“钢镚儿”中的化学知识

随着时代的变迁，快捷方便的移动支付日益成为主流，小到一分，大到一元的小面额硬币作为人民币辅币的使用频率越来越低。不过，这些被通称为“钢镚儿”的硬币并没有从我们的生活中消失，除了流通价值之外，它们还承载着悠久的货币文化，映照着昔日的美好回忆。回顾往昔，不难发现，数十年来，我国发行、流通的硬币不仅图案各异，而且材质也不尽相同。硬币究竟是用什么材料制造的？下面，就让我们从化学知识入手，来探究一下“钢镚儿”的“身世”吧。

铝镁合金与“钢镚儿”

中华人民共和国历史上首次发行硬币的时间是1957年。从这一年开始，承担我国货币发行职责的中国人民银行发行了1分、2分、5分三种面值的硬币，它们属于第二套人民币，至今仍在流通中。想必不少80后们对它们仍然记忆犹新，要知道在30多年前，几分钱就能买到一小袋“唐僧肉”或者“无花果”。那时候，大家把这些小面额硬币通称为“钢镚儿”，并且这种叫法一直沿用至今。其实，这些硬币并不是钢铁材质的，而是铝镁合金材质。

金属铝（Al）和镁（Mg）同属银白色轻质金属，密度分别为2.70g·cm-3和1.74g·cm-3，铝的熔点为660℃，沸点为2519℃，镁的熔点为650℃，沸点为1090℃。铝暴露在空气中时，表面会形成一层致密的氧化膜，相当于穿了一副铠甲，所以，其化学性质相当稳定；而镁的化学性质非常活泼，镁粉、镁条等在空气中就可以燃烧。

铝元素在地球上的含量仅次于氧元素和硅元素，排在第三位，因此，金属铝较为便宜。不过，在金属铝的电解法提炼还没有实现大规模工业化之前，情况并非如此，铝制品在当时可是顶级的奢侈品，法国国王拿破仑三世便以使用铝制餐具为荣，至于其他贵族，只能使用“普通”的金银餐具。随着技术的进步，金属铝早已经进入寻常百姓家。在20世纪90年代以前，铝制的饭盒、蒸锅可是中国人家庭厨房中的“标配”。

纯金属铝的质地较软，可一旦与其他元素构成合金，马上“性情大变”，机械强度大增，成为赫赫有名的铝合金。铝合金具有分量轻、强度大、耐腐蚀等诸多优点，从空间站、运载火箭、飞机、汽车、仪器仪表等高科技领域到计算机、手机等电子信息产品领域，从冰箱、洗衣机、电视机等家电领域到门窗、吊顶等建材领域以及厨具、玩具、浴室挂件等日用品领域，铝合金都在其中发挥着重要作用。

用来制造第二套人民币硬币的铝镁合金就是铝合金中的优秀代表，非常适合在市面上长期流通使用。这是因为，铝镁合金色泽鲜亮美观，密度小，耐腐蚀，具有很强的承载能力和耐冲击力，长期使用不易变形，具有良好的抗磨、抗刮性能，因而不容易被刮花，这也使得其使用年限大大延长。不仅如此，铝镁合金的铸造性能好，稳定性强，易回收，可以再次利用。

“第三套”中的“小铜板”

1980年，中国人民银行发行了第三套人民币硬币，包括1角、2角、5角和1元共四种面值的硬币。这套硬币的材质是铜合金，其中，1角、2角和5角硬币均为金灿灿的铜锌合金（黄铜），1元硬币则为银白色的铜镍合金（白铜）。该套硬币于2000年7月1日起退出了流通，目前市面上已很难见到。

铜（Cu）是人类最早认识并加以利用的金属之一。这是因为自然界中存在着天然金属铜，使得人类可以方便地获得铜并由此熟悉了铜的性质；所以，人类文明发展的早期阶段之一被命名为青铜器时代，李时珍的《本草纲目》中也有关于自然铜的记载。自古以来，金属铜就是用来制造钱币的主要原料，历史上的方孔铜钱，近代的铜元、铜板，现当代的人民币硬币身上都可以看到铜的身影。无怪乎，时至今日，苏浙沪等吴语方言区仍用“铜钿”泛指金钱。因此，铜与金（Au）和银（Ag）并称为货币金属。有趣的是，这三种元素在化学元素周期表上同属于第一副族（IB）。这也表明，它们在结构和性质上具有相似性。

纯粹的金属铜是红色的，俗称为红铜，在空气中形成氧化膜后，显示为玫瑰红色，因此又被称为紫铜。铜的熔点为1085℃，沸点为2562℃，密度为8.96g·cm-3，属于重金属，其导电性和导热性仅次于银，在众多金属中遥遥领先。考虑到成本因素，电线电缆中使用的导线通常是铜，而不是银。金属铜在含有二氧化碳的潮湿空气中会发生化学反应，生成绿色的铜锈—碱式碳酸铜，这也是我们看到古代的铜钱、铜镜表面覆盖着一层绿色物质的原因。

金属铜非常容易与其他金属形成合金。与金属铝的情况类似，金属铜形成合金后，其机械强度也得到明显提高。常见的铜合金有青铜、白铜和黄铜等。

青铜是以锡（Sn）、铅（Pb）为主要合金元素的铜合金。在距今4000年前的夏代，我国就已经进入青铜器时代，以后母戊鼎、四羊方尊为代表的大量出土青铜器表明我们的祖先掌握了高超的青铜冶炼和制造工艺。青铜在古时被称为“金”或“吉金”，因为刚刚铸造完的青铜器呈金色；但出土后，由于时间流逝和氧化而产生锈蚀，变为青绿色，故名。

白铜是以镍（Ni）为主要合金元素的铜合金，色泽银白，耐腐蚀性优良，曾经作为我国云南地区的特产享誉世界。云南镍白铜（铜镍合金）曾主要用于造币，亦可用于制作仿银饰品。作为中国古代冶金技术的独创产品，东晋常璩写的《华阳国志》中有关于白铜的最早记载：“螳螂县因山名也，出银、铅、白铜、杂药。”螳螂县在今天云南会泽、巧家和东川一带，那里富产铜矿，临近的四川会理出产镍矿，两地有驿道相通。当镍铜合金中的镍含量超过16%时，合金色泽就变得洁白如银，镍含量越高，合金的颜色越白。我国古代制造的白铜器件不仅销于国内各地，还远销国外。传入欧洲的白铜制品经过研究和仿制，摇身一变成了举世闻名的“德国银”，也就是锌白铜合金。如今，白铜在电工仪器仪表、精密机械、船舶构件和化工机械等领域都有着广泛的应用。

黄铜是以锌（Zn）为主要合金元素的铜合金，色泽金黄，耐腐蚀性较好，但稍逊于白铜。黄铜有着悠久的应用历史，除了在工业领域的应用之外，在日常生活中也经常可以看到它们的身影，比如门把手、地板压条、水龙头、阀门等日用五金件，锣、镲、号等中外乐器以及各种装饰摆件等。

金属镍是银白色金属，熔点为1455℃，沸点为2913℃，密度为8.90g·cm-3，在空气中稳定存在，耐腐蚀性好。在工业领域中，金属镍除了作为合金元素外，还可以作为耐腐蚀的金属镀层以及用于有机化学反应的加氢或脱硫催化剂。有趣的是，美元中的5美分硬币被称为镍币（Nickel），常常使人们认为它是由纯镍制成的，实际上，其含镍量仅为25%，其余则为铜，也就是说，5美分本质上还是白铜材质，但却以镍来命名，足见镍的重要性。

金属锌也属于白色金属，性脆，熔点为420℃，沸点为907℃，明显低于大多数金属，密度为7.13g·cm-3。它容易失去电子变成锌离子，因此，化学性质较为活泼，在空气中可以形成致密的氧化膜。金属锌的活泼性导致它不适合单独作为硬币的材质，但也为在其他方面的应用提供了机遇。日常生活中的干电池就包含金属锌。当我们把干电池的外包装撕去后，就会看到一层白色金属外壳—锌皮，它既是干电池的壳体，又是干电池的负极，身兼两职。利用金属锌活泼的化学性质，还可以对其他金属起到保护作用。常见的做法是将金属锌与水下的闸门、管道、舰船等钢铁构件相连接，通过原电池的作用原理保护钢铁不被腐蚀；与此同时，金属锌被逐渐腐蚀掉，因此，它被称为“牺牲阳极”。此外，还可以将金属锌镀在钢管、钢板表面，达到防止腐蚀的目的。日常生活中的煤气管道、消防管道、铁皮屋顶等所披的银白色“外衣”就是金属锌。

“第四套”中的钢材质

1992年，中国人民银行发行了第四套人民币硬币，其中包含1角、5角和1元共三种面值的硬币。1角的材质为我们熟悉的铝镁合金，5角的材质为金色的黄铜，1元的材质则为银白色的钢芯镀镍—这是钢材质首次出现在人民币硬币中。这套硬币中的1角自2018年5月1日起退出流通，其他两枚仍可使用。

在人类历史上，金属铁（Fe）的利用晚于金属铜，主要原因是自然界中不存在天然的金属铁，且铁的熔点远高于铜，人类早期的冶炼技术达不到熔化铁所需的温度。经过漫长的岁月，人类继青铜器时代之后进入了铁器时代，金属铁的利用标志着社会生产力发展到了全新阶段。

纯的金属铁为银白色，熔点为1538℃，沸点为2861℃，密度为7.87g·cm-3，质地较软，作为结构材料难当大任。幸运的是，人类早期在冶炼铁矿石后得到的并非纯的金属铁，而是以金属铁为主体、混杂有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等元素的铁合金。铁合金是黑色金属，机械强度高，可作为结构材料使用。

根据含碳量的不同，铁合金可以划分为生铁和钢两大类：含碳量在2%～4.3%的为生铁，含碳量为0.03%～2%的为钢。生铁硬度大，但性脆，经受不住锻打和压延，通常用作炼钢原料或者铸造用材。钢除了质地坚硬，还具备弹性和韧性，非常适合锻轧，同时也能用于铸造，用途比生铁更为广泛。铁元素在地壳中的储量排在铝元素之后，居第四位；因此，钢铁的利用成本较低，是人类社会使用最广泛的金属材料。不过，钢铁材料有一个致命缺陷—在潮湿空气中容易发生氧化腐蚀，也就是“生锈”。为了避免钢铁生锈，人们通常在其表面涂刷防锈油漆，或者是制造锌、镍等其他金属镀层。钢芯镀镍材质的1元硬币，就是利用抗腐蚀能力强的金属镍作为钢材质内芯的保护层，这样既降低了造币成本，又实现了色泽美观、经久耐用的功效。

“第五套”中的不锈钢

进入新世纪以后，中国人民银行陆续发行了第五套人民币硬币，也就是目前流通最广泛的一套。它包括铝镁合金以及不锈钢材质的1角、钢芯镀铜和钢芯镀镍材质的5角、钢芯镀镍材质的1元共三种面值的硬币。在这套硬币中，不锈钢材料闪亮登场。不锈钢属于特种钢，是含有金属铬（Cr）和金属镍等成分的钢，具有抵抗潮湿空气、酸、碱和盐腐蚀的能力。

不锈钢的发现纯属偶然。研究人员在开发耐磨钢材料时将一种含铬样品淘汰丢弃，几个月后却意外发现废弃的样品依然闪闪发亮，丝毫没有生锈的迹象，于是开启了不锈钢的传奇之旅。时至今日，大到雕塑、护栏，小到厨具、餐具甚至缝衣针，不锈钢在我们的生活中随处可见。

不锈钢中的主要合金元素是金属铬。铬是蓝白色金属，熔点为1907℃，沸点为2671℃，密度为7.15g·cm-3，质地坚硬，与金刚石接近，是硬度最高的金属；但它性脆，单独使用具有局限性，多用于制造不锈钢或作为保护钢材的镀层。金属铬镀层具有光亮的镜面金属光泽，耐磨和耐腐蚀性能优异，是非常好的金属保护层，既可以发挥保护作用，又具有装饰功能，在汽车、仪器仪表、日用五金件等多个方面应用广泛。