常规非金属材料及应用

第二节　常规非金属材料及应用

一、功能强大的碳

说到碳，大家可能早已经熟悉它了，自然界中到处都存在着碳，花草树木，飞禽走兽，甚至我们的身体里都有着碳的踪影。

碳在自然界可以以单质的形式存在，更多是以化合物的形式存在的。碳的单质又有多种形态，它们的组成元素都是碳元素，而结构和性质却大不相同，化学上把他们称为“同素异形体”。无定形碳、金刚石和石墨就是碳三种的同素异形体。

1．神通广大的活性炭

活性炭是无定形碳的一种，一般用竹、木、果壳等含碳的物质为原料。在隔绝空气的情况下高温加热，并且不断地通入水蒸气，除去分解出来的水煤气、木焦油等有机物后得到。

所以活性炭实质上是竹、木、果壳等生物体经干馏后留下的躯壳。它的主要成分是炭，其他成分大多在高温环境下炭化、分解、清除掉了。

经这样处理后，活性炭颗粒的分量变得很轻，它里里外外有很多细小的孔，所以表面积特别大，经计算，每1克活性炭的总表面积竟可达500～1000平方米。活性炭这种结构上的特点，使它具有很强的吸附本领。不少物质的分子一旦进入这些微孔，就会被牢牢吸住而不能动弹！因此，人们常用它来净化各种气体和液体。利用活性炭制作的防毒面具，可以很好地吸附各种毒气，起到防毒作用。

为什么活性炭能抓住毒气而放过氧气、氮气呢？原来，活性炭的吸附作用同被吸附气体的沸点有关。沸点越高，越容易被吸附。军事上使用的大多数化学毒气的沸点都比氧气、氮气高得多。

活性炭除了用于防毒面具中，还有许多其他用途呢。人们在冰箱里放置一些由活性炭和硅胶制成的冰箱除味剂，各种臭气怪味便都销声匿迹、逃之夭夭了。此外，自来水的除臭，红糖制白糖，都离不开它。

当然，活性炭的吸附能力也有一个极限，达到一定程度，它就会处于饱和状态。如常年累月将它置于冰箱中，那么它不仅逐渐会失去除味作用，还会成为异味释放源。

所以，用于冰箱除味的活性炭，最好半个月左右拿出来置于阳光下曝晒数小时，或放在烘箱加热到200℃烘烤30～60分钟，把吸附的气体从微孔中统统赶出来，才可继续使用。

2．硬度之王——金刚石

金刚石是碳的另一种同素异形体。早在五千年前，人类就已经认识了金刚石。古人发现任何坚硬的石头或金属都不能在金刚石上划出痕迹来，而金刚石却能毫不费力地刻画任何坚硬的石头或金属。迄今为止，金刚石是自然界中最硬的石头。

金刚石里的碳原子像塔里的钢筋一样，四面八方紧紧连接在一起，固若金汤。所以，金刚石又硬又结实，被称为“硬度之王”。

金刚石如此坚硬，在工业上有重要的用途。人们用金刚石切削硬质合金；将金刚石镶在钻探钻头上，使钻头无坚不摧；精密仪器中用金刚石做轴承，保证仪器长期准确无误运转。

金刚石折射光线的能力很强，它被琢磨后，在光线照射下会呈现出五颜六色，十分迷人。金刚石又叫“钻石”，是世界上最美丽的宝石，作为装饰品受到人们的青睐。

3．铅笔里的“铅”——石墨

在四百多年前，一个牧羊人在树坑里发现了一大片黑铅矿，用这种矿石在纸上画出的划痕和用铅条划出的痕迹相似，就把它叫做“黑铅”。后来，有人采掘这种黑矿石，卖给商人在货物包装上标号码。可是天然黑铅矿太有限，于是又有人把黑铅磨成细粉，掺上黏土，和成黑粉条，烧制成黑铅芯。这样不仅节省了黑铅，还更结实耐用呢！把这种黑铅芯镶在木条中，就成为今天的铅笔。

黑铅到底是不是铅呢？用一根铅条和一支铅笔芯分别放在火上燃烧，过一些时候会发现，铅条融化了而铅笔芯却没有融化。其实，铅是金属，而黑铅是非金属碳的一种同素异形体，正式的名称叫“石墨”。

金刚石与石墨还是同胞兄弟呢。它们都由碳原子组成，脾气却有天壤之别。石墨又黑又软，金刚石却晶莹透明，坚硬无比。这是什么原因呢？

原来是碳原子在它们中排列方式的差异造成了它们不同的性质。与金刚石中碳原子四面八方都紧密相连不同，在石墨里，碳原子是一层层排列的，碳原子在同一层里手拉着手，紧密相连；层和层之间的结合却松松散散，好似一摞扑克牌，轻轻一推，牌和牌之间就滑动开来。因此石墨就十分的滑软，和同胞兄弟金刚石比起来脾气就“温柔”得多了。

铅笔芯的原料是石墨和黏土。石墨为什么能做铅笔芯？首先，它是黑色的；其次，它质地柔软，是最软的矿石之一，在纸上轻轻划过就留下痕迹。矿石的软硬是识别矿石的一项重要指针。科学家将矿石的软硬程度分10级：石墨滑石最软，硬度为1；钢的硬度为4；花岗岩的硬度为6～7；最硬的物质金刚石的硬度为10。为了使铅笔芯结实，在石墨粉里掺了一些黏土。黏土的比例越大，铅笔越硬。

在铅笔的表皮上印有6B、3H或HB等字样，这是从英文BLACK（黑色）和HARD（硬）的头一个字母得来的。6B表示最黑，是绘画用的软铅笔。6H表示最硬，是供复写用的。HB铅笔则软硬适中，浓淡合适。

二、举足轻重的“鸡肋”——半导体

许多金属，盐和酸的水溶液，以致大地、人体等等，都能导电，叫做导体。玻璃、橡胶、陶瓷这一类东西，不能导电，叫做绝缘体。还有一类物质，导电能力介于导体和半导体之间，称为半导体。

在早先，导体和绝缘体都有很广泛的应用。导体用来做电缆电线，绝缘体用来做导线外层的绝缘衣，电器的绝缘外壳等等。只有半导体，它的导电性能不如导体，绝缘性能又不如绝缘体，真是用电不是，不用也不是。将它比作“食之无味，弃之可惜”的鸡肋，也算是恰当了。

然而随着科学的进步，科学家们突然发现了这类物质有其独特的电学性质，它们的导电能力随着外加电压以及外界环境的变化而变化。用半导体材料做成的二极管、三极管、集成电路等电子器件，已经成为我们今天信息时代的核心组件，所有的电子产品都是由半导体做成的。“鸡肋”终于有了用武之地，一跃而成为举足轻重的工业材料了。

锗就是一种重要的半导体材料，它的导电能力大概只有水银的千分之一。

锗的导电能力会随着温度的变化而发生很大的变化。用仪器准确测量出储电能力的变化，同时也就“察觉”出温度的改变。利用这一原理制得的温度计十分灵敏，能测出万分之五度的温度变化。

在锗半导体的一头加热，两头就产生了温差，这时就会产生电流，利用它来发电，又经济又省事。

锗在半导体工业的开创时期广泛用于制造晶体管。与电子管相比，晶体管不需抽真空，不需灼热灯丝，它体积小，重量轻，寿命长而且非常结实。自此，电子仪器如收音机、计算机等开始向小型化发展。

但是，锗在地壳中的含量非常烯少，而且非常分散，它的提炼工艺复杂，成本非常高，能不能找到一种新的半导体材料满足我们日益增长的需要呢？

同锗处一主体的硅就“挺身而出”了。硅是地壳中含量极为丰富的元素，价格便宜。而且作为半导体材料，硅稳定性好，可以在较高的温度下工作。因此，硅一跃而为半导体材料的主力军。

硅的重大功能在于使半导体小型化，它将许多电子器件集中在一小块硅片上，形成集成电子线路，结构越来越精细，体积越来越小。

三、熟悉而神奇的玻璃

1．透明的沙子

说起玻璃，可以列入古代的重大发明之一。古埃及人很早就掌握了制造玻璃的技术。在古墓里发掘出的古埃及啥舍苏支皇的项链——一串墨绿色的玻璃珠，是4000年前人类历史上最早的玻璃制品，当时比金银首饰还要珍贵呢。

今天，玻璃已经走入千家万户，成为非常普通的生活用品和建筑材料。窗玻璃、穿衣镜、灯泡、眼镜、酒瓶……都是玻璃制成的。而且直到今天，它仍被用来制作化学实验仪器。

玻璃的特点是透明，可以加工成各种各样的形状，还不怕腐蚀，用起来得心应手。

玻璃是怎么来的呢？

据说，古代一个运载天然碱的商船队在航行途中遇到大风浪，于是被迫在沙滩上过夜。他们用碱块垒起炉灶，烧火做饭，当他们收拾灶准备启航时，意外地发现沙滩上有一些闪闪发光的东西，这就是最早发现的玻璃。

玻璃是由沙子为主要原料熔融而来的。

沙子的主要成分是二氧化硅。二氧化硅的熔点很高，加进纯碱可以大大降低熔融的温度，使熔浆易于流动，不过这样做出来的玻璃很黏稠，像浆糊一样，能溶解在水里，我们把它叫做水玻璃，就是硅酸钠。

水玻璃的用途也很广泛。它可以用来保存鸡蛋，防止金属腐蚀，调入颜料后，还可以像油漆一样涂刷墙壁，形成一层牢固的薄膜。

要想得到玻璃，还需要向沙子、纯碱中加入石灰石“钙片”。在高温下熔融，得到和水一样流动的玻璃液，冷却后就是我们常见的玻璃了。

采用不同的生产工艺可得到不同的玻璃。如果用压延法制得的压花玻璃，十分美观，透光能力又强，由于花纹的折射作用，使玻璃两边的人互相看不清，特别适用于卫生间，手术室等。又如钢丝玻璃中夹着一层钢丝网，玻璃碎裂时碎片留在网上，不会落下。

普通的窗玻璃、油瓶、酒瓶等带有淡淡的绿色，这是因为制造玻璃的原料中含有绿色的2价铁离子杂质。有些药瓶、啤酒瓶却是株黄色的，这仍然是原料中的铁杂质造成的，不是2价铁离子，而是3价铁离子。

自然界的沙子，石灰石和纯碱，都或多或少含有一些铁的化合物。要制造没有颜色的玻璃，必须要去除原料中的铁杂质。化学办法是：向玻璃熔浆中加进适量的二氧化锰，二氧化锰把玻璃中绿色的2价铁离子氧化成黄色的3价铁离子，锰则变成了紫色的3价锰。黄色和紫色合成白色，玻璃就变成无色透明的了。

通过改变原料成分可以使玻璃的性能大大改观，得到满足不同需要的特种玻璃。含氧化铅较多的铅玻璃折旋光性能好，含氧化钾较多的钾玻璃耐高温，含氧化钡的玻璃则光泽好，撞击时音色动听。

2．彩色玻璃

玻璃里含有不同的金属氧化物，会补充“染”上各种颜色，加氧化亚铜，可以得到红色玻璃；加氧化铝——绿玻璃；氧化钴——蓝玻璃；加入二氧化锰——紫玻璃……

通过调节熔炼的温度及炉焰的性质，来改变元素的化合物，有时也可使玻璃呈现出不同的颜色。如玻璃中的铜，以高价的氧化铜存在时玻璃显蓝绿色；以低价的氧化亚铜存在时玻璃呈红色。有时，烧融一次还不能使玻璃显出色来，要进行第二次加热才能显出颜色。如名贵的金红玻璃，是在普通的玻璃配料中加入极细的金粉烧制而成的。第一次烧熔后，金以原子形式分布在玻璃中，此时玻璃并不显颜色，当再次加热至软化时，金原子互相聚合成胶状颗粒，才显出美丽的红色。

随着科技的发展，彩色玻璃的品种越来越丰富，20世纪60年代科学家们又发明了一种光致变色玻璃，它会随着光照的强弱而自动改变颜色的深浅。它的奥秘在哪里呢？

原来，这种玻璃在制作过程中，预先掺进了对光敏感的物质，如氯化银、溴化银等，还有少量氧化铜催化剂。玻璃变颜色，全是卤化银在变“魔术”。

卤化银见光分解，变成许多黑色的银微粒，均匀分布在玻璃里，玻璃镜片因此显得暗淡，阻挡光线通行。但是，分解后的银原子和卤素原子还是紧紧挨在一起的。当光线变暗时，在氧化铜的催化下，银和卤素重新化合，生成卤化银，玻璃就又变得透明起来。

这种分解化合反应随着光线强弱的变化反复进行，使得玻璃变明变暗。而且，这种光致变色玻璃还能吸收有害的紫外线。

用它做变色眼镜，可以遮挡强光，保护眼睛；作窗玻璃，可以保持一定的光亮度，被称为“自动窗帘”；装在图书馆的玻璃上，可以保护书籍不受紫外线的破坏。因此，光致变色玻璃一直深受人们的喜爱。

3．玻璃纤维

玻璃，又硬又脆。可是，一旦将它加热拉制成比头发还要细的玻璃纤维后，它将变得像纤维一样柔软，比同样粗细的不锈钢还要坚韧。同时它还保持着玻璃的许多优点。玻璃纤维这些非凡的性能使它在许多方面大显身手。

由一根手指粗细的玻璃纤维编结的绳子，可以将一辆满载的卡车吊起来，而且它不生锈，耐高温、绝缘，可谓“绳中之王”。

玻璃纤维经过纺织，可以得到玻璃布。玻璃布既不怕酸，也不怕碱，在化工厂里深受欢迎，可用滤布，还可代替棉麻作包装袋。

玻璃纤维是非常优秀的绝缘材料。目前，我国多数电机和电器厂都已大量采用玻璃纤维作绝缘部件。

玻璃纤维的另一个重要用途是制“玻璃钢”。它是一种玻璃纤维和塑料的复合材料，由于它比钢还坚韧，既不生锈又耐腐蚀，重量也只有同体积钢的四分之一，因此被广泛用来代替钢铁制造船只、汽车、火车的外壳和机器的部件。

在医学上，玻璃纤维用来作纤维内窥镜，直接观察病人的内脏情况。另外，用玻璃纤维制成的光导体纤维作电话通信，目前也已完全取得成功。

如果玻璃熔化后，被高速气流或火焰吹成又细又短的纤维，这就成了洁白如雪、柔软轻盈的玻璃棉。它具有极强的保温性质，吸音效果也很好，冰箱、冷藏车都用得上它。

4，纸里包得住火

俗话说“纸里包不住火”，因为纸是一种容易燃烧的东西，一旦遇火，就会很快化为灰烬。

但是，有一种纸，放在火上烤，不会燃烧，只会慢慢焦化；还有一种纸，盖在燃烧的火炉上，不会烫手，如果在它上面搁一壶水，烧半天也不开。这种纸可以包得住火，叫做耐火纸或隔热板。

这是怎么回事呢？

原来，普通纸是植物纤维为原料制成的，植物纤维是有机物，很容易燃烧。而耐火纸是石棉或玻璃纤维等无机物制成的，玻璃纤维的主要成分是二氧化硅，不会燃烧，隔热纸板则是用硅酸铝或氧化铝纤维制成的，这些纤维火烧不着，熔点高，导热系数小，隔热效果好。

一般说来，玻璃纤维能耐500℃～700℃高温；硅酸铝纤维耐1200℃～1300℃高温，氧化铝纤维则耐高达2500℃的高温。

随着现代航天技术的发展，人们已经把这种耐火材料用到火箭、人造卫星和宇宙飞船上。

5．镜子小传

我们每天都要照照镜子，可是你知道镜子的历史吗？

在遥远的古代是没有镜子的。人们要想看看自己的模样，就站在水池边照一下。

进入青铜时代后，青铜镜出现了。那是将青铜铸成圆盘，打磨成又平整又光洁做成的。难怪古人说：“以铜为镜，可以正衣冠。”这种青铜镜照出来的人影，并不明亮。在空气中氧气、水蒸气、二氧化碳等的腐蚀下，它还会生锈，须经常打磨。

后来陆续用铁、银来磨制镜子，也都克服不了这些缺点。

能不能用透明的物质把金属和空气隔绝开来呢？不使金属表面受到腐蚀呢？

13世纪后半期，威尼斯商人制成了平板玻璃之后，他们在平板玻璃后面粘上一块金属板，才制得了较为理想的镜子。当时的镜子贵得出奇。

后来用水银来代替金属板。将亮闪闪的锡箔贴在玻璃面上，然后倒上水银。水银是液态金属，它能够溶解锡，变成黏稠的银白色液体，紧紧贴在玻璃板上。

不过，涂水银的镜子反射光线的能力还不是很强，制作费时，水银又有毒，所以后来就被淘汰了。

人们开始用银代替水银。这一层银是靠化学上的“银镜反应”涂上去的。在硝酸银的氨水溶液里加进葡萄糖水，葡萄糖把看不见的银离子还原成银微粒，沉积在玻璃上制成银镜。为了防止银变暗或脱落，最后在银表面刷上一层漆来保护。

银是很贵重的金属，现在多用便宜易得的铝来制镜子。制造铝镜，是在真空中使铝蒸发，铝蒸汽凝结在玻璃面上，成为一层薄薄的铝膜，光彩照人。这种铝镜，价廉物美，深受欢迎。

真想不到，普普通通一面镜子也是几经变迁！

四、与“中国”同名——陶瓷

在今天陕西西安附近的半坡氏族遗址中，人们发现了各种精美的陶器，其中一种著名的人面网纹盆上还刻有十几个符号，人们推测这是我国最早的文字。这说明了早在文字产生之初，我们就开始了制陶的历史。

瓷器，同造纸、指南针、火药、印刷术四大发明一样，是我们华夏文明史的标志。我国的瓷器名扬世界，以至我们国家的西方名字是“China”，意思是“瓷器之国”。

陶器是怎么来的呢？

据说，远古的人们把用树枝编成的容器内外抹上一层黏土，使它致密无缝又耐火烧。使用过程中，偶尔会被火烧着，其中的树枝都烧掉了，但黏土保留下来，变得更坚硬。后来，人们干脆不用树枝做骨架，用水将泥土调成泥，揉捏成各种形状，晒干后再用火烧，就得到最初的陶器。

制陶过程中，黏土的性质发生了很大变化，制得的陶器坚硬耐用，很快成为人类生活和生产的必需品。

陶器是用普通的黏土在1200℃～1300℃左右的高温下烧制而成的。陶器是制造瓷器的胚胎。瓷器就是选用最纯净的黏土、长石和石英先制成烧瓷，上釉后再放在窖里高温烧制而成的。

瓷器光洁防水，而且表面常常有美丽多彩的花纹。原来，在釉中加进各种金属或金属氧化物，烧熔后就显出不同的彩色，称为釉彩。氧化钴可产生蓝色，氧化铬产生绿色；二氧化锰产生黑色等等。用不同的金属氧化物，互相合作，还可产生出种种悦目的色彩来。唐代最为著名的瓷器难得之处就在于其独特的釉彩——唐三彩，它采用橙、绿、青三种色彩，色泽鲜艳，精美异常。

我国江西昌南镇，从汉朝开始就烧制白瓷，到宋朝景德年间已是盛名远扬，誉满中外了。从此昌南镇改名为景德镇。今天，景德镇瓷器已是瓷中珍品，成为人们喜欢收藏的工艺美术品。

今天，陶瓷已不仅仅用于日常生活用品和工艺美术品，它还是一种广受欢迎的工程技术材料。如化工厂里的耐酸陶瓷管道可以抗腐蚀；电器工业中利用它的绝缘性制造绝缘部件；宇宙工业中的陶瓷制造某些耐高温的关键部件；用压电陶瓷制成的“人工耳”可以使人们听到远处发出的微弱声音。