰的能力。在飛彈、火箭、飛船上,用鈦或鈦合金代替鋼材,能使重量減少幾百公斤,不僅可以改善飛行性能,還可以節省昂貴的燃料,降低製造和發射費用。

 

據報導,美國有一種超音速遠程截擊機,用鈦量可占其總重量的百分之九十五,有鈦飛機之稱。目前,全世界一半以上的鈦用來製造飛機機體和噴氣發動機的零件。因此,人們稱讚鈦是「空間金屬」!

 

空間金屬來之不易,有著艱難的成長史。1789年,英國化學家格列戈爾(Martin Heinrich Klaproth, 1743 –1817)首先從礦物中發現了鈦。以後漫長的歲月,由於科學技術水平的限制,人們原以為鈦過於質脆不能做為結構材料。到了1910年,純淨的金屬鈦才被提煉出來,當時全世界產量只有0.2公克!1947年增加了產量,也只有2噸。可是到了1955年,一下增長了5,000倍,達到1萬噸。默默無聞幾乎150年的鈦,一躍成為前程似錦的空間金屬,受到了人們的熱情關注。

 
抗腐蝕能力最強的金屬—鈮(Nb)
 

「鈮」(Nb)抗腐蝕能力在目前所有金屬中最強的,它堅固硬朗,化學性質非常穩定,能夠抵禦空氣中氧的侵蝕。即使把鈮放在大氣中15年,表面也不會生鏽,只是稍微有點變暗。一般金屬都怕強酸,唯有鈮能夠「橫眼冷對」。有人把鈮放在濃硝酸中兩個月,或放在「王水」中六個日夜,結果它仍然「面不改色」,安然無恙!因此鈮被人稱為「抗腐蝕大王」!因為鈮具有最強的抗腐蝕能力,在化學工業上廣泛用來製造高級耐酸設備。

 

鈮是英國科學家哈契特(Charles Hatchett, 1765 –1847)在1801年首先發現的,1929年才製得純金屬鈮。1955年金屬鈮結束實驗階段,開始工業量產的規模。1960年後產量激增,目前世界年產量已超過500噸,發展前途也十分寬廣。

 
科學家在開拓科學技術領域中,正在利用鋰的輕盈特性和某些金屬的優越性能製造新型的合金,以促進太空飛行和空間技術的發展。在探索宇宙奧祕的過程中,科技工作者期望著獲得新的強大動力,正展望著利用銫原子外層電子最易激發放射的特性,製造一種新型的銫離子火箭,以推動征服宇宙的工作,繼續攀登科學技術高峰。
 
 
延伸閱讀:
蘇明德(民97),鈦的自述,科學發展,426,66-71。
蘇明德(民105),氘的自述,科學發展,517,38-43。
蘇明德(民90),氚元素的自述,科學月刊,32,143-147。
來源 來源:
《科學發展》2019年3月,555期,72~77頁
標籤 標籤:
鋰(1)鋨(1)鎢(1)鉻(1)銫(1)鈦(1)鈮(1)
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