书城教材教辅魔力无穷的化学世界
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第14章 美丽的水晶

二氧化硅是自然界中分布很广的一种矿物,化学家称它为硅石,而地质学家叫它为石英,约占地壳总重量的12%。

石英有许多变种,色彩众多的玛瑙,晶莹透彻的水晶,斑斓夺目的蛋白石,光彩耀人的玉髓(绿玉髓、血滴石),稀奇古怪的碧石(碧玉),能打火的燧石等等,都是硅和氧组成的不同化合物。

无色透明的石英晶体,就是水晶。自然界大块的水晶看上去好像玻璃,又似冬天的冰块,所以希腊语“水晶”一词的意思就是“冰”。

水晶中如果含有少量的锰,就呈紫色,叫紫水晶(紫晶);如果含有少量植物杂质,就成为淡黄、金黄和褐色的烟晶;如果含有少量的碳,就成为黑色而几乎不透明的墨晶。二氧化硅还可能因某种物理原因而形成玛瑙和碧玉。

1880年,法国科学家皮埃尔?居里和日阿克?居里兄弟俩发现了水晶在物理学上的重要现象。他们把水晶晶体切成平行的薄片,放在两块金属板之间,在外来重力的作用下,出现了非常奇怪的现象:如果压紧或者拉长这种薄片,那么在晶片的两端就聚积了相反符号的电荷。

居里兄弟俩发现的水晶的这种特性,使人们有可能把机械能转变为电能。在交流电作用下,水晶薄片就会以高频率振动而产生超声波振荡,这种现象叫做压电现象。但是,这一发现经过很长的时间才得到了应用。

随着科技的不断发展,水晶切成单晶片后制成的水晶谐振器,是制造石英静电计、石英电子手表中的不可缺少的仪器。人造卫星、导弹、飞机、舰艇、电子显微镜、电视、广播等等,都要用上它。

现在世界上巳经建立起几十个人造水晶工厂,水晶也越来越广泛的用于工业生产和科学技术领域。

多功能的冰晶石

世界上最大的岛屿格陵兰岛,地面上覆盖着厚厚的冰雪,界那里有世界上唯一的有工业开采价值的冰晶石矿产。在世界其他的一些地方,虽然也发现了这种矿物,可是蕴藏量都不大。

通常,冰晶石是无色的晶体,有的因为含有杂质,带灰白色、淡黄色或淡红色,有的甚至呈黑色。

冰晶石的化学成分比较简单,是由氟化钠和氟化铝组成的,它在自然界的蕴藏量并不多,因此不用它作为直接制取钠和铝的矿石原料,而是用来做炼铝的助熔剂。

铝是今天世界的第二大金属。可是,如果没有冰晶石的帮助,就不可能有现在如此广泛使用的金属铝。这是为什么呢?

原来,铝是用铝矾土电解而得到的。铝矾土中含有氧化铝。

可是,要熔融氧化铝却很困难,需要2000°C的高温。这不可避免地要耗去大量的电力,成为发展铝生产的难题。

19世纪末,美国人哈尔首先发明了现代生产铝的新方法:

在电解槽中装上冰晶石和氧化铝混合物,在1000C下进行电解,结果成功地得到了铝。哈尔的这一伟大贡献,使铝变成了廉价的商品。

天然的冰晶石没法满足工业上多方面的需要,现在,冰晶石主要是由人工方法制造出来的。

磷灰石曾被人认为是无用的“废物”,到19世纪末才发现了它的价值。它是一种矿物,主要成分是磷酸钙,并含有氯和氟,大多呈浅绿色或无色透明,也有的呈青、黄、灰、褐等色泽,是制造磷肥的主要原料。磷酸钙呈白色粉末状,是人和动物骨骼中最重要的成分。随着冰晶石的大量生产,磷灰石的产量也进一步地增加了。

石棉的秘密

在2500多年前,人们就知道利用石棉了。

石棉是什么东西呢?顾名思义,它就是用石头制成的棉花。

但实际上它是一种纤维状的矿物,同棉花大不相同。石棉都是硅酸盐,都含有硅和氧,各种不同的石棉矿还含有多少不同的钙、铁、镑、納等金属。

石棉,希腊语的意思是“烈火烧不坏的东西”。我国古代叫它“火浣布”,就是不怕火的布。因为这种布脏了,用火一烘就干净了。

史书记载了这样一个故事:公元2世纪时,后汉桓帝的大将军梁翼超得到了一件“仙衣”。他为了炫耀自己,特地穿了这件“仙衣”大宴宾客。在饮酒时,他故意打翻碗碟,使“仙衣”上沾满了油迹。当宾客们正为这件“仙衣”惋惜的时候,梁翼超却不动声色地叫家将拿出一只烈火熊熊的炭盆来,说要把这件“仙衣”投到烈火中去,以火洗衣。宾客们都以为他在开玩笑。谁知这件“仙衣”经烈火燃烧后,不但油渍消失,而且显得更新了。

在外国,人们也很早就知道使用石棉了。

国外还有一个传说:有一个国王要惩罚一名强盗,下令火焚处死。强盗辩解说,他从未做过伤天害理的事,希望国王明察。国王问:“怎么能证明你无罪呢?”强盗说:“如果我有罪过,一定会被大火焚烧成灰;如果我是无辜的,上帝一定会保佑我安然无恙,让我穿戴整齐赴刑场吧!”国王答应了。于是,强盗穿上石棉制的衣服,在大火中焚烧,居然人和衣服没有一点损伤。最后,国王只好把他释放了。

以上有的只是传说而巳,可是,它却真实地反映了石棉的耐热性能。石棉都是硅酸盐,而硅酸盐一般都是能耐高温的,不怕火烧。

岩石也可熔镔

金属可以熔铸,岩石能熔铸吗?随着科技的发展,回答当然是肯定的。

火山爆发时,地球深处的熔融岩浆从火山口喷发出来,沿着山坡流泻,冷却后就成为岩石。这说明岩石是能熔化的。

19世纪初,科学家曾经将坚硬的岩石做熔融实验,并找出能熔化岩石的高温容器材料。如今,人们巳经成功地将熔化的石“液”注人模型中,浇铸成新颖的结构材料和精巧的机器零件。它仿佛“铸铁”、“铸钢”那样,人们叫它“铸石”。

用天然岩石如玄武岩、辉绿岩或者高炉铁渣等,按一定比例配合,加进改善性质的添加剂,在1200~1300°C的熔炉中熔成火红的石液,便可浇制成各种产品。

铸石的原料配比不同,铸出的型材的颜色也不同,一般有深色和浅色两种。铸石经过磨光以后,表面光洁晶莹,具有很好的装饰效果;敲起来声音铿锵,宛如金属制品。

铸石具有许多天然石材和钢材所没有的优点。铸石有极高的强度,比合金钢强好几倍。

实践证明,铸石是代替某些钢铁构件和有色金属构件的理想材料;在有些地方,还可以代替塑料、橡胶和耐磨陶瓷,用于化工设备中。

铸石的主要成分是:二氧化硅40%?50%,三氧化二铝10%?20%,氧化钙10%?15%,氧化镁8%?15%,还有少量的铁、钾等元素。

铸石的耐磨性好。用锰钢做的焦炭运输槽,在运送了30万吨隹炭以后,就会全部磨损而报废;可是,用铸石做的运输槽,使用寿命比锰钢槽长25倍。

铸石型材还大量用于制造耐酸碱的化工容器和塔式设备等的衬里。由于它的优良耐磨性能,还用于制造水轮机壳,特别能抗流沙和水力的冲刷。另外就是,铸石在建筑方面用途也非常的广。