【百科】半金属知识(二)
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碲
碲有结晶形和无定形两种同素异形体。结晶碲具有银白色的金属外观，密度6.25，熔点452℃，沸点1390℃。无定形碲（褐色），密度6.0，熔点449.5℃，沸点989.8℃。碲在空气中燃烧带有蓝色火焰，生成二氧化碲；可与卤素反应，但不与硫、硒反应。溶于硫酸、硝酸、氢氧化钾和溶液。易传热和导电。
碲矿物主要与黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等共生，主要碲矿物有碲铅矿、碲铋矿、辉碲铋矿以及碲金矿、碲铜矿等。铜电解精炼所得的阳极泥是碲的主要来源。处理阳极泥的主要方法是硫酸化焙烧法，其他方法如苏打烧结法等应用较少。根据阳极泥中碲含量的高低，采用不同的处理方法：对含碲高的阳极泥，干燥后在250℃下进行硫酸化焙烧，然后在700℃使二氧化硒挥发，碲则留在焙烧渣中。对含碲低的铜阳极泥和铅电解阳极泥混合处理时，可进行还原熔炼。高纯碲的制取主要采用电解法。
碲在冶金工业中的用量约占碲总消费量的80%以上。加入少量碲，可以改善低碳钢、不锈钢和铜的切削加工性能。在白口铸铁中，碲用作碳化物稳定剂，使表面坚固耐磨。在铅中添加碲，可提高材料的抗蚀性能，可用来制作海底电缆的护套，也能增加铅的硬度，用来制作电池极板和印刷铅字。碲可用作石油裂解催化剂的添加剂以及制取乙二醇的催化剂。氧化碲用作玻璃的着色剂。高纯碲可用作温差电材料的合金组分，超纯碲单晶是一种新型的红外材料。
镓、铟、铊、锗、硒、碲和铼通常称为稀散金属，这7个元素从1782年发现碲以来，直到1925年发现铼才被全部发现。这一组元素之所以被称为稀散金属，一是因为它们之间的物理及化学性质等相似，划为一组；二是由于它们常以类质同象的形式存在于有关的矿物当中，难以形成独立的具有单独开采价值的稀散金属矿床；三是它们在地壳中的平均含量较低，以稀少分散状态伴生在其他矿物之中，只能随开采主金属矿床时在选冶中加以综合回收和利用。
稀散金属具有极为重要的用途，是当代高科技新材料的重要组成部分。由稀散金属与其他有色金属组成的一系列化合物半导体、电子光学材料、特殊合金、新型功能材料及有机金属化合物等，均需使用独特性能的稀散金属。用量虽说不大，但至关重要，缺它不可。因而广泛用于当代通讯技术、电子计算机、宇航、医药卫生、感光材料、光电材料、能源材料和催化剂等行业。
稀散金属在自然界中主要以分散状态赋存在有关的金属矿物中，如闪锌矿一般都富含镉、锗、镓、铟等，个别还含有铊、硒与碲；黄铜矿、黝铜矿和硫砷铜矿经常富含铊、硒及碲，个别的还富含铟与锗；方铅矿也常富含铟、铊、硒及碲；辉钼矿和斑铜矿富含铼，个别的还富含硒；黄铁矿常富含铊、镓、硒、碲等。目前，虽然已发现有近200种稀散元素矿物，但由于稀少而未富集成具有工业开采的独立矿床，迄今只发现有很少见的独立锗矿、硒矿、碲矿，但矿床规模都不大。
我国稀散金属矿产资源比较丰富，已探明有稀散金属矿产储量的矿区：锗矿分布在11个省区，其中广东、云南、吉林、山西、四川、广西和贵州等省区的储量占全国锗总储量的96%；镓矿分布在21个省区，主要集中在山西、吉林、河南、贵州、广西和江西等省区；铟矿分布在15个省区，主要集中在云南、广西、内蒙古、青海、广东；铊矿分布在云南、广东、甘肃、湖北、广西、辽宁、湖南等7个省区；硒矿分布在18个省区，主要集中在甘肃，其次为黑龙江、广东、青海、湖北和四川等省区；碲矿分布在15个省区，主要集中在江西、广东、甘肃；铼矿分布在陕西、黑龙江、河南和湖南、湖北、辽宁、广东、贵州、江苏9个省。
砷
砷有黄、灰、黑褐三种同素异形体。其中灰色晶体具有金属性，脆而硬，具有金属般的光泽，传热导电，易被捣成粉沫。密度5.727，熔点817℃，加热到613℃便可不经液态，直接升华成为蒸气。砷在空气中加热至200℃时，有萤光出现，温度更高(400℃)时燃烧，呈蓝色火焰，形成三氧化二砷(As2O3)烟雾。游离砷易与氟和氮化合，在加热情况下也与大多数金属和非金属发生反应。砷不溶于水，溶于硝酸和王水，也能溶解于强碱，生成砷酸盐。
所有的可溶砷化物都有毒，无机砷比有机砷毒性更大，三价砷比五价砷毒性大20倍。生产中严禁用喷水来冷却含砷的热渣和把含砷废渣露天堆放，要有严格的劳动保护措施。是剧毒的气体，在制备化合物半导体如镓砷磷时，要防止中毒。在空气中的最大容许浓度为0.05ppm。
砷在地壳中有时以游离状态存在，大多以硫化物形式夹杂在铜、铅、锡、镍、钴、锌、金等矿石中。常见的含砷矿物有斜方砷铁矿(FeAs2),雌黄(As2S3),辉钴矿(CoAsS),雄黄(AsS)，砷黄铁矿(又称毒砂FeAsS),辉砷镍矿(NiAsS)，硫砷铜矿(Cu3AsS4)等。
氧化砷的制取：通常是将含砷高(As0.3％以上) 的硫化物精矿在回转窑、多膛炉或流态化炉内于600～700℃焙烧，砷以As2O3挥发，挥发率可达到90～95％。含砷烟气应在进入收尘器以前，迅速通过175～250℃温度区，以免冷凝成玻璃砷而粘结堵塞管道。收集到的烟尘一般含As2O3 1～30％，把它和煤、黄铁矿或方铅矿混合，在反射炉中于500～700℃焙烧，得到含As2O3 90％的粗白砷。粗白砷在反射炉内再升华一次，得到 As2O3含量为99％的精白砷。
金属砷的制取：一般采用As2O3碳还原法。将白砷与焦炭混合，放入钢罐内，用电炉或其他工业炉，加热至700～800℃，使砷蒸发，冷凝回收，可得纯度超过99％的金属砷。
高纯砷的制取：半导体材料（如硅）所需的掺杂剂用砷为99.999％的高纯砷，而化合物半导体（如砷化镓）则要求砷的纯度达到 99.9999～99.99999％。我国制备高纯砷的工艺流程为：粗砷→氯化→精馏→氢还原，主要提纯过程是精馏。特别是采用砷填料精馏塔，可有效地除去硫和硒等难除的杂质。
金属砷主要用作合金添加剂，例如用于生产印刷用合金、黄铜(冷凝器和蒸发器)、蓄电池栅板（硬化剂）、耐磨合金、高强度结构钢以及耐海水腐蚀用钢等。在铅中加入0.5％的砷，可增加铅的硬度，这种铅用来铸造弹丸。高纯砷主要用于生产化合物半导体如砷化镓、砷化铟、镓砷磷、镓铝砷等以及用作半导体掺杂剂。这些材料广泛用于制作二极管、发光二极管、隧道二极管、红外线发射管、激光器以及太阳能电池等。
砷的化合物用于制造农药、防腐剂、染料、医药等。砷的最重要的化合物是三氧化二砷，俗名砒霜，是烈性毒药，砷的化合物都是有毒的，砒霜被大量用于制作无机农药。如果人畜不慎而误中砷毒，可服用新鲜的氢氧化亚铁悬浮液来解毒。砷的其他化合物，如、亚砷酸钙、砷酸铅、砷酸钙、砷酸锰等也都是常用的农药。在制造这些含砷农药的工厂里，空气中的含砷量必须低于0.3毫克／米3。
硼是一种典型的非金属元素，硼有多种同素异形体：四方晶体、α菱形体、β菱形体及无定形体。无定形硼是一种由深棕色到黑色的粉末。晶体硼是非常硬而脆的固体，有由乌黑到银灰的金属光泽。硼的电导率随温度的升高而增加。硼的化学性质主要取决于它的物理状态，无定形硼在空气中甚至在常温下就缓慢氧化，而晶体硼在加热时也很稳定，只能同强氧化剂缓慢地发生作用。高温下无定形硼能在空气中燃烧，产生红色火焰；也能同卤素、氮和金属作用，形成卤化硼、氮化硼和金属硼化物，但不与氢直接发生作用。硼与氢可形成一系列的共价氢化物--。
硼
硼在自然界分布很广，含硼矿物很多，根据含硼矿物的化学组成，可将其分为三类：硼硅酸盐矿物、硼铝硅酸盐矿物和硼酸盐矿物。其中，硼硅酸盐矿物主要是硅钙硼石和赛黄晶；硼铝硅酸盐矿物主要有电气石和斧石。这两类硼矿物中，除了硅钙硼石尚具有工业价值外，其他或是难以加工，或因未大量聚集成工业矿床而意义不大。目前，作为硼工业原料的主要是第三类--硼酸盐矿物。这类矿物有100多种，但作为工业硼资源开发利用的仅有10余种，如天然硼砂、遂安石、硼镁石、硬硼钙石、天然硼酸、钠硼解石、柱硼镁石等。在中国，硼镁石、遂安石、硼镁铁矿、硼砂、钠硼解石、柱硼镁石等均可形成大、中型矿床。工业上制取硼用金属热还原法和熔盐电解法。熔盐电解法是一种较经济、适于大量生产的方法。
硼矿是一种用途广泛的化工矿物，硼与氢、锂、铍等的化合物能燃烧，是高能喷气燃料。硼和硼的化合物，广泛用于化工、冶金、光学玻璃、国防、原子能、医药、橡胶及轻工业。在化学工业，硼砂、硼酸可作为肥皂、洗涤剂等日用化工产品的添加剂。含硼洗涤剂具有保护头发、去污力强、无污染等性能。某些硼化物还可制成良好的还原剂、催化剂、溴化剂等。
在冶金工业，硼砂有熔融金属氧化物的能力，用作冶金熔剂。硬硼钙石可代替萤石用于碱性氧化转炉炼钢。铜铝合金加入微量硼可提高其导电性能。硼在高温下能同氧和氮起反应，常用作去气剂。加0.001-0.005%的硼到钢中，可提高高温强度，使钢的晶粒细化，提高淬透性。钢表面渗硼后，能显著增加表层硬度，同时也提高化学稳定性。加0.001-0.003%的硼到可锻铸铁中，可缩短热处理时间，使石墨细化，分布均匀。在机械工业，硼被用作硬质合金、宝石等硬质材料的磨削、研磨、钻孔及抛光等。“渗硼”是机械加工行业中一种新工艺，它能提高零件表面的硬度和耐磨、抗氧化性能。
在电子工业，硼系列化合物中某些硼化物是绝缘材料，而有些硼化物则是良好的导电材料，具有半导体的特性，又有电子放射等性能，可用来制造各种电子元、器件，用作引燃管的引燃极、电讯器材、电容器、半导体的掺合料、高压高频电及等离子弧的绝缘体、雷达的传递窗等。
在国防工业，硼的化合物可作高能喷气燃料和火箭燃料。碳化硼用于制造喷气机叶片和金属陶瓷。氮化硼是超高温、超硬质材料，用以制造火箭喷嘴、燃烧室内衬等。硼的同位素吸收中子能力强，所以硼化物在原子反应堆中用作控制棒调节器和防护屏材料。塑料加入硼就具备防辐射性能。
硼还大量用于玻璃、陶瓷工业，制造高品质耐热硼硅酸玻璃、玻璃纤维、光学透镜、绝缘材料和玻璃钢。硼和钴、钛、镍等可制成金属陶瓷。硼还用于制造搪瓷和珐琅、彩釉等。此外，硼还用作防腐剂、焊接剂、制造超硬磨料。
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