金屬 (3)：金屬的軟與硬，貴與賤

供稿|賈成廠 / JIA Cheng-chang

作者單位：北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083

內(nèi)容導(dǎo)讀每一種金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用都是人類文明發(fā)展和進步的重要的里程碑。賈成廠教授的金屬百科系列科普文章之三——“金屬 (3)：金屬的軟與硬、貴與賤”深入淺出地闡明：硬度最高的金屬是鉻，莫氏硬度為9，僅次于鉆石；最軟的金屬是銫，莫氏硬度約為0.5，比石蠟還要軟；年產(chǎn)量最高的金屬是鐵，2017年全球粗鋼產(chǎn)量約16億t；最昂貴的金屬是锎，價格是黃金價格的數(shù)萬倍；最活潑的金屬是銫，常見不活潑的金屬應(yīng)該是金，但鉭無論是在冷還是熱的條件下都不與鹽酸、濃硝酸及“王水”發(fā)生反應(yīng)；延展性最強的金屬是金；導(dǎo)電性最好的金屬是銀。

硬度最高的金屬——鉻

材料的硬度可以用我們?nèi)粘Ｉ钪小败洝迸c“硬”的概念去理解。金屬的硬度綜合了其彈性、塑性、強度和韌性等力學(xué)性能，是一項重要的性能指標，既可理解為是金屬材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為金屬材料抵抗殘余變形與抵抗破壞的能力。

純金屬鉻(Cr)是一種銀白色金屬，質(zhì)極硬而脆。鉻是硬度很高的金屬，莫氏硬度為9，僅次于莫氏硬度為10的金剛石。鉻具有很高的耐腐蝕性，在空氣中，即便是在熾熱的狀態(tài)下，氧化也很慢。鉻常作為鍍層金屬可以保護金屬制品防止其氧化，起到耐腐蝕的作用，如圖1。

鉻是不銹鋼的關(guān)鍵成分。只有當鉻含量達到一定值時，鋼才具有耐蝕性。不銹鋼中，一般鉻含量(質(zhì)量分數(shù))至少為10.5%，在某些不銹鋼合金中鉻要占到總重量的1/4。鉻具有非常好的光反射性能，外表顏色與銀相似。因此，便宜的“銀餐具”可能是由以鉻為主要成分的不銹鋼制成的。另外，鉻還是人與動物不可缺少的微量營養(yǎng)元素之一，能夠幫助維持體內(nèi)正常的葡萄糖含量。

年產(chǎn)量最高的金屬——鐵

圖1 金屬鉻及含鉻零件

鐵(Fe)是地殼含量排名第二的金屬元素。純鐵是一種銀白色的金屬，質(zhì)軟。而通常所說的鋼鐵包括鑄鐵和碳鋼，都是鐵碳合金，主要元素都是鐵，其根本區(qū)別是含碳量。以含碳量2.11%為界，2.11%以上的為鑄鐵，2.11%以下的為碳鋼。鐵是在日常生活里最有用、最價廉、最豐富、最重要的金屬，也是不可缺少的重要工業(yè)材料。鋼是優(yōu)良的硬磁材料，磁化之后不易去磁，因此鋼被作為人造磁的主要原料。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、裝備制造、鐵路車輛、道路、橋梁、輪船、碼頭、房屋、土建等各個領(lǐng)域都離不開鋼鐵構(gòu)件。如圖2中的鐵鍋即為日常生活中最常見的鋼鐵制品。2017年全球粗鋼產(chǎn)量約16億t，我國鋼產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的50%。因而鋼鐵是年產(chǎn)量最高的金屬，也是最便宜的金屬。另外，鐵也是構(gòu)成人體的必不可少的元素之一，是血紅蛋白的主要成分，幫助氧氣在人體中運輸。

圖2 鐵鍋

最昂貴的金屬——锎

锎(Cf)是一種放射性金屬元素，是世界上最昂貴的金屬，如圖3。1975年，1克锎價值10億美元。2018年，1克锎價值約200萬美元，是黃金價格的數(shù)萬倍。

锎能夠利用的數(shù)量非常少，使其應(yīng)用受到了限制。當前，锎主要是作為裂解碎片源被用于核研究。

圖3 金屬锎

锎是一種人造元素，其同位素锎-252首次發(fā)現(xiàn)于氫彈爆炸后的塵埃中。在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，锎可用來治療惡性腫瘤。1968年，锎首次被用來治療病人，由此誕生了中子近距離治療法。經(jīng)過軟管將锎-252中子源送到人體腔內(nèi)器官腫瘤部位，或者植入到人體的腫瘤組織內(nèi)進行治療腫瘤。锎-252中子源可以做到其他中子源所不能達到的細小程度，這種特性使得锎-252中子對于子宮癌、口腔癌、直腸癌、食道癌、胃癌、鼻腔癌等都有相當好的療效。中子近距離治療法不需要讓病人全身接受放射性射線，而是利用特制的施源器將中子源送入人體或腫瘤內(nèi)，進行腔內(nèi)、管內(nèi)或組織間照射，放射反應(yīng)輕，且能夠有目的地殺死癌細胞。其治療效果優(yōu)于當前被廣泛使用的放療。

最活潑的金屬——銫

除貴金屬外，金屬在自然界中基本上是以氧化物和硫化物狀態(tài)存在的。 在金屬的使用過程中通常會與氧或硫發(fā)生反應(yīng)，生銹、脆化，這就是通常所說的金屬的腐蝕。 腐蝕可分為干式腐蝕、濕式腐蝕、電化學(xué)腐蝕。腐蝕常發(fā)生在金屬表面上，金屬表面被氧化形成不溶性氧化物從而阻止金屬內(nèi)部進一步腐蝕的現(xiàn)象稱為金屬的鈍化。

金屬與氧的反應(yīng)包括劇烈的氧化反應(yīng)與緩慢的氧化反應(yīng)。 當金屬粉末被氧化時，可能伴有突然的發(fā)熱和發(fā)光，甚至爆炸。

金屬的活潑性就是指金屬在化學(xué)反應(yīng)中的活潑程度。金屬的活潑性順序：銫Cs、銣Rb、鉀K、鐳Ra 、鋇Ba 、鍶Sr、鈣Ca、鈉Na 、鋰Li、錒Ac、鑭La、鈰Ce、鐠Pr 、釹Nd 、钷Pm、釤Sm 、銪Eu、釓Gd 、鋱Tb 、釔Y 、鎂Mg 、鏑Dy、镅Am 、鈥Ho、鉺Er 、銩Tm 、鐿Yb、镥Lu 、(氫)(H)、鈧Sc、钚Pu 、釷Th 、镎Np 、鈹Be、鈾U、鉿Hf 、鋁Al 、鈦Ti 、鋯Zr 、釩V 、錳Mn、鈮Nb、鋅Zn、鉻Cr 、鎵Ga 、鐵Fe 、鎘Cd 、銦In 、鉈Tl 、鈷Co、鎳Ni、鉬Mo、錫Sn 、鉛Pb 、(氘分子)(D2)、 (氫分子)(H2)、銅Cu、锝Tc、釙Po、汞Hg 、銀Ag、銠Rh 、鈀Pd 、鉑Pt 、金Au。

常用金屬的活潑性順序：鉀—鈣—鈉—鎂—鋁—鋅—鐵—錫—鉛—(氫) —銅—汞—銀—鉑—金。諧音記憶歌：嫁給那美女，身體細纖輕，統(tǒng)共一百斤。

理論上，最活潑的金屬應(yīng)該是鈁，但由于鈁不穩(wěn)定，化學(xué)反應(yīng)極度活躍，鈁-223的半衰期最長僅有21 min，因此至今無法制得純鈁。通常，我們認為最活潑的金屬是銫(Cs)。銫還是最軟的金屬，莫氏硬度約為0.5，比我們?nèi)粘Ｉ钪谐＝佑|到的莫氏硬度為1的軟質(zhì)石蠟還要軟。銫在化學(xué)元素周期表中位于第六周期的堿金屬(IA)族，金黃色，見圖4。金屬銫具有延展性，沒有放射性，但是金屬銫遇到潮濕的空氣易燃，屬于危險化學(xué)品。銫在空氣中極易被氧化，生成一層灰藍色的氧化銫。銫在潮濕空氣中表面氧化的熱量足以使銫熔化并燃燒，不到1 min就可以自燃起來，產(chǎn)生深紫紅色的火焰，并且生成很復(fù)雜的氧化物。銫不與氮反應(yīng)，但在高溫下能與氫化合，生成相當穩(wěn)定的氫化物。銫能與水發(fā)生劇烈的反應(yīng)，如果把銫放進盛有水的水槽中，馬上就會發(fā)生爆炸，甚至和溫度低到–116℃的冰也可以發(fā)生猛烈反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氫氧化銫。氫氧化銫是無放射性的堿中堿性最強的。銫與鹵素反應(yīng)可以生成穩(wěn)定的鹵化物。銫和有機物也會發(fā)生同其他堿金屬相類似的反應(yīng)。銫在自然界沒有單質(zhì)形態(tài)，銫元素以鹽的形式且以極少的含量分布于陸地和海洋中。銫是制造真空器件、光電管等的重要材料。放射性核素Cs-137是日本福島第一核電站泄露出的放射性污染中的一種。

圖4 金黃色的金屬銫

最不活潑的金屬

常見的不活潑金屬是金Au。但是，金屬鉭Ta無論是在冷還是熱的條件下，對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應(yīng)。鉭在150℃以下不會被濃硫酸腐蝕，而在高于150℃的熱濃硫酸中能被腐蝕。銥的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，是最耐腐蝕的金屬，一般的腐蝕劑都不能腐蝕銥。銥對酸的化學(xué)穩(wěn)定性極高，不溶于酸，只有海綿狀的銥才會緩慢地溶于熱王水中，如果是致密狀態(tài)的銥，即使是沸騰的王水也不能將其腐蝕。銥在熔融的氫氧化鈉、氫氧化鉀和重鉻酸鈉中可能會稍微受到侵蝕。

延展性最高的金屬——金

金(Au)是延性及展性最高的金屬。1 g金可以打制成1 m2的薄片。金片甚至可以被打薄至幾乎透明，由于金反射黃色光及紅色光的能力很強，因此透過金薄片的光會顯露出綠藍色。黃金亦是貨幣金屬之一。

金的單質(zhì)在室溫下為固體，密度高、柔軟、光亮、抗腐蝕。金與大部分化學(xué)物都不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但可以被氯、氟、王水及氰化物侵蝕。

金能夠溶解于水銀，形成“汞齊”，但這并非化學(xué)反應(yīng)。能夠溶解銀及其他金屬的硝酸不能溶解金。這兩個性質(zhì)成為黃金精煉技術(shù)的基礎(chǔ)，分別稱為“加銀分金法”和“金銀分離法”。

導(dǎo)電性最好的金屬——銀

銀(Ag)是一種美麗的銀白色過渡金屬，質(zhì)軟，價格貴。銀在自然界中很少量以游離態(tài)單質(zhì)存在，主要以含銀化合物礦石存在。銀的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，活躍性低，不易受化學(xué)藥品腐蝕。銀具有極好的光反射性，反光率極高，可達99%以上。銀具有很好的延展性，可以碾壓成只有0.0003 mm厚的透明箔，質(zhì)量為1 g的銀粒就可以拉成約2 km長的細絲。

在所有金屬中，銀的導(dǎo)電性是最好的。在常溫下(20℃)銀的電導(dǎo)率為6.301×107S/m。而排名第二的銅的電導(dǎo)率僅為5.9×107S/m。銅比銀便宜很多，因此電線一般用銅制作。

銀具有誘人的白色光澤，較高的化學(xué)穩(wěn)定性和收藏觀賞價值，深受人們的青睞，廣泛用于制作首飾、裝飾品、銀器、餐具、敬賀禮品、獎?wù)潞图o念幣，如圖5。銀首飾在發(fā)展中國家有廣闊的市場，銀餐具備受家庭歡迎。銀質(zhì)紀念幣設(shè)計精美，發(fā)行量少，具有保值增值功能，深受錢幣收藏家和錢幣投資者的青瞇。20世紀90年代僅造幣用銀每年就保持在1000～1500 t左右，約占銀的消費量5%。但銀的主要問題是會生銹，這使得它的地位低于金。

圖5 銀塊和銀手鐲

植物富集的金屬——綠色冶金

科學(xué)研究表明，植物已經(jīng)在數(shù)百萬年的演變進化中獲得了非凡的能力，許多植物都有能力積累并富集某些金屬元素。例如堇菜中積累鋅、香薷中積累銅、煙草中積累鈾、紫云英中積累硒、苜蓿中積累鉭，石松中積累錳等。在富含金的土壤中種植的玉米或木賊草，將其燒成灰燼，每噸可提取約10 g的黃金。還有一些可以積累諸如鉻、鑭、釔、鈮、釷等稀有金屬的植物，被譽為“綠色稀有金屬庫”。這些植物富集稀有金屬的能力比一般植物高出數(shù)十倍、數(shù)百倍，甚至數(shù)千倍。例如，在一般植物中很難用光譜檢測到的鉻，而在鳳眼蘭的根中鉻的質(zhì)量分數(shù)竟可以達到0.13%。這些植物能夠富集金屬的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家的極大興趣，這些技術(shù)也被譽為“綠色冶金”。專家預(yù)測，這些技術(shù)將使人類有可能通過種植特殊植物來獲得所需的金屬，同時也能夠改善已經(jīng)受到破壞的生態(tài)環(huán)境。

1995年，俄羅斯的生物學(xué)家在研究一年生草本植物蓼時，意外地發(fā)現(xiàn)其葉子中含有很高含量的金屬，如鋅、鉛和鎘等。于是這位科學(xué)家就在一些被鋅、鉛、鎘等金屬污染的土地上種了大量的蓼。結(jié)果是將1公頃的土地上收獲的蓼放入800℃的爐中燒成灰燼，提取了1.3 kg的鎘、23 kg的鉛和322 kg的鋅。由于歷史上的多個軍事演習(xí)場地包括二戰(zhàn)期間用作化學(xué)武器倉庫的場地都尚未消除有害金屬的污染，因此德國的一個研究團隊成功地將俄羅斯的蓼引進并種植于有害廢金屬的存儲場地。在這些地方種植蓼，可以達到凈化環(huán)境、回收有害金屬的目的。

美國專家研究發(fā)現(xiàn)，野芥菜具有從土壤中積累鎳的功能。他們將種植的半公頃野生芥菜莖切斷、干燥、燒灰，每100 kg芥菜灰中可以提取15～20 g的鎳。

結(jié)束語

金屬的冶煉和應(yīng)用，推動了世界文明的進程。約公元前2000年的埃及壁畫中就出現(xiàn)了腳踏風(fēng)箱與鑄模，在古代中國的商朝、地中海的邁錫尼文明、米諾文明和中東等地青銅器的生產(chǎn)和使用頗為廣泛。約公元前5000年—公元前3000年，在埃及和美索布達米亞等地出現(xiàn)的鐵產(chǎn)品，是通過鍛打隕鐵而制得的。公元前1650年左右，赫梯人掌握了高溫?zé)掕F技術(shù)。公元前1200年左右，煉鐵技術(shù)得以廣泛傳播。利用金屬的磁性，制作磁鐵羅盤以及指南針，對導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展起到了很大的推動作用。隨著金屬精煉技術(shù)的普及，金屬不僅廣泛用于武器，還廣泛用于農(nóng)用設(shè)備和生活用品，而貴金屬則主要用于裝飾品等。在18世紀之前，人類使用的金屬只有金、銀、銅、鐵、汞等約11種。 隨著采礦和精煉技術(shù)的進步，門捷列夫的元素周期表公布前后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多新的金屬。從19世紀開始，對于金屬進行了各種化學(xué)實驗與原子論的研究，金屬的原子結(jié)構(gòu)逐漸被澄清。 20世紀以后，量子理論等對金屬的認知進一步深化，各種金屬的應(yīng)用也正在不斷被挖掘。