中國科學院和青海省地質調查院近日宣布了一項重大發(fā)現(xiàn)——大格勒鈮礦床。此礦床就是與堿性巖?碳酸巖雜巖共生的鈮-稀土礦。這個發(fā)現(xiàn)不僅展示了我國地質科學的卓越實力,為突破我國現(xiàn)有鈮資源“提取難、利用難”瓶頸提供契機,更讓我們對一種神奇的過渡金屬元素——鈮有了更深入的了解。
鮮為人知的是,鈮元素的發(fā)現(xiàn)前后經(jīng)歷了150多年,現(xiàn)在它被廣泛運用于超導體、高溫合金、改善鋼性能、核工業(yè)等,是名副其實的點“鈮”成金。
PART.01鈳鉭之爭半世紀
“這家伙太頑固了,還原十多次了,還得不到單質!”
公元1801年初秋的一天,英國倫敦市郊的一所學校的實驗室里。化學家查理斯?哈切特面對試劑瓶里的黑色立方晶體,頭痛不已。這些晶體是未知的金屬氧化物,來自博物館的礦石。
一周前,哈切特參觀大英博物館時,對展柜里黑金條紋的精美礦石產(chǎn)生了濃厚的興趣。館長介紹說,這是美國康涅狄格州州長的孫子捐贈給博物館的。致力于礦石研究的哈切特要了一些樣品,帶回學校的實驗室做化學分析。經(jīng)過多次試驗,他分離出錳、鐵等10多種單質,得到黑色的金屬氧化物。
哈切特嘗試了各種方法,但仍未能成功地將未知金屬氧化物還原為單質。他將這種物質與當時已知的所有金屬氧化物進行仔細比對,驚訝地發(fā)現(xiàn)沒有任何一種與其相匹配。
經(jīng)過無數(shù)次的試驗和驗證,哈切特最終確認,這種未知的金屬氧化物中蘊含著一種全新的元素。為了紀念美洲大陸的發(fā)現(xiàn)者哥倫布(Columbus),他把新元素命名為Columbium,簡稱Cb。若干年后西學東漸,清末科學家把這種金屬譯作“鈳”。
查理斯?哈切特像
19世紀初是西方科學大爆發(fā)的年代,科學家們?yōu)榘l(fā)現(xiàn)元素而不遺余力,你追我趕。
就在哈切特發(fā)現(xiàn)鈳元素的第二年,瑞典化學家埃克伯格發(fā)表論文聲稱,自己從芬蘭得到的礦石里分離出一種新的金屬元素,由于它的抗腐蝕能力特別強,所以用希臘神話中的英雄坦塔羅斯(Tantalus)的名字將它命名為Tantalum,簡稱Ta,漢譯為“鉭”。
在對比哈切特和埃克伯格的論文后,科學界發(fā)現(xiàn)鈳和鉭的性質有著驚人的相似性。這引發(fā)了化學家們對鈳和鉭是否為同一金屬的激烈討論,意見分歧嚴重。
在接下來的幾十年中,不時有報道指出發(fā)現(xiàn)了與鈳、鉭性質相近的新元素,并為其賦予了各種新的名稱。然而,經(jīng)過后續(xù)的仔細核查,這些所謂的“新元素”最終被證實要么是鈳,要么是鉭。
公元1844年,德國化學家羅斯對一種來自波登馬伊斯的礦石進行了深入的研究,并從中成功地分離出兩種化學性質相似的元素。經(jīng)過仔細鑒定,羅斯確認其中一種是已知的鉭元素,而另一種則是全新的元素。
為了紀念這一發(fā)現(xiàn),羅斯將它命名為Niobium,簡稱“Nb”,漢譯為“鈮”,這一名稱的詞根來源于坦塔羅斯的女兒尼奧比(Niobe)的名字,寓意著這一新元素如同神話般珍貴而獨特。
鈮金屬
“鈮”與“鈳”是否為同一元素,這一疑問在當時并未得到明確的解答。隨后幾十年里,西方科學家們陷入對鈳、鉭、鈮的深入探索中,同時也在努力進行含鈮氧化物的還原研究。這一系列探索與爭議,使得當時的科學界熱鬧非凡,各種觀點與實驗層出不窮。
PART.02提純命名一百載
自羅斯發(fā)現(xiàn)并命名新元素鈮后,第一個取得突破性進展的是瑞士科學家馬利納克。
公元1866年,馬利納克經(jīng)過反復試驗,發(fā)明了有效分離鉭和鈮的“分步結晶法”。此法的具體操作步驟如下:先將含鉭和鈮的氧化物與氟化物進行化學反應,從而得到氟化鉭和氟化鈮,再分別把氟化鉭和氟化鈮通入氟化氫,從而得到密度大的單質鉭和密度小的單質鈮。
馬利納克進一步將單質鈮與先前制備的鈳進行對比,從物理性質和化學性質兩方面進行了深入剖析,結果驚奇地發(fā)現(xiàn)它們實際上為同一種元素。
在為其命名時,他深思熟慮,鑒于鉭的拉丁名稱(Tantalus)源自神話中的宙斯之子坦塔羅斯,他認為用坦塔羅斯之女尼奧比來命名這種新元素“鈮”(Niobium)會更具邏輯性和文化底蘊。
馬利納克的命名提議雖然得到歐洲科學界的支持,但美國科學界堅決反對。道理有二:一是“鈳”得名早,命名理所應當;二是“鈳”主要為了紀念哥倫布,作為第一個發(fā)現(xiàn)美洲大陸的人,哥倫布一直受到美國人的推崇。
雙方各執(zhí)一詞,各行其是。在溝通和公文中,歐洲人堅定地站在“鈮”這一邊,而美國人則堅守“鈳”的陣地。
這樣的局面持續(xù)了將近一個世紀,直到公元1949年,國際純粹與應用化學會(IUPAC)召開會議作出裁決:元素周期表中第41號元素的正式名稱為“鈮”,而“鈳”則作為舊稱保留。這一長期懸而未決的爭議,終于畫上了句號。
PART.03點之成金用途廣
與鈮的發(fā)現(xiàn)與命名一樣,鈮的運用也經(jīng)歷了相對漫長的過程。
20世紀初,鈮首次亮相于白熾燈制造領域,然而這一短暫的嘗試很快被熔點更高的鎢所取代,因為鎢更適宜用于白熾燈的制造。20多年后,鈮再次引起人們的關注,因其具有增強鋼強度的獨特性能,進而推動了其在鋼鐵領域的廣泛應用。又20多年后,鉭鈮高溫合金的應用取得顯著進展。
**進入新世紀后,鈮如同一把熠熠生輝的黃金鑰匙,開啟了進步之門。**隨著金屬鈮的物化性被人們進一步研究,例如耐高溫、耐腐蝕、導電性優(yōu)良等等。其已被廣泛應用于航空航天、超導材料等諸多領域,給世人創(chuàng)造出難以想象的價值。
鈮在工業(yè)領域的應用十分廣泛,被譽為“工業(yè)味精”。由于其高強度、高熔點、耐腐蝕等特性,鈮及其化合物在鋼鐵、合金、陶瓷、電子等多個領域都發(fā)揮著重要作用。
在鋼鐵中添加少量鈮,可以顯著提高鋼材的強度和耐腐蝕性,這方面運用最廣的是汽車;在合金中加入鈮,可以改善合金的耐高溫性能;在陶瓷和電子領域,鈮的化合物也發(fā)揮著不可替代的作用。
汽車部件因為加入鈮而性能更強 圖源:中國礦業(yè)網(wǎng)
更為神奇的是,鈮在某些特殊情況下,甚至可以發(fā)揮出“點之成金”的神奇效果。在超導材料、催化劑等領域,鈮的加入可以顯著提升材料的性能,實現(xiàn)一些看似不可能的技術突破。
例如,在超導材料中,鈮的加入可以提高超導體的臨界溫度,使得超導技術在更高溫度下得以應用;在催化劑領域,鈮的化合物可以作為高效的催化劑,促進化學反應的進行,提高生產(chǎn)效率。
在未來的科技發(fā)展中,發(fā)現(xiàn)和命名長達150多年的鈮將繼續(xù)發(fā)揮著不可替代的作用,為人類社會的進步貢獻出更多的力量。
參考文獻:
1.《鈮作為微合金化元素的歷史》,2001年全球鈮國際會議開幕辭,作者Lutz Meyer
2.《全球鈮礦資源的勘探開發(fā)與投資研究》,作者劉霏,《中國礦業(yè)》2013年07期
3.《鈮的應用與發(fā)展》,作者王永躍,《寧夏科技》1997年04期
作者:魏德勇 廣東深圳市作家協(xié)會會員
責編:董小嫻
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