化学小历史(一):点石成金——人类金属冶炼史

  今天的主题是人类金属冶炼史,其实一开始想写铅室法硫酸工艺的,因为现在的教材一般认为铅室法硫酸是现代化工的开端。但是本系列的目的是想让大家从源头上认识人类化工的发展过程,让大家知道自己所学的知识是如何产生的。在想到铅室法硫酸的时候我就一直有个疑问为什么用铅来做反应器容器呢,从这一点展开我突然有了灵感,我们还是先来说说人类金属冶炼史吧,当然在这个过程中我会介绍一些化工设备选材的知识,这些知识往往在学校被我们忽略,但是在实际生产中却非常重要。

  首先,说说从历史学的角度来说,对人类文明阶段的最常规的分类方法就是以当时人类所掌握的工具材料进行分类的,比如说我们常听到的,石器时代,青铜时代,铁器时代等等。很显然铁的冶炼要难于铜,因此导致青铜时代延续相当长时间后人类才掌握铁器的冶炼方法。

  铜与铁是人类最早用于工具的金属材料,那么这两种金属是否是人类最早获得的金属材料呢?

  这个问题显然是有争议的,因为有相当一部分金属材料是以单质形式存在的,比如说金,铂。甚至是铁单质也是存在的,虽然自然界中铁大部分情况下以氧化物与硫化物形式存在,不要忘记,地球运行在宇宙中,时不时来一发天降正义的陨石,而陨石之中有一类就是铁陨石,说句大白话就是一块铁从天而降。

  因此在进入青铜时代之前,人类应该至少可以得到金,铂,铁等作为单质存在的金属的,那么为什么这些金属没有被作为工具呢?答案很简单,就是这些金属非常稀少,金和铂是什么价位大家都很清楚,现在黄金大概260元/克,而碳钢5000元/吨,所谓物以稀为贵,从这一点上来看,黄金的稀有程度可想而知,另外陨铁也是非常稀少的,大家有兴趣可以和陨石爱好者交流一下,现在陨铁的价格不比黄金便宜多少。三体里章政委花了18万也就做了三十发陨石子弹,平均六千块一发,就问你壕不壕。所以这些金属虽然冶炼不复杂(根本不需要炼)但是含量太稀少了,因此只能作为装饰品用了。

  那么铜应该是人类冶炼的第一种金属吧。这一点,应该也要打个问号,有一种推测认为,在冶炼铜之前人类应该已经炼出了铅,汞和银。

  为什么呢,这几种金属有一个特点就是他们的氧化物和硫化物在加热状态下就会分解,生产这两种物质的单质,比如说氧化银加热以后变成银和氧气等。铅的发现也是如此,古人还在烧制陶器的时候就发现将一些矿物添加在陶器里就会使陶器烧出不同颜色。当他们偶然的将含铅矿物添加在陶土中进行烧制的时候竟然发现这些陶土表面有金属铅滴渗出。接着古人们惊奇地发现,原来一些泥土烧制一下竟然能产生金属。可以说铅是人类采用热法冶金最先制备出的金属之一。

  朱砂矿,主要成为是硫化汞,加热炼制可以制造水银,汞可以毒害神经系统,在中医里却被认为有安神作用。

  既然我们已经制出铅了,那么我们就可以用他来做容器了。在早期人们确实用铅在做容器,放点葡萄酒之类的(想想都害怕)也有用铅来做化工生产用的容器的,比如说早期的铅室法硫酸等等。铅这种材料有个特点,就是惰性非常好,几乎不与酸作用,因此用他来做设备,设备的腐蚀性是可以保证的。但是铅有一个严重的缺点,那就是材料强度不够,大家不知道有没有见过铅板,薄一点的铅板非常柔软是可以卷起来的。正是由于这一点很大程度上限制了铅的应用,因为做出来的设备不够结实,风一吹就倒了。另外铅的耐高温性能很差,300多度的时候就会融化,200多度的时候材料强度直线下降。而很多化学反应是需要一定温度压力的,因此这时候用铅做设备是不合适的,也是因为材料问题铅并没有被广泛用作工具,硬度太低也就是做个铅球能砸死人,要是做成铅刀,铅剑之类的还不如用石头杀伤力强。当然后来人们发现铅是有毒物质,这就是后话了。

  图中的就是铅制的铅带,也叫做铅皮,它的厚度足足有3mm但是由于铅本身非常柔软,竟然可以弯曲。

  接下来随着金属冶炼金属的发展,人类终于炼出了一种强度及刚度都尚可使用的金属,那就是——铜。大家都听说过青铜时代这个词,人类使用冶炼铜的历史至少在公元3000年前,铜的冶炼可能与铅一样都是在给陶器上色过程中发现的,随着陶器烧制技术的进步,人类已经可以将窑内温度提升到900摄氏度,这个温度已经可以让铜从它的化合物中还原出来。之所以铜比铁先出现,主要原因有两种,首先铜矿颜色一般比较鲜艳,人们自然而然地先想到将这些矿石用于陶器上色,另一个原因就是铜的熔点比铁低,实现铜的熔炼比铁容易很多。

  人类制造的铜基合金主要有青铜和黄铜,这两者的性质差距很大,其中青铜优于黄铜首先出现,这主要是由于青铜是铜锡合金,黄铜是铜锌合金,而锌的炼制比较困难(锌的还原温度高于沸点,炼制温度下产生的是锌的蒸汽),直到中世纪前后这项技术才获得突破。说说青铜和黄铜的区别吧,青铜现在已经很少见到了,但是它的强度和刚度都比较好,在早期确实是被人用来做各种容器的,比如说古代各种鼎,酒杯之类的,也可以做成各种兵器。现在生活与化工生产中黄铜反而是比较常见的,黄铜有一个突出的特点就是柔软,韧性好非常好加工。在制作一些精密零件的时候,黄铜虽然材料价格高,但是加工过程比不锈钢方便,加工成本低,所以最后做出来的整体价格可能比不锈钢零件还要低。另外黄铜柔软的特性在化工中还有一项重要的应用就是可以做垫片,作为密封件。另外测压用的压力表也多用黄铜制造,此外一些设备阀门的膜片,比如说钢瓶减压阀也经常使用黄铜。

  黄铜制造的垫片,由于柔韧性很好,硬度低黄铜被用于制造各类密封件

  黄铜的缺点也很明显,那就是耐腐蚀性能非常差,热的碱性环境,带有氧化性的酸性环境,氨气等都对黄铜有明显的腐蚀。相对的青铜的耐腐蚀性能要好于黄铜,此外还有一种铜镍合金也就是所谓的白铜,耐腐蚀能力与不锈钢相当。

  铜绿:由铜与空气中的水与二氧化碳长期作用产生的腐蚀

  在经历了漫长的青铜时代后,人类终于进入了铁器时代,随着技术的发展,熔炼炉的温度逐渐可以达到1100摄氏度,这种情况下铁的冶炼成为了可能。在公元前1000年左右,世界各地的主要文明相继进入铁器时代,这似乎是对文明的一次大考,进入铁器时代的文明基本延续了下来,而其他诸如玛雅文明之流最终淹没于历史的长河之中。可见纵观人类历史,点对科技树是非常重要的。

  玛雅文明,曾经创造出了绚烂的文化,可是始终未能进入铁器时代,最终灭亡。一种说法是南美地区没有铁矿,总之是阴差阳错造成了文明的悲剧,可见开局占矿是非常重要的。

  铁器可谓是性价比最高的材料,钢性与韧性都非常好,向其中添加各种物质可以做成不同类型的铁基合金,满足各种生产需要。

  文章来源:知乎作者——法式滚筒YEboss
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