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1700542731 表4-1 地壳元素丰度表[1]
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1700542736 但是,地壳丰度表只是反映了地壳中的元素比例,也就是说这仅仅代表了构成我们人类认知能力范围之内的物质。其实地球内部的内核与外核还有极其丰富的铁,如果按地球整体质量计算,铁元素的含量高达32.1%!由于铁元素的比重大,在地球诞生初期,大部分处于熔融状态的铁元素沉入地球内部,留在地表的是极少的部分。即便这样,这极少量的铁元素也在地壳元素丰度表内位列第四,可见地球所含有的铁元素是何等丰富!真可以说,我们就居住在主要由铁元素构成的行星上。
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1700542738 著名的科普作家卡琳·菲茨杰拉德在《铁的传奇》一书中提到过一个观点:民主主义之所以能实现,关键在于这个世界中铁元素无处不在。制造青铜的原料矿石极为罕见,容易被少数统治阶级垄断。但是铁矿石分布非常广泛,只要掌握炼制的技术,社会大众都能获得铁。因此,掌权者无法垄断强大的铁制武器,民众的力量得以强化。
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1700542740 改变人类历史的材料大体可分为两类:一类是所有人都想占有的稀缺性材料,另外一类是能大量生产、廉价销售的材料。第一章介绍的黄金属于前者,而铁则是后者的代表性元素。
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1700542742 [1] 由于不同资料来源及估计方式不同,各元素丰度是大致参考值。此处丰度值为质量百分比。
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1700542747 奇妙的材料:改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 [:1700541975]
1700542748 奇妙的材料:改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 重物质的归宿——铁
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1700542750 现在问题来了,为什么地球上铁元素的含量雄踞金属类元素的首位呢?这个问题的答案涉及核物理学领域的知识。
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1700542752 不同种元素互相组合就可以形成新的物质,为了获得有用的物质,生物学家和化学家们日夜操劳,各自进行元素组合尝试——化学反应。但是,单凭化学反应,烧瓶里不会出现原料中没有的元素,也不可能凭空产生全新的元素。第一章阐述过炼金术士们历经数千年的奋斗,连一粒金沙都没“炼”出来。
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1700542754 我们的身体也是由各种元素构成的,这些碳、氧、铁等物质到底是从哪里来的呢?答案就存在于宇宙的星空之中。类似太阳之类的恒星内部温度超过1 000万℃,在这种超高温的环境下,原子核之间相互融合,从而产生了全新的元素。现在,我们的太阳正处在将氢原子融合成更大粒子的过程中。
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1700542756 在巨型的老龄恒星内部,正进行着将质量更大的元素融合成重元素的步骤。不过,元素的质量并非无限增大,超过一定质量之后元素的原子核处于不稳定状态,导致新元素的产生陷于停顿状态。这条分界线就是铁元素,26个质子和30个中子组成的铁原子核是元素中最稳定的结构之一,小于铁或大于铁的原子核均不稳定。这就是地球上铁元素含量远远高于其他金属类元素的最大原因。
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1700542761 老龄巨型恒星截面图
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1700542763 那么,比铁元素更重的元素是怎样产生的呢?关于这一点,过去的学术观点认为,当巨型恒星到了生命的最后时刻就会发生大爆炸,也就是在超新星爆炸时会产生大量比铁元素重的元素。近年的研究成果认为,像中子星这样的高密度星体发生碰撞、融合之际会产生比铁元素更重的物质。也就是说,今天地球上的金、银以及我们体内的锌、碘等重要元素,均来自远古的星尘。
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1700542765 据说,宇宙诞生到现在历经了约138亿年,整个宇宙中氢元素占93%以上,加上排名第二的氦元素,总体占宇宙元素的99.8%。不过,在未来历经漫长的数百亿、数千亿年之后,铁元素的比重会越来越大。有些科学家认为,如同百川入海一般,所有元素的最终归宿就是铁。当然,早在那一天来临之前,宇宙中的一切生命体就已经悄然消失,最终宇宙会变成一个无人守望的冷寂空间。
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1700542771 奇妙的材料:改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 钢与森林滥伐
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1700542773 铁元素本身不仅具备了众多优点,还有更重要的特性:例如与其他金属形成具有特殊性能的合金,或者自然形成磁铁等。地球上这些特殊的铁合金数不胜数,本书第九章专门介绍了磁铁所具有的特殊性质。
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1700542775 铁合金中最重要的材料就是钢,所谓钢其实就是含有0.02%~2%碳的铁。由于碳的存在,铁获得了令人惊异的硬度与韧度,经过锻造延展后,可以变成锋利的武器。日语中“钢”的词源就是“刀口铁”。
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1700542777 前文提到,赫梯人于公元前15世纪就率先使用了铁制武器,这个说法也不尽正确。在此之前,世界各地已经有了利用陨铁材料锻造刀剑的记录,而且加热、精炼铁矿石能获得海绵铁,利用海绵铁制作各种工具的技术已经极为普遍。但海绵铁过于柔软,无法直接用于制作武器或建材。
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1700542779 赫梯人却有了重大技术发现:在木炭中加热海绵铁,就能获得坚韧的钢。
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