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什麽是鈮和鉭?

1801年英國化學家哈切特分析北美壹種鈮鐵礦石時發現了鈮。1864年,布朗斯登用強烈的氫氣火焰使氯化鈮還原為鈮。

鈮的命名頗有壹段趣味故事。因為當時哈切特研究的礦石是在美國發現的,美國又稱為哥倫比亞,為紀念哥倫比亞將新元素取名為“鈳”。

但是,1802年瑞典化學家埃克伯格又發現了與“鈳”性質非常相似的“鉭”(兩者原子半徑僅差4.2%)。因此很長壹段時間曾將該兩者認為是同壹種元素,包括當時許多有名的化學家如貝采裏烏斯等人都是這樣判斷的,且只采用“鉭”這個名稱。

直到1845年德國化學家羅澤才指出“鈳”和“鉭”是兩種不同元素,由於兩元素性質非常相似,羅澤就把“鉭”(實為“鈳”)叫成“鈮”(Niobium),1907年才制得純金屬鈮。

鈮的取名是以古希臘神話中呂底亞國王坦塔羅斯的女兒尼奧勃的名字來命名的。

多年來,鈮這個元素保留了兩個名稱,在美國用“鈳”,在歐洲用“鈮”,直到1951年國際純化學和應用化學協會命名委員會正式決定統壹采用“鈮”作為該元素的正式名稱。現在美國化學家已改用“鈮”這個名稱,但冶金學家和金屬實業界有時仍用“鈳”這個名稱。

1802年,瑞典化學家埃克伯格在分析斯堪的那維亞出產的壹種礦物(鈮鉭礦)時,使它們的酸生成氟化復鹽後,進行再結晶,從而發現了鉭。1814年貝采裏烏斯判定它確是壹種新元素,並贊同賦予它tantalum(“鉭”)這個名字。原意是“使人煩惱”,因它不易與鈮分離。鈮鉭的氧化物和鹽類早在1824年就開始研究,但純金屬可鍛鉭直到1903年才用金屬鈉還原氟鉭酸鹽的方法制得。1929年金屬鉭的生產才開始進入工業規模。關於鉭的命名有壹種說法,認為是源自古希臘神話中呂底亞國王坦塔羅斯的名字。相傳,坦塔羅斯由於觸犯了眾神而被罰在地獄中受酷刑。當他站在齊脖子深的水中因幹渴而要飲水時,水就向下打旋消失不見了;當他因饑餓而想去吃離他只有幾英寸遠的果樹上的果子時,樹枝都搖晃起來使他夠不著。金屬鉭有極不尋常的耐酸性能,甚至能耐王水。鉭在酸裏,酸對它的影響絕不比坦塔羅斯站在水中時水對他的影響更大,所以用坦塔羅斯的名字命名金屬鉭。但是因為英語中tantalize(“愚弄”)壹詞也源自坦塔羅斯的名字,所以有人認為鉭的取名,是由於發現者在找到它之前受到了tantalize(愚弄),因而幾乎錯過了發現它的機會。這種說法顯然不恰當。

鈮和鉭這壹對“孿生兄弟”,把它們放到壹起來介紹是有道理的,因為它們在元素周期表裏是同族,物理、化學性質很相似,而且常常“形影不離”,在自然界伴生在壹起,真稱得上是壹對密不可分的“孿生兄弟”。

鈮、鉭和鎢、鉬壹樣都是稀有高熔點金屬,它們的性質和用途也有不少相似之處。

既然被稱為稀有高熔點金屬,鈮、鉭最主要的特點當然是耐熱。它們的熔點分別高達2400℃和將近3000℃,不要說壹般的火勢燒不化它們,就是煉鋼爐裏烈焰翻騰的火海也奈何它們不得。難怪在壹些高溫高熱的部門裏,特別是制造1600℃以上的真空加熱爐,鉭金屬是十分適合的材料。

我們在前面介紹鎢鉬合金鋼的時候就已經看到,壹種金屬的優良性能往往可以“移植”到另壹種金屬裏。現在的情況也是這樣,用鈮作合金元素添加到鋼裏,能使鋼的高溫強度增加,加工性能改善。鈮、鉭與鎢、鉬、釩、鎳、鈷等壹系列金屬合作,得到的“熱強合金”,可以用作超音速噴氣式飛機和火箭、導彈等的結構材料。目前科學家們在研制新型的高溫結構材料時,已開始把註意力轉向鈮、鉭,許多高溫、高強度合金都有這壹對孿生兄弟參加。

鈮、鉭本身很頑強,它們的碳化物更有能耐,這個特點與鎢、鉬也毫無二致。用鈮和鉭的碳化物作基體制成的硬質合金,有很高的強度和抗壓、耐磨、耐蝕本領。在所有的硬質化合物中,碳化鉭的硬度是最高的。用碳化鉭硬質合金制成的刀具,能抗得住3800℃以下的高溫,硬度可以與金剛石匹敵,使用壽命比碳化鎢更長。

鉭在外科醫療上也占有重要地位,它不僅可以用來制造醫療器械,而且是很好的“生物適應性材料”。

比如說,用鉭片可以彌補頭蓋骨的損傷,鉭絲可以用來縫合神經和肌腱,鉭條可以代替折斷了的骨頭和關節,鉭絲制成的鉭紗或鉭網,可以用來補償肌肉組織……

在醫院裏,還會有這樣的情況:用鉭條代替人體裏折斷了的骨頭之後,經過壹段時間,肌肉居然會在鉭條上生長起來,就像在真正的骨頭上生長壹樣。怪不得人們把鉭叫做“親生物金屬”哩。

為什麽鉭在外科手術中能有這樣奇特的作用呢?

關鍵還是因為它有極好的抗蝕性,不會與人體裏的各種液體物質發生作用,並且幾乎完全不損傷生物的機體組織,對於任何殺菌方法都能適應,所以可以同有機組織長期結合而無害地留在人體裏。

除了在外科手術中有這樣好的用途外,利用鈮、鉭的化學穩定性,還可以用它們來制造電解電容器、整流器等。

特別是鉭,目前約有壹半以上用來生產大容量、小體積、高穩定性的固體電解電容器,全世界現在每年都要生產幾億只這樣的電容器。

現在看來,鉭電解電容器沒有“辜負”人們的厚望,它具有很多其他材料比不上的優點。它比跟它壹般大小的其他電容器“兄弟”的電容量大五倍,而且非常可靠、耐震,工作溫度範圍大,使用壽命長,現在已經大量地用在電子計算機、雷達、導彈、超音速飛機、自動控制裝置以及彩色電視、立體電視等的電子線路中。

然而,最使我們驚詫不已的,是它們不僅能在極高溫度的環境裏頑強地工作,而且還能在超低溫的條件下出色地為我們服務,它們可真是了不起。

妳們中也許有壹些人會知道有這麽個溫度,叫“絕對零度”,它的零度相當於-273.16℃。絕對零度被認為是不能再低的低溫了。

人們很早以前就發現,當溫度降低到接近絕對零度的時候,有些物質的化學性質會發生突然的改變,變成壹種幾乎沒有電阻的“超導體”。物質開始具有這種奇異的“超導”性能的溫度叫臨界溫度。不用說,各種物質的臨界溫度是不壹樣的。

要知道,超低溫度是很不容易得到的,人們為此而付出了巨大的代價;越向絕對零度接近,需要付出的代價越大。所以我們對超導物質的要求,當然是臨界溫度越高越好。

具有超導性能的元素不少,鈮是其中臨界溫度最高的壹種,而用鈮制造的合金,臨界溫度高達絕對溫度18.5~21K,是目前最重要的超導材料。

人們曾經做過這樣壹個實驗:把壹個冷到超導狀態的金屬鈮環,通上電流然後再斷開電流,然後,把整套儀器封閉起來,保持低溫。過了兩年半後,人們把儀器打開,發現鈮環裏的電流仍在流動,而且電流強弱跟剛通電時幾乎完全相同。

從這個實驗可以看出,超導材料幾乎不會損失電流。如果使用超導電纜輸電,因為它沒有電阻,電流通過時不會有能量損耗,所以輸電效率將大大提高。

有人設計了壹種高速磁懸浮列車,它的車輪部位安裝有超導磁體,使整個列車可以浮起在軌道上約十厘米。這樣壹來,列車和軌道之間就不會再有摩擦,減少了前進的阻力。壹列乘載百人的磁懸浮列車,只消100馬力(73.5千瓦)的推動力,就能使速度達到500千米/時以上。

用壹條長達20千米的鈮錫帶,纏繞在直徑為1.5米的輪緣上,繞組能夠產生強烈而穩定的磁場,足以舉起120千克的重物,並使它懸浮在磁場空間裏。如果把這種磁場用到熱核聚變反應中,把強大的熱核聚變反應控制起來,那就有可能給我們提供大量的幾乎是無窮無盡的廉價電力。