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厉害了,我的铼!让火箭上天,还成就姻缘!

2017-09-13  |  蝌蚪五线谱 原创 收藏(1)  | 

最近,一则《王者归“铼”(lái)!中国发现超级金属,飞机火箭上天全靠它》的新闻引爆网络。新闻称,近年来中国成功突破国外封锁,探测到储量达176吨的铼,并成功攻克铼的提纯技术,生产出了高质量的飞机发动机单晶涡轮叶片。自此,一种鲜为人知的金属——铼晋升为新“网红”,成为小伙伴们热衷讨论的话题。

金属铼(图片来源:Wikipedia)

虽说如今铼在军事上扮演着极为重要的角色,价格堪比白金,但人类认识它的时间并不长,它是最后一种被发现的自然元素。有意思的是,姗姗来迟的铼元素还曾成就一段美满的姻缘。

1、动力源自需求

我们知道,钨具有极高的熔点,化学性质也很稳定,一直在照明领域大显神通。二十世纪初,钨丝灯刚被发明出来时,敏锐的商人们就从中嗅到了商机:既然74号元素钨具有良好的性质,那么紧随其后的75号元素铼很可能比钨的熔点更高,用它或许可以制造更耐高温的电气设备。然而不幸的是,当时还没人见过铼的庐山真面目。

有需求就有动力,一时间,众多科学家前仆后继,试图揭开铼的面纱。

1922年,柏林大学的青年化学家沃尔特·诺达克(Walter Noddack)也加入到寻找铼的大军中。尽管刚留校任教的诺达克颇有初生牛犊不怕虎的风范,却深感一个人势单力薄,便寻求同在柏林大学工作、也同为青年化学家的伊达·塔克(Ida Tacke)的帮助。塔克时年仅26岁,一年前获得博士学位,是个不折不扣的女学霸,她是德国第一位在大学担任教职的女化学家,后来曾三次获得诺贝尔化学奖提名。

塔克很赞成诺达克的想法,二人一拍即合,决定一起寻找铼元素。

左:伊达?塔克,1896 - 1978(图片来源:Wikipedia);右:沃尔特?诺达克,1893-1960(图片来源:www.uni-bamberg.de)

2、从猜测到实证

细看元素周期表,我们不难发现,铼和锰是同族元素。不过,锰元素早在十八世纪就被人们发现了(详见《“锰”元素现形记》),而其应用甚至可以追溯到旧石器时代,可与锰同族的43号和75号元素却总是神龙见首不见尾。门捷列夫在发明元素周期表时,认为这两种元素必定是锰的类似物,分别将其称为“次锰”和“三锰”。

铼与锰位于元素周期表的同一族(图片来源:salomons-metalen.com)

诺达克和塔克几乎搜罗了当时所有关于发现锰的类似物的论文,虽然这些论文大多都不太靠谱,并未获得广泛承认,但却给了他们二人不少启发。经过细致的比较分析,并结合元素周期律,他们推测铼大致具有如下性质:

原子量介于187和188之间,密度21g/cm3,熔点3027℃,最高价氧化物分子式为X2O7、熔点为400至500℃……

铼的基本性质(图片来源:www.lntc.edu.cn)

如今看来,除最高价氧化物熔点外(实际为220℃),诺达克和塔克的预测可谓十分精准。预测准确固然可喜,然而最棘手的问题是,如何才能从自然界中找到铼呢?

诺达克和塔克认为铼应当是一种非常稀有的元素,考虑到地质化学作用,他们猜测铼最可能隐藏在铂矿和铌(ní)铁矿中。然而,他们却没有料到,铼不仅含量少,分布还极为分散,它总是四海为家,常常与钼(mù)等元素以类质同晶的形式共存。因此,想要从林林总总的矿石中找到铼,无异于大海捞针,两人日复一日地研究却始终一无所获。

铌铁矿石(图片来源:Wikipedia)

3、铪元素的启发

正当诺达克和塔克愁眉不展之时,发现铪(hā)元素的消息传来了。

匈牙利放射化学家赫维西(Georg von Hevesy)与荷兰光谱学家科斯特(Dirk Coster)采用X射线光谱法成功从一种锆(gào)石中找到了铪元素。早在1913年,英国物理学家莫塞莱(Henry Moseley)在研究X射线光谱时就发现,不同元素所发射的X射线波长随着元素原子量的增大而均匀减小。

一些元素的X射线光谱记录(图片来源:Wikipedia)

铪是第一种用X射线光谱法找到的元素,诺达克和塔克深受启发,决定也采用同样的方法寻找铼。首先,他们像赫维西一样,找来一位名叫伯格(Otto Berg)的光谱学家入伙。新成员带来了新技术,那就开工吧。他们三人从世界各地收集到铂矿、软锰矿、铌铁矿、辉钼矿等一千多种矿石,在实验室中堆出了一座小山。研究过程十分枯燥,他们每天的任务就是从小山上取几块矿石观测其X射线光谱,然后将观测的结果与莫塞莱推算的铼元素X射线波长作比较。寒暑易节,直到1925年5月,他们终于对外宣布从铂矿和铌铁矿中发现了铼的踪迹!

伯格,1873-1939(网络图)

新元素发现后,命名是件头等大事儿,诺达克对此早有想法。在几年的朝夕相处中,他和塔克逐渐从同事发展成伴侣,由于塔克出生在莱茵河畔,他便以莱茵河的名字将第75号元素命名为“铼”(Rhenium)。铼元素发现后的第二年,诺达克和塔克走入了婚姻殿堂。

好拍档诺达克夫妇(图片来源:www.barenose.com)

4、捍卫科学荣誉

浪漫过后,事情还远未结束。

诺达克夫妇发表的论文中,只是以X射线光谱作为主要证据证明了铂矿和铌铁矿中含有铼元素,至于人们更关心的如何提取铼金属却丝毫没有提及。很多科学家都试图重复诺达克夫妇的实验,可奇怪的是,谁都无法探测到铼,更别说提取了,不少人纷纷质疑铼元素的存在。

为了捍卫自己在科学上的荣誉,诺达克夫妇婚后不久就又踏上了提取铼元素的征程。两年间,他们走遍了欧洲各地,搜集了钽铁矿、钠长石矿、辉钼矿等形形色色的矿石,最后终于从几百千克矿石中提取出120毫克的铼。

辉钼矿石(图片来源:Wikipedia)

至此,所有质疑都烟消云散,铼元素从此永远占据着元素周期表中的第75格!

铼从此占据着元素周期表中的第75格(图片来源:periodictable.com)

5、厉害了,我的铼!

铼元素被发现后,果然不负众望,在电气工业中发挥着巨大作用。铼的熔点可达3180℃,在自然界中仅次于钨,不过,钨在高温下的强度和塑性会明显降低,而向钨中加入少量的铼就能大幅提高钨丝灯的使用寿命。

如果仅仅用铼元素制作灯泡,那就太大材小用了。

我们知道,现代先进航空发动机的燃气温度常常高达1700℃以上,如此恶劣的环境,普通金属往往压力山大,而对添加了铼元素的单晶叶片而言却是小菜一碟。如今,全球80%的铼都被用在了航空发动机上。

CFM56发动机叶片使用了3%的铼(图片来源:Wikipedia)

铼还被用于制造火箭发动机的燃烧室,在提高发动机的工作效率、延长工作时间方面发挥重要作用。此外,由于铼具有稳定的化学性质,甚至王水也对它无可奈何,人们还用它制造高级防腐材料。

据估计,全球探明的铼储量仅约一万吨,含量极其稀少,因而铼在军事上具有重要的战略意义。如今,随着我国突破美国对铼的封锁,相信我国的军工行业必将迎来新的发展!

铼还被用于制造火箭发动机,具有极为重要的战略意义(图片来源:www.angrysquirrelstudio.com)

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参考文献:

[1] http://tv.cctv.com/2017/09/02/VIDEyyZc1BtIyb4xXUh8N4A9170902.shtml.

[2] 特里弗诺夫. 化学元素史话[M]. 徐宗义,译. 西宁:青海人民出版社,1985.

[3] 王志明. 化学元素小传[M]. 西安:陕西人民出版社,1978.

[4] 朱根逸. 简明世界科技名人百科事典[M]. 北京:中国科学技术出版社,1999.

?[5] 王海哲,杨盛良. 铼的特性、应用及其制造技术[J]. 中国稀土学报,2005,23(S2):189-193.

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