金属(2)：金属密度和熔点的小秘密

2018-06-11供稿贾成厂

金属世界 2018年3期

供稿|贾成厂 /

金属的密度

密度是反映物质特性的物理量，在物理学中把单位体积物质的质量称为密度。常见金属密度见表1，密度最大的金属是锇，密度最小的金属是锂。金属锇的密度比黄金还要大，是钢铁材料密度的3倍，是密度最小的金属锂的42倍。锂的密度仅有水的一半多一点，可以轻易地漂浮在水上，但是它会与水发生剧烈的化学反应。

金属锇的秘密

锇的化学元素符号是Os，源于希腊语的“味道”一词。锇的密度为22.59 g/cm³，是密度最大的金属[1]。锇的密度大约相当于铅的2倍，铁的3倍，锂的42倍。紧随其后，密度排在第二位的金属是在化学元素周期表中锇的邻居——金属铱，密度为22.56 g/cm³。在过去很长一段时间里，工业生产中应用较多的金属铱的密度被测定为22.65 g/cm³，而锇的密度则被测定为22.61 g/cm³，这使得金属铱一度被错误地认为是密度最大的金属元素，但如今科学家们已经确切地证实这些数字是错误的。

如图1所示，锇是一种银白且带浅蓝色的金属，硬而脆，在空气、水和酸中稳定，不溶于普通的酸，甚至在王水里也不会被腐蚀，但溶于熔融的碱中。把金属锇放在铁臼里，会很容易地捣成蓝黑色的锇金属粉末。锇被捣成粉末后，在常温下就会缓慢氧化，生成具有挥发性的四氧化锇(OsO4)，具有强刺激性气味。四氧化锇熔点低至48℃时，沸点低至130℃。四氧化锇蒸气有剧毒，对人的眼睛会产生强烈的刺激，严重时还可能导致眼睛失明。吸入其蒸气可使人死亡。据一名专家介绍：“四氧化锇是可怕的。它能刺激眼睛、鼻、喉咙和肺，造成受害者如同哮喘病发作般死去。”正是因为其氧化物的蒸气具有这样可怕的味道而源于希腊语的“味道”一词命名该元素为“Osmium”——锇。

在工业生产中，锇被用做催化剂。合成氨时，如果用锇做催化剂，可以提高转化率。氨是一种重要的化学物质，合成氨在农业和工业中起很大的作用。在农业上。可以用氨制造氮肥，工业上使用其中的氮与其他物质化合而成各种不同的含氮化合物，然后再用于各个领域。德国卡斯鲁荷技术大学的科学家哈伯教授是合成氨的鼻祖，在世界上第一个研究成功合成氨技术并使其实施。1908年他通过大量的研究和实验，发现用锇为催化剂在17.5～20 MPa、500～600 ℃条件下，已可获得6%的氨含量，远高于不使用锇催化剂时氨的最高平衡浓度0.9%。由于哈伯的杰出贡献，他被授予1918年的诺贝尔化学奖。德国巴斯夫公司购买了哈伯的专利，并派博施作为代表进行工业化合成氨实验。于1913年建成世界上第一座合成氨工厂并正式进入商业运行，博施的特殊贡献被授予1931年的诺贝尔化学奖。

铂锇合金是铂基含锇的二元合金。锇具有提高合金硬度及电阻系数的作用。该合金一般用高频炉氩气保护熔炼，热轧后再冷轧成材，含锇大于10%的合金很难加工。在用金属铂制作手术刀时，如果加入微量的锇，可以使手术刀变得更加坚硬而锋利。

单质锇粉末易氧化，锇的氧化物又有毒性，所以锇铱合金比纯锇更常见，更稳定。锇铱合金的最大特点就是其优异的耐磨性。铱金笔笔尖上那颗银白色的“小圆点”就是锇铱合金，之所以比普通的钢笔尖耐用，关键就在这个锇铱合金“小圆点”。利用锇铱合金的耐磨性，还可以做钟表和重要仪器的轴承以及电子开关等需要高硬度及耐磨的地方，能使用多年而不会损坏。

金属锂的秘密

如图2所示，锂是一种银白色、质地柔软的金属。锂的密度仅为0.534 g/cm³，是密度最小的金属。锂的原子半径很小，因而在碱金属元素中锂的压缩性最小、硬度最大、熔点最高。在自然界中，锂主要以锂辉石、锂云母、透锂长石和磷铝石等锂矿物的形式存在。在人及其他动物的机体、土壤、矿泉水、可可粉、烟叶、海藻等物质中也存在有锂元素[2]。

表1 常见金属元素密度

图1 金属锇

1 kg锂燃烧可放出42998 kJ的热量。将1 kg锂通过热核反应放出的能量能够抵上燃烧2万多吨优质煤，因此金属锂是制作固体燃料的最佳金属之一。用锂制成固体燃料作为推进剂用于宇宙飞船、火箭、导弹等，不仅能量高、燃速大，而且比冲量能够极大地提高，从而大大增加飞行器的有效载荷。

在铝中加入少量的锂等金属熔成合金，既轻便，又坚硬，用来制造飞机，能使其质量减轻约2/3。另外，锂-铅合金是一种良好的固体润滑减摩材料。

20世纪30—40年代研制开发的优质能源之一是锂电池，具有比能量高、工作温度范围宽、开路电压高、放电平衡等优点。锂电池是极具前途的动力电池，已被广泛应用于多种领域。锂电池汽车的行车能源消耗仅为普通汽油发动机汽车的1/3。发展锂电池等新型能源电池是解决汽车用油危机和排气污染的重要途径之一。

由锂可以制取氢的同位素氚。氚是元素氢的一种放射性同位素，简写为3H，专用符号为T，其原子核由一个质子和二个中子组成。氚在自然界中含量极微。自然界的氚是宇宙射线与大气层上层的大气间作用，通过核反应生成的。用中子轰击锂可产生氚。氚主要用于科学研究中的标记化合物，制作发光氚管，还可能成为热核聚变反应的原料。氚用于发动原子电池组，可连续工作20年之久，且中间不需要充电[3]。

非金属元素在特定环境下也可能呈现金属特征[4]。例如，2016年1月英国科学家在爱丁堡大学首次制成金属态氢，从而金属氢成为了密度最小的金属。但是常态下氢毕竟是非金属。

图2 金属锂

金属的熔点

熔点是晶体物质的一种物理性质，金属晶体在加热时从开始熔化到完全熔化时温度保持不变，这个固定的温度叫做该金属的熔点。常见金属的熔点见表2，熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞。钨的熔点与汞的熔点相差约3450℃。

熔点最高的金属——钨

钨是熔点最高的金属，它的熔点高达3410℃，沸点为5927℃。如图3所示，金属钨的硬度大，密度高，高温强度好，在2000～2500℃高温下，蒸汽压仍很低[知识小贴士]。

钨最早用于制作白炽灯丝。在工业生产中，钨大部分用于生产硬质合金。钨与铬、钼、钴组成的耐热合金用于制作刀具、金属表面层硬化材料、燃气轮叶片和燃烧管等。钨与钽、铌、钼等组成难熔合金。钨铜和钨银合金用作电解触点材料。高密度的钨镍合金用作防辐射的防护屏。金属钨的丝、棒、片等用于制作电灯泡、电子管的部件和电弧焊的电极。利用钨粉可以制作成过滤器具，并且通过调节钨粉的粒度与制备工艺可以得到不同孔隙度的过滤器具。可以由钨的化合物来制作一些荧光剂、颜料、染料等，还可以用于鞣革和制作防火织物等。

表2 常见金属的熔点

图3 金属钨

现代的超硬质合金是由碳化钨和一些其他元素的碳化物用烧结方法生产的。把难熔金属(钨、钽、钛、钼等)的碳化物的硬质颗粒跟一种或几种铁族元素(钴、镍或铁)的粉末混合后压制成型，再经烧结制成超硬质合金器具。

熔点最低的金属——汞

汞俗称水银，是熔点最低的金属，熔点只有–38.87 ℃，也是常温常压下惟一以液态存在的金属[5]，如图4。常温也叫一般温度或者室温，一般定义为25 ℃。但是从严格的意义上说，镓(Ga，31号元素)和铯(Cs，55号元素)在室温29.76 ℃和28.44 ℃下也呈液态。汞是银白色闪亮的重质液体，化学性质稳定，不溶于酸也不溶于碱。汞常温下即可蒸发，汞蒸气和汞的化合物多有剧毒(慢性)。

图4 常温下为液态的金属汞

汞的使用历史很悠久，用途很广泛。在中世纪(公元5世纪到公元15世纪)炼金术中汞与硫磺、盐共称炼金术神圣三元素。天然的硫化汞又称为朱砂，由于具有鲜红的色泽，因而很早就被人们用作红色颜料。根据殷虚出土的甲骨文上涂有丹砂，可以证明中国在有史以前就使用了天然的硫化汞。中国古代还把汞作为外科用药。1973年长沙马王堆汉墓出土的帛书中的“五十二药方”，抄写年代在秦汉之际，是当今已发掘的中国最古医方，其中有四个药方就应用了水银。如果吞食微量的液体汞一般是无毒的，但是汞蒸气是剧毒的，大部分汞盐也是剧毒的，口服、吸入或接触汞蒸气或汞盐后会导致脑和肝损伤。汞容易被皮肤以及呼吸道和消化道吸收，汞在生物体内积累后对中枢神经系统有损害作用，所产生的不良影响还会涉及到口、粘膜和牙齿等。长时间暴露在高汞环境中可以导致脑损伤和死亡。20世纪50年代在日本造成很大影响的水俣病就是汞中毒的一种。

结束语

通过对金属的密度与熔点的知识综述，使我们对金属的世界有了进一步的了解。目前已经发现了的一百多种元素组成的物质中密度最大的是金属锇。金属锇的密度大约是钢铁材料密度的3倍，是密度最小的金属锂的42倍。锂的密度仅有水的一半多一点，可以轻易地漂浮在水上，但是它会与水发生剧烈的化学反应。熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞。钨的熔点与汞的熔点相差约3450℃。