化學(xué)元素趣聞（五)----黑色金屬

在冶金工業(yè)上，常把金屬分為黑色金屬與有色金屬，黑色金屬就是鐵，鉻，錳，除了這三，其他金屬都是有色金屬。很好記的，“鐵哥們”不是嗎？還有這些金屬的顏色不是黑色的，事實上純凈的鐵是銀白色的，由于鋼鐵表面通常覆蓋一層黑色的四氧化三鐵，而錳及鉻主要應(yīng)用于冶煉黑色的合金鋼，把這三個金屬歸為黑色金屬，突出了鋼鐵在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位，是非常有意義的。

最重要的金屬——鐵Fe

我國是世界上最早發(fā)明冶煉鑄鐵的國家

我國考古工作者曾發(fā)現(xiàn)公元前五世紀(jì)的鐵器，但數(shù)量不很多；另外，還發(fā)現(xiàn)公元前三、四世紀(jì)的鐵器，數(shù)量較多，而且冶鑄水平較高。如1950年，我國考古工作者曾在河南輝縣固圍村發(fā)掘戰(zhàn)國時代的魏墓，發(fā)現(xiàn)鐵制生產(chǎn)工具九十多件，其中有鐵犁、鐵鋤、鐵鐮刀、鐵斧、鐵鏈等。從這些實物可以推斷，我國勞動人民早在近三千年前的周代，已會冶煉鑄鐵了。到了公元前三、四世紀(jì)，我國鐵器的使用便普遍起來。這說明我國使用鑄鐵的時間要比歐洲早出一千六百年，是我國古代勞動人民對世界冶金技術(shù)的偉大貢獻。

自春秋以來，我國設(shè)有專門管理煉鐵的“鐵官”，也有專門經(jīng)營煉鐵的“鐵商”。到了漢朝，我國已普遍用熟鐵制造工具代替鑄鐵工具。到了唐朝，鐵的年產(chǎn)量達一千多萬斤。宋朝，鐵的年產(chǎn)量達三千萬斤以上。明朝，鐵的年產(chǎn)量則高達九千萬斤以上。明末宋應(yīng)星著的《天工開物》一書，不僅對古代的煉鐵技術(shù)作了詳細(xì)地介紹，而且還畫成了插圖作了形象的描繪。

鐵在地殼中的藏量為4.2%，就金屬而論，僅次于鋁，占第二位

據(jù)不完全統(tǒng)計，到1971年，世界各國已查明的鐵礦儲量為2500億噸以上。另外，還有5000億噸屬可利用的鐵礦資源。在大自然中，純凈的金屬鐵很少——只有從天上掉下來的“隕石”才幾乎是純鐵（僅含一點點雜質(zhì)鎳Ni），絕大部分鐵都是以化合物的狀態(tài)存在：烏黑發(fā)亮、具有磁性的磁鐵礦Fe₃O₄，紫紅色的赤鐵礦Fe₂O₃，棕黃色的褐鐵礦2Fe₂O₃·3H₂O，黑灰色的菱鐵礦FeCO₃，金光閃閃的黃鐵礦FeS₂。除了黃鐵礦含硫太高，不適用于煉鐵，一般只用作制造硫酸的原料外，磁鐵礦等都是煉鐵的原料。

這“鋼”與“鐵”是兩回事

純凈的鐵是銀白色的金屬，富有延展性。不過，純鐵的機械強度不高，在工業(yè)上不很常用。通常所說的“鋼鐵”，這“鋼”與“鐵”是兩回事。在工業(yè)上，鐵是分生鐵、熟鐵兩種——生鐵含碳1.7-4.5%，熟鐵含碳0.1%以下，而鋼呢？含碳量在0.1-1.7%之間。因此，生鐵、鋼、熟鐵的不同，主要在于含碳量的不同。

隨著含碳量的高低不同，生鐵、鋼、熟鐵的性能大不相同，用途也不同。

生鐵很脆，一般是澆鑄成型，所以又稱“鑄鐵”，如鐵鍋、火爐等，在工業(yè)上用來制造機床的床身、蒸氣機和內(nèi)燃機的汽缸等，它的成本比較低廉、耐磨，但沒有延性和展性，不能鍛打。

熟鐵所含雜質(zhì)少，接近于純鐵，韌性強，可以鍛打成型，所以又叫“鍛鐵”，如鐵勺、鍋鏟等。

鋼的韌性好，機械強度又高，在工業(yè)上的用途最廣。按含碳量的高低，分為三種碳素鋼，即低碳鋼（含碳低于0.25%），中碳鋼（含碳在0.25-0.6%之間），高碳鋼（含碳0.6%以上）。含碳約多，鋼的強度越大，硬度越高，但韌性、塑性卻越差。由于低碳鋼的性能與熟鐵近似，而成本比熟鐵低得多，現(xiàn)在工業(yè)上大都用低碳鋼代替熟鐵，如制造鐵絲、鉚釘、白鐵皮（鍍鋅Zn）、馬口鐵（鍍錫Sn）等。碳素鋼廣泛的被用來制造各種機器零件，如齒輪、凸輪、螺帽、鐵軌、鋼筋等等；曰常生活中用的刀、手表殼、鋼筆尖、針、剪刀等。另外，在鋼中加入各種不同的金屬或非金屬，可以制成許多性能不同的合金鋼。如含鎳Ni 36%的鎳鋼幾乎不因冷熱而仍煌冷縮，用來制造精密儀表零件；含18%鎢W的鎢鋼，即使已熾熱，仍非常堅硬，用來制造高速切割的車刀；含少量釩V的釩鋼，可使鋼的彈性增加一倍，用來制造各種彈簧；含2.5%硅Si的硅鋼做成硅鋼片，用作變壓器的鐵心，不僅可減少變壓器發(fā)熱現(xiàn)象，而且大量節(jié)約了電能。

在工業(yè)上，人們是在高爐中把鐵礦同焦炭、石灰石等混合在一起，在高溫下煉制鐵。焦炭是作為燃料與還原劑，石灰石則用來除去鐵礦中的雜質(zhì)，如氧化硅、硫、磷等。從高爐中煉出來的是生鐵。生鐵還需放入轉(zhuǎn)爐或平爐、電爐中，除去部分碳，煉制成鋼。

比之鋁、銅等金屬，鐵有一個很大的缺點，就是容易被銹蝕。純鐵雖是銀白色的，但是曰常所見的鐵，表面總是布滿褐色的鐵銹。不過，鐵在干燥的空氣里，放幾年也不會生銹；把鐵放在煮沸的、干凈的水里，也很久不會生銹。只有在潮濕的空氣或溶有空氣（使鐵生銹主要是空氣中的氧氣）的水中，才易使鐵生銹。鐵銹，是鋼鐵的心腹大患。據(jù)統(tǒng)計，在1890-1923年這33年之中，全世界生產(chǎn)的鋼鐵有40%因生銹而損失掉了！為了防銹，人們常在鋼鐵制品表面涂上油漆、陶瓷或鍍上防銹金屬。

重要的鐵的化合物

氧化鐵Fe₂O₃是咖啡色的，常用的棕色顏料便是它（顏色深淺與粉末粗細(xì)有關(guān)）。氧與鐵的化合物還有兩種——氧化亞鐵FeO是黑色的，而四氧化三鐵Fe₃O₄也是黑色的，但表面閃著藍光。時鐘的針、發(fā)條表面常是黑中透藍，便是表面經(jīng)過“發(fā)藍處理”——用化學(xué)方法使表面生成一層致密的四氧化三鐵可以防銹。

硫酸亞鐵FeSO₄本是白色的粉末，但常見的硫酸亞鐵晶體通常是淺綠色的，那時因為含有結(jié)晶水的緣故FeSO₄·7H₂O。所以硫酸亞鐵的俗名便叫“綠礬”。綠礬是十分重要的無機農(nóng)藥，也是制造藍黑墨水的主要原料。

還有兩種常見的鐵鹽：一種叫“黃血鹽”，是黃色的晶體，化學(xué)成分為亞鐵氰化鉀K₄[Fe(CN)₆]。黃血鹽與鐵離子Fe³⁺作用生成藍色的亞鐵氰化鐵Fe₄[Fe(CN)₆]₃的藍色沉淀，俗稱普魯士藍，用作藍色顏料。這個生成普魯士藍沉淀的反應(yīng)，在分析化學(xué)上常用來鑒定鐵離子。另一種叫“赤血鹽”，是紅色晶體，化學(xué)成分為鐵氰化鉀K₃[Fe(CN)₆]。赤血鹽與亞鐵離子Fe²⁺作用生成鐵氰化亞鐵Fe₃[Fe(CN)₆]₂的藍色沉淀，俗稱騰氏藍。這一反應(yīng)，在分析化學(xué)上常用來鑒定亞鐵離子。

鐵是生命的動力

一個成年人的血液中，大約含有 3克鐵，相當(dāng)于一根小鐵釘?shù)闹亓?。這些鐵，有75%是存在于血紅素中，因為鐵原子是血紅素的核心原子——這正如鎂是葉綠素的核心原子一樣。在器官中，含鐵最多的是肝和脾。

植物也離不了鐵，因為鐵是植物制造葉綠素時不可缺少的催化劑。如果一盆花得不到鐵，那么花很快就失去那艷麗的顏色，失去那沁人肺腑的芳香，葉子也發(fā)黃枯萎。

在鐵礦附近的水、泥沼、池塘以及自來水管中，常繁殖著一種“鐵菌”。它們把兩價鐵的化合物變成三價鐵的化合物，形成厚厚的紅棕色的氫氧化鐵Fe(OH)₃沉淀。 在一般土壤中，含有不少鐵的化合物。如紅土壤中，便含有很多氧化鐵。也有的土壤缺乏鐵，就得施加“鐵肥”——硫酸亞鐵了。

（赤鐵礦）

最硬的金屬——鉻

鉻是1797年法國化學(xué)家范奎林在分析鉻鉛礦時首先發(fā)現(xiàn)的。1799年人們便制得了純凈的金屬鉻。

鉻是銀白色的金屬，難熔(熔點1800℃)，比重為7.1，和鐵差不多。鉻是最硬的金屬！

通常的鉻都很脆，因為其中含有氫或微量的氧化物。極純的鉻卻并不脆，富有展性。

鉻的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定

在常溫下，放在空氣中或浸在水里，不會生銹。手表的外殼常是銀閃閃的，人們說它是鍍了“克羅米”，其實“克羅米”就是鉻。一些眼鏡的金屬架子、表帶、汽車車燈、自行車車把與鋼圈、鐵欄桿、照象機架子等，也都常鍍一層鉻，不僅美觀而且防銹。所鍍的鉻層越薄，越是會緊貼在金屬的表面，不易脫掉。在一些炮筒、槍管內(nèi)壁，所鍍的鉻層僅有0.005毫米厚，但是發(fā)射了千百發(fā)炮彈、子彈以后，鉻層依然還在。如果往鋼上鍍鉻，那么最好先鍍上一層鎳，然后再鍍上鉻，這樣可以更加耐用一些。

鉻的最重要的用途是制造合金

不銹鋼便含有12％以上的鉻(也有的是含13％的鉻和8％的鎳)。不銹鋼具有很好的韌性和機械強度，受熱不起鱗皮，尤其可貴的是耐腐蝕。例如硝酸是具有很強腐蝕性的酸，人們曾把兩塊重量都為20克的不銹鋼和普通碳素鋼，放在稀硝酸中煮沸一晝夜，結(jié)果普通鋼被強烈的腐蝕，只剩下13.6克重，而不銹鋼卻重19.8克。在常溫下，不銹鋼對空氣、海水、水蒸氣、鹽水、有機酸、食品介質(zhì)等，都具有很好的耐腐蝕性。在化工廠里，人們常用不銹鋼制造各種管道、反應(yīng)設(shè)備。像合成氨工廠，便需要二十多種具有不同性能的不銹鋼。一只手表中，不銹鋼差不多占總重量的60％以上，因為表殼、機器很多都是用不銹鋼做的。所謂“全鋼手表”，便是指它的表殼與表后蓋全都是用不銹鋼制的，而“半鋼手表”，則是指它的表后蓋是用不銹鋼做的，表殼是用黃銅或其他金屬做的。一些醫(yī)療器械，如手術(shù)刀、注射器的針頭、剪刀等，大都是用不銹鋼做的，清潔、美觀而經(jīng)久耐用。用不銹鋼制成的輪船、汽艇，根本不用涂漆。

鉻的化合物，五光十色

鉻的希臘文原意，便是“顏色”。金屬鉻是雪白銀亮的，硫酸鉻是綠色的，鉻酸鎂是黃色的，重鉻酸鉀是桔紅色的，鉻酸是猩紅色的，氧化鉻是綠色的(常見的綠色顏料“鉻綠”就是它)，鉻礬(含水硫酸鉻)是藍紫色的，鉻酸鉛是黃色的(常見的黃色顏科“鉻黃”就是它)。

重鉻酸鉀是重要的鉻化合物。在制革工業(yè)上，重鉻酸鉀常被服來代替鞣酸鞣制皮革。在化學(xué)上，常把它溶解在濃硫酸或濃硝酸中，配制成“洗液”，可以洗去玻璃儀器上的油跡和污斑。在分析化學(xué)上，重鉻酸鉀常用來作為氧化劑，來測定鐵礦中的含鐵量，叫做“重鉻酸鉀法”。

（鉻鐵礦)

錳最重要的用途是制造合金——錳鋼

錳是瑞典化學(xué)家氯氣的發(fā)現(xiàn)者社勒于1774年從軟錳礦中發(fā)現(xiàn)的。錳是銀灰色的金屬，很象鐵，但比鐵要軟一些。如果錳中含有少量的雜質(zhì)——碳或硅，便變得非常堅硬，而且很脆。不過，純凈的金屬錳的用途并不太廣，因為它比鐵還易生銹，在潮濕的空氣中，沒一會兒便變得灰蒙蒙的，失去了光澤——表面生成了一層氧化錳。再說，錳的熔點又比鐵低，機械強度不如鋼鐵，而價格又比鋼鐵貴得多，因此人們幾乎不生產(chǎn)金屬錳，而大量生產(chǎn)鋼鐵。

錳鋼的脾氣十分古怪而有趣

如果在鋼中加入2.5—3.5％的錳，那么所制得的低錳鋼簡直脆得象玻璃一樣，一敲就碎。然而，如果加入13％以上的錳，制成高錳鋼，那么就變得既堅硬又富有韌性。高錳鋼加熱到淡橙色時，變得十分柔軟，很易進行各種加工。另外，它沒有磁性，不會被磁鐵所吸引。

現(xiàn)在，人們大量用錳鋼制造鋼磨、滾珠軸承、推土機與掘土機的鏟斗等經(jīng)常受磨的構(gòu)件，以及鐵軌、橋梁等。上海新建的文化廣場觀眾廳的屋頂，采用新穎的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，用幾千根錳鋼鋼管焊接而成。在縱76米、橫138米的扇形大廳里，中間沒有一根柱子。由于用錳鋼作為結(jié)構(gòu)材料，非常結(jié)實，而且用料比別的鋼材省，平均每平方米的屋頂只用45公斤錳鋼。1973年興健的上海體育館(容納一萬八千人)，也同樣采用錳鋼作為網(wǎng)架屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料。在軍事上，用高錳鋼制造鋼盔、坦克鋼甲、穿甲彈的彈頭等。煉制錳鋼時，是把含錳達60一70％的軟錳礦和鐵礦一起混合冶煉而成的。

錳鋼含有30％的錳，具有很好的機械強度。由84％的鋼、12％的錳和4％的鎳組成的“孟加臬”合金(又名錳鎳銅齊)，它的電阻隨溫度的改變很小，被用來制造精密的電學(xué)儀器。

錳的重要化合物

在大自然中，便有大量天然的二氧化錳——軟錳礦。人們早在遠(yuǎn)古時代便知道軟錳礦了。二氧化錳是黑色的粉末。干電池中那些黑色的粉末，便是二氧化錳。人們常在油漆中加入它，以便加速油漆干燥的速度。人們在制造玻璃時，常往里加入二氧化錳，因為它能消除玻璃的綠色，使綠色玻璃變得無色透明。

錳的另一重要化合物是高錳酸鉀(俗稱“灰錳氧”)。高錳酸鉀是紫色針狀晶體。只要加入一點兒高錳酸鉀，便足以使一大桶水變成紫色。高錳酸鉀是很強的氧化劑，能殺菌。生活中也會使用濃度為千分之一的高錳酸鉀溶液消毒，人們稱之為“灰錳水”。不過這種水不能喝進肚里，因為它有催吐作用，在醫(yī)學(xué)上用作洗胃劑和催吐劑。在分析化學(xué)上，高錳酸鉀常用作氧化劑，著名的高錳酸鉀法便是用它作滴定液進行化學(xué)分析的。高錳酸鉀被還原后，常變成二氧化錳?！盎义i水”用完后，底下常有些黑色的渣子那便是二氧化錳。

此外，碳酸錳是重要的白色顏料，俗稱“錳白”。而硫酸錳在農(nóng)業(yè)上，則用作種子催芽劑或作“錳肥”——微量元素肥料。

在動植物體中，錳的含量一般不超過十萬分之幾。但紅螞蟻體內(nèi)含錳竟達萬分之五，有些細(xì)菌含錳甚至達百分之幾。人體中含錳為百萬分之四，大部分分布在心臟、肝臟和腎臟。錳主要是影響人體的生長、血液的形成與內(nèi)分泌功能。

（硬錳礦）


（軟錳礦）