【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。? ?

第一章金屬的通性

§1-1金屬的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，合金

【01】金屬是由金屬元素組成的一類單質(zhì)。金屬元素約有80余種，在已知的105種元素中占大多數(shù)。金屬的初步概念以及有關(guān)的一些知識，我們在前兩冊的各章里（第一冊§1-6，§5-1，第二冊§3-8等）【山注，化1-1-06傳送門CV20241255；化1-5-01傳送門CV20740522；化2-3-08傳送門CV21568907】已經(jīng)學(xué)到了一些，但還沒有比較系統(tǒng)地研究過。我們知道，金屬和非金屬是單質(zhì)的兩大類，它們雖然沒有嚴(yán)格的界限，但在很多方面是有較大的區(qū)別的。從本章開始，我們將對金屬作系統(tǒng)的研究，使在掌握一些重要的金屬以及這些金屬的重要化合物的知識的同時，對金屬和非金屬兩類物質(zhì)的基本區(qū)別可以獲得比較深入而明確的認(rèn)識。

【02】我們已經(jīng)知道，金屬雖有很多種類，且各有各的性質(zhì)，但它們具有一些共同的特殊物理性質(zhì)，例如特殊的金屬光澤、導(dǎo)電傳熱性和展延性等，這是和非金屬不同之處。在金屬的制造和使用方面，也有很多共同的地方。因此，在開始學(xué)習(xí)金屬之前，我們先講述金屬的通性和一些共同的問題，這對學(xué)習(xí)是有幫助的。

金屬的結(jié)構(gòu)

【03】在元素周期表里，金屬元素的位置，主要處于每個周期的前部，這反映了金屬元素的原子結(jié)構(gòu)的特征，就是原子的最外電子層上的電子數(shù)常為1個、2個或3個，而很少有超過4個的。這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)在比較容易放出電子。不僅在碰到容易結(jié)合電子的原子時（例如非金屬），金屬原子就即失去電子而變成帶正電荷的離子（陽離子），即使在單獨(dú)存在時，這些電子也容易游離開來，使部分原子變成陽離子，這就導(dǎo)致金屬具有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和某些共同特性。

【04】金屬的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？實(shí)驗證明，一切金屬都是由微小晶體結(jié)合而成的。在每一個晶體里，原子都按照一定的方式，有規(guī)律地排列著，并以各自的固定位置為中心，在空間進(jìn)行著不規(guī)則的振動。由于金屬原子的外層電子容易放出，在瞬間，這些游離開來的電子不固定屬于這個或那個原子，而是在金屬內(nèi)部不規(guī)則地自由移動，稱為自由電子。另一方面，那些失去一部分外層電子后所變成的陽離子，在振動中碰到自由電子時，會重新結(jié)合而恢復(fù)成中性的原子。當(dāng)然接著原子又會放出電子而再變成陽離子，這樣，科學(xué)家認(rèn)為金屬晶體是由中性的原子、帶正電荷的陽離子和自由電子三者構(gòu)成的，而且它們又在不停地進(jìn)行著交換：電子離開原子，電子又跟陽離子結(jié)合。如果把它們形象地表示出來，則如圖1·1所示。

【05】但是，必須指出：由于自由電子并沒有完全離開金屬，從整體來說，金屬還是電性中和的，同時，各種不同金屬的原子結(jié)構(gòu)不完全相同，原子核對外層電子的吸引力也各各不同，因此，這種游離成自由電子的傾向也就各各不同了。最外層電子數(shù)愈少，離開原子核的距離愈遠(yuǎn)，放出或游離出電子的傾向愈大，這種金屬元素就稱為活動的金屬；反之，放出電子就較困難。但在蒸氣狀態(tài)時，金屬一般都是由一個個單個的原子構(gòu)成的。

金屬的物理性質(zhì)

【06】金屬具有很多共同的物理性質(zhì)，這在前面已經(jīng)提到。我們知道，物質(zhì)的性質(zhì)主要決定于物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，因此，金屬的這些特有的共同性質(zhì)，亦不難從金屬的特殊結(jié)構(gòu)來說明。當(dāng)然，各種不同的金屬，由于它們晶體里的中性原子、陽離子各不同，實(shí)際排列也各不同，所以各種金屬之間的性質(zhì)又有所差別，甚至有較大的差別。

1、金屬光澤

【07】具有特殊的“金屬”光澤是金屬最明顯的特征之一，這是由于它們能強(qiáng)烈地反射光線所引起的。但是這種光澤只有當(dāng)金屬成整塊時才能表現(xiàn)出來，研成粉末后，絕大多數(shù)金屬都變成黑色或暗灰色，只有鎂、鋁等少數(shù)金屬仍保持原有的光澤。

【08】金屬的顏色，大多數(shù)為銀白色或灰色（深淺有所差別），但也有少數(shù)金屬是其他的顏色，例如金為赤色、銅為紫褐色等。工業(yè)上，把鐵、鐵的合金和鉻、錳等金屬稱做“黑色金屬”，而把其余一切金屬稱做“有色金屬”，這僅僅是為了稱謂上的方便，把與煉鋼有關(guān)的一些金屬，從其它金屬中區(qū)別開來而已，與實(shí)際顏色沒有多大關(guān)系。

2、導(dǎo)電性和傳熱性

【09】一般說來，金屬都是電和熱的優(yōu)良導(dǎo)體，但能力有所差別。某些金屬的導(dǎo)電性和傳熱性的相對大小如圖1·2所示。注意，按照導(dǎo)電性或傳熱性的大小所排列成的次序是一致的，例如不論導(dǎo)電或傳熱的能力，最好的都是銀和銅，最差的是鉛和汞。但金屬的導(dǎo)電性隨溫度的升高而降低。

【10】金屬之所以是電和熱的良導(dǎo)體，是因為金屬晶體里存在著能自由移動的自由電子的緣故。當(dāng)金屬兩端加上一個微小的電勢差時，自由電子立刻向一定的方向移動，形成了電流。當(dāng)然，自由電子的濃度大小——就是電子從金屬原子中游離出來的傾向性大小的不同，是各種不同金屬的導(dǎo)電性強(qiáng)弱不同的主要原因。另一方面，自由電子的移動也受到晶體中的中性原子和陽離子的阻力影響，當(dāng)溫度升高時，中性原子和陽離子的振動速度和振幅都變大，這就增大了對自由電子移動的阻力，因而金屬導(dǎo)電性隨著溫度的升高而降低了。

【11】金屬的傳熱性也跟自由電子的存在有關(guān)。自由電子在晶體里很快移動，不斷與原子和陽離子相碰撞，它們之間就會發(fā)生能量的交換或傳遞。當(dāng)金屬的一端受熱時，這部分的質(zhì)點(diǎn)——原子和陽離子的振動就會加強(qiáng)，表現(xiàn)出溫度的升高，它們的能量會經(jīng)過自由電子的碰撞波及到鄰近的質(zhì)點(diǎn)，從這些質(zhì)點(diǎn)的加快振動，轉(zhuǎn)輾波及到以后的更遠(yuǎn)更多的質(zhì)點(diǎn)，因而金屬的受熱狀態(tài)很快就擴(kuò)展開來，使整塊金屬的溫度同樣的升高了。

3、可塑性

【12】前面曾講到金屬有很好的展性和延性，這種性質(zhì)概括地叫做可塑性?？伤苄跃褪钱?dāng)物體在外力的作用下能夠變形，而在外力停止作用以后仍能保持已經(jīng)變成的形狀的性質(zhì)。大部分金屬是可塑的，它們?nèi)菀妆混汛虺筛鞣N形狀，抽成線或軋成薄片等。當(dāng)然，這和金屬的特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)也直接有關(guān)，但原理比較復(fù)雜，這里不談了。

【13】各種金屬的可塑性自然也有所差別，并且各有特點(diǎn)，例如金能打成很薄很薄的“金箔”，但抽延的性質(zhì)不及鎢，鎢能抽成很細(xì)的絲（做電燈泡內(nèi)的絲）；鐵的展性延性都不及金、銀等金屬。但總的說來，金屬的可塑性比之非金屬都是較大的，只有少數(shù)金屬，例如氮族里講到的銻和鉍，以及若干其它金屬如錳等的可塑性很小，所以這些金屬是經(jīng)不起敲打或壓拉的。

【14】必須指出，金屬的可塑性，一般是隨著溫度的升高而增大的，所以金屬的煅打、沖壓、拉軋等加工操作，大都要在熾熱的情況下進(jìn)行。

4、金屬的比重、熔點(diǎn)和硬度

【15】金屬之間的比重、熔點(diǎn)和硬度的差別，比之前述的幾種性質(zhì)的差別要大得多，這是因為影響這些性質(zhì)的因素不止一個。各種金屬晶體的結(jié)構(gòu)除了基本相同外，還有別的因素，如原子的質(zhì)量、核電荷的大小、原子的排列方式等等各有差別，它們的關(guān)系非常復(fù)雜，這里不多介紹。我們僅把幾種常見的金屬的比重、熔點(diǎn)和硬度，用圖1·3~1·5表示出來，讀者從此可獲得一個大概的印象。

【16】從圖1·3中可以看到，鉀、鈉的比重小于1，比水還輕；而鉑要比（同體積）水重21.45倍呢！鋁只有（同體積）鐵的約三分之一重，所以鋁、鎂等常用在制造飛機(jī)等需要重量輕的器械中。一般把金屬的比重小于5的，稱做輕金屬；比重大于5的，稱做重金屬。但這種分類，除了說明它們的比重不同之外，并不能反映出其他性質(zhì)的差別.

【17】從圖1·4可以看到，汞的熔點(diǎn)很低，所以它在常溫下是液體；金的熔點(diǎn)是1063℃，比之一般爐灶或燈焰的溫度要高得多，平常不易把它熔化，所以俗語常說“真金不怕火”。其實(shí)熔點(diǎn)比金高的金屬還多著呢！

【18】表達(dá)物質(zhì)的硬度，科學(xué)上采用以金剛石的硬度為10做標(biāo)準(zhǔn)來比較的。這是任意假定的數(shù)值，本身沒有絕對意義。從圖1·5可看出，鎳的硬度為5，就是說金剛石的硬度比它強(qiáng)一倍。鉀、鈉等硬度很小，所以用普通的刀、剪就很容易切割它們。

【19】從這三個圖里，不難得出結(jié)論，金屬的這些性質(zhì)的差別是很大的。所以在使用金屬時，我們就應(yīng)根據(jù)需要有所選擇了。

【20】但是，一種純凈的金屬的性質(zhì)，對應(yīng)用來說，往往不是全面符合要求的。例如純鐵（和熟鐵近似）性質(zhì)比較軟韌，不易破碎，有利于展延；但熔點(diǎn)很高，不便于熔儔。鋁的比重較小，有利于制造飛機(jī)或運(yùn)輸工具，但硬度不夠，容易變形，不能承重。純銅（即紫銅）的導(dǎo)電性很強(qiáng)，有利于制造電氣用具，但硬度較小，比較柔軟，不適宜制造機(jī)械零件和日用器具。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對原材料的很多機(jī)械性能，例如耐高溫、高強(qiáng)度、超硬、耐磨、彈性等等，都提出一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。顯然，任何一種純金屬，以它本身固有的性能很難適應(yīng)這些要求。怎么辦呢？

【21】我國古代勞動人民已發(fā)現(xiàn)，在熔融的銅里加入些錫，待他們完全熔混后，冷卻，制得一種青色的比純銅（紫銅）堅硬、耐磨、強(qiáng)度大，適宜于制造機(jī)械零件和日用器具的材料，我們叫它青銅。后來用鋅代替錫，加入到銅里，就獲得另一種叫黃銅的材料，性能比青銅更有提高。這些東西，現(xiàn)在總稱做合金。其實(shí)合金是非常普遍的，例如鋼、生鐵、焊錫等都是合金。合金的發(fā)現(xiàn)和制造，提供了很多具有特殊性能的金屬原材料，給工程技術(shù)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。下面我們簡單地來介紹有關(guān)合金的知識。

合金

【22】顧名思義，合金應(yīng)該是二種或二種以上的金屬熔合在一起的物質(zhì)。大多數(shù)金屬，例如錫和鉛、銅和鋅、金和銀等，在熔融狀態(tài)下，能完全相互溶解，冷卻后成一均勻整體。但也有些金屬，例如鉛和鋅，不能以任何比熔合，只能在一定限度內(nèi)相互混和成均勻整體，當(dāng)然，也有些金屬，它們是完全不能熔合制成合金的。

【23】此外，也有些非金屬，例如碳、硅、磷、硫等，有時也能溶解在熔融的金屬里而成均勻的整體，從性質(zhì)上來看，我們也應(yīng)稱它們?yōu)楹辖稹Ｎ覀冎?，生鐵、碳鋼等就是這些非金屬和鐵的合金（§?5-3）。

【24】因此，我們說：一種金屬和其他一種或幾種金屬或非金屬熔合在一起所生成的均勻液體，經(jīng)冷凝后得到的固體，叫做合金。

【25】合金當(dāng)然不單是一種簡單的、象溶液一樣的混和物，它的內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。有的可能已經(jīng)形成了有一定組成的化合物；有的也可能是單質(zhì)晶體按一定方式結(jié)合成特定晶體結(jié)構(gòu)，因此合金的物理性質(zhì)，除比重外，并不是它的各成分性質(zhì)的總和。

【26】一般說來，多數(shù)合金的熔點(diǎn)均低于組成它的任何一種成分金屬的熔點(diǎn)。有時熔點(diǎn)會降到出乎意料的低。例如用作電源保險絲的“武德合金”（第二冊§5-11）【山注，化2-5-11第14段，傳送門CV21794184】，是錫、鉍、鎘、鉛四種金屬依1：4：1：2的重量比所組成的合金。它的熔點(diǎn)只有67℃，比水的沸點(diǎn)還低。因此當(dāng)電流過大，電路上發(fā)熱到70℃左右時，保險絲就熔化，因而自動切斷了電源，保證了用電安全。但組成這種合金的四種金屬的熔點(diǎn)都在二、三百度以上。

【27】相反的，合金的硬度一般都比組成它的各成分金屬的硬度要大。例如上述的青銅、黃銅的硬度都比純銅、錫、鋅的大；生鐵的硬度比純鐵大得多。有時制成合金后，硬度增大的程度是驚人的，例如在銅里僅僅加入1%的鈹所生成的合金，它的硬度比純銅要大7倍呢！

【28】總之，由于組成合金的各成分金屬的相互影響，合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就不同于原來金屬的結(jié)構(gòu)，使合金的幾乎全部物理性質(zhì)有了或多或少的改變，除上述熔點(diǎn)、硬度外，合金的導(dǎo)電性、傳熱性，一般都降低很多，可塑性有增有減。

【29】有些合金，在化學(xué)性質(zhì)方面也有很大的改變。例如不銹鋼（含約15%鉻，約0.5%鎳的合金鋼）它改變了鐵的容易生銹的特性，使其成耐酸、耐堿、耐腐蝕的優(yōu)良材料，大大提高了鐵的使用價值。

【30】所以，為了滿足和促進(jìn)現(xiàn)代工程技術(shù)的需要，對具有極其多樣性質(zhì)（包括機(jī)械性能和化學(xué)性能）的合金試制研究是一個重要的課題。

習(xí)題1-1

1、金屬原子的結(jié)構(gòu)特征是什么？金屬（單質(zhì)）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在哪里？

2、金屬和非金屬各具有哪些共同的物理性質(zhì)？

3、怎樣解釋金屬具有良好的導(dǎo)電性？為什么升高溫度往往會減弱金屬的導(dǎo)電性？

4、金屬的導(dǎo)電方式和電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電方式有什么不同？

5、什么叫合金？它和組成它的成分金屬比較，物理性質(zhì)有哪些規(guī)律性的改變？

6、為什么制造機(jī)器、工具等的金屬材料一般不用純凈金屬，而都用合金？

7、據(jù)你所知，哪些用途的金屬材料必須是純金屬？

8、下列物質(zhì)的組成怎樣？有何用途？各利用它的何種性質(zhì)？(1)不銹鋼，(2)黃銅，(3)武德合金，(4)生鐵。

9、焊錫（錫鉛合金）重5克，把它完全氧化成二氧化錫和一氧化鉛后生成物重6.1克，問焊錫的成分金屬重量比例怎樣？【Sn：Pb=7：3】