另外,有一些金属元素如钾、钙、钠、镁、铁,也是人体维持正常生理机能不可或缺的物质。但是,人体对金属元素的需求量是有一定数量的,少了不行、多了也不行,多或少都会干扰人体功能的正常运行。
人们通过饮食摄取微量金属元素,例如,稻米中的金属元素最少有14种是人体所必需的,包括铜、铁、锰、钼、钴、碘等。稻米中铜的平均含量为2.45毫克/千克,锌为15.9毫克/千克,铅为0.114毫克/千克,这是因为金属元素起源于地壳,通过地球化学作用逐渐从岩石、水、土壤进入到植物、动物,最后进入人体。
2.衣与钢铁
虽然钢铁不能直接用来制作衣服,但它可以做漂亮的发饰、手表、衣服或是裤子上面的铆丁、法式衬衫上的袖扣等小配件,它总是与流行同在。记忆合金还可用来做人们随身戴的眼镜,因为记忆合金可以强化安全镜片,让我们戴眼镜不再提心吊胆。钢铁不但装饰了我们的生活,也方便了我们的生活。
21世纪的纳米技术就是新一代钢铁材料项目,现在新一代钢铁材料的最小晶粒已达到0.7~0.8μm,用纳米技术研制的衣服不用洗涤。
仿金电镀的金首饰,华丽富贵、物美价廉,目前市场上流行的银白色戒指,美若白金,就是采用这类工艺制作的。
3.住与钢铁
1871年,芝加哥一场大火,吞没了城里三分之二的木造房屋。人们认识到木材制造的房屋容易着火,于是就用钢铁取代木材来盖房子。随着钢铁冶炼技术的发展,建筑结构设计超出了人们的想象,施工时间缩短,抗震和耐久度提高,人们一提到建筑就会想到钢铁。
用纳米技术生产的钢结构房子具有无辐射、防噪音、占地少、重量轻、清洁材料不用擦洗等优点。用纳米技术生产的环保型油漆有不沾污、防水等许多优点。
4.行与钢铁
人们可以把钢铁加工成任意的形状,它很坚硬,能承受巨大的外力,而且耐高温、耐磨。一辆汽车、自行车便能充分地表现出现代钢铁工艺的设计技术。钢铁之于汽车、就如水之于人体。从汽车钣金外壳,到内部的汽缸引擎、传动轴,到座椅、轮胎钢圈、零件扣具,钢铁材料几乎占整台车的70%。如果是火车的话,钢铁的比例还更高,就连行走的铁轨,都是用高强度钢材铺设的。
一辆解放牌141载重卡车所用的钢材品种主要有:薄钢板约1000千克,中等厚度的钢板600千克,碳素结构钢材350千克,合金结构钢材340千克,冷轧易切钢材140千克,弹簧钢材约302千克等。
总之可以说,现代生活中的人们是无法离开钢铁的,它无处不在、无时不在,时时为人们提供各类服务,不管你愿不愿意,认不认可,钢铁将始终伴随人类生产、生活。
第三节有趣的有色金属
1.古老而“年轻”的金属——镍
在纯镍发现以前,含镍合金就已得到了应用。中国在史前就生产“锌自铜”,其中含镍32%、铜40%、锌25%的镍铜锌合金。公元前235年,巴克特亚人也使用了含镍20.04%、含铜77.68%的铜镍合金铸制硬币。但是,镍矿石的存在直到1694年才被确认。1751年,瑞典科学家克龙斯捷特首次制出了不纯的金属镍,之后到1804年才制造出了纯金属镍,从而揭开了现代镍冶金学的发展历史。随着人们对镍认识的深化,镍已逐渐地被用于国民经济的各个部门,成为当今不可缺少的战略物资之一。
镍是一种银白色的磁性金属,在元素周期表中属于疆族,主要物理常数为:比重8.902,熔点1453℃,沸点2732℃。镍具有耐高温、抗磨损、耐腐蚀等特性,与铬、钻、铜、锰、铌等组成的合金或铁基合金钢,更具有良好的性能,是一种重要的特殊合金原料,已被广泛用于运输、机械制造、石油、化工、冶金、原子能、宇航、火箭、电镀等民用工业与军事工业,在钱币铸制中应用极为普遍,至今有100多个国家和地区用镍或镍合金铸制钱币。
目前全世界镍的消耗有90%用于生产不锈钢和合金钢,20%用于低铁或无铁合金,10%用于电镀。近年来,中国镍的消耗量大幅度增加。
镍在地壳中的蕴藏量,在金属元素中占第24位,比铜、锌、铅元素之和还要多。但是,在已发现的60余种镍矿物中,可供工业利用的却非常少。从资源上划分,镍矿物分为硫化矿和氧化矿两大类。
硫化矿中镍平均为1.5%,主要镍矿物为镍黄铁矿、镍磁硫铁矿和黄铜矿,一般都伴生有钴、铜、金、银和铂族金属等,是价值很高的矿种;氧化矿平均含镍品位为1.25%,主要含镍矿物为含水镍镁硅酸盐,一般伴生有钴,而几乎不与铜、铂族金属共生。
世界上已探明的镍储量为1.1亿吨,其中20%为硫化镍矿,80%为氧化矿。镍资源主要集中在新喀里多尼亚、印度尼西亚、加拿大、澳大利亚等国。中国镍储量居世界第七位,其特点是硫化矿占60%以上,主要集中在甘肃金川,有丰富的铜、钴、金、银和铂族金属等19种有价元素。
镍的提取方法主要有火湿联合法、全湿法和气化冶金法等。由于硫化矿易于选矿富集,为冶炼创造了有利条件,因此,世界镍产量的60%从硫化矿中提炼。镍的氧化矿提取技术比较复杂,但储量丰富,随着科学技术的发展,氧化矿将会引起重更大的重视。此外,据估计,海底锰结核中含镍约70亿吨,这将是未来人类开发镍资源的主要领域。
2.前途广阔的轻金属-镁
镁是一种银白色的轻金属,化学符号为Mg。
镁比较年轻,至今只有几十年大规模工业生产的历史。过去,镁主要用于军事工业,如美国在越南战争中每年消耗的金属镁就达1.3万~1.5万吨。因此,世界镁的产量曾几次随着大规模战争的爆发与结束而相应地增长与减少。但近年来,镁在民用工业中得到了日趋广泛的应用。镁可用于配制各种轻合金,主要是铝合金。镁比大家所熟悉的轻金属铝还要轻三分之一,镁基合金又具有良好的铸造性能,可铸成大型复杂构件。因此,镁和镁基合金被广泛应用于汽车制造工业以及飞机和各种航天飞行器上。镁的化学性质活泼,对氧表现有极强的亲合力,常作为还原剂用于生产钛、锆,铀、铍、铪等金属。为此,一些镁厂和钛厂索性建为一体。镁又是生产球墨铸铁的球化剂,以及在钢铁冶金中作为脱氧剂、脱硫剂。在化工方面,镁还可用于一些化工设备的防腐,可作为乙醇等有机物的脱水剂等。
和钢铁及铝相比,世界上镁的年产量还很少,只有几十万吨。
目前,镁的冶炼方法有两种。一种是熔盐电解法,即首先利用上述原料制得氯化镁。然后,在电解槽中,在直流电的作用下,将温度约为700℃左右的熔融状态的氯化镁进行电化学分解,得到金属镁和氯气。这是目前世界各产镁的国家所应用的主要的生产方法。另一种是热还原法,即以硅、铝、碳、碳化钙等作为还原剂,在高温下将煅烧白云石或由海水等原料制得的氧化镁中的镁置换出来。当然,要使镁工业大规模发展,还需要努力改进现行的生产方法,减少投资,降低能耗,降低成本,为其发展扫除障碍。
努力扩展镁的应用范围,为其发展拓宽道路。
中国的镁资源十分丰富,且品种全、质量好、储量大。有优质的菱镁矿;有绵长的海岸线以提供海水;尤其是青海省的盐湖,氯化镁含量高、数量多,是难得的镁资源宝库。我国已于20世纪50年代开始有了自己的镁工业。它是以菱镁矿为原料,用电解法生产镁。对于海水炼镁,硅热法炼镁,都做了大量的研究、试生产工作,并取得了初步成果。
3.柔软活泼的金属-钡
钡,是瑞典化学家社勒在1774年发现的。1808年,英国化学家戴维第一次制得金属钡。
钡有一副银白色的光辉外表,质地柔软,化学性质活泼,硬度和铅差不多,熔点为710℃。把钡放在空气中,会很快失去光泽,变成氧化钡。氧化钡是白色固体,遇水可发生剧烈的化学反应,生成氢氧化钡,同时放出大量热。
钡从钡矿中提取。常见的钡矿石是重晶石。重晶石一般呈块状或纤维状,密度为4300~4600千克/米3。有的重晶石外貌很象土,俗称“重土”。中国有丰富的重晶石资源,生产钡有充足的原料和宽广的前途。
钡是铜精炼时的优良去氧剂,钡的重要化合物是硫酸钡,硫酸钡可作“钡剂”,供医疗诊断用。钡还可作白色颜料,造纸时使纸张增白。着名的颜料“钡白”,就是用硫酸钡制成的。钡的其他化合物,如氯化钡,碳酸钡,可分别用于制造焰火、钢的表面硬化剂等。