鎳伯爵的生日派對

馮清，劉軍楓

北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京100029

幾日前收到了鎳伯爵的邀約，邀請我參加他的生日派對。在元素王國，提起鎳伯爵可謂是人盡皆知，作為金屬家族的重要一員，鎳伯爵在各個(gè)領(lǐng)域都有著自己獨(dú)特的才能。我也有幸趁此機(jī)會，一覽鎳伯爵的風(fēng)采，更能切身學(xué)習(xí)其中蘊(yùn)藏的化學(xué)知識。

驅(qū)車數(shù)十英里，來到鎳伯爵在郊外的私人別墅。鎳伯爵的別墅是三層復(fù)式結(jié)構(gòu)，色彩明快淡雅。陽光穿過云層，投射在建筑上，散發(fā)出銀白色的光芒。鎳伯爵勝友如云，生日派對上高朋滿座，好不熱鬧。室內(nèi)裝修井井有條，大廳寬敞明亮，柜子上擺滿了鎳伯爵收集的“工藝品”，它們一件件都和鎳伯爵的經(jīng)歷息息相關(guān)，真是琳瑯滿目，讓人目不暇接。管家熱情地邁步迎接，帶我細(xì)數(shù)這些“工藝品”的傳奇故事。

1 金屬相融，各顯其能

管家給我遞來一枚亮閃閃的紀(jì)念幣，并向我介紹道：“我們鎳伯爵早在幾千年前就有所成就了，最早時(shí)候，是追隨銅公爵，用來制造金屬貨幣。直到現(xiàn)在，大多數(shù)硬幣的制造，都離不開鎳的身影。給您的紀(jì)念幣正是伯爵特意為賓客好友們定制的禮物。由于伯爵為人低調(diào)，又很喜愛和一眾好友結(jié)伴出行，輕易不展露名姓。故而直到1751年，瑞典礦物學(xué)家A. F. Cronsted才從紅鎳礦(NiAs)中見識到鎳的真容，并命名為Nickel[1]?！?/p>

此時(shí)，鎳伯爵正倚在沙發(fā)上，和眾多好友談笑風(fēng)生。只見鎳伯爵身著白色襯衣，外套銀灰色西裝，真是風(fēng)姿綽約。我迫不及待地說：“金屬鎳在空氣中很穩(wěn)定，它不像銅或鐵那樣，時(shí)間長了會產(chǎn)生銅綠、鐵銹，它時(shí)時(shí)刻刻都是閃亮耀人的，也因此被用來鍍在金屬表面，起到抗腐蝕的作用[2]?！惫芗倚χf道：“先生了解得挺多嘛！可是，鎳伯爵耐腐蝕的才能可不止于此哦。鎳在化學(xué)界可謂是堅(jiān)如磐石、刀槍不入，就連氧化魔王氟單質(zhì)也拿鎳毫無辦法。正是利用這一特性，使用鎳制試管得以對氟進(jìn)行研究[3]。除此之外，鎳坩堝也因?yàn)閮r(jià)格便宜，能夠抵抗熔融氫氧化鈉的腐蝕而在研究中廣泛使用。”

“管家先生，我一直很好奇雷尼鎳是怎么制出來的，它是如何將金屬鎳制成海綿狀的呢？”管家解釋道：“先將鎳和鋁制成合金，之后用氫氧化鈉將鋁溶解掉，就留下疏松的雷尼鎳了。它在用作催化氫化的優(yōu)良催化劑同時(shí)，也是有很大危險(xiǎn)性的。正是由于它疏松細(xì)致的結(jié)構(gòu)，在空氣中便可以自燃，很多火災(zāi)事故都是因?yàn)殡S手將用過的雷尼鎳扔到垃圾桶里，終釀成大禍。雖然致密態(tài)的鎳和酸反應(yīng)很慢，但是鎳粉和雷尼鎳它們都很容易和酸發(fā)生置換反應(yīng)，生成氫氣。因此，實(shí)驗(yàn)室用過的雷尼鎳應(yīng)當(dāng)用稀酸溶解后，妥善處理。”

我向沙發(fā)看去，許多老朋友悉數(shù)到場。身著黑色燕尾服的鐵公爵，一襲紫紅西裝的銅公爵，身著晚禮服的鉻夫人……

管家?guī)е疫呑哌吔榻B道：“鐵公爵和鎳伯爵師出同門，他們常常結(jié)伴而行。由鐵和鎳形成的鐵鎳合金力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，又耐腐蝕，常被用在機(jī)械制造業(yè)當(dāng)中。銅公爵和鐵公爵相伴而坐，只見銅伯爵穩(wěn)如泰山，他抗腐蝕的才能出眾，幾千年前使用的白銅正是銅鎳合金。到今天，銅鎳合金仍用于儀表的精密器件中[2]?！?/p>

“鉻夫人和鎳伯爵總像熱戀中的情侶一樣，如膠似漆，浴火而生。因此，鎳鉻合金經(jīng)常用在燃?xì)鉁u輪、反應(yīng)堆、航天器等高溫場景中[2]?！?/p>

在鎳伯爵和鑭伯爵的身邊，圍著一群活蹦亂跳的小孩子。我一臉疑惑，管家見狀開口道：“那些是氫氣，鑭伯爵是稀土家族中的成員之一，我們伯爵和稀土家族的朋友們一旦聚會，就會有許多氫氣從四面八方趕來相聚，久久不肯散去。鎳和稀土的合金能夠吸附氫氣，因此鎳和稀土金屬的合金是優(yōu)良的儲氫材料，鎳也因此可以制成鎳氫電池，對未來清潔能源的普及使用做出了很大的貢獻(xiàn)[2]?！?/p>

2 綠野仙蹤，各顯神通

跟隨著管家的步伐，沿樓梯拾級而上，來到二樓。二樓的主題是紀(jì)念鎳伯爵作為二價(jià)鎳離子時(shí)候的經(jīng)歷。二價(jià)鎳離子便是由鎳原子失去兩個(gè)電子產(chǎn)生的帶電離子。在元素王國里，每個(gè)人的電子數(shù)通常是和他們的身份號碼，也就是原子序數(shù)是相同的，但是電子數(shù)也會發(fā)生變化，這也是造就元素王國這一千姿百態(tài)的繽紛王國的原因。

剛到二樓，滿墻的綠色便映入眼簾。墻上眾多藏品形狀各異，顏色也各不相同?？v使對于最常用的硫酸鎳已經(jīng)司空見慣，但是面對滿墻各式各樣的“綠色”，我一時(shí)間眼花繚亂。只好請管家來幫忙一一辨識。

管家從燒杯中拿出一顆藍(lán)綠色的晶體放到桌面上。我仔細(xì)端詳，這顆晶體呈四棱臺型，通體晶瑩剔透，深邃的藍(lán)綠色令人神往。管家介紹道：“這便是硫酸鎳的晶體。它在水中的溶解度很大，像這樣一個(gè)形狀優(yōu)美的單晶，要從溶液中培養(yǎng)出來可不是件容易的事呢！和同組的鐵和鈷一樣，若向其中加入硫酸銨，會結(jié)晶出溶解度較小的硫酸鎳銨((NH4)2Ni(SO4)2)[1a]?！?/p>

管家仍在向我介紹硫酸鎳，而我的注意力卻跑到了旁邊的一個(gè)瓶子里。瓶子里也裝著一些藍(lán)綠色的晶體，看著和剛才的硫酸鎳很是相像。我好奇地提問道：“管家先生，那個(gè)瓶子里也是硫酸鎳么，為什么要放到瓶子里密封起來呢？”

“那個(gè)是硝酸鎳，它非常容易潮解，在潮濕的空氣中一會兒就成了一灘溶液，因此一定要將他密封起來[4]。它和硫酸鎳、氯化鎳這些可溶性的鎳鹽一樣，經(jīng)常用在電鍍行業(yè)中，為金屬器件披上一層鎳的外衣，使它更耐腐蝕、耐磨損。除此之外，有機(jī)合成中也缺少不了二價(jià)鎳離子的身影呢。”

“那瓶黑色的粉末是硫化鎳么，我記得很多金屬的硫化物都是黑色的呢?！蔽乙惶ь^便發(fā)現(xiàn)了一片綠色中，那格外矚目的一抹黑色。

“唉，沒錯?！惫芗覈@了口氣，繼續(xù)說道：“大多數(shù)物質(zhì)都是熱脹冷縮，但是硫化鎳卻是熱縮冷脹，這個(gè)反常的現(xiàn)象也引起了很多問題。我們用的鋼化玻璃是由普通玻璃加熱后驟冷得到的，個(gè)別玻璃里面有極少量無法除去的硫化鎳，在玻璃降溫硬化后它還會繼續(xù)膨脹，通常在鋼化玻璃制造完成的數(shù)十年之后，玻璃會突然爆裂，給人們帶來了很大困擾[5]?！?/p>

而另外兩種難溶的鎳鹽就比較友好了?！傲⒎骄档难趸嚨谋绢I(lǐng)很強(qiáng)，在很多地方都有不可替代的作用。它在古代就被用作陶瓷的釉料和搪瓷生產(chǎn)中[6]，紫外線燈使用的玻璃便是摻雜了9%氧化鎳得到的[7]。此外，氧化鎳還可以用來制造太陽能電池[8]、鎳鎘電池，是新能源普及道路上不可或缺的材料?！?/p>

“碳酸鎳是向可溶性鎳鹽中加入碳酸鹽溶液沉淀出來的淺綠色粉末，加入強(qiáng)酸則可以溶解，并放出二氧化碳?xì)怏w。碳酸鎳常被用來制作棕色[9]、黃色顏料[10]，還經(jīng)常被用來制備一些催化劑[11]。”

參觀完二樓，爬上陡峭的樓梯，來到了三層閣樓。

燈光略顯昏暗，沒有了派對的吵鬧聲，出奇地安靜?！斑@些是鎳伯爵作為三價(jià)鎳時(shí)候的經(jīng)歷。”說罷，管家拿出了剛剛的硫酸鎳，放入試管中溶解，向其中加入氫氧化鈉，頓時(shí)產(chǎn)生了帶有淡綠色的氫氧化鎳沉淀。我疑惑道：“這不就是氫氧化鎳么，和三價(jià)鎳有什么關(guān)系。”管家又拿出一些次氯酸鈉溶液，滴入試管中。頃刻間，淡綠色的沉淀變成了黑色?！霸趬A性環(huán)境下用次氯酸鈉氧化氫氧化鎳，得到的黑色便是NiOOH，它具有強(qiáng)氧化性，在堿性溶液中才能穩(wěn)定存在?！?/p>

說著，管家從柜子中拿出一瓶三氧化二鎳(Ni2O3)，取一些粉末，加入稀硫酸后迅速冒出大量氣泡?！斑@氣泡可不是氫氣，是氧氣。三價(jià)鎳在酸性環(huán)境下氧化性很強(qiáng)，它可以迅速將水氧化成氧氣。若加入的是鹽酸，產(chǎn)生的可就是劇毒的氯氣了。盡管如此，三價(jià)鎳在有機(jī)合成中，作為選擇性的氧化劑，常常能巧妙地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)高產(chǎn)率地轉(zhuǎn)化[12]?！?/p>

鎳伯爵可真是才華橫溢，從機(jī)械制造，到藥物合成；從古老錢幣，到新型電池，鎳的身影真是無處不在啊！

3 繽紛花園，五色俱全

作別了強(qiáng)氧化性的三價(jià)鎳，回到二樓，管家又帶我觀賞一片“繽紛花園”。

“二價(jià)鎳鹽大多數(shù)都是綠色的，但是隱藏在綠色背后，卻是繽紛的世界?！敝灰姽芗夷贸隽艘黄奎S色的粉末?！皠偛诺牧蛩徭嚒⑾跛徭?、碳酸鎳都是綠色的，氯化鎳卻與眾不同。無水的氯化鎳是黃色的。但是，如若動一些手腳，可就完全不一樣了。”說著，管家從下面拿出4個(gè)裝有氯化鎳的試管，向里面加入了4種不同的無色液體。只見，隨著固體的溶解，溶液也呈現(xiàn)出了綠、黃、藍(lán)、紫色[13]，儼然一場異彩紛呈的色彩盛宴。

我驚喜的眼神中透出疑惑。管家笑道：“先生不必疑惑，玄機(jī)隱藏在這四種無色透明的液體之中。它們分別是水、濃鹽酸、氨水和乙二胺。水會和鎳離子產(chǎn)生六水合鎳離子([Ni(H2O)6]2+)，呈現(xiàn)出綠色，之前的硫酸鎳、硝酸鎳晶體也因此呈現(xiàn)綠色。濃鹽酸中存在大量氯離子，它和鎳離子配位會產(chǎn)生黃色的四氯合鎳離子([NiCl4]2?)。加入氨水，溶液中的氨分子會先于水分子參與絡(luò)合，生成六氨合鎳離子([Ni(NH3)6]2+)，它的分裂能比水合鎳離子稍高，因此會呈現(xiàn)較深的藍(lán)色[14]。而加入的乙二胺，三個(gè)乙二胺分子像蟹鉗一樣，牢牢地把鎳離子夾住，分裂能更高，呈現(xiàn)更深的紫色。這種化合物也因?yàn)樗厥獾慕Y(jié)構(gòu)特征，被形象地稱為螯合物?！?/p>

話音未落，管家拿起了一個(gè)寫著丁二酮肟的瓶子，滴到試管中。鮮紅色的沉淀像美麗的裙擺一樣，在試管中展開，輕盈優(yōu)美。管家看著鮮紅色的沉淀說道：“丁二酮肟是檢測鎳離子的‘千里眼’，她總是能在茫茫人海中精確地找到鎳的身影，因此被用來作為檢測鎳含量的首選方法[15]?！?/p>

4 萬物生息，鎳來維系

“在自然界的微生物和植物的體內(nèi)，也少不了鎳伯爵的作用[16]。在人體中，雖然含量不高，但鎳的作用卻是無可替代的。鎳能刺激紅細(xì)胞的再生，正常量的鎳對胰島素施展本領(lǐng)也有著重要的作用，缺少鎳甚至?xí)绊懙郊?xì)胞的呼吸，可謂是至關(guān)重要[17]?！?/p>

而在這同時(shí)，幾位姍姍來遲的一氧化碳卻在鎳伯爵庭院的門口被警衛(wèi)攔下。我疑惑地問管家：“既然都是給鎳伯爵慶生的好朋友，為何不讓他們進(jìn)來呢？”管家長舒一口氣，解釋道：“這你就有所不知了，一氧化碳很容易和鎳結(jié)合起來，常溫下生成液體的四羰基鎳(Ni(CO)4)，這種物質(zhì)有劇毒，為了各位賓客的安全，還是不進(jìn)去為好，畢竟好心也不能辦了壞事嘛！不過，四羰基鎳卻是鎳工業(yè)很重要的一種物質(zhì)。它多用于金屬鎳的精煉，將四羰基鎳加熱后，釋放出一氧化碳?xì)怏w，留下的就是純度很高的金屬鎳了[18]。”

生日派對落向尾聲，我在這次奇妙的經(jīng)歷中感受到大千世界的奇妙，領(lǐng)略到化學(xué)知識的神奇之處，其中豐富多彩的知識令我心馳神往。