“鎢”與倫比

鄭子言，張來英，朱亞先

廈門大學化學化工學院，福建 廈門 361005

“又到上班時間了！”我在實驗室的椅子上伸著懶腰，準備開始一天的工作。

我叫小Y，是地球元素數(shù)據(jù)庫的管理員，負責收集各元素家族定期的數(shù)據(jù)報告，整理知識數(shù)據(jù)。

1 小鎢的求助

“咚咚咚……”門外傳來一陣急促的敲門聲。

“哎！來了！來了！”打開門，門口的羞澀少年一個踉蹌差點摔倒，是來自元素國第六周期VIB族的鎢，膚色灰白的他，身上的穿搭倒是五顏六色。

“Y先生，您好！我是小鎢！”小鎢喘著大氣說，“我想委托您一件事兒！”

“小鎢你好！別急別急，發(fā)生什么事了？”我趕緊扶住小鎢，生怕他沒站穩(wěn)摔倒。

小鎢將委托信遞給我：“我們鎢氏家族發(fā)現(xiàn)不少人們對鎢的印象有些過于片面，只知道鎢可作為燈泡里的燈絲。作為人類社會最重要的元素之一，我們可不甘心人類對我們的認知僅限于此！因此我想請您幫我們整理鎢的知識，讓人們好好認識鎢氏家族！”

“原來是這樣?！蔽遗牧伺男℃u的肩膀說，“放心吧！”

我將小鎢帶到了數(shù)據(jù)記錄室，開始對鎢名字信息進行搜索，而一旁的小鎢一臉興奮地盯著眼前先進的電子設(shè)備躍躍欲試。

2 鎢之源

檢索開始，屏幕上不斷閃過各種字符，最后留下一個時間“1556年”。

“1556年，是鎢元素在歷史上首次出現(xiàn)的時間：德國礦物學家格奧爾格烏斯·阿格里科拉(Georgius Agricola)的遺作《論礦冶》中提到了‘lupi spuma’這個物質(zhì)?！蔽铱粗聊徽f道。

“是的，不過離我真正被人類發(fā)現(xiàn)還遠著呢。說來慚愧，沒被人類發(fā)現(xiàn)之前，我可給人類帶來了不少的麻煩?！?/p>

小鎢尷尬地笑了，跟著屏幕上的時間軸介紹起了自己的經(jīng)歷：“1758年，瑞典的礦物學家克郎斯塔特(A. F. Cronstedt)面對手中沉甸甸的白色礦石手足無措，只留下了‘tungsten’(重石)這個名字。1781年，瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒(Carl Wilhelm Scheele)發(fā)現(xiàn)了新的元素酸——鎢酸。直到1783年，西班牙德魯雅爾(de Elhuyar)兄弟朱安·荷塞(Don Juan Jose)和浮斯圖(Don Fausto)二人分析了一種黑色礦石，發(fā)現(xiàn)其中有鎢的氧化物，用碳還原后得到一些灰黑的金屬粉末——鎢，并將其命名為‘volfram’，至此我才真正地被人們所知。順帶一提，我的化學簡稱——元素符號‘W’是取自17世紀德國的礦工們給含鎢礦石取的‘wolfram’[1]?！?/p>

“經(jīng)過前人一步步的努力摸索，你才最終出現(xiàn)在人類面前，真是不容易！”我說道，“不過這些科學家們研究的礦石是一黑一白，都是你的家嗎？”

“是的，我們喜歡居住在白鎢礦(CaWO4) (圖1)和黑鎢礦(Fe/MnWO4) (圖2)的房子中。而且，這兩種房子在中國最多，占世界總量的60%左右！擁有如此豐富資源，中國的鎢產(chǎn)量占了世界總產(chǎn)量的80%以上呢[2]。還有，在中國的江西浮梁縣朱溪有我在世界上最大的豪華別墅，其中三氧化鎢(WO3)資源量高達286萬噸！”小鎢自豪地介紹道。

圖1 白鎢礦

圖2 黑鎢礦

小鎢潤了潤嗓子，繼續(xù)說道：“隨著科技的進步，鎢礦石可不像從前那樣只是沉重無用的礦石。現(xiàn)在工業(yè)上處理鎢礦已經(jīng)十分成熟，原理就是我們所熟知的復(fù)分解反應(yīng)，除去反應(yīng)生成的沉淀，再酸化后便會得到鎢酸(H2WO4)沉淀，最后鎢酸在高溫下分解生成三氧化鎢，進一步用氫氣(H2)還原后便可得到金屬鎢，我就誕生了?！?/p>

我一邊聽一邊錄入方程式：

“嗯，完善好鎢的來源的信息啦?！蔽疑炝藗€懶腰，“接下來看看你的性質(zhì)吧。”

3 “鎢”比堅強

我操作著系統(tǒng)開始收集鎢的性質(zhì)。很快，屏幕上出現(xiàn)了一串詳細的信息：“鎢，一種灰白色稀有金屬，脆且堅硬，具有已知金屬元素中最高的熔點3410 °C、沸點5930 °C[3]?！?/p>

突然，一聲清脆的響聲傳來，一股刺鼻的酸霧撲面而來。原來是小鎢在實驗室翻試劑，不小心打碎了鹽酸試劑瓶！

“小鎢！快把衣服脫掉！沖一下接觸到酸液的皮膚！”我著急地拉著小鎢進行緊急處理，而小鎢卻十分冷靜。

“沒事！沒事！我是惰性金屬元素，與大多數(shù)常見的酸堿都不會發(fā)生反應(yīng)，別說是鹽酸了，其他的幾種強酸也奈何不得我！”

小鎢撣著身上黃色的衣服說：“還有，我身上這件三氧化鎢(WO3)定制衫是W和O2在高溫條件下反應(yīng)生成的，也難溶于常見的濃酸和濃堿。不過，如果見到氫氟酸大哥的話……我還是要避一避的……”

“嚇壞我了?！蔽移綇?fù)好心情，“來，小鎢，咱們到系統(tǒng)世界里看看吧，也許有新的發(fā)現(xiàn)呢。”我打開時空鏡，強烈的閃光將我和小鎢帶入了系統(tǒng)中的世界。

“在系統(tǒng)內(nèi)的世界，我們可以切身觀察人類生產(chǎn)、生活時的樣子哦?！?我拍了拍驚魂未定的小鎢。

小鎢很快就適應(yīng)了，好奇地看著眼前如此真實的一切：四周滿是各種冶煉設(shè)備和生產(chǎn)車間，還堆滿了裝有鎢粉的桶和許多鎢條、鎢塊。

“雖然同是金屬聯(lián)盟中的一員，但我卻沒有像其他成員一樣銀白閃亮的外表，膚色灰暗的我也因此不太喜歡表現(xiàn)自己，真羨慕其他金屬呢?！毙℃u嘆了嘆氣說道。

“非也，非也?！蔽肄D(zhuǎn)過身，從一旁的鎢塊堆中翻出一塊銀白的鎢錠交給小鎢。

“這也是鎢塊嗎？我在家族中可從來沒見過這樣高顏值的鎢塊?！毙℃u滿臉質(zhì)疑。

“受限于工藝水平，常見到的鎢條或鎢絲，都是非致密‘殘次品’。含有微量雜質(zhì)的鎢不僅影響了鎢的顏值，而且還會變得又硬又脆，難以加工[4]。理論上，致密態(tài)鎢的顏值可是非常高的，不亞于其他的金屬元素?！蔽蚁蛐℃u解釋道。

“是這樣的呀！期待有一天，人類能夠?qū)⑽易钔昝赖囊幻嬲宫F(xiàn)給更多的人！”

“鎢的高熔點、高沸點就很引人注目！在通電高溫的情況下，蒸發(fā)速度很慢。所以，大家都知道鎢作為電燈泡的燈絲。”

“在早些時候，許多科學家使用鉑或銥線、碳棒等材料作為燈絲，但他們在通電的高溫下會因為蒸發(fā)而越來越瘦，只堅持幾十到幾百小時到了極限就斷了，而我們鎢做燈絲的時候可是能從容地堅持上千小時呢。”小鎢驕傲地吹噓著自己的本領(lǐng)。

“說來慚愧，我們鎢絲燈泡的應(yīng)用是從什么時候開始的?。窟@我有點記不清了……”小鎢問道。

“是在1906年細鎢絲的生產(chǎn)制造成為現(xiàn)實之后，才逐漸將鎢絲確定為燈絲材料，并在全世界廣泛使用[5]?！?/p>

“好的，我會好好記住的！”

興奮的小鎢蹦蹦跳跳地在廠區(qū)里逛著，一不小心頂?shù)搅颂旎ò迳系腖ED燈，忽然惘然若失地說：“據(jù)我所知，以鎢絲為代表的白熾燈逐漸被LED燈取代了。我們鎢最為顯著的優(yōu)點的應(yīng)用正在被淘汰，多少有些令人失落……”

我摸著小鎢的頭說：“別氣餒，小鎢！雖然在可見光領(lǐng)域鎢正在被淘汰，但在不可見光領(lǐng)域，鎢作為各種探測設(shè)備的X射線發(fā)射材料正發(fā)揮著重要的作用呢[6]。另外，對于人類來說，鎢還有其他更重要的使命，請隨我來。”

我操作系統(tǒng)切換了場景，來到1900年巴黎世界博覽會現(xiàn)場，快速瀏覽參觀指南，最終目光停留在了——高速鋼，含有18%鎢……

“我可是個好學生啊，喜歡學習！我了解了鋼的性質(zhì)后，便學會與鋼合作，性能優(yōu)異的高速鋼便出現(xiàn)了。我的加入細化了鋼的晶粒，提高了他的強度和熱穩(wěn)定性，因此鎢鋼高溫下穩(wěn)定而且堅韌，可以用于制造高速切削工具和火箭發(fā)動機噴嘴等?！毙℃u自豪地說。

小鎢拉著我在廠房里四處逛，看到了由鎢合金制造的各種工具和設(shè)備：刀具、鉆頭、車削工具……各種重要生產(chǎn)設(shè)備不勝枚舉。

“如果一個國家沒有鎢的話，其金屬加工能力必會出現(xiàn)極大的缺失，將直接導致機械行業(yè)的癱瘓，難怪說你是‘戰(zhàn)略金屬’！”我向小鎢豎起大拇指。

不知不覺中，我們來到了武器庫，里面陳列著槍支、彈藥、坦克、飛機等各類物品。

小鎢變得興奮起來：“耐高溫、密度高、硬度大，可以說，鎢合金是為戰(zhàn)爭量身打造的絕佳材料。槍、炮的發(fā)射管，各種穿甲彈彈芯、彈丸，導彈、火箭炮的噴口、噴嘴和隔熱材料中都有鎢的身影。”

小鎢接著把我拉進一旁的零件車間，伴隨著陣陣火花，鋼塊被車削成各種形狀的零件。

“關(guān)于硬質(zhì)材料，可得提一下鎢氏家族的明星碳化鎢(WC)！當我和碳兄弟在1400-2000 °C的溫度下相遇時，我們手拉手共用電子對，以共價鍵形成原子型晶體，WC橫空出世！WC的硬度和金剛石差不多，是制造耐磨磨料和切削工具的絕佳材料！”

“碳化鎢雖然堅硬，但是制備條件太苛刻了！”我說道。

小鎢說：“隨著人類科學的進步，已經(jīng)實現(xiàn)在較溫和的條件下制取高質(zhì)量的碳化鎢，人類對他的巨大需求也使他的知名度越來越高！”

“小鎢，你真能干！你在礦山、冶金、機械、建筑、交通、電子、化工、輕工、紡織、航天、科技等各個領(lǐng)域都發(fā)揮著強大的作用呢。”拉起興奮的小鎢，我撥動時空鏡回到實驗室。

4 變化“鎢”窮

我和小鎢來到實驗室，搬出各類儀器和試劑，準備進行實驗并記錄現(xiàn)象，進而上傳到數(shù)據(jù)庫。

“小鎢，你今天這一身穿搭各種顏色都有，不會是由鎢的各類化合物做成的吧？”我突然想到。

“哈哈！您說對了！鎢的核外電子寶寶的排布為[Xe]4f145d46s2，所以W的價態(tài)可由-4到+6變化，各價態(tài)的鎢都有自己喜歡的顏色：W(II)為棕色、W(III)為紅色、W(IV)為黑色、W(V)為綠色、W(VI)為暗藍色……作為金屬家族的一員，鎢的顏色之豐富還是有點名氣的！”

“沒想到看似‘鎢’比堅強的你還有這樣多彩的一面，真是令人意外?！?/p>

“我雖然是一枚硬漢，但是也喜歡交朋友。鹵素氯大哥一來，我就和他反應(yīng)生成暗藍色的WCl6；神奇的是，在鉍(Bi)、銻(Sb)等的幫助下WCl6還可以還原成各種價態(tài)、不同顏色的鎢化合物呢。”小鎢倒騰著實驗室的設(shè)備和試劑，各種顏色的鎢化合物讓我目不暇接。

“不過小鎢，怎么沒見到和你鞋子同款藍色的鎢化合物?。俊?/p>

“嘻嘻，這鞋可不是由簡單的鎢化合物做成的，而是特別的藍鎢限定款！”

小鎢一邊說，一邊向鎢酸鈉中加入鹽酸，并加入鋅粒，試管內(nèi)的溶液產(chǎn)生了暗綠、暗黃等變化，最終形成暗藍色沉淀的懸浮液：“藍鎢對周圍環(huán)境的要求十分苛刻，用一定還原性的還原劑還原鎢(VI)時，才會得到含有鎢(VI)及鎢(V)混合價態(tài)的深藍色化合物——藍鎢。”

“好漂亮的藍色！這可以直接用來染色了嗎？”我問道。

“哈哈，當然沒這么簡單，還需要對溶液進行分離干燥才能真正投入使用。而且現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)在氫氣氛圍下加熱仲鎢酸銨((NH4)10W12O41·5H2O)固體熱分解后生成藍鎢[7]?！?/p>

“藍鎢也是生產(chǎn)鎢制品的優(yōu)質(zhì)原料，因為他具有還原性，還可以用作真空設(shè)備的氧氣消除劑呢，可謂是才貌雙全。”

“鎢氏家族還真是人才輩出??！”我不禁贊嘆道。

這時，小鎢又往鎢酸鈉溶液中慢慢地滴加鹽酸，隨著小鎢的操作，試管里面一會兒清澈一會兒渾濁。

看著如此奇怪的實驗現(xiàn)象，我有點兒不敢相信自己的眼睛，拉了一下小鎢：“你操作失誤了吧？”

“哈哈，Y先生，這您就不知道了吧，這是鎢酸、鎢酸鹽的特性，雖然我們家族的許多成員比較喜歡獨處，不喜歡和水打交道，但正是那些少數(shù)的可溶鎢酸鹽相互協(xié)作，為我們家族打通了多酸這條新的發(fā)展道路，而他們所借助的工具也十分簡單——pH。隨著溶液pH的變化，他們會縮聚生成同多酸或同多酸鹽，因為他們?nèi)芙舛鹊牟煌芤罕銜跍啙崤c清澈之間不斷變化。”

隨著溶液酸化進行，在小鎢解釋的同時，試管中的溶液最終變得清澈透明不再有明顯的變化。

“太令人好奇了！這是什么原理??？”

小鎢得意地向我解釋起來：“在酸化的過程中，鎢酸根會先抱團縮聚生成可溶的‘仲鎢酸鹽A’陰離子(圖3)，而后轉(zhuǎn)化為溶解度較低的‘仲鎢酸鹽B’陰離子(圖4)，進一步酸化后產(chǎn)生極易溶解的偏鎢酸鹽陰離子，之后達到平衡[8]。”

圖3 仲鎢酸A陰離子W7的結(jié)構(gòu)

圖4 仲鎢酸B陰離子H2W12的結(jié)構(gòu)

“原來是這樣，不過這些分子量動輒上千的物質(zhì)真是雷人……”在錄入數(shù)據(jù)的我吐槽了起來。

“鎢多酸的本事可不僅限于此呢，抱團時鎢喜歡以八面體的姿態(tài)來展示自己，原本沉默寡言的鎢酸根聚在一起形成鎢多酸時會留下一些空間，此時他們會向部分元素打開心扉，在多酸基團中容納下不同的原子形成雜多酸?！?/p>

小鎢伸手拿過來一個模型：“您看，將五氧化二磷(P2O5)和鎢酸鈉(Na2WO4)混合在水中煮沸，并不會先生成磷酸而后再生成鎢酸沉淀，而是生成了一種雜多酸——磷鎢酸(H3PW12O40)的透明溶液(圖5)[9]?！?/p>

圖5 雜多酸陰離子[PW12O40]3-的結(jié)構(gòu)

“又復(fù)雜又漂亮的化合物！”我不禁贊賞道。

“你可不能只是外貌協(xié)會的哦，他們還有很多實際用途呢！比如，偏十二鎢酸鈉(Na(H2W12O40))被廣泛應(yīng)用于重力分離(沉/浮分析)和密度梯度離心的‘重液體’；十二磷鎢酸可用作染色劑和顏料，在鉀鹽分析中有重要應(yīng)用；工業(yè)上得到的鎢酸鹽溶液，經(jīng)處理酸化后得到的仲鎢酸銨可是其他鎢制品最重要的原料呢！”

小鎢清了清嗓子，繼續(xù)說道：“雜多酸鹽化合物在光、電、磁、催化、液晶及抗病毒等方面都發(fā)揮著巨大的作用。特別是多酸化合物作為抗艾滋病毒(HIV-1)、抗腫瘤、抗病毒的無機藥物的研究開發(fā)備受人類矚目，鎢多酸鹽K12H2[P2W12O48]、K10[P2W18Zn4(H2O)2O68]和(MeNH)[SiNbW18O77]等已被證實具有抗病毒能力[10,11]?！?/p>

5 告別小鎢

我快速地整理好數(shù)據(jù)，并拷貝到移動硬盤里：“有了這些數(shù)據(jù)，人們就可以更好地了解、認識、利用鎢氏家族造福人類。”

“謝謝您的幫助，再見！”小鎢緊緊地攥著移動硬盤，開心地笑了。

“再見，小鎢！再見，無與倫比的鎢氏家族！”