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正常来说,同素异形体之间的性质差异主要表现在物理性质上,性质差异的原因是结构不同。
但同素异形体之间的转化属于化学变化,但不属于氧化还原反应。
很多人可能会感觉同素异形体之间的转换属于化学变化是在扯淡。
毕竟同素异形体的种类再多,它们也都属于同一种元素。
这样说来,不管它们之间怎么进行转换,都没有出现新的物质。
但事实上有这种想法的,都是只初浅的了解了化学变化和物理变化的区别。
物理变化和化学变化之间的唯一区别就是有没有新的物质生成,其中有新物质生成的是化学变化,没有新物质生成的是物理变化。
比如铁在空气中生锈变成氧化铁就属于化学变化,因为生成了新的物质。
而液态水在加热的条件下汽化成气态水,就是物理变化,因为液态水与气态水都属于同一种物质,这个过程叫蒸发。
这是高空课本上的东西,但实际上,在材料界,这种划分更加细致。
比如碳的同位素就有很多,其中金刚石和石墨应该是最熟为人知的两种碳的同素异形体了。
这两种材料都是单纯的碳分子构成的,且两种物质都只有单纯的碳元素。
如果按照元素周期表上的材料定义,的确是同一种物质,因为它们都是碳。
只不过在材料界,有更细致的划分,石墨和金刚石的确是两种不同的物质,因为它们的结构完全不一样。
石墨是层状结构,每一层中c原子之间形成正六边形,层与层由范德华力连接。
金刚石是正四面体的结构,每个c相互间靠着共价键连接在一起,性能非常稳定。
越是顶尖的东西,其对于学科内不同物质的划分和区别就越是细致。
同素异形体也一样。
其实同素异形体之间的转变,正常情况下来说,都是通过高温、高压等手段进行的。
比如石墨转换成金刚石,在5-6万大气压以及一千度至两千度的高温下,再用金属铁、钴、镍等做催化剂,就可以让石墨转变成金刚石粉末。
虽然石墨和金刚石都是碳元素,但在石墨转化成金刚石的过程中,碳分子的化学键进行了断裂和重组,并且晶体结构也重构了,所以两者才被认为是两种不同的物质。
不仅仅是石墨和金刚石,在现实中,各国的科学家研究寻找同素异形体并对他们进行转换时,基本都是在高温高压这种条件下进行的。
因为掺杂其他的条件的话,很有可能会导致得到物品并非同素异形体,而是这种元素的化合物。
特别是金属系的材料,寻找它们的同素异形体更难。
比如同为金属的铁,经过科学家漫长时间的寻找,一共才发现a-fe,γ-fe和δ-fe三种不同的同素异形体。
数量虽然少,但其实制造方式也很简单,就是通过纯铁,在不同的温度以及压强下做不同的处理。
不同于碳的多种同素异形体,铁的同素异形体稍稍有些却别。
比如纯铁在912c以下,铁原子排列成体心立方晶格,叫做a-铁;
在912c至1394c之间,铁原子排列成为面心立方晶格,叫做γ-铁;
在1394c以上,铁原子又重新排列成体心立方晶格,叫做δ-铁。
实际上,当铁在常温下,它就是普通的a-铁,只有当温度突破某个临界点的时候,他才会转换成γ-fe和δ-fe。
这是铁的同素异形体和碳的同素异形体不同的地方。
碳不同的同素异形体可以在常温下保存,铁不行。
当然,要想让铁的同素异形体,比如γ-fe和δ-fe在常温下保存也是有办法的。
办法也很简单,通过快速淬火,可以让纯铁中的部分奥氏体来不及转变,冷却下来后,就和大部分马氏体共存在常温下了。
也就是所谓的γ-fe、δ-fe和a-铁共存。
只不过奥氏体是高温相,需要在高温的环境下才能形成和保存,在常温下它并不是一个平衡组织结构,这种共存没法长时间保存。
所以随着时间,γ-fe和δ-fe的存在,会导致铁金属整体发生形变,最终导致铁金属或者铁合金出现形变、裂缝甚至是破碎等。
而伽马镍,其实和γ-fe、δ-fe的性质有点类似,它同样属于一个特殊的共相体。
正常情况下,伽马镍只存在于一个高温高压的环境中。
但通过一系列的手段,可以让其在常温下保存下来,并保持一定的形状。
这个就是如何冶炼γ镍的关键点了。
各国的科学家一直无法找到镍的稳定同素异形体,是因为镍在普通的高温高压下转化的伽马镍混合在纯镍中,很难判断出不同性质,也很难将其分离和提纯出来。
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直播间内,伽马镍的冶炼一直都在进行。
被送入冶炼炉中的镍砖在真空高压高温的情况下开始融化,韩元则蹲在仪器前等待着这一过程,顺便讲解一下制造γ镍的关键点。
“在制造伽马镍的过程中,除了纯镍的纯净性质需要高度保证外,在第一步融化镍的过程中,还需要保证冶炼炉是一个可控温度、压强、以及真空的环境。”
“因为绝大部分包括镍在内的金属,被融化后暴露在空气中会在表面形成一层氧化层或者氮化层。”
“而过多的氧化镍同样会对伽马镍的成型率造成影响,所以这个在冶炼伽马镍的过程中是需要进行控制的。”
“.......”
说着,反应炉中的纯镍砖也融化的差不多了。
通过集成芯片计算机自动化程序控制,漂浮于纯镍溶液表面的一层溶液被特殊的机械臂配合工具清理掉了。
剩下的纯镍溶液通过机械臂迅速转移。
在另外一个设备中,这些高温融化状态的纯镍溶液会被迅速降低温度。
在短短的三十秒时间内,原本高达一千五百多度的纯镍溶液就冷却至了几十度。
而冷却形成的镍砖表面,因为淬冷速度过快,形成了一道道到宽大的裂缝,整块镍矿裂的让人感觉拿起来就会破碎成无数片一样。
不过这正是韩元需要的效果。
镍是亲铁系金属,具备一些铁的性质,在冶炼的过程中,同样需要通过快速淬火,让镍溶液中形成的同素异形体来不及转变,迅速冷却让其在常温下保存下来。
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