鉭鈮父女的一場(chǎng)較量

柴占麗

內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，呼和浩特010021

1 序幕

在元素的國(guó)度里，住著這樣一對(duì)父女，他們分別叫做鉭和鈮。作為父親鉭爸的體重更大(原子序數(shù)為73，位于第六周期VB族，外層電子結(jié)構(gòu)為[Xe]4f145d36s2)；相比之下女兒鈮鈮的體重略輕(原子序數(shù)為41，位于第五周期VB族，電子結(jié)構(gòu)為[Kr]4d35s2)，他們都來自于鈮鉭礦，如圖1所示。

圖1 鈮鉭礦石

有一天，女兒鈮鈮突然問爸爸：“爸爸，我是怎么來的？你又是從哪來的？我為什么會(huì)是你的女兒呢？”鉭爸露出慈祥的微笑，緩緩答道：“我的名字鉭，來自于拉丁文，意思是旦塔勒斯(Tantalus)，他是希臘神話中的超級(jí)英雄，而你的名字鈮也是來自拉丁文，意思是尼奧婢(Niobe)，正好是旦塔勒斯的女兒。為什么這樣起名呢，這又是一個(gè)更長(zhǎng)的故事了?！?/p>

“1801年，英國(guó)化學(xué)家查爾斯·哈切特(Charles Hatchett)在研究倫敦大英博物館中收藏的鈮鐵礦時(shí)，分離出一種新元素的氧化物，并命名該元素為Columbium (鈳)，它是你的舊名字。1802年，瑞典化學(xué)家埃克伯格(A. Ekeberg)在鉭鐵礦中發(fā)現(xiàn)另一種新元素Tantalum (鉭)，也就是我。剛開始，由于我們太像了，大家都認(rèn)為我們是同一種元素。直到1844年，德意志化學(xué)家羅斯(H. Rose)詳細(xì)研究了許多鈮鐵礦和鉭鐵礦，成功將我們分離，才澄清了誤會(huì)，并給你起了一個(gè)新名字Niobium (鈮)[1]?！?/p>

鈮鈮露出恍然大悟的表情，說道：“怪不得叔叔阿姨們都說，我不光跟你長(zhǎng)得一模一樣，性格也特別像。”鉭爸一臉驕傲地說：“要不怎們說你是我親閨女呢?？纯丛蹅z，體型一樣(共價(jià)半徑均為235 pm；離子半徑～0.64 ? (1 ? = 0.1 nm)；晶格類型為體心立方，晶格常數(shù)為～330 pm，摩爾體積為10.84 cm3)[1]，笑容一樣(電負(fù)性Ta～1.6，Nb～1.5)，就連性格都是一樣的堅(jiān)強(qiáng)(高硬度、高熔點(diǎn)>2700 °C、低膨脹、強(qiáng)抗腐蝕性，對(duì)鹽酸、濃硝酸、氫氧化鈉甚至“王水”都無動(dòng)于衷)[2]。”

鈮鈮又不解地問道：“咱們這么像，讓別人怎么區(qū)分呢？”鉭爸答道：“你雖然很像我，但我們也有很多不同，而你是獨(dú)一無二的，你有很多我沒有的閃光點(diǎn)?！扁夆墔s不太自信了：“我感覺我有的你也有了，而你沒有的我也沒有。”聽到這里，鉭爸決定跟鈮鈮展開一次“比試”，讓她意識(shí)到自己的獨(dú)特性。比賽采用電腦出題的方式，共分為三個(gè)回合。

2 第一回合

電腦出題：除去你們的相似性外，誰(shuí)能說出更多的差異性，交互回答，每次一個(gè)，答不出者輸。

鉭爸想率先做個(gè)示范，說道：“我的密度是16.65 g·cm?3，而你的密度是8.57 g·cm?3，這一方面我們的差異最大。”

鈮鈮得到爸爸的啟發(fā)，也想到一個(gè)：“我穿著漂亮的銀白色套裝，而你的服飾是丑丑的深灰色?！?/p>

輪到鉭爸：“雖然我們的熔沸點(diǎn)接近，但是我的熔點(diǎn)是3269 °C，沸點(diǎn)是5690 °C，都比你的約高500 °C?！?/p>

鈮鈮已經(jīng)進(jìn)入狀態(tài)，很快說道：“我的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)9.22 K，遠(yuǎn)高于你的4.38 K，在金屬單質(zhì)中獨(dú)占鰲頭。”

鉭爸也不甘示弱，緊接著說道：“別看我這把老骨頭，還是最堅(jiān)硬的呢！我的硬度可達(dá)6-6.5，在硬質(zhì)家族中，我的老哥們碳化鉭的硬度是最高的，能抗得住3800 °C以下的高溫，可以與金剛石匹敵，壽命更是比碳化鎢更長(zhǎng)[3]。所以說姜還是老的辣，骨頭還是老的硬。”

鈮鈮也琢磨出一個(gè)新的差異：“我的熱中子俘獲截面小到1.15靶恩，是你的1/20，這一性質(zhì)讓我在眾多金屬姐妹中鶴立雞群?！?/p>

鉭爸發(fā)揮年齡和經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，說道：“我們的化學(xué)性質(zhì)也不同。在價(jià)態(tài)種類方面，雖然我們都是+5價(jià)最穩(wěn)定，但是你有Nb2O5、NbO2、NbO三種穩(wěn)定的氧化物，而我只有Ta2O5是穩(wěn)定的；在變價(jià)方面，你比我較易還原，且你易被還原成3價(jià)，而我只能還原到4價(jià)；你對(duì)氧的親和性較強(qiáng)，而我的金屬性更大?！?/p>

鈮鈮年齡太小，實(shí)在想不出了……

電腦顯示第一回合結(jié)果：鑒于鈮鈮未能接上，鉭爸闡述的差異性更多。本回合鉭爸勝，目前比分：父/女= 1/0。

3 第二回合

電腦出題：既然二位存在眾多差異，請(qǐng)?jiān)? min時(shí)間里說出你們不同的“兼職”(應(yīng)用)？

“這一輪該我先了！”鈮鈮著急地喊道，“我在電容器廠做過兼職，我的小伙伴們大多具有介電常數(shù)小、壓電性高、頻率常數(shù)大、密度小等優(yōu)點(diǎn)，被分派到紅外線、激光和電子公司里。還有就是，我的熔點(diǎn)高，發(fā)射電子能力強(qiáng)，并具有吸氣能力，在電子管和電真空器件車間也干過活兒[4]?！?/p>

“說到電容器方面的兼職，我可是資歷最老的?！便g爸不慌不忙地道，“我的皮膚特別容易生成致密的氧化膜，具有單向?qū)щ姷拈y金屬性質(zhì)，因此用我制成的電容器，具有電容量高、體積小、漏電流小、等效串聯(lián)電阻低、高低溫特性好、使用壽命長(zhǎng)、可靠性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，于是我經(jīng)常游走在通訊、計(jì)算機(jī)、汽車、家用電器、儀器儀表、國(guó)防軍工等工業(yè)和科技部門[4]?！?/p>

“嘿嘿，老爸你的這些兼職都好老土??！”鈮鈮驕傲地說道，“在我們引以為傲的航天事業(yè)中，我可是出了不少力呢！由于我的熱強(qiáng)合金具有良好熱強(qiáng)性能、抗熱性能和加工性能，被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片[4]?，F(xiàn)在的最新戰(zhàn)機(jī)和航空航天飛機(jī)上都有我的身影！”

鉭爸被吐槽老土，卻不反駁，繼續(xù)倚老賣老：“由于我具有高度耐蝕性、良好的強(qiáng)度和加工塑性，讓我成了資深老裁縫，可以幫助化工設(shè)備縫制外套。很多無機(jī)酸、石油煉制的外套都是我做的，非常耐穿?！?/p>

鈮鈮撇撇嘴，反駁道：“老爸，別忘了，我也繼承了咱們家這門祖?zhèn)鞯氖炙?，而且我的外套又便宜又時(shí)尚，購(gòu)買的人越來越多呦！”

這時(shí)，鉭爸也想到新興領(lǐng)域：“我被人類稱為親生物金屬，是由于我具有更優(yōu)異的生物相容性，加上我們固有的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，常常被醫(yī)院叫去幫忙，我可以幫助修復(fù)整牙和顱骨、輔助神經(jīng)修復(fù)/刺激裝置和心臟起搏器等[3]。這份救死扶傷的兼職讓我非常驕傲！”

鈮鈮緊接著說道：“雖然我和爸爸都加入了超導(dǎo)金屬朋友圈(28種)，但是我具有最高的超導(dǎo)臨界溫度，可達(dá)18.5-21 °C，我的好朋友Nb3Sn，是制造8.0-15.0 T超導(dǎo)磁體的最主要材料[3]。因此，在超導(dǎo)性能上，我是最棒的！”

沒等鉭爸說話，鈮鈮繼續(xù)說道：“因?yàn)槲揖哂休^高的熔點(diǎn)和耐蝕性，更重要的是我有相對(duì)小的熱中子俘獲截面，這讓原子能工業(yè)署里的叔叔阿姨非常喜歡我，鈾也來找我做朋友，因?yàn)槲铱梢詭退圃旆磻?yīng)堆的放熱元件?！?/p>

鉭爸一直冥思苦想，終于又想到一個(gè)新的，說道：“近些年來，我在催化領(lǐng)域有了一份新兼職，因?yàn)槲业暮?jiǎn)歷特殊——獨(dú)特的電子構(gòu)型、超強(qiáng)的氧化還原性能以及極高的穩(wěn)定性，讓光電催化領(lǐng)域的大佬們對(duì)我很是青睞?！?/p>

鈮鈮繼續(xù)補(bǔ)刀：“老爸，這個(gè)也不算新了，我早就開始了，我的好多化合物同學(xué)都具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和良好的光吸收能力，加之良好的穩(wěn)定性，使我在催化上的簡(jiǎn)歷更加漂亮——具有良好的催化活性、選擇性及穩(wěn)定性?！?/p>

沒等鉭爸想到新的兼職，鈮鈮又開始搶答：“煉鋼是我最重要的工作，我的85%-90%的時(shí)間都用來生產(chǎn)鈮鐵。我是鋼的微合金化元素的佼佼者，實(shí)際上鋼中只需加入0.03%-0.05%的我，便可使屈服強(qiáng)度提高30%以上[3]。于是與鋼鐵相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，如輸油輸氣管道、汽車船舶工業(yè)、鐵路運(yùn)輸、建筑工業(yè)等，都與我建立了長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系?！?/p>

電腦統(tǒng)計(jì)第二回合結(jié)果：鑒于鈮鈮闡述的兼職工作多達(dá)7項(xiàng)，超過鉭爸的4項(xiàng)，本回合女兒勝出，目前比分：父/女= 1/1。

4 第三回合

電腦出題：在實(shí)際應(yīng)用中，誰(shuí)的性價(jià)比更高？

鉭爸鑒于上回合的失利，本輪決定奮起直追，堅(jiān)定地答道：“閨女，我吃的鹽比你走的路都多！我的各方面性能都優(yōu)于你，例如我的熔沸點(diǎn)都比你高出500多攝氏度，密度和硬度更是你的2倍，在化學(xué)穩(wěn)定性方面也要高于你，作為鉑的替代元素，我是第一，你只能排第二。談到性價(jià)比，我的性能占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)?！?/p>

鈮鈮到現(xiàn)在已經(jīng)信心滿滿了，不慌不忙地說道：“老爸，還有句老話叫做‘長(zhǎng)江后浪推前浪，前浪被拍在沙灘上’，呵呵！在性能上我也有很多突出特點(diǎn)，比如較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，更低的熱中子俘獲截面，更優(yōu)的熱強(qiáng)性能等，所以我們?cè)谛阅苌细饔星铮幌嗌舷?。但在價(jià)格上，我具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在地殼中，我們都主要來源于鈮鉭礦，而在我大中華，鈮鉭礦主要有內(nèi)蒙古包頭的白云鄂博礦、內(nèi)蒙古扎魯特旗的花崗巖型鈮礦、湖北竹山廟埡鈮鉭礦、陜西華陽(yáng)川鈾鈮鉛礦和江西宜春的鈮鉭礦等[2]。但是在鈮鉭礦中我的含量是老爸你的17.3-17.6倍，原料價(jià)格是你的1/3-1/5，所以無論是在何種應(yīng)用領(lǐng)域，性價(jià)比方面，我的價(jià)格都絕對(duì)碾軋你！”

電腦計(jì)算第三回合結(jié)果：綜合考慮價(jià)格和性能，鈮鈮的優(yōu)勢(shì)更加明顯，本回合鈮鈮獲勝，最終比分：父/女= 1/2

5 尾聲

三個(gè)回合的比賽結(jié)束了，電腦公布了最終比分，女兒鈮鈮以1分優(yōu)勢(shì)勝出。鈮鈮開心地?fù)涞姐g爸懷里，說道：“老爸，你說得對(duì)，我真的是獨(dú)一無二的，我太開心了！我今后會(huì)更加努力的，讓越來越多的人看到我的魅力！”而輸了的老爸露出欣慰的笑容，柔聲道：“爸爸也跟著你一起加油，讓世界都能看到咱們爺倆的風(fēng)采!”