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让火箭上天,还成就姻缘!

来源:蝌蚪五线谱 2017-09-13     

  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。

  图1 - 金属铼(图片来源:Wikipedia)

  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。

  图3 - 伊达•塔克,1896.2.25 - 1978.9.24(图片来源:Wikipedia)

  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”。

  图4 - 铼与锰位于元素周期表的同一族(图片来源:salomons-metalen.com)

  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℃……

  图5 - 铼的基本性质(图片来源:www.lntc.edu.cn)

  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。

  图6 - 铌铁矿石(图片来源:Wikipedia)

  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。

  图7 - 一些元素的X射线光谱记录(图片来源:Wikipedia)

  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!

  图8 - 伯格,1873-1939(网络图)

  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。

  图9 - 诺达克夫妇(图片来源:www.barenose.com)

  好拍档诺达克夫妇(图片来源:www.barenose.com)

[责任编辑:李阳阳]

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