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世界科技全景百卷书: 金属王国
钢铁时代 人类掌握了炼铜技术以后，为冶铁打下了基础。虽然，今天我们知道，铁是自然界中分布很广的一种金属，也是组成地壳的重要元素之一，但是，人类并没有在早期就使用铁，因为在自然界中几乎不存在天然的纯铁，而且铁矿石熔点较高，不容易还原出来。 也许你不相信，人类最早发现的铁，还是从天上掉下来的呢！我们称这种铁为“陨铁”，它除了含有一点点镍以外，其余几乎全是铁。在各个文明古国中发现的最早铁器，都是用陨铁制成的，例如，古埃及人就曾把铁叫作 “天石”或“天降之火”。 当然，天上掉下来的陨铁很少，并没有给人类生活带来什么进展，但是，它却给人们打开了一扇认识铁的大门。 “嗬，这铁可要比铜坚硬锋利得多了，用它做刀做斧一定十分合适。”人们是这样想的，也是这样做的。 于是，人们借用炼铜的方法来炼铁，经过了几千年的艰苦探索，终于突破了炼铁所需的高温以及其他许许多多的技术难关，发明了炼铁的“固体还原法”。 这种方法是先将铁矿石和木炭一层间一层地放在炼炉中，然后点火焙烧，利用木炭在1000℃高温下的不完全燃烧，产生一氧化碳，使矿石中的氧化铁还原成铁。由这种方法产生的铁夹杂的渣滓很多，看上去有很多孔洞，像海绵一样，显不出明显的金属特性，甚至还不如钢坚硬呢。 大约在春秋战国时期，中国开始了炼铁，不仅仅使用“固体还原法”，还发明了“生铁铸铁法”。这一新的方法可使炉温高达 1200C，比“固体还原法”进了一步，距离纯铁的熔点1534℃也近了一点，从而炼出了液态生铁，使中国比欧洲国家早1000多年跨入了“生铁时代”。后来，欧洲人冶炼生铁，用的是把铁矿石、焦炭和石灰石混合后加热冶炼。 今天，我们使用的炒菜铁锅用的就是生铁，又称铸铁，虽然它质地坚硬、却生性脆弱。为了克服生铁的这一弱点，人们又将它和铁矿石混合加热熔炼，使铁矿石中的氧和生铁中的碳化石，生成一氧化碳气泡释放出来烧掉，从而炼出了纯度高、强度大、质地软的熟铁，日常生活中的铁勺就是用熟铁制成的。 生铁和熟铁各有其缺点，在性能上都比不上钢。中国早在汉代，就在世界上最先用“百炼钢法”炼出了钢。这种方法是在熟铁中再加进适量的碳，经过反复加热冶炼，尽量减少杂质，从而炼出具有更高强度和硬度的钢来。但是，这种方法的冶炼过程很复杂，一直未能发展起来。一直到19世纪前半期，人类始终生活在旧的“铸铁时代”。 为人类带来崭新的钢铁时代的是贝西默。他于1813年1月19日出生在英国，但他酷爱法国，所以加入了法国国籍，他是一位对科学发明如痴如醉的著名学者，18岁的时候，贝西默经过努力，发明了一台自动印邮票的机器，接着又发明了一台制造金属粉的机器。 19世纪50年代初，俄国和土耳其之间爆发了俄土战争，战事很快扩大到整个克里米亚，史称“克里米亚战争”。在此期间，贝西默根据科学原理发明、研制了一种新式步枪，这种步枪的枪膛中有来福螺旋线，子弹沿枪膛射出时旋转着飞出，更加稳定地沿着弹道前进。这种新式来福枪，射击距离增大了，命中率也明显提高了。 “能不能运用同样的道理来制造新式大炮呢？”贝西默这样想着也就动手做了起来。 不久，新式大炮问世了。起初，炮兵们反映新式大炮非常准确；然而，实战以后，问题便接二连三地传到了贝西默耳朵里：新式大炮很容易发生炸膛事故，炮手发炮时得冒着死亡的危险。有些军政要员说贝西默是个科学骗子，也有人怀疑他是隐藏在法国的间谍，秘密为英国服务。贝西默面临着巨大的精神压力，要求军方对事故进行仔细的调查。 在贝西默和另一位法国大炮专家的共同努力下，问题找到了：原来，当时的大炮都是用铸铁制造的，但来福线对炮膛要求很高，如果炮弹与炮膛之间间隙过大，火药爆炸气体泄漏，炮弹旋转力量不足；如果炮弹与炮膛之间间隙过小，火药瀑炸使炮膛内压力骤然增大，结果炮膛内外温度不匀，造成炸膛。 但是，大多数人不相信贝西默的解释，当局一声令下，新式大炮被打入了冷宫。贝西默花了多年心血研制的大炮，顷刻之间成了毫无用处的一堆废铁。 怎么办？贝西默心想，只有突破材料难关，新式大炮才能起死回生。他决心冶炼出适合新式大炮的新材料来。从此，贝西默一头钻进了图书馆，广泛收集材料；又到冶铁厂，与工人们一同劳动；他还请冶炼工程技术人员为他讲课；……他简直成了一个“炼铁迷”。 经过反复探索，在一位化学技师的帮助下，贝西默终于找到了铸铁不坚硬的原因——其中的含碳量太高。要减少含碳量，就必须设法在熔化了的铁水中加氧，燃烧掉这些碳！ 用什么办法加氧才能达到成本最低而又简便易行呢？贝西默看到，当一炉铁水熔化时，炉前工人往往就排渣出铁了，能不能在出铁前向铁水吹入空气呢？ 他就试着这样做了，顿时，通红的铁水沸腾了，钢花四溅，映红了夜空。贝西默炼出了铁匠们一致称赞的钢材。这种方法被称为“空气吹入法”。 1856年，贝西默在铁匠业主行会上，报告了他的炼钢法，并将论文送到钢铁业十分发达的英国发表。 “我认为，吹入空气除碳法是完全可行的，空气不仅能燃烧掉铁水中所含的碳，而且能够燃烧掉其他几乎所有不纯的物质，同时，燃烧释放出来的热量，又可以升高铁水的温度，这样，炼出的钢不仅质量高，而且成本也低。”贝西默对此信心倍增。 经过贝西默的深思熟虑，他为他的“空气吹入法”设计出了一个特殊的转炉——样子像个梨，肚子大大的，口子斜斜的。开始，这种转炉是固定式的，4年以后，贝西默又发明了移动式转炉。 贝西默的发明，引起了众多钢铁公司的极大兴趣，他们纷纷投资建起了一座座“高炉”，并且很快也出了钢。然而遗憾的是，他们发现炼出的钢都是劣等钢，不堪使用。人们群起而攻之，骂他是一个吹牛皮的人。有人联想起大炮事故，更加怨恨贝西默了。 贝西默并没有因此而泄气，经过他的仔细分析，终于发现了问题的症结所在，冶炼出了优质的钢材。 不锈钢的出现 不锈钢是一种防腐蚀和耐高温的合金，其主要成分是铁和铬，还含有为了改进性能而掺入的其他元素。包括法拉第在内的若干发明家都在19世纪生产出了铁铬合金，然而他们制取的合金都不是钢。在本世纪，英国冶金学家哈德菲尔德竟得出了这样一个错误的结论：铬实际上会降低合金的抗腐蚀性。甚至在本世纪初，研制出了各种不锈钢的好些科学家 （其中包括法国的著名科学家吉莱和波特万）还不知道自己生产出的合金的突出性能，也就是说，不知道它能抗腐蚀，因此，不锈钢的发明史话曲折复杂。 蒙纳茨和博尔歇斯这两个德国人首先认识到不锈钢的抗腐蚀性。蒙纳茨于1911年获得了生产不锈钢的德国专利。可是英国人布里尔莱——自修成功的冶金学家，约翰·布朗钢铁公司、托马斯·弗思钢铁公司和桑斯钢铁公司联合经管的一个研究所的所长——才是不锈钢的真正发明者。布里尔莱于1912年发现了重要的马氏体合金，并为制造海军用的枪炮研制出了一种坚硬的、有磁性的、抗腐蚀的钢。然而军事当局却不感兴趣，于是布里尔莱提出可用它来制造刀剑。糟糕的是，他的雇主们在没有让他知道的情况下擅自用他发明的合金制造了一些刀，并宣布这些刀不能用。 布里尔莱并不气馁，他亲手制作了一些刀子，结果却出乎意料地成功。马氏体不锈钢的生产始于1914年。由于弗思钢铁公司认为不划算，放弃了不锈钢的研制，布里尔莱从其他方面获得了一些知识，于 1915年获得了生产不锈钢的美国专利。1920年，他的新雇主布朗·贝利公司大规模地引进了在马氏体合金的基础上研制成功的铁素体合金。这种合金既可以热加工，也可以冷加工，质软，特别适合用来制造建筑和汽车上的装饰物。 许多发明家对不锈钢的研制工作做出过贡献。如果认为布里尔莱是单枪匹马地进行研究，他是一个被人误解的天才，就大错特错了。美国的贝克特对研制不锈钢曾起过重要的作用；印度发明家海尼斯早在 1884年就发明了一种生产钨铬合金钢的方法，他还是汽车工业的先驱者（他于1893年研制出了一种汽油发动机）。第三种不锈钢合金是奥氏体合金，耐高温，抗震，在食品工业上用得很广，通常是用来作化学设备和燃烧室。它是吉莱和吉森研制出来的，但是这两位发明家却不了解它的防腐特性。这种不锈钢的发明，主要应归功于德国克虏伯公司研究部的毛雷尔和斯特劳斯，因为他们在1912年首先生产出了这种不锈钢。 现在生产的不锈钢有100多种，从宇宙飞船到珠宝的广大范围内都有用它制作的产品。 超强度的钴钢 钴钢是一种磁性很强的磁铁，它的发明者是日本的本多光太郎。本多光太郎1870年出生在日本的爱知县。当他在东京大学物理系研究学习时，他曾向长冈博士学习磁致伸缩现象，对金属的磁学有着深刻的见解和深厚的兴趣。 随后，本多光太郎到了德国的格丁根大学留学，在德留学期间，他主要研究了冶金学和金属磁学。在金相的研究过程中，他改变了过去主要用显微镜观察金属表面进行热分析的方法，而是采用了热膨胀、电阻和磁的异常变化综合分析手段，精确地分析了温度造成的钢铁及合金金相的细微变化。 钴钢正是在这种精确分析的基础上才发明出来的。 1917年，本多光太郎和他的助手高木弘一起研制出了钴钢，其大致成份为碳1％，铬2％，钨6％，钴35％。他们将这种钴钢加热到930℃至970℃之间，然后立刻浸入油中进行淬火处理，这样便大大提高了钴钢的性能，成了世界上最强的磁铁。 本多光太郎发明的这种钴钢，其强度超过了当时所有的钢种，引起了科学界和经济界的广泛注意。 由于在钴钢的研制和生产过程中，本多光太郎曾得到实业家吉左卫门的援助，为了纪念这位好友，本多光太郎将这种钴钢命名为“吉左卫门钢”，简称KS钢。 在本多光太郎的努力下，1919年，他又研制成比吉左卫门钢强度更高的新钢种。由于在这方面的杰出贡献，他曾获得了日本帝国科学院奖以及日本政府文化勋章呢！ 钒钢的发明 事情发生在1905年，美国伊利湖畔繁忙的公路上，那天发生了一起严重的车祸：两辆汽车头尾相撞，后面又撞上了一连串的汽车，转眼间，公路上一片狼藉，碎玻璃、碎金属片满地皆是。 事故发生以后，除了警察赶到现场以外，还来了一个汽车厂的老板，他就是后来闻名于世的汽车大王亨利·福特。 福特为什么也急匆匆地赶来呢？ 原来，这位精明的老板希望从撞坏的汽车上找到一点别人的秘密。 福特仔细地搜索着每一辆撞坏的汽车。突然，他被地上一块亮晶晶的碎片吸引住了，这是从一辆法国轿车阀轴上掉下来的碎片。粗看这块碎片并没有什么特殊之处，然而，它的光亮和硬度使福特感到，其中必定隐藏着巨大的秘密。 于是，福特把碎片拣了起来，悄悄地放到了口袋准备带回去好好研究研究。 回到公司以后，福特将这块碎片送到了中心试验室，吩咐他们分析一下，看看这块碎片内究竟含有什么东西？ 分析报告很快出来了，这块碎片中含有少量的金属钒；它的弹性优良，韧性很强，坚硬结实，具有很好的抗冲击和抗弯曲能力，而且不易磨损和断裂。 同时，公司情报部门送来了另一份报告，其中认为，法国人似乎是偶然使用了这块含钒的钢材，因为同类型的法国轿车上并不都使用这种钢材。 这一下，福特高兴极了。他下令立刻试制钒钢，结果确实令人满意。接着，他又忙着寻找储量丰富的钒矿，解决冶炼钒钢的技术难题，他希望早日将钒钢用在自己公司制造的汽车上，迅速占领美国乃至世界市场。 福特终于成功了。他的公司用钒钢制作汽车发动机、阀门、弹簧、传动轴、齿轮等零部件，汽车的质量取得了大幅度的提高。 几十年以后，福特汽车公司成了世界上最大的汽车生产厂商之一，福特曾高兴地说：“假如没有钒钢，或许就没有汽车的今天。” 黄铜的用途 黄铜是主要由铜和锌形成的合金，用途甚广，其性质取决于铜和锌的比例。含铜达63％以上的黄铜，可以冷加工，可以退火，有延展性；而含铜较少、含锌较多的合金，则应热加工，强度较高。 由于我们不知道古人用什么方法来熔炼锌矿或菱锌矿，对古代使用黄铜的情况也不太清楚。锌的沸点比铜低，在加热铜时，木炭也会加热锌矿，很难不让锌蒸发掉。罗马人可能是最先大规模使用这种方法的人，但是熔炼青铜的匠人可能在此以前已无意中生产出了黄铜，因为锡与锌的区别，最初是不清楚的。我们应该注意，《圣经》里提到的黄铜，实际上都是青铜；称为哀斯的罗马硬币，也是用铜或青铜铸的，而不是用黄铜铸的。使事情变得复杂的是，他们确实曾利用黄铜来铸币，但是起初黄铜比铜或青铜都更昂贵。 然而从中世纪起，在其未用来作壶和盘之前，黄铜是一种奢侈品，只用来作纪念性的墓碑之类的东西。从约公元1230年起，黄铜制品在欧洲流行了约 300年之久，因为它们比大型的雕塑品便宜得多。死于1231年的威尔普大主教的铜像，是人们所知的用黄铜制作的最早的铜像。铸造黄铜制品的过程是这样的：先把粉碎的锌矿和木炭跟铜块混合起来加热，使锌和铜结合在一起，再加热使合金熔融，然后将铜液灌入铸模。英国最早的黄铜器是进口的，主要是从图尔内进口。委托人可以从图尔内订购已经装在漂亮的底板或大理石底座里的完整的墓碑。制作铜制墓碑的办法，是先铸好铜像，通常还要铸好周围挑棚的剪影，再把它放在预制的石板里，用刀子在铜像上面刻出人的细部。有时铜像的手和面部要使用雪花石膏或其他镶嵌材料。铜像安全做好后，用装在铅栓里的暗销固定在石头底座上。铜像本身放在一层沥青上。很大的铜像就分段铸造，然后接合起来。 泥中的“贵金属” 铝，俗称“钢精”，在我们日常生活中是随处可见的：锅勺瓢盆、螺丝铆钉、冰箱摩托，甚至飞机飞船，哪个身上没有铝的影子？ 然而，如果说铝曾经像黄金一样贵重，你一定不会相信，但这确是事实。就在100多年以前，如果谁说要用铝来制造一只锅或一只盆，那他一定会被人耻笑，被人视为“空想家”，因为那时候，铝是一种十分稀罕的贵金属， “物以稀为贵”嘛！ 当时，铝的贵重我们从拿破仑三世的头盔上便可见一斑。拿破仑三世是声名显赫的拿破仑一世的侄子，是当时的法国国王，也是极其奢侈的一个人。 19世纪中叶的一天，巴黎凡尔赛宫内正在举行规模盛大的宴会，庆祝法国将其势力范围扩大到了印度支那和西非。作为国王的拿破仑三世自然是众目睽睽的“伟大人物”。 在众人的欢呼声中，拿破仑三世红光满面，神采奕奕。人们惊讶地发现，国王头上并没有戴金皇冠，而戴了一顶银光闪闪的新皇冠，这是用什么材料制作的呢？人们议论纷纷。 原来，为了这次宴会，也为了显示他的荣华富贵，拿破仑三世特地叫工匠们制造了一顶铝盔；同时，他还特地让人打制了一套铝的餐具，当然，这套餐具也仅在盛大的宴会上，他才舍得拿出来使用。 其时，除了拿破仑三世，泰国国王也用过铝制的表链。1855年，在巴黎举行的世界博览会，有一小块铝被放在最珍贵的珠宝旁边，它的标签上写着： “来自粘土的白银。”直到1889年，“元素周期律”的发现者门捷列夫还曾得到由伦敦化学学会送给他的用铝和金制成的贵重花瓶和杯子作为礼物呢！ 由此可知，铝在当时是珠宝店里的宠儿，也是帝王贵族的珍宝。我们从铝的价格上也可得知它当时的身价：每千克铝的价格为30000金法郎，而每千克黄金的价格却只有它的 1/3。现在我们不难理解拿破仑三世的得意和伦敦化学学会的苦心了吧！ 为什么到了19世纪中后期，铝还如此稀罕呢？原因是铝的提炼实在太困难了。 其实，地球上的铝是十分丰富的，我们脚下的泥土就是蕴藏丰富的铝矿，铝占整个地壳重量的8.23％，差不多比铁的含量多一倍！ 早在17世纪，德国化学家斯塔尔就察觉到明矾内含有一种与普通金属迥然不同的物质，斯塔尔的学生马格拉夫终于在 1754年从明矾中分离出了“矾土”，就是氧化铝。当时，许多有名的化学家都认为矾土是一种不能再分的元素，英国化学家戴维和贝齐里乌斯都曾经企图利用电流从铝矾土中分离出金属来，但均没能成功。但贝齐里乌斯为铝所起的英文名字却一直沿用至今。 从矾土中炼出金属铝，成了许多化学家追求的目标，丹麦科学家奥斯特便是其中之一。 奥斯特曾以他“电流的磁效应”而闻名于世。1820年，他便把自己的科研兴趣转移到了化学方面。这一年，他发现了胡椒中刺激性成份之一的胡椒碱，这大大激发了奥斯特从事化学研究的兴趣，他决心将矾土中的金属铝提炼出来。可是，如何提炼呢？ 铅是用木炭从铜矿石中炼出来的，铁也是用木炭从铁矿石中炼出来的，那么，用同样的方法能不能从矾土中出铝来呢？”奥斯特一边翻阅着有关书籍，一边思考着实验的步骤。 于是，他先把木炭成粉末，将它和矾土混合在一起，架起火来烧。然而，木炭烧尽了，矾土照样还是矾土。 “这种办法看来不行。”奥斯特又陷入了沉思，“会不会是存在空气的原因遭致失败的呢？不让它们在空中燃烧会产生怎样的结果呢？” 他又重新将木炭粉末和矾土混合起来，并装在密封容器内，外面燃火猛烧。几个小时过去了，奥特斯将容器打开时，结果仍旧让他感到失望。 “用氯气来代替氧气行不行呢？或许，氯气比氧气更容易与铝发生化学反应呢！”奥斯特又沿着他的思路干开了。他把矾土和木炭混合，加热烧到通红，再通进氯气。嘿！终于有了变化。奥斯特发现有一些液体流了出来。 后来，他才了解到这种液体原来是氯化铝。他小心翼翼地将氯化铝收集起来，用钾汞齐来和它发生反应，他得到了氯化钾，同时产生的则是铝汞齐。 奥斯特又如法炮制，对铝汞齐进行加热，希望将汞蒸发掉，提炼出金属铝。可惜的是，在汞蒸发的同时，铝却又回到了矾土。为此，奥斯特白白浪费了许多时间。 吃一堑，长一智，奥斯特决心重新再来。这次他打算让铝汞齐在隔绝空气的情况下进行蒸馏。果然，在除去汞之后，他得到了一种具有金属光泽的、和锡相似的金属。 奥斯特高兴极了，他把自己的实验结果写成论文，寄给丹麦的一份化学杂志。然而，很少有人注意到奥斯特和他的论文，这使奥斯特感到了十分失望，转而去研究其他项目了。 1827年，奥斯特在他哥本哈根住宅的花园里，接待了一位来自德国柏林的化学家维勒，两个人在一棵枝繁叶茂的橡树下进行了亲切的交谈。 “奥斯特先生，我虽然是一个外科医学博士，但我对化学很感兴趣，决心献身于化学。”维勒坐在奥斯特的对面面含微笑地说，“不久前，我在柏林工艺学校图书馆里，偶然翻到一本丹麦杂志，其中有您的一篇论文。不知您现在是否还在研究矾土。” “啊，年轻人，欢迎你来到哥本哈根。那篇论文是我几年前写的，我早就停止了这项研究。哎，请喝咖啡。”奥斯特端起桌上的一杯咖啡，呷了一口，“说实话，那或许是一次不成功的尝试而已。后来，由于我在电磁学方面还有许多工作要做，只得停止了对矾土的研究。如果你愿意，我可以把我的资料送给你。” “那太好了，奥斯特先生！我真不知如何感谢您才好。” “不必不必！只要你将成功的消息告诉我就行了。” 从哥本哈根回到柏林，维勒便全身心地投入到矾土的研究中去了。他白天在工艺学校教化学，晚上还要为成年人授课，只有在授课以后，他才有时间走进实验室，对矾土进行研究。 开始，维勒照着奥斯特的方法进行，但很快，他便发现此路不通，因为对铝汞齐进行蒸发产生的蒸汽有毒，不可能用于大规模的生产上，他决定另辟蹊径。 到了这一年的冬天，维勒的研究终于有了进展。他将明矾溶液煮沸，然后将热的碳酸钾溶液慢慢地倒进去，眼看着有白色沉淀产生，而且越来越多，在煤气灯的加热下翻腾不息。 维勒仔细地把沉淀物过滤出来，冲洗干净，和木炭粉、糖、油等混合成糊状物，放进坩锅内加热，同时通入氯气，这样，他得到了氯化铅。下一步怎么走呢？用什么方能将金属铅提炼出来呢？维勒用了各种方法，如空气、木炭，但都以失败而告终。 最后，维勒想到了金属钾。他把钾和氯化铅混合后，放在用白金做的坩埚里，严密封盖后加热，坩埚内反应激烈。等了一段时间以后，维勒将坩埚冷却，将里面的东西倒入水中。嗨！水中有了一些银灰色的金属粉末。 “这肯定就是我日思夜想的铝！”当然，这些铝很不纯净。为了获得纯净的铝，维勒化了一年又一年的时间。一晃18年过去了，1845年，维勒在给他的朋友、德国化学家李比希的一封信中这样写道： “我找到了制取铝的方法，制得别针头大小的粒状。这种金属容易弯曲，锌白色，易溶于碱，特别易溶于盐酸。” 但是，维勒的这种炼铝方法也不可能应用于大规模的生产，他只是给炼铝的方法领到了一张“出生证”。 在发明炼铝方法的漫长过程中，德国化学家本生和法国化学家德维尔也作出不可磨灭的贡献。 本生的方法比较简单而且独特，他利用当时已经被人广泛使用的电池对氯化铝和氯化钠组成的复盐进行分解，果然获得了铝，时间是在 1854年。只是由于电池的功率太小，不可能利用它进行大量的生产。本生发明的这种方法其实为以后大规模的生产奠定了基础，指明了方向。 也是在1854年，法国的德维尔殊途同归，炼得了成块的金属铝，事情的经过是这样的。 德维尔出生在美国，10岁那年与哥哥远涉重洋，回到了父母的故乡——法国巴黎，接受正规的教育。 在大学，德维尔学的是医学，但他并不满足，还广泛涉猎其他学科，尤其是化学。 1851年，德维尔在了解了一些有关炼铝的情况以后，提出了这样一个问题：“既然书上说铝和铁的性质非常相似，为什么会有亚铁化合物而没有亚铝化合物呢？我能不能制取它呢？” 这一念头激起了德维尔深入研究的热情。当他知道维勒已成功地制取过金属铝珠时，他信心大增了：“利用维勒的方法，稍加改进，我或许就能制取亚铝化合物呢！” 德维尔比维勒的研究时间要晚20多年，实验条件自然也要好得多，首先实验所需的金属钾就要多得多。他在一支白金管内装满了钾，并让管的一端与装有氯化铝的陶瓷容器相通，加热陶瓷容器，氯化铝的蒸汽就进入了白金管，与钾发生化学反应，结果他获得的还是铝，并没有什么亚铝化合物。 多次的不成功使德维尔放弃了原先的念头，转而研究起了铝。他希望法国政府能出资帮助他发明大量生产铝的方法，但是除了国王的科学顾问杜马的口头支持以外，他一无所获。德维尔决心依靠自己的力量，生产出铝块，让事实说服国王。 经过3年的反复研究，1854年，德维尔终于找到了一种较快制取金属铝的方法了，他能在一天时间内制造出一块大铝锭了。 德维尔将他的这种轻而贵的金属通过法国科学院转给了国王拿破仑三世。国王欣喜万分，叮嘱工匠们为他打制了一顶铝盔和一套餐具，出现了本章开头的那种金碧辉煌的场面。 为了用这种“贵金属”制造兵器，国王希望德维尔在热维利亚兵工厂进行试验，并答应用第一批生产出来的铝制造一枚奖章，奖给德维尔。1855年7月18日，热维利亚兵工厂终于生产出了第一批铝锭。在德维尔的劝说下，这枚铝质奖章上刻了“弗里德里希·维勒，1827”几个字，以示他对维勒的尊敬。 虽然，德维尔为批量生产金属铝作出了重要贡献，但当时铝的价格还贵得惊人，根本不可能用来制造兵器，只能用来打制珍贵的首饰。直到 1886年，两位年轻人终于实现了人类梦寐以求的理想，发明了价廉量大的炼铝新方法，他俩便是美国的豪尔和法国的埃罗。当然，他们是各自独立发明的，这一年，他俩都只有23岁。 豪尔是美国俄亥俄州奥柏林学院化学系的学生，他在课堂上就听老师介绍过金属铝的优良性能、提炼铝的艰难以及它价格的昂贵。 “如何才能制得价格低、批量大的金属铝呢？”这一问题始终在豪尔脑海里萦回，“能不能用电试一试呢？不是有人已用电制取了钾、钠等金属吗？” 于是，豪尔开始对矾土进行通电电解，结果却大失所望：矾土根本不导电，通再长时间的电也是白费劲。怎么办？ 偶尔，豪尔在一本旧文献中读到了德维尔的一份实验记录，上面写着： “格陵兰伊维图特生产一种矿物，外形与冰相似，叫作冰晶石，冰晶石中含铝，熔点较低，可用来炼铝。” 这真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”啊！豪尔马上找来了冰晶石，并和矾土一起加热熔融，居然成功了。他立刻插进电极通电，电极上出现了一层薄薄的闪着银白色光泽的金属，豪尔立刻兴奋了起来。可惜，好景不长，电极一会儿就熔化了，原因是温度太高。 “如何才能降低熔点呢？”豪尔陷入了深深的沉思。 1886年2月23日，豪尔手握着一个银光闪闪的铝球冲进了他老师的办公室，一时激动得说不出话来。老师看着这一切，心里全明白了。 原来，这一天豪尔做第 103次实验时，在冰晶石里加进了氯化钙，再加入矾土，终于把熔点降了下来，通电以后，成功地提炼出了日思夜想的金属铝。 无独有偶，几乎同时，在大洋彼岸的法国桑特一巴比学院里，青年化学家埃罗在电解冰晶石时发现，电解槽内的铁阴极突然熔化了，按当时的温度，铁是不会熔化的。埃罗断定，铁一定是变成了某种合金。 几天以后，埃罗又把氯化铝钠加到电解槽内，希望能降低温度，不料他又发现，碳电极被腐蚀了。他推断这可能是由于氯化铝钠吸收了潮湿空气，生成了氧化铝，氧化铝又被电解成铝和氧气的缘故。埃罗也异曲同工地发明了电解法炼铝的新工艺。 豪尔和埃罗的成功，加上电力工业的迅速发展，使金属铝终于走出了深宅大院，来到了平民百姓家，成了人们日常生活中的一个好伙伴。 自1886年埃罗等人发明了电解法炼铝以后，世界各国几乎都应用这一方法。然而，人是不知足的，总要想方设法发明新的炼铝方法，日本的桑原谦之便是其中之一。 1981年4月，日本专利公报公布了一个令人振奋的消息：日本三井氧化铝制造株式会社经理桑原谦之发明了一种高炉炼铝法。 消息传开，人们纷纷打听：桑原谦之是何许人？他怎么会想到用高炉炼铝的？他又是如何发明高炉炼铝法的？…… 不久，新闻记者就在报上公布了桑原谦之发明高炉炼铝法的前前后后。 原来，桑原是一个壮实的中年人，大学毕业，曾获得过冶金和经营管理方面的大学学历，他精力充沛，好发奇想，常常做出普通人想不到的事情。大学毕业以后，桑原进入了三井集团的氧化铝制造株式会社工作，他的干劲和能力很快获得了上司的赏识，没过几年，就被提升担任经理要职。 三井氧化铝制造株式会社主要是从澳大利亚进口铝土矿，经过精炼加工制成氧化铝粉末，然后再卖给制铝厂炼铝。为了洽谈生意，桑原经理常常出差去各地。有一次，他路过一家规模庞大的钢铁厂，看到巨人般的炼铁高炉巍然矗立，一个新的念头便油然而起：“能不能用炼铁高炉来炼铝呢？一个高炉每天能炼上万吨铁，相比之下，炼铝厂实在太小了，全日本的炼铝厂产量还抵不过一座大型炼铁高炉呢！而地球上铝的含量却比铁要多，要是能用炼铁炉炼铝那就好了。” 回到公司，桑原经理立刻通过电子计算机调集了有关资料，原来高炉炼铝存在几大难处：一是铝土矿熔点远比铁矿石高，难以熔化；二是铝土矿内除了氧化铝，还含有氧化铁和石英砂，分离比较困难。 原来如此！桑原经理决定建造一座小型耐高温高炉，进行炼铝试验。不久，高炉建好了，铝土矿和焦炭从高炉顶部加进去、强大的热风从炉底一个劲往上吹……测量仪表传来信息：高炉上层温度已达500～1200℃，中层已达1600℃，下层达到了1900～ 2100℃. “继续加料，继续鼓风。”桑原经理下令道。 几小时以后，他一声令下：“开炉出铝！” 炉门打开来了，一股闪着银光的熔液奔流而出，冷却以后，迅速送去分析：这是一种含有铁和硅的铝金属，含铝约60％。 第一次试验成功了，以后便是如何进一步提纯。桑原决定先用铅将铝从铁和硅的束缚下“解放”出来，因为铅的熔点低，容易和铝结合成合金，更重要的是，美国和法国具有分离铅铝合金的成功经验。经过多次试验，这一方法终于成功了，而且他在铝镜制造法的启发下，发现铅在高温下不易蒸发，而铝则很易蒸发，这样便轻而易举地解决了从铅铝合金中提炼高纯度铝的难题。一座专门用来分离铅、铝的真空炉造了出来，提炼出的铝纯度达到99.9％。 高炉炼铝法节省了许多人力物力，为人类进一步开发利用铝资源开辟了一个新天地。 21世纪的金属 1964年8月18日上午，前苏联首都莫斯科的普罗斯克特米拉广场上，正在举行一个隆重的典礼。 政府高级官员、红军将领、各国外交使节数百人团团围住一座用红色丝绸包着的建筑物；武装士兵们神情严肃，举手敬礼；行人则驻足观望着……嘹亮的军号声中、丝绸缓缓滑落，一枚银白色火箭展现在人们眼前，原来，这是前苏联政府建立的火箭式航空航天事迹纪念碑。 如今，30多年过去了，人们发现尽管这枚火箭遭到过风霜雨雪的袭击，经受过污染空气的考验，它仍然是那么光洁明亮，引人注目。它是用什么材料制作的呢？ 钛！这是一种被人美誉为“大地女神之子”的金属，是一种21世纪的金属。然而，人类在发明炼钛的过程中也是历经艰难啊！ 早在18世纪末期，在英国康瓦尔郡梅纳辛教区，住着一位受人尊敬的牧师格列高尔。 格列高尔个头高大，面容慈善，是一个博学多才的人，他不仅是康瓦尔郡地质学会的创始人，也是技术精湛的分析化学家，因此，格列高尔特别喜欢收集石块。他经常去周游英国各地，采集各种石块，然后带回来分门别类地进行研究。 1791年春天的一个傍晚，格列高尔在故乡的梅纳辛河谷发现了一种从未见过的石块，外表黝黑，带有磁性。 “这种石块我倒还是第一次见到，真奇怪！”格列高尔对着这种石块端详了半天仍一无所知。 经过分析，他发现石块中除了常见的磁铁矿成份和硅石成份外，还含有一种棕红色的矿渣粉末，它是什么？ 格列高尔将这种未知的粉末提取了出来，将粉末投入硫酸，它溶解了，得到一种黄色的溶液；再投入锡粒，溶液变成了紫色；投入锌粒，溶液也变成了紫色。这紫色溶液内含有什么东西呢？ 格列高尔又去查阅了有关文献资料，结果也是不得而知。他想，这棕红色粉末肯定是一种未知的金属矿物，这种金属具有当时所有已知金属都不具备的性质。 “那么，就叫它梅纳辛矿石吧。”格列高尔以他故乡的名字来命名这种石块，并将自己的发现写成论文，寄给了有关的科学刊物。论文在 1791年就发表了，但当时的英国科学界，有谁会对一个乡村牧师的论文感兴趣呢？ 4年以后的1795年，从匈牙利布伊尼克地区运到德国的一种红色的“金红石”矿石，引起了柏林大学化学系马丁·克拉普罗特教授的极大兴趣，他的印象中这种矿石似曾相识，经过查阅，果然它和梅纳辛矿石很相像，只是从外表上看，前者为红后者为黑。 经过分析，这位德国化学界的权威认为：梅纳辛矿石是由于含磁铁矿成份才变黑的，两种矿石所含的棕红色粉末中含有一种未知的金属。 富于幻想的克拉普罗特给这种新金属取了一个美丽的名字——钛，它取自希腊神话中大地女神之子的名字“泰坦”。 克拉普罗特希望自己能亲手把钛从金红石中提炼出来，但是，一次又一次的努力总是归于失败。 为了获得第一个提炼钛的殊荣，各国化学家们展开了一次竞争。为了第一个发明炼钛的技术，他们运用了种种方法来对付金红石。许多次，有人声称自己成功了，但事实证明他们得到的并不是钛，而是钛和其他金属的化合物。这些人中包括当时声名显赫的瑞典科学院院长、著名化学家贝采里乌斯等。 这种状况持续了将近100年，直到1875年事情才出现了转机。 这一年，俄国化学家基利洛夫成了幸运儿，他第一个设法制取了金属钛，虽然当时的纯度相当低，但人类总算第一次看到了这位“大地女神之子”的真面目。基利洛夫为此写了一本书——《钛的研究》，书中详细介绍了他的研究成果。然而，沙皇政府对此并没有重视，他的成果如同格列高尔的论文一样，犹如石沉大海。 又过了12年，瑞典两名化学家尼尔森和彼特森设法制取了四氯化钛，怎样进一步将钛从四氯化钛中“解放”出来呢？ 他们想到了生性活泼的钠，用钠去取代钛，或许能成功。他们在一只密封的钢瓶里，开始了这一项工作，果然成功了，他们制取的钛纯度达到了95％。 以后，又一名法国化学家亨利·莫伊桑花了九牛二虎之力，将钛的纯度提高到了98％。能不能将纯度再进一步提高呢？ 1910年，从大洋彼岸传来了好消息：美国化学家亨特借鉴尼尔森和彼特森的方法，首先尽可能净化四氯化钛和金属钠，然后再将它们混和后放入钢瓶里，终于制成了纯度达到99.9％的金属钛，重量还不到1克。 “大地女神之子”终于来到了人间。 但是，直到19I0年，钛在人们的眼中也还只是一个强度低、性质脆的“丑八怪”，人们一直以为钛经不起机械加工，只能制造一些运转速度极其缓慢的机械零件。 这实在是对钛莫大的误会。亨特当时虽然制得了纯度达 99.9％的“纯”钛，但是实际上，正是这0.1％的杂质使钛丧失了英雄本色，连亨特本人也怀疑自己花了那么大的力气是否值得。 是金子总要闪闪发光的。1925年，荷兰科学家阿克尔和德博尔联手合作，为“大地女神之子”拂去了脸上的灰尘，终于使钛显露了英雄本色。 其实，阿克尔和德博尔对钛早就心存仰慕之情了，他俩坚信钛是一种大有作为的新金属，因此他们四处收集资料，潜心研究制取纯钛的办法。 1925年，他俩经过反复研究，认为钛的纯度不仅与原料四氧化钛的纯度有关，而且与还原剂也有关。当他们选用加热的钨丝作为还原剂时，竟然真的炼出了高纯度的钛：它银光闪亮，具有很大的可塑性，可以轧成棒、压成板、抽成丝，甚至可以制成比纸还要薄的钛箔。这真是太奇妙了，千呼万唤始出来啊！ 钛是一种并不稀有的稀有金属，据估计，钛约占地壳总量的千分之六，比铜、锡、锰、锌等在地壳中的含量，要多几倍甚至几十倍呢！就连陨石中也含有钛。但正是由于钛的提炼太困难了，至今人们还把它看作是一种稀有金属。 1947年，人们才开始在工厂里冶炼钛，当年全世界的产量只有2吨；1955年，产量激增到2万吨；1972年，年产量达到了20万吨。 钛难于提炼，主要是因为它在高温下化合能力极强，可以和氧、碳、氮以及其他许多元素化合。因此，不论在冶炼还是铸造时，人们都小心地防止这些元素侵袭钛。现在，人们是利用镁与四氯化钛在惰性气体氦或氩中相互作用来提炼钛的。正因为提炼钛很复杂，又要消耗很多贵重的原料，所以它的成本很高。 钛为什么如此受人欢迎呢？因为它的比重小，强度高、耐高温、抗腐蚀性强，是一种非常理想的金属。 钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半；钛虽然比铝重一点，它的硬度却比铝大两倍。现在，在宇宙火箭和导弹中，就大量用钛代替钢铁，极细的钛粉，还是火箭的好燃料呢！由此，钛被誉为宇宙金属、空间金属。人们还用钛制造了钛飞机，这种飞机有95％的结构材、料是用钛做的。 钛的耐热性很好，溶点高达1725℃。它在强酸、强碱溶液中可以安然无恙，甚至王水也奈何它不得。有人曾把一块钛沉入海底，5年以后取上来一瞧，上面粘了许多小动物和海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。用钛制造的潜艇，不仅不怕海水，而且能够承受高压，这种钛潜艇可以在深达4500米的深海中航行，那里的压力之大是普通潜艇承受不了的。 更有趣的是钛在医疗上的应用：在人体骨头损坏的地方，填进钛片和钛螺丝钉，过了几个月，骨头就会重新生长在钛片的小孔和螺丝钉的螺丝中，新的肌肉纤维就包在钛片上面，这种“钛骨”与真的骨头可没什么不同呀！ 有人将钛称为“21世纪的金属”，这一点也不夸张啊！ |
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