金属 (3)：金属的软与硬，贵与贱

供稿|贾成厂 / JIA Cheng-chang

作者单位：北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083

内容导读每一种金属材料的发展和应用都是人类文明发展和进步的重要的里程碑。贾成厂教授的金属百科系列科普文章之三——“金属 (3)：金属的软与硬、贵与贱”深入浅出地阐明：硬度最高的金属是铬，莫氏硬度为9，仅次于钻石；最软的金属是铯，莫氏硬度约为0.5，比石蜡还要软；年产量最高的金属是铁，2017年全球粗钢产量约16亿t；最昂贵的金属是锎，价格是黄金价格的数万倍；最活泼的金属是铯，常见不活泼的金属应该是金，但钽无论是在冷还是热的条件下都不与盐酸、浓硝酸及“王水”发生反应；延展性最强的金属是金；导电性最好的金属是银。

硬度最高的金属——铬

材料的硬度可以用我们日常生活中“软”与“硬”的概念去理解。金属的硬度综合了其弹性、塑性、强度和韧性等力学性能，是一项重要的性能指标，既可理解为是金属材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为金属材料抵抗残余变形与抵抗破坏的能力。

纯金属铬(Cr)是一种银白色金属，质极硬而脆。铬是硬度很高的金属，莫氏硬度为9，仅次于莫氏硬度为10的金刚石。铬具有很高的耐腐蚀性，在空气中，即便是在炽热的状态下，氧化也很慢。铬常作为镀层金属可以保护金属制品防止其氧化，起到耐腐蚀的作用，如图1。

铬是不锈钢的关键成分。只有当铬含量达到一定值时，钢才具有耐蚀性。不锈钢中，一般铬含量(质量分数)至少为10.5%，在某些不锈钢合金中铬要占到总重量的1/4。铬具有非常好的光反射性能，外表颜色与银相似。因此，便宜的“银餐具”可能是由以铬为主要成分的不锈钢制成的。另外，铬还是人与动物不可缺少的微量营养元素之一，能够帮助维持体内正常的葡萄糖含量。

年产量最高的金属——铁

图1 金属铬及含铬零件

铁(Fe)是地壳含量排名第二的金属元素。纯铁是一种银白色的金属，质软。而通常所说的钢铁包括铸铁和碳钢，都是铁碳合金，主要元素都是铁，其根本区别是含碳量。以含碳量2.11%为界，2.11%以上的为铸铁，2.11%以下的为碳钢。铁是在日常生活里最有用、最价廉、最丰富、最重要的金属，也是不可缺少的重要工业材料。钢是优良的硬磁材料，磁化之后不易去磁，因此钢被作为人造磁的主要原料。工农业生产、装备制造、铁路车辆、道路、桥梁、轮船、码头、房屋、土建等各个领域都离不开钢铁构件。如图2中的铁锅即为日常生活中最常见的钢铁制品。2017年全球粗钢产量约16亿t，我国钢产量约占全球总产量的50%。因而钢铁是年产量最高的金属，也是最便宜的金属。另外，铁也是构成人体的必不可少的元素之一，是血红蛋白的主要成分，帮助氧气在人体中运输。

图2 铁锅

最昂贵的金属——锎

锎(Cf)是一种放射性金属元素，是世界上最昂贵的金属，如图3。1975年，1克锎价值10亿美元。2018年，1克锎价值约200万美元，是黄金价格的数万倍。

锎能够利用的数量非常少，使其应用受到了限制。当前，锎主要是作为裂解碎片源被用于核研究。

图3 金属锎

锎是一种人造元素，其同位素锎-252首次发现于氢弹爆炸后的尘埃中。在核医学领域，锎可用来治疗恶性肿瘤。1968年，锎首次被用来治疗病人，由此诞生了中子近距离治疗法。经过软管将锎-252中子源送到人体腔内器官肿瘤部位，或者植入到人体的肿瘤组织内进行治疗肿瘤。锎-252中子源可以做到其他中子源所不能达到的细小程度，这种特性使得锎-252中子对于子宫癌、口腔癌、直肠癌、食道癌、胃癌、鼻腔癌等都有相当好的疗效。中子近距离治疗法不需要让病人全身接受放射性射线，而是利用特制的施源器将中子源送入人体或肿瘤内，进行腔内、管内或组织间照射，放射反应轻，且能够有目的地杀死癌细胞。其治疗效果优于当前被广泛使用的放疗。

最活泼的金属——铯

除贵金属外，金属在自然界中基本上是以氧化物和硫化物状态存在的。 在金属的使用过程中通常会与氧或硫发生反应，生锈、脆化，这就是通常所说的金属的腐蚀。 腐蚀可分为干式腐蚀、湿式腐蚀、电化学腐蚀。腐蚀常发生在金属表面上，金属表面被氧化形成不溶性氧化物从而阻止金属内部进一步腐蚀的现象称为金属的钝化。

金属与氧的反应包括剧烈的氧化反应与缓慢的氧化反应。 当金属粉末被氧化时，可能伴有突然的发热和发光，甚至爆炸。

金属的活泼性就是指金属在化学反应中的活泼程度。金属的活泼性顺序：铯Cs、铷Rb、钾K、镭Ra 、钡Ba 、锶Sr、钙Ca、钠Na 、锂Li、锕Ac、镧La、铈Ce、镨Pr 、钕Nd 、钷Pm、钐Sm 、铕Eu、钆Gd 、铽Tb 、钇Y 、镁Mg 、镝Dy、镅Am 、钬Ho、铒Er 、铥Tm 、镱Yb、镥Lu 、(氢)(H)、钪Sc、钚Pu 、钍Th 、镎Np 、铍Be、铀U、铪Hf 、铝Al 、钛Ti 、锆Zr 、钒V 、锰Mn、铌Nb、锌Zn、铬Cr 、镓Ga 、铁Fe 、镉Cd 、铟In 、铊Tl 、钴Co、镍Ni、钼Mo、锡Sn 、铅Pb 、(氘分子)(D2)、 (氢分子)(H2)、铜Cu、锝Tc、钋Po、汞Hg 、银Ag、铑Rh 、钯Pd 、铂Pt 、金Au。

常用金属的活泼性顺序：钾—钙—钠—镁—铝—锌—铁—锡—铅—(氢) —铜—汞—银—铂—金。谐音记忆歌：嫁给那美女，身体细纤轻，统共一百斤。

理论上，最活泼的金属应该是钫，但由于钫不稳定，化学反应极度活跃，钫-223的半衰期最长仅有21 min，因此至今无法制得纯钫。通常，我们认为最活泼的金属是铯(Cs)。铯还是最软的金属，莫氏硬度约为0.5，比我们日常生活中常接触到的莫氏硬度为1的软质石蜡还要软。铯在化学元素周期表中位于第六周期的碱金属(IA)族，金黄色，见图4。金属铯具有延展性，没有放射性，但是金属铯遇到潮湿的空气易燃，属于危险化学品。铯在空气中极易被氧化，生成一层灰蓝色的氧化铯。铯在潮湿空气中表面氧化的热量足以使铯熔化并燃烧，不到1 min就可以自燃起来，产生深紫红色的火焰，并且生成很复杂的氧化物。铯不与氮反应，但在高温下能与氢化合，生成相当稳定的氢化物。铯能与水发生剧烈的反应，如果把铯放进盛有水的水槽中，马上就会发生爆炸，甚至和温度低到–116℃的冰也可以发生猛烈反应产生氢气和氢氧化铯。氢氧化铯是无放射性的碱中碱性最强的。铯与卤素反应可以生成稳定的卤化物。铯和有机物也会发生同其他碱金属相类似的反应。铯在自然界没有单质形态，铯元素以盐的形式且以极少的含量分布于陆地和海洋中。铯是制造真空器件、光电管等的重要材料。放射性核素Cs-137是日本福岛第一核电站泄露出的放射性污染中的一种。

图4 金黄色的金属铯

最不活泼的金属

常见的不活泼金属是金Au。但是，金属钽Ta无论是在冷还是热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。钽在150℃以下不会被浓硫酸腐蚀，而在高于150℃的热浓硫酸中能被腐蚀。铱的化学性质很稳定，是最耐腐蚀的金属，一般的腐蚀剂都不能腐蚀铱。铱对酸的化学稳定性极高，不溶于酸，只有海绵状的铱才会缓慢地溶于热王水中，如果是致密状态的铱，即使是沸腾的王水也不能将其腐蚀。铱在熔融的氢氧化钠、氢氧化钾和重铬酸钠中可能会稍微受到侵蚀。

延展性最高的金属——金

金(Au)是延性及展性最高的金属。1 g金可以打制成1 m2的薄片。金片甚至可以被打薄至几乎透明，由于金反射黄色光及红色光的能力很强，因此透过金薄片的光会显露出绿蓝色。黄金亦是货币金属之一。

金的单质在室温下为固体，密度高、柔软、光亮、抗腐蚀。金与大部分化学物都不会发生化学反应，但可以被氯、氟、王水及氰化物侵蚀。

金能够溶解于水银，形成“汞齐”，但这并非化学反应。能够溶解银及其他金属的硝酸不能溶解金。这两个性质成为黄金精炼技术的基础，分别称为“加银分金法”和“金银分离法”。

导电性最好的金属——银

银(Ag)是一种美丽的银白色过渡金属，质软，价格贵。银在自然界中很少量以游离态单质存在，主要以含银化合物矿石存在。银的化学性质稳定，活跃性低，不易受化学药品腐蚀。银具有极好的光反射性，反光率极高，可达99%以上。银具有很好的延展性，可以碾压成只有0.0003 mm厚的透明箔，质量为1 g的银粒就可以拉成约2 km长的细丝。

在所有金属中，银的导电性是最好的。在常温下(20℃)银的电导率为6.301×107S/m。而排名第二的铜的电导率仅为5.9×107S/m。铜比银便宜很多，因此电线一般用铜制作。

银具有诱人的白色光泽，较高的化学稳定性和收藏观赏价值，深受人们的青睐，广泛用于制作首饰、装饰品、银器、餐具、敬贺礼品、奖章和纪念币，如图5。银首饰在发展中国家有广阔的市场，银餐具备受家庭欢迎。银质纪念币设计精美，发行量少，具有保值增值功能，深受钱币收藏家和钱币投资者的青眯。20世纪90年代仅造币用银每年就保持在1000～1500 t左右，约占银的消费量5%。但银的主要问题是会生锈，这使得它的地位低于金。

图5 银块和银手镯

植物富集的金属——绿色冶金

科学研究表明，植物已经在数百万年的演变进化中获得了非凡的能力，许多植物都有能力积累并富集某些金属元素。例如堇菜中积累锌、香薷中积累铜、烟草中积累铀、紫云英中积累硒、苜蓿中积累钽，石松中积累锰等。在富含金的土壤中种植的玉米或木贼草，将其烧成灰烬，每吨可提取约10 g的黄金。还有一些可以积累诸如铬、镧、钇、铌、钍等稀有金属的植物，被誉为“绿色稀有金属库”。这些植物富集稀有金属的能力比一般植物高出数十倍、数百倍，甚至数千倍。例如，在一般植物中很难用光谱检测到的铬，而在凤眼兰的根中铬的质量分数竟可以达到0.13%。这些植物能够富集金属的发现引起了科学家的极大兴趣，这些技术也被誉为“绿色冶金”。专家预测，这些技术将使人类有可能通过种植特殊植物来获得所需的金属，同时也能够改善已经受到破坏的生态环境。

1995年，俄罗斯的生物学家在研究一年生草本植物蓼时，意外地发现其叶子中含有很高含量的金属，如锌、铅和镉等。于是这位科学家就在一些被锌、铅、镉等金属污染的土地上种了大量的蓼。结果是将1公顷的土地上收获的蓼放入800℃的炉中烧成灰烬，提取了1.3 kg的镉、23 kg的铅和322 kg的锌。由于历史上的多个军事演习场地包括二战期间用作化学武器仓库的场地都尚未消除有害金属的污染，因此德国的一个研究团队成功地将俄罗斯的蓼引进并种植于有害废金属的存储场地。在这些地方种植蓼，可以达到净化环境、回收有害金属的目的。

美国专家研究发现，野芥菜具有从土壤中积累镍的功能。他们将种植的半公顷野生芥菜茎切断、干燥、烧灰，每100 kg芥菜灰中可以提取15～20 g的镍。

结束语

金属的冶炼和应用，推动了世界文明的进程。约公元前2000年的埃及壁画中就出现了脚踏风箱与铸模，在古代中国的商朝、地中海的迈锡尼文明、米诺文明和中东等地青铜器的生产和使用颇为广泛。约公元前5000年—公元前3000年，在埃及和美索布达米亚等地出现的铁产品，是通过锻打陨铁而制得的。公元前1650年左右，赫梯人掌握了高温炼铁技术。公元前1200年左右，炼铁技术得以广泛传播。利用金属的磁性，制作磁铁罗盘以及指南针，对导航技术的发展起到了很大的推动作用。随着金属精炼技术的普及，金属不仅广泛用于武器，还广泛用于农用设备和生活用品，而贵金属则主要用于装饰品等。在18世纪之前，人类使用的金属只有金、银、铜、铁、汞等约11种。 随着采矿和精炼技术的进步，门捷列夫的元素周期表公布前后又陆续发现了许多新的金属。从19世纪开始，对于金属进行了各种化学实验与原子论的研究，金属的原子结构逐渐被澄清。 20世纪以后，量子理论等对金属的认知进一步深化，各种金属的应用也正在不断被挖掘。