书城教材教辅魔力无穷的化学世界
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第12章 美丽的钒

钒元素的发现和命名,有着一段生动有趣、发人深省的故事。

“很久很久以前,在遥远的斯堪的纳维亚的北凡娜迪斯,住着一位美艳绝伦的女神。一天,她斜倚绣帐,正在百无聊赖的时候,忽然听到敲门声。美人心想:等他再敲时就去开门。但是,第二次敲门声没传来,美人却听到了离去的脚步声。美人很想知道,这位与众不同的来客到底是谁呢?于是,她打开窗户向街上望去,原来,是一个叫维勒的人,他匆匆忙忙地离开了女神的庭院。”

“过了一些时候,美人又一次听到有人敲门。这一次,敲门声连续不断,美人只好站起来去开门。站在她面前的是一位英俊少年,他的名字叫尼尔斯?塞夫斯特伦。他俩一见钟情,不久就生了一个儿子,他们给孩子取名叫‘钒’。”

这虽然是个神话故事,可是故事里的两个敲门的人确有其人,他们都是著名的化学家。1830年,瑞典物理学家和化学家尼尔斯?塞夫斯特伦发现了一种新元素,用来纪念女神凡娜迪斯,因为“钒”是女神的“化身”。

其实,第一个敲美人凡娜迪斯门的人还不是德国化学家维勒,而是墨西哥的著名化学家和矿物学家安德列斯?曼纽尔?德尔里。

19世纪初,瑞典的冶金业崭露头角,工厂纷纷建立起来。当时冶金学家发现,用某些矿的铁矿石炼出的铁是脆的,而用另一个矿的矿石却炼出了塑性很高的铁。塞夫斯特伦决心揭开这个谜。他研究了瑞典塔贝尔山的磁铁矿,分析那种能炼出优质铁的矿石的化学成分,经过反复实验,终于发现这些矿石中都含有一种新元素——钒。

天蓝色”和“暗红色

德国有两个科学家,一个是化学家本生,一个是物理学家基尔霍夫,他们相互帮助,获得了一个惊人的发现。

在海得尔堡实验室里,刚使用上瓦斯。本生试验了各种构造的灯,没一种是理想的,于是他自己发明了瓦斯灯一本生灯。1860年,本生和基尔霍夫发明了观察光谱的仪器一分光镜。这是一种具有平行光管的光学仪器。管的一端装透镜,另一端开了条狭缝;管子架在一个能旋转的台座上,中央装有一块三棱镜;另外还装上了另一根镜筒——窥管。

当本生用一根白金丝蘸了一小粒纯食盐送进灯焰里,灯焰立刻变成了明亮的黄色。基尔霍夫见了就把眼睛凑到窥管口上,只看见两条黄线并排在一起,背景是黑色的。本生又分别将碳酸钠(苏打)、硝酸钠(硝石)、硫酸钠等钠盐送进火焰里,它们所产生的光谱全都一样。

本生又蘸了几粒钾送进灯焰里,灯焰被染成了淡紫色。基尔霍夫又把眼睛凑到了窥管口上,看到那黑暗的背景上有一条紫线和一条红线。

不同的元素,发出的谱线也都不相同,包括线条数目、颜色和排列。例如,所有锂盐都产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线,所有锶盐都有一条明亮的蓝线和几条暗红线。此外,还有镁、钡以及许多元素,也都有自己的特征光谱。

有一天,本生在观察杜尔汉矿泉的时候,先将这种又苦又咸的泉水蒸发,使它浓缩,然后取出一滴,送进灯焰里,看到了钠、钾、钙、锂、锶的各色光谱。接着他将溶液里的钙、锶、锂提出,剩下一些钠、钾和极少一点的锂盐。他取了一滴这种提取过的液体,送进灯焰里,从窥镜里看到了两条陌生的浅蓝色谱线。这说明,又有新元素发现了。本生决定给它定名为“铯”,铯的拉丁文意思是“天蓝色”。

铯和铷的大本领

铯和铷的发现在100多年前,人们对它们还不熟悉,又因为它们在自然界的含量十分稀有,所以在生活中的应用也是姗姗来迟。过了半个多世纪,金属铯和铷才开始在光电管中显身手。

铯和铷都是很轻的银白色金属,含有杂质时稍呈黄色,仅比锂、钠、钾稍微重些。铯和铷都很软,用小刀可以毫不费力地切开它们,既富有可塑性,又容易熔化。铯是最软的金属,比石蜡还软。铯在常温下呈半液体状态,28°C时熔化,是仅次于汞的易熔金属。铷在常温下呈糊状,熔点是38°C,比人的正常体温稍高。在金属家族中,它们说得上是奇特的“软骨头”。

铯和铷都是非常活泼的金属,在空气中会自燃,发出玫瑰般的紫色光芒,再遇到水分,变成苛性碱。它们在水面上,也会放出氢气,发出爆响,自动着火,来回乱窜,比钠、钾还要窜得凶些。把它们放到冰上,也会燃烧起来。所以,在自然界中没有单质形态的铷、铯存在。人工提炼的铯、铷,只能保存在煤油中,让它同水和空气隔绝。

铯和铷对光线特别敏感,即使在极其微弱的光线照射下,它们也会被激发而释放出电子来。人们利用这种优异的光电性能,把金属铯或金属铷喷镀到银片上,制成各种光电管。光电管受光线照射,便产生光电流,光线越强,光电流就越大。在工厂的自动控制系统中,光电管仿佛是机器长的“眼睛”。人们把铯和铷称为“长眼睛的金属”。

电视机、电影机的光电转换,依靠的就是光电管。铯光电管现在已经广泛用于自动报警装置,可以替人看仓库,还能自动报火警。炼钢炉装了光电管,它会随着炉内火焰的明暗不同,变换光电流的大小,然后计算出温度的高低,进行自动控制。铯光电管还可以遥测恒星、银河和星云的距离。

从光谱里发现的

本生和基尔霍夫利用分光镜发现了铯和铷两种新元素,还发现各种元素都有自己的明亮谱线,在各自的位置上独立地放光。例如,钠的黄线,钾的紫线,锂的红线,锶的蓝线,在光谱的固定位置上,清楚地放着光。

这种光谱分析,不但可以用来研究地球上的物质,还可以研究天体。太阳上物质的化学成分,可以用太阳光谱来确定。观测证明太阳上有氢、钠、铁、钙、镍等元素。1859年10月20曰,基尔霍夫向柏林科学院报告了他的发现,消息很快传遍全球C这些新发现引起了许多科学家的兴趣,他们纷纷装上了分光器设备,然后将各种各样的物质送进灯焰里去燃烧,观察它们的光谱,企图发现新元素。辛勤的劳动不会白费,有不少人实现了理想。

1861年,英国人克鲁克斯从一家化工厂里弄来了一些特别的淤泥,这是沉淀在制造硫酸的铅室底部的东西。在这种淤泥的光谱上,克鲁克斯发现了一条陌生的绿线,它属于新元素铊。铊,希腊文的意思是“绿色的枝条”,是因谱线颜色得名的。

铊是比铅略轻的金属,很容易飞散,熔点302°C,火焰呈绿色。制造光学玻璃和光电管要用到它,有些耐酸合金中含有铊。

1863年,德国化学家赖希和里希特在一种锌矿的光谱里发现一条蓝色的新谱线,很像蓝靛,这就是新元素铟。铟的原文意思是“蓝靛”,也是由于谱线颜色而得名的。

在自然界,铟是稀有的分散元素,还没有发现含铟较多的矿物。但是,好多种金属矿石里都含有极少量铟的化合物,特别是锌的矿石。游离态的铟是银白色的金属,比铅软。铟是制造镜子最好的金属;锑化铟和砷化铟等都是制造半导体的好材料。

稀土族兄弟姐妹

从18世纪90年代发现元素钇,到20世纪40年代找到元素钷为止,前后经历了150多年的时间,人们才找齐了稀土元素家族的17个“兄弟姐妹”。

这17姐妹包括“镧系元素”15种,还有钪、钇两种元素。根据发现的先后,依次排列是:钇、铈、镧、铽、铒、钦、镱、钪、钐、镑、钆、钦、镨、镝、铂、镥、钷。

原来,这些元素的氧化物都不溶于水,也没有金属光泽,模样倒跟泥土很相像,当时又比较稀少,所以化学家把它们叫做稀土元素,也叫稀土金属。

事实上,稀土元素在地壳中的含量并不稀少,总含量比铅、锡、锌等常见金属还多,只是由于在地壳中的分布比较分散,分离和提纯困难。

稀土兄弟姐妹的“年纪”虽轻,但它们在工业上的用途十分广泛。

稀土金属在冶金工业中的用途很广。将少量的稀土金属加人各种金属或合金中,能够改进金属或合金的性质,如机械性能、电学性能、光学性能、抗蚀性、耐热性、加工性能等。

某些稀土金属和它们的化合物,具有高超的吸收热中子的能力,在原子能工业中有妙用。例如钆、钐、铂等常用做原子核反应堆中的控制和防护材料。稀土金属和钴的化合物,在磁学上有良好的性能。

稀土金属也应用在无线电真空技术和电气工业方面。铥被中子冲击时能发出X射线,常用来制造轻便透视机的发射器。彩色电视机的荧光屏上涂有稀土元素的化合物,在电子流扫描下,发出鲜艳的三色光,钇、铂的氧化物发出红光。制造灯泡、真空管、电子仪器时,需要用稀土元素来做气体吸收剂。

半导体之母

1886年,德国化学家温克勒尔用光谱分析方法发现了一种“类硅”元素,给它取名为“锗”。锗的原文意思是“德意志”。

锗的性质既像金属,又像非金属,所以被称为“半金属”。在导电方面,锗不如一般金属,却优于一般非金属,又被称为“半导体”。

锗在地壳中的含量约为一百万分之七,比金、银、铂要多很多。由于锗分布很散,没有单独的矿床,属于稀散金属,在自然界,主要的含锗矿有锗石、硫铜铁锗矿、硫银锗矿等,在闪锌矿和煤矿里也含有锗。

第二次世界大战中,雷达和一些通讯设备需要一种能够在短波和超短波范围工作的检波器。由于真空管不能满足这一要求,促使科学家研究晶体检波器。

人们发现,锗具有优良的半导体性能,特别适合做半导体材料。可是,锗用做半导体,纯度必须保持在99.99%以上,否则就不可能实现大批量的工业生产,晶体管的发明也将成为泡影。1948年,贝尔电话实验室的科学家蒂尔制出了第一锭锗单晶。

从20世纪40年代到60年代,由于半导体的发现和应用,开辟了电子器件微型化的道路,是电子技术的一大飞跃。锗成为制造半导体器件的主要材料,用来制造晶体管、整流管(二极管)和晶体放大管(三极管)。

到了20世纪60年代,由于硅材料的快速发展,在制造半导体器件中又出现了硅半导体。它体积更小,效率更髙,寿命更长,因此锗只能退居第二位了,由于锗的某些性能仍比硅优良,仍保持着半导体领域里的一定地位。

氦元素的历史

氦最早是从太阳的光谱中发现的。事隔多年以后,在地球上也找到了那个有名的太阳元素一氦。

1895年,拉姆赛发现了氩并继续研究氩的各种性质的时候,伦敦的化学教授亨利?梅尔斯来信说:美国地质学家希莱布兰德曾经把钇铀矿放在硫酸中加热,结果冒出来许多气泡。这种气体既不能自燃,又不能助燃。希莱布兰德当时认为是氮气,也可能是氩气。我认为你应该检查一下,说不定钇铀矿中含有铀和氩的化合物。

拉姆赛根据梅尔斯的启示,派人到化学药品商店买来了1克钇铀矿,立刻进行新的实验。当用分光镜检查时,原以为能看到氩的谱线,却意外地发现了一条黄线和几条微弱的其他颜色的亮线。拉姆赛把自己知道的各种物质的光谱核查一遍,没有一种同它相似。经过苦苦思索,终于想起詹森和洛克耶在27年前发现的太阳上的氦,氦的光谱正是黄线。如果这两条黄线能够重合的话,那么钇铀矿中放出来的气体应该是太阳元素氦了。

太阳元素真的由天上来到人间了丨当天,拉姆赛电告法国科学院院长贝特罗说:氦在地球上发现了。

后来,人们在大气中、水中、天然气中、石油气中、铀和钍的矿石中,甚至在陨石中也发现了氦。

在塑料、人造丝、合成纤维中混合氦,可以制造出非常轻盈的泡沫塑料、泡沫纤维。在电子管工业中,氦被用做填充气体。用氦填充霓虹灯管,射出淡红色的光。氦还用来制造精密温度计、高压指示器和辉光灯。加拿大蒙特利尔世界博览会上展出了一种新型辐射加热器,它的一个主要零件是一个水一气冷却灯,它的灯泡用耐热的石英制成,并充满氦气。里面有两根钨电极,通电时,它的温度可达800°C。这个“人造小太阳”产生的红外线,聚焦而成的光束,温度达3000°C。氦还可和氧混合配成供潜水员用的“人造空气”。