初中化学趣味阅读

一生平庸

未来的钢铁：钛







钛，元素符号为Ti。在人类已发现的一百余种元素中，有八十多种是金属元素。在有色金属中，钛归属于稀有高熔点金属之中。

钛在地壳里的储藏量非常丰富、据科学家们测定、推算和估计，其含量是地壳质量的千分之四还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第10位（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）。钛的分布很广，在矿石、砂粒、粘土、煤、石油、植物、天然水中都有；陨石也含有钛，说明地球以外的天体里也有钛。看来钛含量多、分布广，所以，人们就称它为“不稀有”的稀有金属。

1791年，英国分析化学家、康瓦尔郡默纳陈教会的牧师格列高尔（1762～1817）发现了钛。一次，他对英国默纳陈河谷中所产的一种黑色磁性矿砂进行研究，发现其中含有棕红色的矿渣粉末（不纯的二氧化钛）。他发生了极大的兴趣，并进行了研究。研究结果撰成论文，但是，在当时未引起人们的重视。1795年，德国矿物学家和分析化学家克拉普罗特在分析匈牙利布伊尼克地区产的红色金红石时，发现外表很象默纳陈矿，在做对比研究之后，知道两者的主要成分相似，只是默纳陈矿含有铁。克拉普罗特确信这是一种新金属的氧化物，并好奇地给这种新元素取名叫“Titanium”（钛），这个名字引用一个希腊神话故事：说天与地的第一代儿子叫“太旦斯”（Titans）。由于钛在高温时非常活泼，能够跟氧、氮、氢、碳等元素化合生成相应的化合物，特别是与氧的结合能力更强，生成非常稳定的氧化物。所以，钛几乎都是以氧化物形式存在于自然界中。因此，钛虽然被发现的很早，但是半个多世纪以来就是没有办法制得金属钛。1849年德国化学家维勒（1800～1882年）用钾与氟钛酸钾共热，制出不纯的金属钛。现在冶炼钛的方法是，先把钛矿石经过一系列处理，转变成四氯化钛，再用镁或钠在惰性气体中还原，生成海绵状钛。

所得产物不能直接使用，还要在真空电弧炉里熔铸成钛锭，并经加工，进一步方得使用的各种型材。金属钛的性质、用途和生产方法等都和其它稀有金属相似，所以，把钛划归在稀有金属里也就不难理解了。

目前已发现含钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、钛铁矿、钙钛矿等。金红石实际上就是较纯的二氧化钛，一般含TiO2在95%以上，它是提炼钛的重要矿物原料，但在地壳中储量较少。白钛矿含二氧化钛70%～92%，而钛铁矿、钙钛矿含二氧化钛较低，一般为35％～52%。钛铁矿、钙钛矿虽然含二氧化钛量较少，但其储量非常大，是生产金属钛和钛白的主要原料来源。我国有丰富的钛铁矿。

从外形上看，钛很像钢铁，但和钢铁相比，具有很多优异性能。因此，钛可成为一种发展快、用途广、收效大的金属。目前，有人把钛叫做“时髦金属”，也有人根据钛在工业上发挥的重要作用及其在未来发展趋势，把钛称为第三金属（第一金属指钢铁，第二金属指铝）、未来的钢铁。

在飞机制造工业上，要求制造所用的材料，既质轻，又强度大。一般是用比强度（材料的强度和比重的比值）来表示它，这个比值越大越好，而钛正符合这个要求。钛的比强度是目前使用材料中最大的，是不锈钢的3倍，是铝合金的1.3倍。所以，在飞机制造工业上，很重视钛这个材料。随着航空工业的发展，飞机的飞行速度越来越快。速度越快、飞机跟空气摩擦产生的飞机表面温度就越高，当速度达到2.2倍音速的时候，铝合金已经不能胜任，而用钢又太重，只有采用钛合金来制造，所以有人说，如果没有钛合金作为制造材料，就不能发展2.5倍音速以上的超音速飞机。

在宇宙航行上，飞船的飞行速度比飞机更要快得多，并且工作环境变化更大，所以对材料的要求也更高、更严格。比如，用火箭把载人的宇宙飞船运到月球上去，要经历从高温到超低温的过程。在返回地面的时候，又从超低温进入高温，当飞船进入大气层的时候，飞船表面温度上升到540℃～650℃。制造宇宙飞船的材料，必须适应这样剧烈的温度变化，而钛合金能满足这些要求。从1957年开始，钛材料大量在宇宙航行上使用，主要用来作火箭的发动机壳体，人造卫星的外壳、紧固件、燃料储箱、压力容器等；还有飞船的船舱、骨架、内外蒙皮等。在宇宙航行上，使用了钛以后，可以大大减轻飞行器的重量。从经济效果来看，由于结构重量的减轻，能够大量节省燃料，同时可以大大降低火箭和导弹的建造和发射费用。

钛的耐腐蚀能力非常强，特别是对海水的抗腐蚀能力，可以与白金相媲美。曾经有人把金属钛放在海水中浸泡了四年半，取出来以后观察，几乎没有被腐蚀，仍然保持原有金属光泽，所以，钛是制造舰艇的良好材料。钛作为耐腐蚀材料，自它的诞生就受到各国的高度重视。比如美国从1963年到1975年，在耐腐蚀材料方面使用钛的量增加了10倍。在日本使用的钛当中，有90%是用在耐腐蚀方面。钛的耐腐蚀能力比不锈钢高150倍。钛和氧有很强的结合能力，当钛暴露在空气中时，其表面立刻形成一层很薄的稳定的氧化膜，并具有特殊的耐腐蚀能力。（如果这层膜受到机械损伤的话，还会重新形成一层薄膜。）现在，电解槽国内外都用钛代替了石墨。目前，在国外有国家已规定：在原子能发电厂，为了安全，必须全部使用钛制冷凝器。在这方面用钛量是相当可观的，如发电量为60万KW的火力发电站，需钛材60t，而发电量为110KW的原子能发电站需要钛材多达150 t。

在合金钢中加入少量的钛，可以大大改善钢的性能，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性能。比如我们最常见的18-8不锈钢中就含有1%左右的钛。在有色金属湿法冶金中，使用了钛以后，也收到良好的效果。比如在金属镍的电解生产中，已经采用钛板代替不锈钢板作母板，不锈钢板只能使用一年左右，而钛板可以使用10年以上，使用寿命延长了10倍。经过长期实验证明：钛在人体内没有毒性，和人体的分泌物不起作用，对任何杀菌方法都适应，且没有磁性，所以，国内外都已经用钛作矫形外科材料和医疗器械。

超导材料是未来极有发展前途的一种材料。用约50%的钛和50%的铌制成的合金，是目前研究和使用最多的一种超导材料。在美国每年生产的100多吨超导材料中，铌钛合金占90%。人工制得的钛酸钡（BaTiO3)具有特殊的性质，它具有高的介电常数，由它制成的电容器具有较大的容量。目前，钛虽然比不锈钢贵2～3倍，但是使用寿合一般比不锈钢要提高10倍以上。这就是说，使用钛材一次投资是贵了些，可是由于使用时间长，终究还是经济的。预计在不远的将来，钛将会像钢铁、铜、铝一样，成为我们日常生活中必不可少的一种金属。

我国丰富的钛的资源，为发展钛工业提供了优越条件，也必将为钛在各个领域里的广泛应用开辟美好的前景。

一生平庸

乐器用金属材料







乐器通常由振动体、传导休、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2500～3500N/mm2）、适宜的弹性模量（180000～200000N/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 mm～1.6 mm，椭圆度小于0.005mm。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

人工智能与高分子材料







20世纪90年代，在材料科学中形成一门新型学科--智能材料学。所谓智能材料是指能够感知环境变化，通过自我判断和得出结论，实行自我指令和自我执行的新型材料。


人工智能是指在人工系统中再现人的智能活动的技术，也指与此相对应的学科。最早引起科学家注意的是运用人工智能技术编制程序来提高现有计算机的应用灵巧性，使计算机能做那些通常需要人的智能才能做的事情，因此人工智能也被狭义地称为机器智能。


但是，人工智能当然不能也不会局限于应用在机器和计算机上，作为长期的目标，人工智能应该在思维科学指引下，研制综合性的人工智能系统，因此材料科学也可以纳入人工智能研究的范围和目标。


人工智能与自然智能（人类智能）是对立的统一，不管科学如何发展，人造的、模拟的“智能”和天然的、本原的“智能”仍然有质的差别。从局部看，人工智能可以代替人的某些脑力劳动，但是，从总体上看，人类的创造力是无限的，归根结底，再高明的人工智能也是由人所创造、操纵，并为人所用的，而且人工智能要向前发展，首先必须依靠人。


在与化学有着密切关系的材料科学领域中，率先发展并已经初见成效的当推智能高分子材料，这是因为与人工智能关系最密切的是功能，而在化学功能材料中，高分子材料的研究最广。


主要方面有：


1.高分子的智能化——高分子凝胶的智能化


高分子薄膜的智能化


高分子复合材料的智能化


本征导电聚合物的智能化


2.形状记忆树脂


这里只介绍了与化学关系最密切的高分子人工智能材料，其他非高分子的人工智能材料也已经研究得比较多。例如，敏感陶瓷材料在自动控制仪表中就相当于人的五官，起到视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉器官的作用。和陶瓷类似，玻璃也可以起到这方面的作用，有一种光敏变色玻璃可以自动地随光线强弱而改变透明度，使室内亮度始终保持恒定，也是一种感觉一指令一动作的过程。还有，具有记忆功能的材料也不仅仅限于高分子树脂，镍钛合金就是一种具有形状记忆功能的合金，被用作架设在月球上的合金。总之，人工智能材料的研究处于发展阶段，前途远大。

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高分子凝胶的智能化







高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，由于它是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的形状。溶剂虽然不能将三维网状结构的高分子溶解，但高分子化合物中亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀，这也是形成高分子凝胶的原因之一。


高分子凝胶的智能化表现在以下几方面。当外部环境的pH、离子强度、温度、电场以及环境中所含有的其他化学物质发生变化时，高分子凝胶即呈现出“刺激一应答”状态。例如在高分子凝胶中出现相转变，表现为网络的网孔增大、网络失去弹性、网络的体积急剧变化（可变化几百倍之多），甚至在三维网络结构中不再存在凝胶相。而且这些变化是可逆的和不连续的。


上述这些变化使高分子凝胶的体积既可以发生溶胀，又可以收缩，利用这种性质设计出一种装置，它具有肌肉的功能，这种人造肌肉制成的机械手类似于智能机器人的手，能够拿东西。


我们可以看出，这种人造肌肉是被谁指令的呢？那就是上面指出的外部环境的各种物理性质和化学性质发生的变化。


这种具有三维网络结构的高分子凝胶的溶胀行为还可以由于糖类的刺激而发生突变，这样，高分子溶胀行为将受到葡萄糖浓度变化的指令。


葡萄糖浓度信息对于糖尿病患者是很重要的，如果以这种含葡萄糖的高分子凝胶作为负载胰岛素的载体，表面用半透膜包覆，在此体系中随着葡萄糖浓度的变化，高分子凝胶将作出响应，执行释放胰岛素的命令，从而有效地维持糖尿病患者的血糖浓度处于正常。

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高分子薄膜的智能化







生物分子具有特殊的识别能力，这种能力能够作为发布智能指令的特性。如果将生物分子或复杂的生物系统与高分子薄膜结合起来，就可以利用生物分子的识别能力使薄膜产生选择性渗透、选择性吸收的功能，进而达到物质分离的目的。


LB膜是使高分子薄膜智能化的重要研究对象，它可以获得光学记忆、光电交换、选择性传质、选择性传感等功能，用于制作人工视网膜以及具有嗅觉和味觉功能的高分子薄膜，使高分子智能材料更多地用于医用功能材料。

一生平庸

高分子复合材料的智能化







人工合成的智能型复合材料称为机敏材料。根据响应方式不同，机敏材料可以分为主动控制式和被动控制式两种。


主动控制式机敏材料具有先进和复杂的功能，可自动检测材料的动力和静力，在允许范围内比较测定结果，经过筛选确定适当的响应，控制不希望出现的动态特性。


被动控制式机敏材料只能传输传感器所感受到的信息（如位移、应变、温度、压力、加速度等），这种机敏材料的结构简单，属于低级智能材料。


美国两家航空公司研制“智能飞机蒙皮”，把微传感器、微处理器、微型天线、发射器、接收器等植入用含导电的复合材料制造的飞机蒙皮中，实现电子设备和飞机机体一体化。

一生平庸

本征导电聚合物的智能化







本征导电聚合物是以共轭双键为主链的聚合物，例如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺等。


本征导电聚合物的分子链高度取向，电导率和其他物理性质有显著的各向异性。


伴随着氧化还原反应，本征导电聚合物经掺杂后可成为导体。例如以医用阳离子或阴离子性激素分子为掺杂剂，本征导电聚合物可制成智能药物释放体系。


本征导电聚合物与O2，NOx，SO2等气体发生反应时，电导率会出现不同的变化。根据这一功能可以制成能鉴别28种气体的“人造鼻”。


利用本征导电聚合物处于中性状态和掺杂充电状态时的颜色可逆转换这一特性，可制成透明度可调的智能窗。夏季时，智能窗调成深色，吸收部分日光，可保持室内凉爽。冬季白天将智能窗调成透明，让可见光和红外线辐射进入室内，作为取暖的热源。冬季夜间又将智能窗调成深色，不让室内热量通过红外线辐射逸散到室外，智能窗起到了保暖作用。