金属与我们的生活息息相关Word文件下载.docx
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形狀記憶合金的應用
形狀記憶合金最初是在美國研製的，主要用於太空工業。
現時這些合金的用途廣泛，例如家居電器的溫度控制器和過熱安全斷流器等。
目前市面上的MemrySafe（註冊商標）三接頭就是其中一類商品。
製造商把它裝配在廚房或浴室內的水龍頭或花灑中，防止熱水燙傷人。
該系統的核心部分是一個對溫度敏感的小閥門。
系統感應得達危險水平的水溫時，它就會立刻將水的流量減慢，形成一細流。
水溫下降至正常水平時，該系統會自動恢復正常的流量。
問題
1外科醫生利用形狀記憶合金來接駁斷骨。
指出形狀記憶合金還需具備另外哪兩種性質，才可作這種用途。
2舉出形狀記憶合金的另一種可能用途。
要點
1下列各種性質中的任何兩種：
∙抵抗體液內的化學物質的侵蝕
∙抗張強度良好
∙可延的
∙抗腐蝕能力強
∙與身體組織相容
∙無毒
∙無菌
2下列各種用途的任何一種：
∙啟動天花板上的消防灑水系統
∙啟動火警警報器
∙啟動發電機冷卻系統內的風扇
∙水沸騰時關掉電水壺
9.3地殼中的金屬
有關地殼成分的附加資料
下表列出在地殼內一些元素主要以甚麼形式存在。
元素
質量百分比
主要存在形式
氧
45
氧化物、含氧的陰離子和水
硅
27
在沙、泥和火成岩內
鋁
8
在泥土及許多礦物內
鐵
6
廣泛散佈，通常以氧化物的形式存在
鈣
5
石灰石、白堊和大理石
鎂
3
廣泛散佈
鈉
2.5
在泥土和礦物內
鉀
1.5
所有其他元素
2
9.4金屬在自然界中的存在及其提取方法
提取金屬的一般步驟
一般來說，提取金屬的過程包括三個階段：
提高礦石的濃度、還原作用和金屬的淨化／精煉。
提高礦石的濃度
不同的礦石的品質差異很大，但大部分都含有不少無用的物質。
要增加礦石的濃度，便要把這些無用的物質除去。
增加粉狀的礦石的濃度比增加大塊的礦石的濃度容易，所以採礦公司一般會先把礦石搗碎。
提高礦石濃度的方法視乎礦石與無用物質的物理或化學性質的差異。
一般物理方法利用了兩者在密度或磁性性質上的差異。
∙清洗法
礦石一般比無用的物質重，可用流水把無用的物質沖去。
可用這個方法把石灰石從方鉛礦（PbS）中分離出來。
∙磁力分離法
可用這個方法把黑鎢礦（鎢的主要礦物）從錫石（SnO2）中分離出來。
黑鎢礦可被磁石吸引，但錫石卻不能。
∙泡沫浮選法
泡沫浮選法被廣泛應用於硫化物礦石。
先把粉狀的硫化物礦石與含有某種油的水混合，油會把硫化物的粒子濕潤，而水會把無用的物質濕潤。
然後加入空氣，細小的氣泡會附在被油濕潤的粒子上，令它浮起，並且被帶到液體表面，而無用的物質則留在底部。
把泡沫撇去後便可獲取硫化物。
例如，方鉛礦（PbS）和閃鋅礦（ZnS）常常與無用的物質混合在一起。
首先從泡沫獲取方鉛礦，然後適當地改變油和其他添加劑的濃度，也可同樣地獲取閃鋅礦。
一般化學方法包括加熱、煆燒和瀝濾。
∙加熱和煆燒
把一些濕潤的水合鐵礦石加熱可去除水分。
在空氣中煆燒的方法有時會用來去除礦石中的水分或含碳物質，亦可把硫化物和碳酸鹽轉化為氧化物，例如處理閃鋅礦便是採用這種方法。
∙用水溶劑進行瀝濾（濕法冶金學）
其中一個最常見的例子是提取金或銀。
把經加壓充空的氰化鈉溶液與粉末狀的礦石混合，金或銀會以絡離子（[Au（CN）2]－（aq）或[Ag（CN）2]－（aq））的形式進入溶液中。
再加入鋅，金或銀便會從溶液沉澱出來。
還原作用
兩種主要提取金屬的方法—用碳還原和電解熔融的金屬化合物或其水溶液—已在課文中作詳細討論。
用金屬還原是另一種可行的方法。
用金屬還原
可以用一種在活性序中位置較高的金屬作還原劑，把位置較低的金屬從其氧化物提取。
例如，把鎂粉和氧化銅（II）的乾燥混合物加熱，會發生劇烈的反應。
鎂較銅活潑，會把氧化銅（II）中的氧移去。
Mg（s）+CuO（s）MgO（s）+Cu（s）
但是，將銅與氧化鎂一起加熱，卻沒有反應。
鋁粉常被用來把一些金屬氧化物還原，這種反應稱為鋁熱法。
例如，把鋁粉和氧化鐵（III）的粉末燃點後，會發生十分劇烈的反應，釋放大量熱能。
在反應中，鋁把氧化鐵（III）中的氧移去。
2Al（s）+Fe2O3（s）Al2O3（s）+2Fe（s）
這個反應經常用於銲接路軌。
把鋁粉和氧化鐵（III）的混合物塞滿路軌的接駁處，然後把它燃點。
由於反應時溫度極高，令生成的鐵熔化，熔融的鐵流入路軌的縫隙處，冷卻後便會把駁口連接在一起。
在上述各例子中，每一個反應均涉及金屬與氧的結合，較活潑的金屬與氧的結合能力較強，因此會把其他金屬氧化物中的氧移去。
淨化（精煉）
∙雜質的優先氧化
這種方法適用於去除那些比金屬對氧有更大親和力的雜質。
雜質會先被氧化，然後以熔渣或氣體的形式被去除。
用生鐵製鋼是最重要的例子。
另一個例子是銅的提取，過程中硫化鐵（II）會被氧化為氧化鐵（II），與硫化銅（I）分離，然後氧化鐵（II）與硅石結合，生成熔渣。
∙電解
利用這種方法，可從熔融的金屬化合物提取純淨的金屬。
鋁便是用這種方法提取的。
電解含有鋅或銅離子的水溶液可把鋅或銅淨化。
∙熔析
把金屬熔化，使其與難以熔化的雜質分開，然後讓金屬流走。
這種方法適用於熔點較低的金屬，例如鉛。
∙蒸餾
這是提取鋅、鎘和汞的過程中不可缺少的部分。
通常在真空的情況下，再進行蒸餾，可以獲取純度極高的金屬。
∙碳先基的形成
先製成鎳和鐵的含碳基化合物（易揮發的），然後加熱，把化合物分解，便能製成純度極高的鎳和鐵。
∙區域精煉
這種方法是用來製備純度極高的硅和鍺。
把一細小的高頻感應電爐放在一枝由硅或鍺製造長棒的一端，令該元素的一片薄截面熔化，把電爐由長棒的一端慢慢移至另一端，元素會從熔融的狀態結出純淨的晶體。
雜質會留在熔融的元素內，且被帶至另一端。
該部分最後會被切掉。
在鼓風爐內進行鐵的提取
下表總結了在鼓風爐內進行鐵的提取的主要階段。
階段
描述
燃燒焦炭
吹入熱空氣，令焦炭開始燃燒。
焦炭與空氣中的氧反應，生成二氧化碳。
碳+氧二氧化碳
生成一氧化碳
二氧化碳與更多的焦炭反應，生成一氧化碳。
碳+二氧化碳一氧化碳
把氧化鐵（III）還原
一氧化碳與氧化鐵（III）反應，生成液態的鐵。
氧化鐵（III）+一氧化碳鐵+二氧化碳
石灰石與礦石中的沙（硅石）反應，生成硅酸鈣或熔渣。
石灰石+硅石硅酸鈣+二氧化碳
這個反應的目的是去除雜質。
熔渣流向爐的底部，浮在鐵的表面。
二氧化碳與氮（廢氣）從爐的頂部逸出。
用鐵製鋼
由鼓風爐煉成的鐵大部分都會用來製造鋼。
製造鋼的步驟如下：
1清除多餘雜質 從鼓風爐煉成的鐵含有碳、硅、硫、磷和錳等主要雜質。
這些雜質必須被清除。
方法是將氧氣吹入一個盛有熔融的鐵的鹼性氧爐內，然後加入氧化鈣。
氧化鈣與部分雜質反應，生成熔渣。
氧氣則會與其他雜質反應，令它們燃燒殆盡。
提煉某種鋼時，需要把藏在鐵內的所有雜質清除。
但是，許多鋼的成分是鐵和少量的碳（足以令鐵變得堅硬而不易碎）。
所以需要經常檢查鋼內的碳含量，碳含量適中時，便可停止吹入氧氣。
2加入其他元素 在鋼內加入其他元素，可令它具有獨特的性質。
現時有數以千計不同種類的鋼，下表展示其中四種。
一些常見的鋼的性質
名稱
成分
獨特性質
軟鋼
99.5－99.9%鐵，0.1－0.5%碳
堅固且是可展的
高碳鋼
98.5－99%鐵，1－1.5%碳
非常堅硬
耐酸硅鋼
84%鐵，1%碳，15%硅
不受酸的影響
不銹鋼
70%鐵，20%鉻，10%鎳
抗腐蝕能力極強
9.7保護金屬資源
回收的步驟
回收鋁的步驟包括：
∙收集用過的物品；
∙將收集到的物品運送到中央處理中心；
∙將所需物質（鋁）與雜質（例如標籤、食物殘渣）分離；
∙將金屬再熔化成鑄錠，然後將鑄錠運送給製造商。
傳遞訊息
我們的聲音是如何透過電話從地球的一端傳到另一端呢？
銅同軸電纜
銅的導電性能極高，而我們又容易取得純淨的銅，這使銅成為傳遞電子訊息的最佳材料。
自從電訊業開始以來，銅便一直被用來製造電話線和電纜。
同軸電纜於1936年被研製出來。
現時的同軸電纜由包銅線的銅管組成。
銅管的直徑約一厘米，一條用塑膠絕緣材料包著的幼細銅線在銅管中間穿過。
銅管能保護傳遞的訊號免受電子干擾。
銅管和銅線的中心點是一樣的，故此稱為同軸。
一條由20條同軸電纜組成的同軸電纜傳輸線可以同時傳遞130000個訊息。
同軸電纜早已鋪設在海洋底下，把世界各國聯繫起來。
光纖
現時同軸電纜已被光纖所取代。
光纖傳遞訊息時，比銅線更有效率，而且價格更便宜。
一條光纖比人類的頭髮還要幼小，但非常堅固，佔用的空間比普通的電纜少。
光纖由下列部分組成：
∙具有高折射性能的玻璃核心；
∙折射性能較玻璃核心低的玻璃包層；
∙塑膠套。
可以將幾條光纖放在一起組成一條大電纜。
在光纖內輸送光的原理很簡單：
∙光進入光纖的玻璃核心；
∙由於核心和包層的折射性能有差異，所以光射到核心和包層的界面時，會從界面反射回來。
用光纖傳遞訊息比用銅線傳遞訊息更有效率。
1光纖的用途廣泛，包括用於裝飾照明和外科手術。
就光纖的其中一種用途，搜集資料，然後撰寫一份簡短報告，描述其用途，並說明該用途與光纖的哪種性質有關。
2與鋁和鋼相比，銅是較佳的導電體，但架空電纜通常是用鋁包鋼製的核心製成的。
在選用合適的材料製造架空電纜時，還有哪些要點需要考慮呢？
1學生可就下列其中一種用途搜集資料：
檢查核反應堆的內部；
利用「內窺鏡」進行手術，和檢查胃部是否患有潰瘍等；
電訊業上的用途。
2選擇材料製造架空電纜時，需要考慮的其他要點包括：
∙密度；
∙成本；
∙抗腐蝕能力；
及
∙抗張強度。
選用鋁來製造架空電纜是因為鋁的抗腐蝕能力強，而且密度低。
鋼製核心能增加電纜的抗張強度，能把電纜架空在電纜塔之間。
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