2022年8月 值日生 小樟
第三周
化学史3：屡建奇功
8月15日
戴维、法拉第
——钠钾钙锶的发现
各位书友好！上周分享原子论和分子论创立，进一步打开元素大门。发现元素道路上，有一群人冲锋陷阵。寻找元素的过程就好比寻根溯源的过程，比如氢和氧结合生成水，但人们先发现水，后发现氢和氧。正如夏艳老师所说，水是氢和氧的孩子。
在自然世界里，我们很难让水里的氢和氧分别回到氢爸爸和氧妈妈的身体里，因为让孩子回到母亲的肚子里，这个反应过程不是自发的。但人类轻松从水中获得氢和氧，而且一直沿用至今。这就是电解技术，这个过程叫做可逆反应。电解技术成为现代减碳重要手段，比如电解水储存氢能、电解还原二氧化碳、电解还原氨等等。今天分享戴维和法拉第，他们通过电解屡建奇功。
图1：戴维
先从伏打电堆说起：自从人类发现伏打电堆，紧接着掀起了电解的潮流。最开始是电解水，产生氢气和氧气。有一个从小调皮捣蛋的孩子，名字叫戴维，他对电解特别感兴趣，并想到电将水分成氢和氧，就有可能将其他物质分解出新元素来。戴维首先想到的是苛性碱，也就是我们所说的氢氧化钾。
通常的电解是将电源两极插在电解质里，电解质一般是水溶液，戴维收集来电池，准备在氢氧化钾的水溶液中电解，看能不能发现出新的元素。但是当他把电极插到水溶液里的时候，电极两边分别冒气泡。戴维开始是一阵惊喜，但后来才想起，这只不过是电解水产生氢气氧气罢了。后来，戴维又想到电解熔融的氢氧化钾，接着他们发现：熔融的氢氧化钾上出现了紫色火焰。现在我们通常说的钾紫钠黄，紫色的火焰就是生成的钾单质，但是它很快就在高温中燃烧了。
戴维电解熔融的氢氧化钾发现了钾元素，但是没有办法将钾元素提炼出来，这让他绞尽脑汁。后来他想到：怎么样让电解氢氧化钾的水溶液和电解熔融的氢氧化钾结合起来？能够生成钾单质，而且能把钾单质提取出来，这时候。戴维灵机一动，他通过电解潮湿的氢氧化钾，这时候电解的过程中又发现了一个奇特的现象：刚刚电解出来的有钾金属，就像眼泪一样，一点一点的从潮湿的氢氧化钾中渗了出来，这就是钾单质。
戴维用电解法发现了钾元素，也发现钠元素，接着发现了钙元素、锶元素这些活泼的金属，所以说戴维在发现元素的道路上屡建奇功。但是戴维最大的发现并不是这些元素，而是另外一个人，他叫法拉第。
图2：法拉第
法拉第是戴维的学生，也是穷苦出身，但是法拉第特别用功。后来被戴维挖掘出来之后，他跟随恩师，一同用电解技术发现了一些新元素。戴维发现新元素离不开法拉第的贡献。法拉第在电解过程中，同时发现著名的法拉第定律，或者叫法拉第电解定律，这个定律一直沿用至今。法拉第定律主要讲我们输出一定电量，电极上就会反应消耗或生成一定质量的物质。就好比给手机充电，充电过程也是一个电解过程，充多少的电，手机电池两极就会有多少物质参与化学反应。
当然，法拉第最大的成就还不是发现法拉第定律，而是发现了震惊世界的法拉第电磁感应定律，这项发现让人类第一次从磁场中获得电能。所以戴维说，他一生中最大的成就是发现了法拉第。电解这项技术，也通过戴维和法拉第等人的接力，100多年来一直发挥着重要的作用。面对当今的能源危机，100年后的我们依然要靠电解来化解，比如说合成氨：传统需要高温高压反应条件，还需要大量有毒有害的氨气作为原料，但电解的方法能在常温下合成氨。当然，这项技术还不成熟，仍在摸索中。
做个小结，今天主要分享了电解，相比自发反应——氢气和氧气生成水，它是一个逆过程。自发过程很难逆着进行，但通过电解很容易将反应逆倒过来。介绍了戴维和法拉第对电解的贡献，明天将分享与人类当下和未来紧密相关的钛元素，敬请期待，谢谢各位的聆听。
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夏艳：在听得津津有味，以前读书的时候感觉不出来
钛元素：天生我材
8月16日
天生我材钛元素（Ti）——
上九天
各位书友好，今天分享一个“可上九天揽月”的元素。昨天黄岚老师分享《独行月球》影评，先考大家两个问题：大家猜一猜这是谁的脚印？
图1：第一个脚印
很多人认为这是阿姆斯特丹在月球上留下的人类第一个脚印，然而并不是，这是他的搭档宇航员奥尔德林留在月球上的脚印。
问题二：一起来打卡学习强国，月壤是由什么组成的？
图2：月壤的组成
对，上面四个选项都是答案，其中钛铁矿，它是钛和铁的氧化物组成，是提取钛元素的主要来源。钛元素有什么用？之前我们分享硅元素的时候分享过滑石，它用于香皂，钛元素在香皂中也比较常见，因为钛具有光电催化性能，香皂里面含有少量的二氧化钛，它能在紫外线下进行杀菌。
钛元素还有另外几大特性：一个是它具有形状记忆能力，大家知道一根弹簧受到压力会压缩，压力解除会恢复原貌。形状记忆合金不光能够克服压力，还能克服温度恢复原状：在低温时，形状记忆合金可以做成各种造型，加热后就能恢复原来的形状。钛可以与其他的铁、铝、镍、钼等金属形成高强度的轻合金，它拥有最高强度重量比，也能够耐腐蚀、抗金属疲劳。
说到以上性能，今天我们重点分享钛元素“可上九天揽月”。先分享一个链接（复制后浏览器打开）：
（https：//www.bilibili.com/video/BV1i3411t7Wq?share_source=copy_web）
这是第一代喷气式客机——彗星客机。它主要是采用铝合金等材料，并追求美观性，设计了方形窗户。更没有强调金属耐用程度。喷气式飞机在高空中高速飞行要求飞机制造材料有一定耐强能力，但是铝合金并没有这样的特性，最后造成了一次次空难。
上一周我们分享了飞机的制造材料，里面含有碳纤维，现在飞机里面也含有钛合金，因为飞机要适应高速飞行，对轻量化的要求特别突出。而铝材和钢材，虽然铝比较轻，但是铝的抗金属耐疲劳能力并不出众，尤其在高温条件下，它的性能丧失，所以当第一代彗星客机飞上蓝天的时候就埋下了一个定时炸弹，用钛量是评价飞机先进性的重要标准。波音707飞机研制成功，钛合金的用量用到了五百九十千克，波音777，它的用钛量达到了近六千千公斤，占机身的11%。
图3：玉兔二号月球车
钛合金不光用在飞机上，它也用在航天器上，比如说玉兔二号月球车。2019年1月3日，经过26天的漫长旅行，嫦娥四号降落在月球背面，玉兔二号缓缓从着陆器推出，开始了它的探测任务。大多数合金和橡胶一样，当受到巨大外力，很难恢复原状，出现永久形变。月球车玉兔二号，它的轮子使用了钛合金，相比玉兔一号，它能够行驶更远距离，这是为什么呢？
图4：记忆合金
玉兔二号月球车使用了铁和镍打造的一种特殊钛合金，它拥有非凡的记忆效应：钛合金筛网发生形变之后，随着外力撤销，能够恢复原来的形状，这让筛网保持着永久的圆形状态。面对月球巨大的温差以及坑坑洼洼的月球表面，月球车的耐疲劳性能够充分适应。
此外月球车摄像头也用到钛合金：摄像头的镜头是由特殊玻璃做成。但需要合适的镜筒材料与之匹配，因为月球上巨大的温差会造成物质热胀冷缩，这是另一种外力带来的形变。如果镜筒材料的热胀冷缩幅度与镜头不相同，那么就会对镜头造成损坏。一般金属的热胀冷缩效率都要高于玻璃数倍，作为探测器的眼眶并不合适。而钛合金与玻璃热胀冷缩程度接近，于是担任了这项任务。
今天重点分享钛元素上九天揽月，明天分享它下五洋捉鳖。谢谢各位的聆听！
8月17日
天生我材钛元素（Ti）——
下五洋
各位书友好！昨天我们分享钛元素走向太空，今天分享钛元素探入深海。
我们先温故一下初中物理液体压强公式：P=ρgh。
液体压强公式：对于海水，ρ是海水的密度，一般为1.2到1.07，g是重力加速度，一般为9.8，h是深度。通过计算感受海底水压之大：每下潜十米就相当于增加一个大气压；下潜1000米，就相当于承受100倍大气压；下潜10000米，就相当于承受1000倍大气压。这么大的海水压力，普通钢板难以承受，而钛元素可以。钛元素的名字，出自希腊神话大力神泰坦。
图1：蛟龙号载人深潜器
图2：海斗一号无人深潜器
昨天说完了嫦娥飞天，今天我们看蛟龙探海。蛟龙号2019年建成，2012年实现了7062.68载人深潜的新纪录。蛟龙探海吸收了全世界最先进的技术，比如说俄罗斯的钛合金壳体、美国的钛合金机械臂。蛟龙探海是人类载人深潜的一座丰碑。2021年，海斗号实现了1万米深潜，相比蛟龙号载人深潜，海斗号无人深潜也实现新的突破。
图3：核潜艇
这是一艘核潜艇。核潜艇虽然不像深潜器潜入数千米上万米的海底，但核潜艇需要常年在海底潜伏。因此它需要抵御海水的侵蚀，而海水中大量的盐分是金属最大的敌人。这一次，钛合金再一次解决了人类的难题。这是为什么？
钛元素能够用于制作船舶，并且是制作船舶不可或缺的元素，主要有几大原因：刚才提到了钛元素拥有大力气，另外钛对氧的亲和力特别大，能在表面生成一层致密的氧化膜，从而保护钛在海水中不受腐蚀。此外钛不是很稀有的元素，在地壳中丰度排名第九。在金属元素中，钛丰度仅次于铁、铝、镁三种元素，排在第四。铂、铱、金虽然能够耐腐蚀，但它们太稀缺了。
今天我们主要分享了钛元素帮助人类探索海洋。大力气和耐腐蚀是钛元素独当一面的特性。明天我们接着分享钛元素在建筑领域的应用。
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关心：谢谢小樟分享，让我们感受到化学元素与我们生活的关系。
夏艳：谢谢小樟老师，这个暑假听了中科院的公开课，月球车的制造，钛合金的记忆功能更好地帮助我这个门外汉理解。
8月18日
天生我材硅元素（Ti）——
承千钧
各位书友好！昨天分享了蛟龙号深潜器，它的外形像不像一个蛋壳？在日常生活中，我们破碎一个鸡蛋，一般从一处敲碎，但我们却很难徒手握碎一个完好无损的鸡蛋。因为徒手紧握鸡蛋，鸡蛋把外力分散均匀。对，“蛟龙号”深潜器模仿鸡蛋壳结构，也将海水压力分散均匀。要承受千钧之力，光有力学结构还不行，也需要特殊材料支撑，比如钛合金，它拥有更坚韧的性能。今天分享钛金属在建筑上的应用。
昨天我们单位新大楼装修验收时，我听监理说这个地方用钛合金，感到很惊喜——钛合金在建筑上也大有作为。
图1：钛合金推拉门
这是一个钛合金推拉门，由于钛合金表面具有保护层氧化膜，它通过改变内部化学结构，反射出阳光中不同的色彩。而且这种色彩不会脱落，比油漆更加的持久。很多广场的雕塑都用上了钛合金，随着钛合金规模化生产成本不断降低，在一般家庭装修中，钛合金门窗已成为了一种时尚。
之前我们介绍了硅元素在建筑上的重要应用，铜、铁和铝等元素也被人类相继用于建筑材料。钛被认为是承接铁和铝的元素。它突破了传统元素在建筑上应用范围，并与传统材料形成互补。
图2：中国国家大剧院
这是中国国家大剧院。2007年完工，是由设计师安德鲁设计。他的创意是使用了钛合金，而且整个外观像一个鸡蛋。钛成就了北京的一座地标建筑。
力气大是钛的物理属性，耐腐蚀是钛的化学特性，人体相容性是钛的生物属性。明天我们来看钛元素给人类健康做出的贡献。
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圆蜗牛：听完买鸡蛋去。
樟：蛋壳和钛合金强强联合。
8月19日
天生我材硅元素（Ti）——
延万年
各位书友好！钛元素就像一棵树，撑起了世间万物，给了人类稳稳的依靠。首先它打开一块天、一片海，支撑起航天和航海。接着钛合金和蛋壳强强联合，支撑起一座座建筑。今天我们来说3D打印与钛合金的结合，如何支撑起我们受伤受损的身体？
3D打印技术的缺点是使用的耗材十分有限，只有少数的塑料和金属能够胜任，而钛合金就是其中一类适用的金属。3D打印技术和钛合金是怎样结合的？原来先在操作台上铺满钛粉，再用激光照射，被照射的地方会融化，粉末就会凝结起来。钛合金不会燃烧，导热性不好，不会造成激光照射点周围粉末一同融化。钛合金在激光作用下能够铸造出精密的零件，同样包括人体的关节。
下图是钛合金髋关节：
图1：钛合金髋关节
这是一只丹顶鹤：
图2：3D打印钛合金鸟喙
2016年5月，当动物发情交配的高峰期，为了争夺配偶，许多动物打得不可开交。广州动物园一只丹顶鹤在争风吃醋时把上喙给撅折了，动物园采取治疗，不幸感染，上喙彻底坏死。如果没有上喙的话，丹顶鹤就会死去。最后动物园找到了一个专家，通过钛合金3D打印技术给丹顶鹤装上了人造的假肢，这在中国是首例。这只丹顶鹤换喙获得了成功，有了这样坚硬的钛合金上喙，再没有情敌敢跟他打架了。
钛合金能和身体接触，不会产生身体的排斥性，这是钛合金能用于人造关节的一个重要的前提。本周主要分享的钛合金，它支撑起航天、航海和建筑，同时也支撑起我们的身体。下一周我们将分享另一类金属元素——金银铜铁锡，它撑起人类社会。本周也分享了戴维和法拉第用电解法屡建奇功，下周将进一步分享其他科学家各显神通，在元素版图上开疆拓土。谢谢各位的聆听。
第三周 结束
图文整理丨小樟
图文排版丨花叶青木
图文发送丨郑文慧