软玉同硬玉一样也呈纤维状结构。这种由透闪石或阳起石组成的纤维状结构,是软玉具有细腻和坚韧性质的主要原因。透闪石是一种含水和氟的钙镁硅酸盐,其成分中常含有4%以下的铁,当铁含量超过4%时即过渡为阳起石。我国新疆软玉块体的化学分析结果是:二氧化硅占57.60%,氧化铝0.25%,三氧化二铁0.66%,氧化锰0.16%,氧化镁25.61%,氧化钙2.68%,其他杂质2.74%。硬度6~6.5。
石榴石
是化学成分比较复杂的硅酸盐,成分不定,通常用A3B2(SiO4)3表示,其中A表示Ca2+、mg2+、Fe2+、Mn2+等二价阳离子,B表示Al3+、Fe3+、Cr3+等三价阳离子。硬度为6.5~7.5,透明至微透明,时或光性异常,呈双折射现象,色泽一般美丽。组成为Fe3Al2Si3O12者名为贵石榴石,常为血红或粉红,外观略带黑色。
蛋白石
含水、二氧化硅,硬度逊于石英,表面常呈葡萄状,有白灰、黄褐等色,光泽似脂肪或珍珠,不透明至微透明。若为钟乳状,常呈红或绿色,光泽强,剖面能显各种美色之反光者,常称为贵蛋白石。
水晶
六方柱状纯石英晶体,无色透明,折射率大,其含有极微量放射性元素(镭)而显烟陶色者叫烟水晶(俗名茶晶),显黑者为黑烟水晶(俗名墨晶)。含氮的有机物呈褐色或黄色者叫褐石英或黄水晶。含锰而色紫者叫紫水晶。
玉髓
透明或半透明,成分为SiO2,硬度为7。有肉红、淡红、浓绿、血红等,不透明者即为玛瑙。
碧玉
是由硅质物质沉积而成,化学成分为SiO2,并含Fe2O3,因含有铁质,故常呈各种颜色。其浓绿者极似浓绿玉髓,质致密不透明,
琥珀
成分为碳氢化合物(C10H16O),非晶体,透明至半透明,有赤褐等色,硬度为2~2.5,摩擦能生电。
孔雀石
成分为Cu2(OH)2CO3,由含铜矿物受碳酸及水的作用而形成,光泽似金刚石,色翠绿,间有呈孔雀尾之彩纹。
同位素的发现
早在19世纪初,化学家发现一个事实,根据化学反应求得的原子量,大体上是氢原子量的整数倍,但是少数元素的原子除外,如镁是24.3,氯是35.5。
为了解释这种事实,1815年英国年轻化学家普劳特(W.Prout,1785—1850年)提出一个看法,氢是母体,其他元素原子的原子量都是氢的整数倍。至于有的元素的原子量总是小数,这是实验误差造成的。
1886年英国科学家克鲁克斯做了多次实验,得到结论是出现小数的原子量绝非实验误差所致。他大胆地假设:同一元素的原子,可以有不同的原子量,这种原子量不同的原子,化学性质极其相似,相互混杂,因此化学家测定元素原子的原子量是各原子原子量的平均值。克鲁克斯的看法是很接近事实的,可惜当时他无法用实验来说明,因而不能取得化学界共识。
真正用实验研究这个问题的是英国科学家阿斯顿,他是质谱仪的发明者。而质谱仪是能够精确测定原子量的仪器。他用质谱仪测定氯的原子量总是35.457。在质谱仪照片中,氯留下一大一小两个黑斑。根据它的位置偏离程度,很容易算出氯的原子量有35和37两种,它们的比约为4∶1,由此得到原子量平均值正是35.457。阿斯顿还测定氖元素有三种原子:90%的原子量为20,9%的原子量为22,剩下不到1%原子量为21,因此求得氖的原子量为20.18。
虽然阿斯顿做了划时代的实验,但是他毕竟不是一个化学家,不能把这一工作深入下去,更不去解释原因何在。
1906年,美国化学家伍德沃德发现有两种半衰期不同的钍元素。差不多在同一时间内,英国科学家索迪在加拿大也测定到了钍元素有两种质量数的原子,一种是232,一种是228。
1910年英国的索迪首先提出同位素概念:在周期表里的位置相同而原子量不同的原子互称同位素。现在的语言是质子数相同但中子数不同的原子互称同位素。例如,钍有232和228,氯有35和37等。索迪预言一种元素有两种或两种以上的同位素,这应是普遍现象。
目前同位素可用蒸馏法、浓缩法、扩散法等方法分离。同位素的发现使化学家进一步认识到决定原子特征的不是原子量,而是核电荷数。于是化学家取得共识:根据原子核内电荷多少给原子分类,把核电荷数相同的一类原子称为元素。
锗的历史
1871年俄罗斯化学家门捷列夫,发现元素周期律时预言一种未知元素“类硅”的存在,并根据周期律推论出它的许多性质。在1886年,德国化学家文克勤(1838—1904年),用光谱分析法分析硫银锗矿时,发现了这种“类硅”的新元素,并命名为锗,符合Ge,意在纪念德国。文克勤用氢气使硫化锗还原为金属锗,还研究了它的性质,并与门捷列夫推论的性质作了如下的对比:当文克勤看到自己所发现的锗与门捷列夫所预言的“类硅”性质如此接近,使他大为惊奇。他说:“再也没有比类硅的发现能这样好地证明元素周期律的正确性了,他不仅证明了这个有胆略的理论,它还扩大了人们在化学方面的眼界,而且在认识领域里也迈进了一步。”
锗在地壳中的含量为百万分之七,比之氧、硫、碳、硅等常见元素当然很少,但比砷、汞、银、金等元素都多。由于锗非常分散,几乎没有比较集中的锗矿,因之人们称之为稀散金属。现在已发现的锗矿有硫银锗矿、锗石、硫铜铁锗矿,其中含锗都没有超过10/100。另外锗还夹杂在铅矿、铜矿、铁矿、碳等矿物中,但含量也极少。由于锗非常分散,提炼很困难。制取锗的来源通常为加工有色金属矿石。
近30年来,纯锗大量的用来制造晶体整流管和晶体放大管。这种锗晶体管很小,构造简单、耐震、耐撞,比电子管的寿命长,耗电量小,成本低。由于温度改变时,锗的电阻也随之发生灵敏的变化,所以锗又用来制造热敏电阻,来测量温度的高低。把锗涂在玻璃上制成电阻,可以用来造光电管、热电偶等。由于半导体锗的发现和应用,开辟了电子微型化的道路,是无线电技术发展中的一大进步。
古代对铅的认识
早在公元前3000年左右,人类就发现了铅,在纪元前成书的旧约圣经中几次讲到了铅。战国时期,《管子·地数篇》就有这样的记载:“上有陵石者,下有铅、锡、赤铜,……”在古埃及它被用来给陶瓷上釉和制作饰品。古罗马人广泛用铅作水管和贮酒容器,至今还有一些完整的古罗马的铅管。在古埃及、希腊和罗马,曾用铅来铸钱币,以铅为焊剂。在古罗马,人们还用铅皮代替瓦铺在房顶上。在我国新石器时代晚期就有一些铜制工具和装饰品中含有铅。这说明在我国4000年前,我们的祖先就认识和使用了铅。商代晚期的铅器,铸造很精细。西周的铅戈含铅达97.5%。
在英国博物馆里藏有在埃及阿拜多斯清真寺发现的公元前3000年的铅制塑像。在伊拉克乌尔城和其他一些城市发掘古迹所获得的材料中,不仅找到属于公元前4000年间的各种金属物件,而且有古代波斯人所用的契型文字的黏土板文件记录。这些记录说明,在公元前2350年已经从矿石中提炼出大量铁、铜、银和铅。在公元前1792—前1750年巴比伦皇帝汉穆拉比统治时期,已经有了大规模铅的生产。在我国殷代墓葬中也发现有铅制的酒器卣、爵、觚和戈等。
我国在商殷至汉代青铜器中铅的含量有增大的趋势。青铜中铅的增加对于液态合金流动性的提高起了重要作用,使铸件纹饰毕露。
不过,古代人对铅和锡的分别并不是十分明确。罗马人称铅为黑铅,称锡为白铅,以致后来它的元素符号定为Pb。
中外古炼金家和炼丹家们对铅和铅的一些化合物进行了实验,例如在魏伯阳所著的《周易参同契》中说:“胡粉投火中,色坏还为铅。”用今天的化学方程式表示就是:
Pb3O4+2C3Pb+2CO2↑
直到16世纪以前,在用石墨制造铅笔以前,在欧洲,从希腊,罗马时代起,人们就是手握夹在木棍里的铅条在纸上写字,这正是今天“铅笔”这一名称的来源。到中世纪,在富产铅的美国,一些房屋,特别是教堂,屋顶是用铅版建造,因为铅具有化学惰性,耐腐蚀。最初制造硫酸使用的铅室法也是利用铅的这一特性。
铅的有些性质与锡不一样。铅在空气中表面很快氧化,变成暗淡无光的灰黑色;铅和它的化合物都有毒,古人开始时不了解这一点,如古罗马人爱用铅作水管。据考古研究,在古罗马的墓中曾发现尸骨上常有硫化铅的黑斑点,这就是由于饮了流经铅管的水引起的。后来人们在实践中发觉了这一点,铅的使用范围逐渐缩小,一般只用来做照明器材了。
锗的发现
1871年俄国化学家门捷列夫预言“类硅”的元素存在。并预言了它的性质。
1885年德国矿物学家威斯巴克在一矿山发现了一种以硫化银为主的新矿石——弗赖堡矿石即硫化银锗矿(4Ag2S·GeS2)。
1886年,德国化学家温克勒分析这一新矿物,八个全分析结果均差7%左右,因此他断定矿石中一定含有一种未知的新元素。他认为这新元素必定同砷、锑、锡三者同属于一分析组、将矿物与碳酸钠和硫共熔,然后溶于水中,过滤,溶液中加入大量盐酸即得到大量片状的白色沉淀,把这沉淀烘干后于氢气流中加热还原,就分离出这种新元素。
温克勒为了纪念他的祖国德意志,把新元素命名为Germanium,即“锗”,源自德国的拉丁名称“Germania”。
锗地壳中的含量约0.0007%,大量的锗以分散状态存在于各种金属的硅酸盐矿、硫化物矿以及各种类型的煤中。
锗为银灰色晶体;熔点937.4°C,沸点2830°C,密度5.35克/厘米3,硬度6~6.5;室温下晶体锗质脆;有明显的非金属性质。
室温下,单质锗与氧、水不起作用;加热到700°C以上时与氧反应;加热时能与卤素或硫反应;锗能溶于热的浓硫酸、硝酸;易溶于硝酸和氢氟酸的混合液;在空气存在下,易溶于熔融的苛性钠。
高纯单晶锗是制造晶体管和二极管的半导体材料;掺镓的单晶硅克用于制造低温温度计和辐射热测量计。
中国古代的陶瓷化学
优美的陶瓷制品是中国对世界文明的一大贡献。中国人在仰韶文化时期(约公元前5000—前3000)已经制作和使用丰富多彩的陶器。瓷器则是中国古代的重大发明之一,自东汉时起,即由丝绸之路和海路输往世界各地,受到各国人民的赞誉和喜爱,成为中国古代灿烂文明的象征。在英语中,中国和瓷器两词通用,并不是一个名词的偶然巧合,而是有其由来和特殊意义的。中国古代,在陶瓷制作过程中,应用和积累了不少化学知识。
原始陶器
中国最原始的陶器出现于新石器时代的初期,即距今一万年以前。1962年在江西万年县大源仙人洞发现的新石器时代早期洞穴中,发掘出最原始的陶片90余块,质地粗糙,厚薄不匀,混杂有石英砂粒,松脆易碎,胎色以红褐为主,火候也不均匀,器皿没有耳、足等附件。这些都说明了它们是手工捏成,以篝火烧制的。
红陶
大约距今6500年前,即新石器时代的中期,原始陶器发展为红陶,基色灰红,这是黏土经氧化焰焙烧后新石器时期彩陶罐。陶器是人类最早的化学工艺制品,彩陶是早期陶器之一,其中三氧化二铁呈红色所造成的。陶料已相当细腻,厚薄均匀,造型端正,质地坚硬。这表明黏土经过了淘洗、澄滤,大概已采用泥条盘筑法制坯;焙烧火力均匀,温度达到了950C以上,表明这时已经有了竖窑或横窑。红陶是黄河流域仰韶文化的代表。多种红陶上常常有彩绘装饰,这类红陶称为彩陶,其涂料是赭石粉、铁锰矿粉和白土。
黑陶
红陶进一步发展为黑陶。黑陶色泽黑灰或乌黑,有的坯体中含有细石英砂,所以又称夹砂黑陶。它的呈色有的是由于表面蒙上了一层烟熏的炭层而乌黑发亮;有的则是因为在坯体黏土中有意掺和了炭化的植物茎叶和稻谷壳,这样可防止陶坯在焙烧过程中开裂。但黑陶通体内外呈黑灰色,更主要的还是由于陶坯中的三氧化二铁在还原气氛中生成了四氧化三铁。这表明当时陶工已初步懂得了焙烧气氛的控制和利用。个别黑陶出现于距今5000—7000年前的河姆渡文化遗址中,但大量出现于4000—5000年前,即新石器时代后期,是龙山文化的代表。有的黑陶工艺相当精巧,体形匀称端雅,表面乌黑,壁薄而坚硬,所以又称蛋壳陶。由于其内壁常有圈纹,说明这时已采用原始的旋转式陶车。
白陶
在距今4000—5000年前的龙山文化中还出现了白陶,但大量白陶的制作则在殷商时期。它的原料是白色黏土,主要成分是硅酸铝,含氧化铝可达30%左右,三氧化二铁含量很低,约1%~2%。因此,焙烧后陶器保持洁白。由于选用的原料可塑性好,质地坚硬,壁薄,而且常饰以印纹,较彩陶更雅致端庄。
硬陶
黑陶的进一步发展则是硬陶。它的特点是质地细腻、坚硬,其原料陶土中所含二氧化硅较红陶明显要高,烧成温度需要1100~1200℃,所以质地坚硬不裂,有的表面甚至已达烧结的程度,呈现光泽。这种陶器表面也常拍印上几何图形的纹饰,因此常称为印纹硬陶。由于硬陶原料中含铁量较高,所以胎质表里多呈紫褐色。最早的硬陶出土于江西、湖南和福建一带的新石器时代晚期遗址中,距今4000年左右。
釉陶
在商代出现了釉陶。其胎骨原料与硬陶相近,但在挂陶衣的黏土浆中掺加了石灰石、方解石等碱性物质。开始时的目的可能是为了着上白色以求美观。这样便使陶器表面在1000℃的高温焙烧过程中形成一层玻璃状物质,这就是早期的石灰釉。由于釉中含铁,在还原性气氛中烧成时,釉层便呈现出青绿的色调,所以一般称为青釉;如果在氧化气氛中烧成,则呈黄褐色。釉陶较之硬陶不仅美观,而且更不透水,容易清洗,适用于作贮水器、酿酒器和水管、板瓦等。