初中化学趣味阅读

一生平庸

镉与高血压







高血压是美国和其它一些国家最常见的慢性病之一。它在体内能够引起三种病变：心脏扩大，肾动脉发生病变及动脉硬化发展速度加快。患有肾脏病的人常常会得高血压症。人们从下列实验发现：镉与高血压发病有关。

给100只大鼠喂以下的金属化合物：钒、铬、镍、锗、砷、硒、锆、铌、钼、镉、锡、锑、碲和铅。只有给镉的那些动物出现了与人的高血压完全一样的症状，如心脏扩大，血压升高等。镉积聚在人和大鼠的肾脏、动脉和肝脏内，在这些组织中镉干扰着某些需要锌的酶系统、镉对肾组织比锌有更大的亲和力，因而能置换锌，这样就改变了依靠锌的那些反应。

经过大量的研究，得出了以下的结论：肾脏内镉含量对锌含量的对比关系的变化是引起高血压的一个原因，在锌镉比低的地区里，高血压的发病率就高，反之亦然。

人体镉天然来源是食物，水和空气。由于现代工业生产活动，工业烟尘，煤和石油产品的燃烧，空气是人体一个重要镉源，同时食物在加工，贮藏等过程中可能被镉污染，这样人体内肾脏中累积镉随年龄增长就越来越多从而也是随着年龄增大，患高血压病的人数也越来越多的原因。

一生平庸

我国古代冶金中的一项杰作

──白铜

北京大学 赵匡华



白铜的发明是我国古代冶金技术中的杰出成就。唐代时规定，只有为一品朝臣拉车的小牛身上，才能用白铜作为装饰品，可见其是很珍贵的。

现在一般人所知道的白铜是指铜镍合金，称镍白铜。当把镍熔入红铜里，含量超过16％以上时，色泽变得洁白如银。我国云南一带是镍白铜的故乡。那里所产白铜也最有名，人们就象称呼湖笔、端砚、徽墨一样，而称云南白铜为“云白铜”。至迟在公元4世纪时，云南就生产白铜了。而据《汉书》记载：“犍为郡西南朱提山出银”，且有“朱提银八两为一流（王莽时所订的银两单位）”之说。但据现代矿藏考察，朱提山（今四川宜宾西南）产铜、镍而不产银，因此“朱提银”可能就是镍白铜。唐、宋时，中国镍白铜已运销到今阿拉伯海一带，当时波斯人称白铜叫“中国石”。大约16世纪以后，中国白铜运销到世界各地，博得了广泛的赞扬。直到16世纪以后，欧洲的一些化学家、冶金学家才开始研究和仿造中国白铜。法国的耶稣会教士杜霍尔德在其1735年出版的《中华帝国全志》中写道：“最特出的铜是白铜，其色泽和银一样，只有中国才有，也只见于云南省。”1775年英国刊物《年纪》中提到要从事实验和仿造东印度公司从广州买去的中国白铜。但直到1823年德国人仿制中国白铜才取得成功。

除了镍白铜以外，我国古代还有一种砷白铜，它是砷铜合金。这种砷白铜则是中国古代炼丹家的突出贡献。不过他们从来不称它为白铜，而叫它为“药银”，意思是用丹药点化而成的白银。点化这种“药银”比冶炼镍白铜要更困难些，而且很容易中砷毒。因此炼丹家们为取得这项成就肯定曾付出了很大的代价。

砷白铜是用砷矿石（砒石、雄黄等）或砒霜（As2O3）点化赤铜而得到的。铜中合砷小于10％时，呈金黄色，炼丹家称之为“药金”；当含砷量等于或大于10％时，就变得洁白如雪，灿烂如银了。冶炼砷白铜的历史可以追溯到西汉初期。据宋人撰《席上腐谈》记载：汉景帝时在茅山修炼的三位炼丹大师三茅君因丹阳（今安徽、宣城一带）遭天灾歉收，于是以煅砒粉点化丹阳所产之铜为银，以救饥民。所以后来炼丹家们就称这种“药银”叫“丹阳银”。晋代著名炼丹大师葛洪在其名著《抱朴子·金丹篇》中明确记载了用雄黄点化铜为“黄金”，南朝齐梁时期的医药大师陶弘景在其《名医别录》中也提到“雄黄得铜可作金”，“炼服之法皆在仙经中。”葛洪、陶弘景所得到的大概都是含砷量较低，易于点化的砷黄铜，过去炼丹家们所说的“雄黄金”可能就是指它。这时期的《神仙养生秘术》、《太古土兑经》中还提到了点铜为“白”（银）的丹药配方，但用药比较复杂。隋代开皇年间（公元581～600）有位炼丹家，名叫苏元朗，号青霞子，曾学道于句曲（茅山），自称得到过司命大茅君的真秘。他曾撰《宝藏论》一书，其中记载了用砒霜可以“点铜成银”。这是砷白铜冶炼技术的重大进步。

唐肃宗乾元年间（公元758～760年），有位炼丹家，道号金陵子，他撰写了一部炼丹书：《龙虎还丹诀》，其中有一篇《点丹阳方》，详尽介绍了点化砷白铜的方法，他是先将雄黄升炼成砒霜，然后把后者作成小丸，逐个投到熔化的铜汁中，以炭不断搅拌，直到铜汁变白为止。在此过程中，As2O3先被炭还原成单质砷，立即溶入铜中，于是逐步生成了砷白铜（Cu3As）。我们曾仿照他的作法，成功地验证了这个方法。这说明：唐代中叶，我国炼丹家点化砷白铜的技术已经达到了相当成熟的阶段。但它长时期为炼丹家的真秘，师徒相传，对外绝密。所以直到北宋末年，有人在所撰《春渚纪闻》中谈到兰陵人薛驼以煅砒粉化铜为白银时，还说这是一种奇闻绝技。

元、明以后，这种“药银”便逐渐为常人所知了。所以在元人著作《格物粗谈》、明代李时珍所著《本草纲目》及明末宋应星所著《天工开物》中都有“砒石炼为白铜”，“以砒霜等药制炼白铜”的记载。

那么为什么至今还没有找到古代炼丹家所制出的砷白铜文物呢？这大概一是因为这种“药银”冶炼技术只有少数人掌握，生产极少，年久失传；二是易变质（其中砷质会逐步挥发掉，而变为棕赤色），又有毒性；三是在市场上冒充白银，是违禁的，只能在暗中少量炼制；四是炼制困难，耗资多、价钱昂贵。

过去有人不知道砷铜合金也是一种白铜，以为白铜只有镍白铜一种，因此把“砒石炼为白铜”解释为以白色砒镍矿点化赤铜而成镍白铜，显然这是一种误解。现在已经证明我国自古就有两个独立发展起来的白铜体系。砷白铜更为我国所特有。这一冶炼技术堪称我国一项宝贵的文化遗产。

一生平庸

生物金属材料







植入人体（或动物体）以修复器官和恢复功能用的金属材料。生物金属材料有的可以制成牙齿、骨头等起支撑作用的硬组织，有的可制成心脏瓣膜、脑膜、腹膜等软组织。植入体内的金属材料是浸泡在血液、淋巴液、关节润滑液等体液之中使用的。体液含有有机酸、无机盐，存在Na+、K+、Ca2+、Cl-等离子，是一种电解质，而且使用时间长达几年甚至几十年之久，因此生物金属材料首先要与人体组织和体液有良好的适应性（无毒，不引起变态反应和异常新陈代谢，对组织无刺激性），同时还要有耐蚀性和化学稳定性（金属离子不随血液转移，在体内生物环境中不发生变化，不受生物酶的影响）。生物金属材料要承受人体的各种机械动作，因此在力学上应具有适宜的强度、韧性、耐磨性和耐疲劳性能。此外，生物金属材料还要容易加工成各种复杂形状，价格便宜和使用方便。

生物金属材料中使用比较成熟和应用比较广泛的，主要是牙科和骨科用的金属材料。牙科用的金属材料有金、银、铂等贵金属合金以及不锈钢、钴基和钛基合金等。骨科使用的金属材料主要有镍铬不锈钢、钴铬钼合金和钛及其合金，有时也应用价格昂贵的钽、铌、金、银、钯、铂等。现将骨科使用的主要金属材料分述如下：

不锈钢  耐蚀性和强度不如钴铬钼合金，但价格便宜，加工性能好，所以在医疗中使用量最大。不锈钢主要制作固定骨折部位的接骨板、骨钩和骨螺钉等零件，也有用来制造人工骨、人工关节的。骨科使用的不锈钢的典型合金是Fe－18Cr－12Ni－2MO。合金中硅和锰等杂质的含量越低越好。

钴铬钼合金  这种钴基合金常称Vitallium（见钴基高温合金）。它的典型成分为Co－30Cr－6Mo，还含碳0.35%。它的耐蚀性比不锈钢（Fe－18Cr－12Ni-2Mo）高40倍左右，且有优异的耐疲劳性能和耐磨性能，是目前较好的骨科合金材料。合金中铬和钼的作用是提高强度和耐蚀性能；钼还能阻止结晶时的晶粒长大，从而改善耐疲劳性能。缺点是硬度高，加工困难。

钛及其合金  这类材料在骨科常用的三类金属材料中耐蚀性能最好，比重最轻（约为其他材料的一半）。纯钛强度较低，钛合金（Ti－6Al－4V）强度较高。钛及其合金的耐磨性差，制成的人工关节的磨损碎屑在体内积存，会造成人体组织变异。这类材料通过氮化处理可改善耐磨性能，已取得临床效果。Ti－50Ni合金是新发展起来的形状记忆合金，有形状记忆效应并有良好的力学性能。它的摩擦损耗只有钛的几十分之一。这种合金可制造人工关节，因有形状记忆效应，也可制造脊椎矫正棒、接骨板及各种类型的止血夹。

用钴铬钼合金和钛合金粉末制作的多孔金属作人工关节，不仅可减少人工关节与关节头之间的弹性模量差别，而且骨组织又能进入多孔金属中达到生理结合的效果，正在临床试用中。

一生平庸

随着高科技日益发展，电子器件正在日趋小型化，现代计算机则是用10-3 cm厚的“硅片”制成的，这仅是晶体管的百分之一。再下一代人们需要的一定是体积更小、响应更快、能量更省的导电材料，这就得靠化学家在分子水平上研究出新型的金属导体──分子金属导体。面对着挑战，化学家要设计一些分子，能让电子在晶体中某个分子的原子与相邻的另一个分子的原子之间很方便地流动。近年来英国的昂德希尔教授设计出一种“分子金属”，平面状的分子呈层状堆砌成晶体，每个分子中的金属原子都在某一方向（横子链横向地在分子之间穿越，形成分子级的新导体。这链横向地在分子之间穿越，形成分子级的新导体。这是现代化学中有代表性前沿领域的最新成就之一。设计“分子金属”重要的是如何选择配位体，使这些金属原子进行组合而恰到好处地堆砌起来。他们发现硫和硒连结金属比较理想。他们设计的每个分子都是平面型的，中间有一个铂金属原子，它周围有四个硫原子，每个铂原子的上面和下面各有一个属于上一层或下一层分子的铂原子，所以有很多条可供电子穿越的“铂-硫原子链”贯穿整个晶体。在实验室里可测定这些晶体的导电性，室温下它们的性能和“一维金属”相似。

这些“分子金属”导电性能的优劣取决于晶体中原子之间的间隔，这些信息可以从X射线衍射图上得到。这种材料的性质不仅取决于金属原子之间的距离，还取决于不同堆砌方式中相邻分子间硫原子互相靠近的程度。将晶体的导电性能与X射线衍射图进行比较，化学家便能了解分子结构是如何影响电子流动的。显然，要求化学家有很高明的技巧来精细地调节结构，以接纳游动电子。这类“分子金属”可望对未来的“分子计算机”有很大的影响，以硅为基础的电子工业技术将被淘汰。

一生平庸

乐器用金属材料







乐器通常由振动体、传导体、共鸣体、支撑体、附件等组成。乐器各个部件使用的材料的性能对乐器的音量、音质（音色），特别是频率（音调）及其稳定性等有重要的影响。这种材料一般要求有适宜的内耗（或品质因素）、密度、弹性模量、耐蚀性和成型加工性能。中国商周时期（约公元前17～前3世纪）就有青铜制的铙和编钟等金属打击乐器。某些战国时期的编钟是由含锡15%～16%、铅1%～2%的铜合金制成的。

含锡10%～20%的青铜，称为响铜，用于制造锣、钹等打击乐器。现在的笙、芦笙等的簧片也都由响铜制成。这种古代就已生产的铜锡合金有良好的力学性能、物理性能和音响效果，所以沿用至今。如果合金中含锡量增高，会使乐器的音频过高，脆性增大，容易破裂；含锡量降低，则会使乐器音频过低，损害音响效果。铜管乐长笛也用铜锡合金制作。含锌30%（或10%）的黄铜和含镍30%的白铜具有音的衰减小、耐蚀性好以及可切削、弯曲、钎焊等性能好的优点，用于制造铜号等的管体，特别是喇叭出口部分。风琴、口琴的音簧要有适当弹性模量。弹性模量偏低，声音效果不好；弹性模量高时，频率稳定性好，可以通过控制簧片的长度和厚度把频率调节好，并使音量、音质和发音灵敏度获得改善。手风琴音簧一般用高碳钢薄带制成，薄带应有较高的尺寸精度和适宜的硬度。硬度过高，加工困难，容易折断；硬度过低，造成频率达不到规定的高度，且易随风压变化，高次谐波数少而弱，因而音色柔和有余，而明亮清脆不足。含碳0.85%、锰0.5%的碳素工具钢（同中国的T8MnA和T9MnA牌号相近）是制造琴钢丝（乐器丝）的典型金属材料。琴钢丝应具有较高的抗拉强度（一般为2 500～
3 500 N/mm2）、适宜的弹性模量（180 000～200 000 N/mm2），良好的耐疲劳性、韧性（一般要求弯曲8～20次，扭转20～30次）和耐蚀性，低的内耗值。材料抗拉强度过低，除容易断弦外，还会产生应力弛豫，频率不稳，抗拉强度过高，则会产生基频弱，谐波强度大、失谐过大，造成声音不纯。材料的弹性模量过高，内耗增大，会使音色不柔和，有生硬感；弹性模量过低，又会使音色过于柔和，有“闷”、“暗”感。琴钢丝直径通常为0.2～1.6 mm，椭圆度小于0.005 mm。椭圆度大了，会产生两个回转半径，引起两个非谐基频，使音色不纯。琴钢丝材料的生产，必须严格选用原料，采用炉外精炼工艺，保证化学成分准确、均匀和质地纯净（钢中夹杂物和硫、磷等元素含量低）；还要严格按制金属塑性加工工艺参数，使用高精度的模具和合理的金属热处理工艺。这样，才能获得外表光沽、尺寸精确、组织均匀、品质因素好的产品。

在乐器的金属支撑体中，最典型的是钢琴的框架。框架一般用灰口铸铁制造。支撑着琴内多达200根琴弦的总拉力{约(15～20)×104 N}，必须保证琴体结构不变形，对琴弦振动应有共振和传振能力。如果框架的材料抗拉强度低，会吸收过多的弦的振动，减少传到响板的能量。框架有不谐振动音会大大影响钢琴的音色。增加框架厚度虽能使琴体不变形，但会影响共振，减少音量。

一生平庸

乐器用金属材料







乐器通常由振动体、传导体、共鸣体、支撑体、附件等组成。乐器各个部件使用的材料的性能对乐器的音量、音质（音色），特别是频率（音调）及其稳定性等有重要的影响。这种材料一般要求有适宜的内耗（或品质因素）、密度、弹性模量、耐蚀性和成型加工性能。中国商周时期（约公元前17～前3世纪）就有青铜制的铙和编钟等金属打击乐器。某些战国时期的编钟是由含锡15%～16%、铅1%～2%的铜合金制成的。

含锡10%～20%的青铜，称为响铜，用于制造锣、钹等打击乐器。现在的笙、芦笙等的簧片也都由响铜制成。这种古代就已生产的铜锡合金有良好的力学性能、物理性能和音响效果，所以沿用至今。如果合金中含锡量增高，会使乐器的音频过高，脆性增大，容易破裂；含锡量降低，则会使乐器音频过低，损害音响效果。铜管乐长笛也用铜锡合金制作。含锌30%（或10%）的黄铜和含镍30%的白铜具有音的衰减小、耐蚀性好以及可切削、弯曲、钎焊等性能好的优点，用于制造铜号等的管体，特别是喇叭出口部分。风琴、口琴的音簧要有适当弹性模量。弹性模量偏低，声音效果不好；弹性模量高时，频率稳定性好，可以通过控制簧片的长度和厚度把频率调节好，并使音量、音质和发音灵敏度获得改善。手风琴音簧一般用高碳钢薄带制成，薄带应有较高的尺寸精度和适宜的硬度。硬度过高，加工困难，容易折断；硬度过低，造成频率达不到规定的高度，且易随风压变化，高次谐波数少而弱，因而音色柔和有余，而明亮清脆不足。含碳0.85%、锰0.5%的碳素工具钢（同中国的T8MnA和T9MnA牌号相近）是制造琴钢丝（乐器丝）的典型金属材料。琴钢丝应具有较高的抗拉强度（一般为2 500～
3 500 N/mm2）、适宜的弹性模量（180 000～200 000 N/mm2），良好的耐疲劳性、韧性（一般要求弯曲8～20次，扭转20～30次）和耐蚀性，低的内耗值。材料抗拉强度过低，除容易断弦外，还会产生应力弛豫，频率不稳，抗拉强度过高，则会产生基频弱，谐波强度大、失谐过大，造成声音不纯。材料的弹性模量过高，内耗增大，会使音色不柔和，有生硬感；弹性模量过低，又会使音色过于柔和，有“闷”、“暗”感。琴钢丝直径通常为0.2～1.6 mm，椭圆度小于0.005 mm。椭圆度大了，会产生两个回转半径，引起两个非谐基频，使音色不纯。琴钢丝材料的生产，必须严格选用原料，采用炉外精炼工艺，保证化学成分准确、均匀和质地纯净（钢中夹杂物和硫、磷等元素含量低）；还要严格按制金属塑性加工工艺参数，使用高精度的模具和合理的金属热处理工艺。这样，才能获得外表光沽、尺寸精确、组织均匀、品质因素好的产品。

在乐器的金属支撑体中，最典型的是钢琴的框架。框架一般用灰口铸铁制造。支撑着琴内多达200根琴弦的总拉力{约(15～20)×104 N}，必须保证琴体结构不变形，对琴弦振动应有共振和传振能力。如果框架的材料抗拉强度低，会吸收过多的弦的振动，减少传到响板的能量。框架有不谐振动音会大大影响钢琴的音色。增加框架厚度虽能使琴体不变形，但会影响共振，减少音量。

一生平庸

为什么说金属钛是金属家庭中的老三







答：在社会发展史上，铁是封建社会的时代标志，恩格斯曾经说过：“一切文化民族都在这个时期经历了自己的英雄时代：铁剑时代，但同时也是铁犁和铁斧的时代”。当然我们现在所处的时代仍然是钢铁时代。到了20世纪初，铝的使用也越来越普遍，有后来居上之势，享有“20世纪的金属”之美誉。然而，在最近二十几年来，钛又引起了人们的普遍重视。科学家预言：在21世纪里，钛将继铁、铝之后居金属家庭中的第三位。因此人们称钛为“金属家庭中的老三”。

钛在发现的初期“怀才不遇”，开始发现钛时，由于很难将钛冶炼为纯净的单质，性质脆弱而用途不大。一百五十年后（1940年）人们首次用金属钢还原四氯化钛制得纯钛，纯钛坚硬而轻盈，耐腐蚀性极强，因此，钛的身价顿时倍增，成为金属材料中的佼佼者。

钛有“太空金属”之称。它密度小，强度大，密度是钢铁的一半而强度和钢铁差不多；钛既耐高温，又耐低温。在-253～500 ℃这样宽的温度范围内都能保持高强度。这些优点正是太空金属所必备的。钛的合金是制做火箭发动机的壳体及人造卫星、宇宙飞船的各种高压容器的好材料。

钛享有“海中蚊龙”的美誉。钛的合金有一流的抗腐蚀性，钛制的军舰、核潜艇，银光闪闪，用不着涂漆，在海中航行几年也不会生锈。

钛又被人们称为“亲生物金属”。钛在医学上有着独特的用途。在骨头损伤处，用钛片和钛螺丝钉固定好，过几个月，骨头就会长在钛片上和螺丝钉的螺纹里。新的肌肉就包在钛片上，这种“钛骨”就如真的骨头一样，甚至可以用钛制人造骨头来代替人骨治疗骨折。

钛在地壳中含量(0.6%)相当丰富，居所有金属的第十位，比常见的铜、银、锌都多。我国钛资源得天独厚，已探明储量居世界之首。预计21世纪的产量将超过钢，成为次于铁、铝之后的第三金属。

选自《答疑解难 初三化学》常文启主编，开明出版社