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第6章 稀有金属家族之谜(1)

敲开凡娜迪斯女神之门

1831年初春的一天,德国化学家维勒坐在窗前,正凝神阅读老师瑞典化学家贝采利乌斯的来信。此刻,他被信中关于凡娜迪斯女神的故事深深吸引了。故事是这样写的——很久以前,在北方一个极遥远的地方,住着一位美丽而可爱的女神凡娜迪斯。女神过着清静的日子,十分逍遥自在。

一天,突然有位客人来敲她的房门。凡娜迪斯因为身体疲乏,懒得去开门。她想:“让他再敲一会儿吧!”谁知,那人没有再敲,转身走了。

女神没有再听到敲门声,便好奇地走到窗口去看,“啊,原来是维勒!”凡娜迪斯有些失望地看着已经离去的维勒。“不过,让他空跑一趟也是应该的。谁叫他那样没有耐性呢!”

“瞧,他从窗口走过的时候,连头都没有回一下。”说着,女神便离开了窗口。

德国化学家维勒

过了不久,又有人来敲门了。他热情地敲了许久,孤傲的女神不得不起身为他开门了。这位年轻的客人名叫塞夫斯特穆,他终于见到了美丽的凡娜迪斯女神。

看完了这个故事,维勒的心久久不能平静。因为他明白,老师信中所讲的并不是一个普通的神话故事,而是针对自己说的一个科学发现的事实。

钒的形态

故事里的凡娜迪斯,是一种刚刚发现不久的化学元素——钒的名称。1年前,维勒在分析一种墨西哥出产的铅矿时,发现了钒。由于钒是一种稀有元素,提纯起来很困难,加上当时维勒身体状况也不大好,提纯钒的工作便停顿了下来。

就在这时候,一位叫塞夫斯特穆的瑞典化学家在冶炼铁矿时也发现了钒,并且克服了重重困难,提纯出钒的化合物。塞夫斯特穆用瑞典神话中一位女神的名字凡娜迪斯,给新元素取名为钒。

两位科学家都曾敲响过新元素的大门,一个成功了,一个却半途而废了,他们所差的只是一种锲而不舍的精神。为了使维勒汲取这次教训,贝采利乌斯特意为他编写了这个美丽动人而又含意深刻的故事。维勒十分感激老师的启发和教诲,在以后的研究工作中,更勤勉、更仔细了,并取得了许多伟大的成就。

贝采利乌斯是瑞典杰出的化学家,他23岁时就在斯德哥尔摩医学院担任副教授,主讲医学、植物学及药物学。贝采利乌斯不但课讲得好,而且非常注重实验,发现了硒、硅、钍、铈和锆5种元素。他的名声遍及欧洲各国,许多爱好化学的年轻人,都不远千里来到斯德哥尔摩,像穆斯林朝拜圣地麦加一样,求教于他的门下。维勒和塞夫斯特穆都是他的学生。

在发现元素钒的过程中,贝采利乌斯不仅热情告诫维勒,也积极帮助塞夫斯特穆。钒的提纯工作,就是在贝采利乌斯的实验室里完成的。可以说,钒的发现是塞夫斯特穆和他的老师共同努力的结果。但是,在提交给科学院的论文上,贝采利乌斯只写了塞夫斯特穆一个人的名字,他说:“我要让他独享发现的荣誉。”钒主要用于制造合金钢,提高钢的强度和耐久性;钒的化合物还可用于制造彩色玻璃和陶瓷等。

人造太阳之谜

铍是生产原子弹不可或缺的原料,而锂却是生产氢弹不可缺少的原料。现在就来介绍这个最轻的稀有金属——锂。

氢弹爆炸

氢弹的炸药——氚化锂,是用锂制造的。氚是一种气体,储存、运送都不方便,放在炸弹里更不方便。据说,第一个氢弹是把氚冷冻成液体,放在一只大“热水瓶”里,十分笨重,简直不能搬上飞机。后来把氚做成氚化锂,它是一种白色的粉末,装在氢弹里就很方便了。

据估计,1千克锂放出来的热量,相当于2万吨煤炭。这种神话般的巨大力量,使科学家产生了许多幻想。也许可以用氚化锂来开凿巨大的水利工程,几十千克氚化锂或许就能够挖通一条巴拿马运河。还有人幻想把氚化锂放在人造卫星上,在天空中升起一个“人造太阳”,使黑夜变成白天,使北极变成温带。

不同形状的炸药

如果说铍矿石在几千年前,就用它美丽的姿色引起了人类的注意,那么,锂却是一声不响地藏在人们不注意的地方:海水、湖水、盐井水和两种貌不惊人的矿石里。

人造卫星

要是有人说海水是比汽油更好的燃料,或许会被指斥是信口开河。但是,每吨海水中含有0.1克锂,它能够释放出相当于1.5吨汽油的热量!如果你有兴趣,不妨算算看,全世界的海水大约有20万亿吨,它所含的锂相当于多少汽油。

科学家正在研究从海水中提炼锂的方法,说不定真有一天会把海洋看得跟石油矿一样宝贵。但是,从海水中提炼锂终究是十分困难的,因为每吨海水只含0.1克锂,要想得到一点点锂必须浓缩大量海水。

那么,能否在自然界里找到含锂量比较多的海水呢?

放在油里保存的锂

大自然“帮助”浓缩海水

我国汉代的古书里就有“沧海桑田”的记载,这是说古代的海洋慢慢地干涸,变成了陆地。在地质学上这是常有的事。譬如:今天有些居住着千千万万人的地方,千百万年以前或许就是一片汪洋大海。这些地方的“海”慢慢地干涸以后,海水中的食盐、氯化镁和氯化锂都在海底结成盐块,又经过许多变化,就在地下形成了巨大的“盐水库”,其中的氯化锂要比海水中的浓得多。这种大自然“帮助”我们浓缩海水的例子很多,给我们提供了炼锂的好思路。

6万多度电炼1吨锂

经过复杂的化学方法,可以从盐水或者矿石里提炼出氯化锂。要把氯化锂炼成金属锂,通常就采用熔盐电解的方法。

把氯化锂和氯化钾混合,放在电解炉里,它们受热以后会熔化成液体,再通上强大的直流电,氯化锂就分解成银白色的金属锂和氯气。当液体的金属锂浮在熔化了的氯化锂和氯化钾上面的时候,就可以把它取出来放在油里,让它凝结成固体。锂在空气中会很快地吸收水分而变质,所以要把它放在油里保存。

氯和锂的化学结合力很强,要用非常强大的电力能够把它们分开,因此电力消耗很大,每炼1吨锂要消耗6万多度电。

装在手提包里的氢气球

锂的用处多种多样,除了用在原子能工业上,还可以加到铜、铝里去改善它们的性质,以及用来制造一种导弹上用的高强度玻璃。

铝片

氢气球

另外还有一个有趣的用途,是用来灌装氢气球。我们知道,氢气球的体积很大,携带起来很不方便,特别是军用气球。科学家发明了一种制取氢气最方便的方法,就是用氢化锂(这是一种固体)加水,只要一小提包的氢化锂,就能够制取几十立方米的氢气。这种方法在海军中经常使用。

药检风波

施特罗迈尔是19世纪德国汉诺威省格廷根大学的化学教授,同时他还兼任汉诺威省药物总监的职务。1817年秋,施特罗迈尔奉命去希尔德斯海姆视察。一次,在一家药店里,他随手从架子上拿起一瓶药,药瓶的标签上写着“氧化锌”,可施特罗迈尔一眼就看出那不是氧化锌,而是碳酸锌,虽然这两种化学药品都是白色的粉末。他进而发现,这一带的药商几乎都是用碳酸锌来代替氧化锌配制一种用来治疗湿疹、癣等皮肤病的收敛消毒药。

这种做法无疑是违反《德国药典》规定的,作为药物总监的施特罗迈尔当然要干预过问。不过,施特罗迈尔也很奇怪,氧化锌通常是用加热碳酸锌来得到的,其制取方法非常简便。既然如此,那些药商们何苦要冒犯法的风险,用碳酸锌来代替氧化锌呢?经过了解,施特罗迈尔才知道,药商们其实也是冤枉的。他们的药品都是从萨尔兹奇特化学制药厂买进的,货运来时就是这样,而且氧化锌和碳酸锌都是白色粉末也确实不大好辨认。

于是,施特罗迈尔又追到萨尔兹奇特化学制药厂,到此真相大白。原来,萨尔兹奇特化学制药厂生产出的碳酸锌,在加热制取氧化锌时,不知为什么一加热就变成了黄色,继续加热又呈现橘红色。他们怕这种带色的氧化锌没人要,就用碳酸锌来冒充了。

身为药物总监而同时又是化学家的施特罗迈尔对这件事非常感兴趣,因为正常的碳酸锌在加热时,会生成白色的氧化锌和二氧化碳,而不会出现变色现象,现在总是出现变色现象,这其中必有缘故。于是施特罗迈尔取了一些碳酸锌样品,带回格廷根大学进行分析研究。

施特罗迈尔把碳酸锌样品溶于硫酸,通入硫化氢气体,得到了一种黄褐色的沉淀物,当时很多人都认为这黄褐色东西是含砷的雄黄。如果真是这样,萨尔兹奇特化学制药厂将要承担出售有毒药物的罪名,因为砷化物是有剧毒的。这可急坏了药厂的老板。但施特罗迈尔并没有简单地下此结论,他在继续分析这黄褐色的沉淀物。不久,施特罗迈尔排除了沉淀物中含砷的可能,并宣布从中发现了一种新元素,引起碳酸锌变色的正是它!这新元素的性质与锌十分相近,它们往往共生于一种矿物中。新元素被命名为镉,由于镉在地表中的含量比锌少得多,而沸点又比锌低,冶炼锌时很容易挥发掉,所以它才长久地隐藏在锌矿中而未被发现。

至此,这场药检风波终于有了结论,萨尔兹奇特制药厂免除了出售有毒药物的罪名,而更重要的是:在这场风波中,由于施特罗迈尔没有简单地相信实验初期的结果,而是锲而不舍地继续研究、分析,因而发现了新的元素。应该提到的是,还有德国人迈斯耐尔和卡尔斯顿,也都分别发现了镉。

镉电池

镉主要用于电镀中,镀镉的物件对碱的防腐力很强;金属镉还可做颜料;镉还可以做电池原料,镉电池寿命长、质轻、容易保存。但是后来进一步的研究发现,镉也是对人体有剧毒的元素之一,镉盐进入人体后会慢慢积聚起来,破坏体内的钙,使受害者骨骼逐渐变形,严重的会使身长缩短,最后在剧痛中死亡。当然,这是后话了,含镉的化合物也是不能作为药物应用的。

顽皮花猫帮助解谜

19世纪初叶,法国的拿破仑发动了征讨欧洲的战争。

战争需要大量火药,当时还没有发明安全炸药,人们只能采取传统的方法,用硝酸钾(就是硝石)、硫黄和木炭制造火药。顿时,硝酸钾的供应紧张起来。为了解决战争的需要,很多人都积极地开办生产硝酸钾的工厂,其中有一位名叫库图瓦的法国化学家,跟随他的父亲在海边捞取海藻,然后从海藻灰中提取硝酸钾。

1811年的一天,库图瓦按照惯例,把海藻灰制成溶液,然后进行蒸发。溶液中的水量越来越少,白色的氯化钠(就是食盐)最先结晶出来。接着,硫酸钾(这是一种常用的肥料)也析出来了。下面,只要向剩余的海藻灰液里加入少量硫酸,把一些杂质析出来,就能得到比较纯的硝酸钾溶液了。

硫酸装在一个瓶子里,就放在装海藻灰液的盆旁边。谁知就在这时,一只花猫突然跑了过来,它的爪子碰倒了硫酸瓶。哎呀!瓶里的硫酸不偏不倚几乎全部流进了装海藻灰液的盆里。小猫,你可闯祸啰!

库图瓦非常生气。要知道,加入海藻灰液里的硫酸必须是少量的。现在,这么多硫酸倒了进去,前边的那些工作算是白干了。他正想惩罚这只顽皮的花猫时,眼前突然出现了奇怪的景象:一缕缕紫色的蒸气从盆中冉冉升起,像云朵般美丽。库图瓦简直看呆了。他忽然想起,应该把这些紫色的蒸气收集起来,便拿一块玻璃放在蒸气上面。

碘颗粒

库图瓦原以为会得到晶莹透亮的紫色液珠,就像水蒸气遇到冷的物体,会凝结成水珠一样。可是出乎意料,他得到的却是一种紫黑色的晶体,它们像金属那样闪闪发亮。

这是一种未知物。库图瓦仔细研究了这种未知物,发现这种未知物的许多性质不同寻常,如它虽闪耀着金属般的光泽,却不是金属;虽是固体,却又很容易升华,即不经过液态而直接变为气态;它的纯蒸气是深蓝色的,紫色的蒸气是因为混有空气的缘故。

1813年,经英国化学家戴维和法国化学家盖·吕萨克研究,证实库图瓦发现的是一种新元素,盖·吕萨克给它命名为“碘”。碘在希腊文中的意思是“紫色的”。

针状碘

在19世纪后半叶,有一位年轻的医生,听说印第安人相信有某种盐沉淀物可以治疗甲状腺肿大,就取了一些样品送请法国的农业化学家布森戈进行分析,布森戈发现这种盐沉淀物中含有碘,便建议人们用含碘化合物治疗甲状腺肿大。不过,这个建议曾被冷落长达半个世纪,最后还是被医学界接受了。

1911年,在庆祝碘发现100周年时,人们在库图瓦的故乡竖起了一块丰碑,以纪念他在科学上的重要发现。今天,人们更进一步认识到碘对于人体健康,特别是儿童的智力发展有着密切的联系。现在全国已广泛供应食用含碘盐。

发掘葡萄园的启示

《伊索寓言》里有这样一个故事:一位种植葡萄的老人在临终的时候,把他的儿子们叫到床前,告诉他们,自己在葡萄园里埋下了许多黄金,是留给他们的。老人去世后,儿子们把葡萄园里的地翻了个遍,也没有找到金子。但是第二年,园子里的葡萄却获得了丰收。

同寓言里找金子的人一样,古代也有许多幻想得到大量黄金的人,他们想尽各种办法,试图在铜、铁等普通金属中加入某种物质后,能够“点化”出黄金、白银。这些身披黑斗篷的炼金家,费尽心机,也没能炼出黄金。但在烟火绵延之中,他们却在无意中发现了许多元素。

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