金屬(2)：金屬密度和熔點的小秘密

供稿|賈成廠 /

金屬的密度

密度是反映物質特性的物理量，在物理學中把單位體積物質的質量稱為密度。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，可以輕易地漂浮在水上，但是它會與水發(fā)生劇烈的化學反應。

金屬鋨的秘密

鋨的化學元素符號是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。在過去很長一段時間里，工業(yè)生產中應用較多的金屬銥的密度被測定為22.65 g/cm3，而鋨的密度則被測定為22.61 g/cm3，這使得金屬銥一度被錯誤地認為是密度最大的金屬元素，但如今科學家們已經確切地證實這些數(shù)字是錯誤的。

如圖1所示，鋨是一種銀白且?guī)\藍色的金屬，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被腐蝕，但溶于熔融的堿中。把金屬鋨放在鐵臼里，會很容易地搗成藍黑色的鋨金屬粉末。鋨被搗成粉末后，在常溫下就會緩慢氧化，生成具有揮發(fā)性的四氧化鋨(OsO4)，具有強刺激性氣味。四氧化鋨熔點低至48℃時，沸點低至130℃。四氧化鋨蒸氣有劇毒，對人的眼睛會產生強烈的刺激，嚴重時還可能導致眼睛失明。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且驗槠溲趸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)生產中，鋨被用做催化劑。合成氨時，如果用鋨做催化劑，可以提高轉化率。氨是一種重要的化學物質，合成氨在農業(yè)和工業(yè)中起很大的作用。在農業(yè)上?？梢杂冒敝圃斓?，工業(yè)上使用其中的氮與其他物質化合而成各種不同的含氮化合物，然后再用于各個領域。德國卡斯魯荷技術大學的科學家哈伯教授是合成氨的鼻祖，在世界上第一個研究成功合成氨技術并使其實施。1908年他通過大量的研究和實驗，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，遠高于不使用鋨催化劑時氨的最高平衡濃度0.9%。由于哈伯的杰出貢獻，他被授予1918年的諾貝爾化學獎。德國巴斯夫公司購買了哈伯的專利，并派博施作為代表進行工業(yè)化合成氨實驗。于1913年建成世界上第一座合成氨工廠并正式進入商業(yè)運行，博施的特殊貢獻被授予1931年的諾貝爾化學獎。

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刀時，如果加入微量的鋨，可以使手術刀變得更加堅硬而鋒利。

單質鋨粉末易氧化，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”就是鋨銥合金，之所以比普通的鋼筆尖耐用，關鍵就在這個鋨銥合金“小圓點”。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等需要高硬度及耐磨的地方，能使用多年而不會損壞。

金屬鋰的秘密

如圖2所示，鋰是一種銀白色、質地柔軟的金屬。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、熔點最高。在自然界中，鋰主要以鋰輝石、鋰云母、透鋰長石和磷鋁石等鋰礦物的形式存在。在人及其他動物的機體、土壤、礦泉水、可可粉、煙葉、海藻等物質中也存在有鋰元素[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鋰通過熱核反應放出的能量能夠抵上燃燒2萬多噸優(yōu)質煤，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劑用于宇宙飛船、火箭、導彈等，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，又堅硬，用來制造飛機，能使其質量減輕約2/3。另外，鋰-鉛合金是一種良好的固體潤滑減摩材料。

20世紀30—40年代研制開發(fā)的優(yōu)質能源之一是鋰電池，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。鋰電池是極具前途的動力電池，已被廣泛應用于多種領域。鋰電池汽車的行車能源消耗僅為普通汽油發(fā)動機汽車的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，簡寫為3H，專用符號為T，其原子核由一個質子和二個中子組成。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，通過核反應生成的。用中子轟擊鋰可產生氚。氚主要用于科學研究中的標記化合物，制作發(fā)光氚管，還可能成為熱核聚變反應的原料。氚用于發(fā)動原子電池組，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月英國科學家在愛丁堡大學首次制成金屬態(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

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

熔點最高的金屬——鎢

鎢是熔點最高的金屬，它的熔點高達3410℃，沸點為5927℃。如圖3所示，金屬鎢的硬度大，密度高，高溫強度好，在2000～2500℃高溫下，蒸汽壓仍很低[知識小貼士]。

鎢最早用于制作白熾燈絲。在工業(yè)生產中，鎢大部分用于生產硬質合金。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、燃氣輪葉片和燃燒管等。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材料。高密度的鎢鎳合金用作防輻射的防護屏。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?？梢杂涉u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

圖3 金屬鎢

現(xiàn)代的超硬質合金是由碳化鎢和一些其他元素的碳化物用燒結方法生產的。把難熔金屬(鎢、鉭、鈦、鉬等)的碳化物的硬質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，再經燒結制成超硬質合金器具。

熔點最低的金屬——汞

汞俗稱水銀，是熔點最低的金屬，熔點只有–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 ℃。但是從嚴格的意義上說，鎵(Ga，31號元素)和銫(Cs，55號元素)在室溫29.76 ℃和28.44 ℃下也呈液態(tài)。汞是銀白色閃亮的重質液體，化學性質穩(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(公元5世紀到公元15世紀)煉金術中汞與硫磺、鹽共稱煉金術神圣三元素。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，可以證明中國在有史以前就使用了天然的硫化汞。中國古代還把汞作為外科用藥。1973年長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，是當今已發(fā)掘的中國最古醫(yī)方，其中有四個藥方就應用了水銀。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導致腦和肝損傷。汞容易被皮膚以及呼吸道和消化道吸收，汞在生物體內積累后對中樞神經系統(tǒng)有損害作用，所產生的不良影響還會涉及到口、粘膜和牙齒等。長時間暴露在高汞環(huán)境中可以導致腦損傷和死亡。20世紀50年代在日本造成很大影響的水俁病就是汞中毒的一種。

結束語

通過對金屬的密度與熔點的知識綜述，使我們對金屬的世界有了進一步的了解。目前已經發(fā)現(xiàn)了的一百多種元素組成的物質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，可以輕易地漂浮在水上，但是它會與水發(fā)生劇烈的化學反應。熔點最高的金屬是鎢，熔點最低的金屬是汞。鎢的熔點與汞的熔點相差約3450℃。

攝影 賈大庸

[1] 柳柳. 地球上最重的金屬. 青年科學，2008 (6) ：33

[2] 林大澤. 鋰的用途及其資源開發(fā). 中國安全科學學報，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] 張雯婷. 巧測大氣壓強. 科技視界，2016(3)：151

知識小貼士

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