书城科普读物社会文明的标志——化学
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第9章 千姿百态的金属(2)

钙的推荐每日供给量标准如下:从初生到10岁儿童为600毫克,10岁~13岁为800毫克,13岁~16岁为1200毫克,16岁~l9岁为1000毫克,成年男女为600毫克,孕妇为1500毫克,乳母为2000毫克。青春期前儿童生长发育迅速,钙的需要量也相对最大,可达到成年人需要量的2倍~4倍,要特别注意补充。

钢铁中的秘密你知道多少

铁是人类运用最广泛的金属之一,也是人类使用时间最长的金属之一。铁为柔韧而有延展性的银白色金属。铁是地球上分布最广的金属之一,约占地壳质量的5.1%,居元素分布序列中的第四位,仅次于氧、硅和铝。

钢不同于铁

铁碳合金分为钢与生铁两大类,钢是含碳量为0.03%~2%的铁碳合金。

碳钢是最常用的普通钢,冶炼方便、加工容易、价格低廉,而且在多数情况下能满足使用要求,所以应用十分普遍。按含碳量不同,碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量的升高,碳钢的硬度增加、韧性下降。合金钢又叫特种钢,在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素,使钢的组织结构和性能发生变化,从而具有一些特殊性能,如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性,等等。经常加入钢中的合金元素有硅、钨、锰、铬、镍、钼、钒、钛等。合金钢的资源相当丰富,除铬、钴不足,锰品位较低外,钨、钼、钒、钛和稀土金属储量都很高。21世纪初,合金钢在钢的总产量中的比例有大幅度增长。

含碳量2%~4.3%的铁碳合金称生铁。生铁硬而脆,但耐压耐磨。根据生铁中碳存在的形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。白口铁断口呈银白色,质硬而脆,不能进行机械加工,是炼钢的原料,故又称炼钢生铁。碳以片状石墨形态分布的称灰口铁,断口呈银灰色,易切削,易铸,耐磨。若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁,其机械性能、加工性能接近于钢。在铸铁中加入特种合金元素可得特种铸铁,如加入Cr,耐磨性可大幅度提高,在特种条件下有十分重要的应用。

人类的好朋友

铁在自然界中的分布极为广泛,但人类发现和利用铁却比黄金和铜要迟。首先是由于天然的单质状态的铁在地球上非常稀少,而且它容易氧化生锈,加上它的熔点又比铜高得多,就使得它比铜难于熔炼。人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石,陨石中含铁的百分比很高,是铁和镍、钴等金属的混合物,在融化铁矿石的方法尚未问世,人类不可能大量获得生铁的时候,铁一直被视为一种带有神秘性的最珍贵的金属。

西亚赫梯人是最早发现和掌握炼铁技术的。我国从东周时就有炼铁,至春秋战国时代普及,是较早掌握冶铁技术的国家之一。我国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交时期出现的。这从江苏六合县春秋墓出土的铁条、铁丸,和河南洛阳战国早期灰坑出土的铁锛均能确定是迄今为止的我国最早的生铁工具。生铁冶炼技术的出现,封建社会的作用与蒸汽机对资本主义社会的作用可以媲美。

铁的发现和大规模使用,是人类发展史上的一个光辉里程碑,它把人类从石器时代、铜器时代带到了铁器时代,推动了人类文明的发展。至今铁仍然是现代工业的基础,是人类进步所必不可少的金属材料。

2007年,全球钢铁产量达13.45亿吨。其中我国铁、钢产量分别达到4.69亿吨、4.89亿吨。占全球钢产量份额由2000年的15.0%,提高到了2007年的36.4%。我国2007年的钢产量比世界排名第二的日本、排名第三的美国、排名第四的俄罗斯、排名第五的印度、排名第六的韩国、排名第七的德国、排名第八的乌克兰之和还多。2008年,中国钢产量达5亿吨,占全球钢产量份额的37.3%。国家统计局最新数据显示,2009年1月至11月,中国粗钢和生铁产量分别达到51818万吨和49860万吨,同比分别增长12.1%和15.1%;受全球性经济危机的影响,预计2009年全球产粗钢12亿吨左右,比2008年减产10%左右;但中国钢产量仍将保持增长势头,其中粗钢和生铁产量将可能达到5.7亿吨和5.5亿吨左右的历史新纪录,占全球产量的48%以上。

人体不可或缺的元素——锌

锌是人体生理必需的微量元素之一。人体的机体含锌2克~2.5克。人体内的锌主要存在于肌肉、骨骼、皮肤(包括头发)中。

锌是多面手

锌在人体中含量虽然不多,但是作用很关键。

一是参加人体内许多金属酶的组成。锌是人机体中200多种酶的组成部分,在按功能划分的六大酶类(氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成酶类)中,每一类中均有含锌酶。

二是促进机体的生长发育和组织再生。锌是调节基因表达即调节DNA复制、转译和转录的DNA聚合酶的必需组成部分,因此,缺锌动物的突出症状是生长、蛋白质合成、DNA和RNA代谢等发生障碍。

三是促进食欲。动物和人缺锌时,会出现食欲缺乏的症状。锌可通过其参与构成的含锌蛋白对味觉和食欲发生作用,从而促进食欲。

四是锌缺乏会对味觉系统有不良的影响,易导致味觉迟钝。这是因为唾液蛋白对锌的依赖性比较高。

五是保护皮肤健康。动物和人都可因缺锌而影响皮肤健康,出现皮肤粗糙、干燥等现象。

此外,锌还可促进伤口的愈合,增强机体抵抗力。

应该怎么样补锌

正是因为锌对人体如此重要,所以“补锌”才会继补钙之后,成为人们关注的又一热点话题。不论是发育期的儿童、怀孕的妈妈、忙碌的白领,还是体质大不如从前的老人,似乎都在想着法子“补锌”。

但是,补锌也不是越多越好,而是要适量,儿童过量补锌不但起不到促进孩子生长的作用,反而会引起中毒,影响生长发育。

其实,只要正常饮食,就不会缺锌。

尽管缺锌能导致婴幼儿厌食、生长缓慢,成年人身体抵抗力下降、皮肤伤口愈合慢等问题,但锌作为一种微量元素,每天的需求量并不大。

据介绍,0~6个月的婴儿每天只需要1.5毫克锌,7~12个月的婴儿为8毫克,之后随年龄增长,对锌的需求量缓慢递增,到14~18岁时增至最高量19毫克。一旦过了18岁,人体对锌的需求量就会下降,每天只需要摄入11.5毫克就够了。

对于不缺锌的人来说,额外补充有可能造成体内锌过量,从而引发代谢紊乱,甚至对大脑造成损害。

服用锌过量会导致人出现呕吐、头痛、腹泻、抽搐等症状,并可能损伤大脑神经元,导致记忆力下降。

此外,体内锌含量过高,可能会抑制机体对铁和铜的吸收,并引起缺铁性贫血。尤其需要注意的是,过量的锌很难被排出体外。

锌的来源广泛,普遍存于各种食物,但动植物性食物之间,锌的含量和吸收利用率差别很大。

动物性食物含锌丰富且吸收率高。据报告每公斤食物含锌量,如牡蛎、鲱鱼都在1000毫克以上,肉类、肝脏、蛋类则在20毫克~50毫克之间。

我国预防医学科学院营养与食品卫生研究所编著的《食物成分表》已列出我国部分食物的锌含量,每公斤含锌在30毫克以上的有大白菜、黄豆、白萝卜;含锌在10毫克~30毫克之间的有稻米(糙)、小麦、小麦面、小米、玉米、玉米面、高粱面、扁豆、马铃薯、胡萝卜、紫皮萝卜、蔓菁、萝卜缨、南瓜、匣子;含锌不足10毫克的有甜薯干。

带来了光明的金属——钨

钨属于有色金属,也是重要的战略金属。钨矿在古代被称为“重石”。钨是银白色有光泽的金属,熔点极高,硬度很大。

给人类带来光明的金属

人们对钨是耳熟能详的。在现代社会里,所有人都离不开它。钨把光明送给了世界,人们从此可以在夜间从事更精细的工作,极大地提高了工作效率、生产效率。

钨是稀有高熔点金属,属于元素周期表中第六周期(第二长周期)的VIB族。钨是一种银白色金属,外形似钢。钨的熔点高,蒸气压很低,蒸发速度也较小。钨的化学性质很稳定,常温时不跟空气和水反应,不加热时,任何浓度的盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸以及王水对钨都不起作用,当温度升至80℃~100℃时,除氢氟酸外,其他的酸对钨仅发生微弱作用。常温下,钨可以迅速溶解于氢氟酸和浓硝酸的混合酸中,但在碱溶液中不起作用。有空气存在的条件下,熔融碱可以把钨氧化成钨酸盐,在有氧化剂存在的情况下,生成钨酸盐的反应更猛烈。高温下能与氯、溴、碘、碳、氮、硫等化合,但不与氢化合。

钨的发现

1781年瑞典化学家卡尔·威廉·舍耶尔发现白钨矿,并从中提取出新的元素酸——钨酸,1783年被西班牙人德普尔亚发现黑钨矿也从中提取出钨酸,同年,用碳还原三氧化钨第一次得到了钨粉,并命名该元素。

钨在地壳中的含量为0.001%。已发现的含钨矿物有20种。钨矿床一般伴随着花岗质岩浆的活动而形成。

目前世界上开采出的钨矿,约50%用于优质钢的冶炼,约35%用于生产硬质钢,约10%用于制钨丝,约5%用于其他用途。

18世纪50年代,化学家曾发现钨对钢性质的影响。然而,钨钢开始生产和广泛应用是在19世纪末和20世纪初。

1900年在巴黎世界博览会上,首次展出了高速钢。因此,钨的提取工业从此得到了迅猛发展。这种钢的出现标志了金属切割加工领域的重大技术进步。钨成为最重要的合金元素。

1927年~1928年采用以碳化钨为主成分研制出硬质合金,这是钨在工业发展史中的一个重要阶段。这些合金各方面的性质都超过了最好的工具钢,在现代技术中得到了广泛的使用。

现在的人们普遍认为电灯是由美国人托马斯·阿尔瓦·爱迪生发明的。但是,在当时爱迪生为了夺得这个头衔却费了不少的劲,打了好长时间的官司。

在爱迪生发明电灯数十年之前,另一美国人亨利·戈培尔已经使用相同原理和物料,制造了可靠的电灯泡,而且在爱迪生之前,也有很多人亦对电灯的发明作出了不少贡献。1801年,英国一名化学家戴维将铂丝通电发光。他在1810年亦发明了电烛,利用两根碳棒之间的电弧照明。1854年亨利·戈培尔使用一根炭化的竹丝,放在真空的玻璃瓶下通电发光。他的发明在今天看来是首个有实际效用的白炽灯。他当时试验的灯泡已可维持400小时,但是并没有及时申请设计专利。

1850年,英国人约瑟夫·威尔森·斯旺开始研究电灯。1878年,他以真空下用碳丝通电的灯泡得到英国的专利,并开始在英国建立公司,在各家庭安装电灯。

1874年,加拿大的两名电气技师申请了一项电灯专利。他们在玻璃泡之下充入氦气,以通电的碳杆发光。但是他们无足够财力继续发展这发明,于是在1875年把专利卖给爱迪生。

爱迪生购下专利后,尝试改良使用的灯丝。1879年他改以碳丝造灯泡,成功维持13个小时。到了1880年,他造出的炭化竹丝灯泡曾成功在实验室维持1200小时。但是在英国,斯旺控告爱迪生侵犯专利,并且获得胜诉。爱迪生在英国的电灯公司被迫让斯旺加入为合伙人。但后来斯旺把他的权益及专利都卖给了爱迪生。在美国,爱迪生的专利亦被挑战。美国专利局曾判决他的发明已有先例,属于无效。最后经过多年的官司,爱迪生才取得碳丝白炽灯的专利权。

人最早的金属朋友——铜

铜是人类最早发现并使用的金属,生活器皿、农具以及钱币,无不与铜密切相关。铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。直到现在,铜依然是人类不可或缺的金属之一。

铜臭是什么味

铜甚至已经成为钱的代称,古代的文人看到暴发户的种种陋习,往往翻着白眼,吸着鼻子说有铜臭味。

人类用铜铸造钱币的历史已经上不可朔,应该是在贝币使用之后,用铜铸造的钱币也就诞生了。如此历代相传,一直沿袭至今。现代社会利用铜来铸造钱币,比起古人来犹有过之。

在铜币的应用中,除了变化尺寸以外,可以很方便地采用不同合金成分、改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币。常用的有含25%镍的:“银币”,含20%锌和1%锡的黄铜币以及含少量锡(3%)和锌(l.5%)的“铜”币。全世界每年生产铜币要消耗成千上万吨的铜。仅伦敦皇家造币厂一家,每年生产7亿个铜币,就需要大约七千吨铜。

青铜器皿

铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿。

随着生产的发展,只是使用天然铜制造的生产工具就不敷应用了,生产的发展促使人们找到了从铜矿中取得铜的方法。含铜的矿物比较多见,大多具有鲜艳而引人注目的颜色,例如:金黄色的黄铜矿(铜铁硫化物)、鲜绿色的孔雀石、深蓝色的石青等,把这些矿石在空气中焙烧后形成氧化铜,再用碳还原,就得到金属铜。

纯铜制成的器物太软,易弯曲。人们发现把锡掺到铜里去,可以制成铜锡合金——青铜。青铜是人类历史上一项伟大发明,也是金属冶铸史上最早的合金。青铜发明后,立刻盛行起来,从此人类历史也就进入新的阶段——青铜时代。