什么是铌和钽？

索朗扎西 2024-05-20 12:44:49

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1801年英国化学家哈切特分析北美一种铌铁矿石时发现了铌。1864年，布朗斯登用强烈的氢气火焰使氯化铌还原为铌。铌的命名颇有一段趣味故事。因为当时哈切特研究的矿石是在美国发现的，美国又称为哥伦比亚，为纪念哥伦比亚将新元素取名为“钶”。但是，1802年瑞典化学家埃克伯格又发现了与“钶”性质非常相似的“钽”（两者原子半径仅差4.2％）。因此很长一段时间曾将该两者认为是同一种元素，包括当时许多有名的化学家如贝采里乌斯等人都是这样判断的，且只采用“钽”这个名称。直到1845年德国化学家罗泽才指出“钶”和“钽”是两种不同元素，由于两元素性质非常相似，罗泽就把“钽”（实为“钶”）叫成“铌”（niobium），1907年才制得纯金属铌。铌的取名是以古希腊神话中吕底亚国王坦塔罗斯的女儿尼奥勃的名字来命名的。多年来，铌这个元素保留了两个名称，在美国用“钶”，在欧洲用“铌”，直到1951年国际纯化学和应用化学协会命名委员会正式决定统一采用“铌”作为该元素的正式名称。现在美国化学家已改用“铌”这个名称，但冶金学家和金属实业界有时仍用“钶”这个名称。1802年，瑞典化学家埃克伯格在分析斯堪的那维亚出产的一种矿物（铌钽矿）时，使它们的酸生成氟化复盐后，进行再结晶，从而发现了钽。1814年贝采里乌斯判定它确是一种新元素，并赞同赋予它tantalum（“钽”）这个名字。原意是“使人烦恼”，因它不易与铌分离。铌钽的氧化物和盐类早在1824年就开始研究，但纯金属可锻钽直到1903年才用**还原氟钽酸盐的方法制得。1929年金属钽的生产才开始进入工业规模。关于钽的命名有一种说法，认为是源自古希腊神话中吕底亚国王坦塔罗斯的名字。相传，坦塔罗斯由于触犯了众神而被罚在地狱中受酷刑。当他站在齐脖子深的水中因干渴而要饮水时，水就向下打旋消失不见了；当他因饥饿而想去吃离他只有几英寸远的果树上的果子时，树枝都摇晃起来使他够不着。金属钽有极不寻常的耐酸性能，甚至能耐王水。钽在酸里，酸对它的影响绝不比坦塔罗斯站在水中时水对他的影响更大，所以用坦塔罗斯的名字命名金属钽。但是因为英语中tantalize（“愚弄”）一词也源自坦塔罗斯的名字，所以有人认为钽的取名，是由于发现者在找到它之前受到了tantalize（愚弄），因而几乎错过了发现它的机会。这种说法显然不恰当。铌和钽这一对“孪生兄弟”，把它们放到一起来介绍是有道理的，因为它们在元素周期表里是同族，物理、化学性质很相似，而且常常“形影不离”，在自然界伴生在一起，真称得上是一对密不可分的“孪生兄弟”。铌、钽和钨、钼一样都是稀有高熔点金属，它们的性质和用途也有不少相似之处。既然被称为稀有高熔点金属，铌、钽最主要的特点当然是耐热。它们的熔点分别高达2400℃和将近3000℃，不要说一般的火势烧不化它们，就是炼钢炉里烈焰翻腾的火海也奈何它们不得。难怪在一些高温高热的部门里，特别是制造1600℃以上的真空加热炉，钽金属是十分适合的材料。我们在前面介绍钨钼合金钢的时候就已经看到，一种金属的优良性能往往可以“移植”到另一种金属里。现在的情况也是这样，用铌作合金元素添加到钢里，能使钢的高温强度增加，加工性能改善。铌、钽与钨、钼、钒、镍、钴等一系列金属合作，得到的“热强合金”，可以用作超音速喷气式飞机和火箭、**等的结构材料。目前科学家们在研制新型的高温结构材料时，已开始把注意力转向铌、钽，许多高温、高强度合金都有这一对孪生兄弟参加。铌、钽本身很顽强，它们的碳化物更有能耐，这个特点与钨、钼也毫无二致。用铌和钽的碳化物作基体制成的硬质合金，有很高的强度和抗压、耐磨、耐蚀本领。在所有的硬质化合物中，碳化钽的硬度是最高的。用碳化钽硬质合金制成的**，能抗得住3800℃以下的高温，硬度可以与金刚石匹敌，使用寿命比碳化钨更长。钽在外科**疗上也占有重要地位，它不仅可以用来制造**疗器械，而且是很好的“生物适应性材料”。比如说，用钽片可以弥补头盖骨的损伤，钽丝可以用来缝合神经和肌腱，钽条可以代替折断了的骨头和关节，钽丝制成的钽纱或钽网，可以用来补偿肌肉组织…
在**院里，还会有这样的情况：用钽条代**里折断了的骨头之后，经过一段时间，肌肉居然会在钽条上生长起来，就像在真正的骨头上生长一样。怪不得人们把钽叫做“亲生物金属”哩。为什么钽在外科手术中能有这样奇特的作用呢？关键还是因为它有极好的抗蚀性，不会与人体里的各种液体物质发生作用，并且几乎完全不损伤生物的机体组织，对于任何杀菌方法都能适应，所以可以同有机组织长期结合而无害地留在人体里。除了在外科手术中有这样好的用途外，利用铌、钽的化学稳定性，还可以用它们来制造电解电容器、整流器等。特别是钽，目前约有一半以上用来生产大容量、小体积、高稳定性的固体电解电容器，全世界现在每年都要生产几亿只这样的电容器。现在看来，钽电解电容器没有“辜负”人们的厚望，它具有很多其他材料比不上的优点。它比跟它一般大小的其他电容器“兄弟”的电容量大五倍，而且非常可靠、耐震，工作温度范围大，使用寿命长，现在已经大量地用在电子计算机、雷达、**、超音速飞机、自动控制装置以及彩色电视、立体电视等的电子线路中。然而，最使我们惊诧不已的，是它们不仅能在极高温度的环境里顽强地工作，而且还能在超低温的条件下出色地为我们服务，它们可真是了不起。你们中也许有一些人会知道有这么个温度，叫“绝对零度”，它的零度相当于-273.16℃。绝对零度被认为是不能再低的低温了。人们很早以前就发现，当温度降低到接近绝对零度的时候，有些物质的化学性质会发生突然的改变，变成一种几乎没有电阻的“超导体”。物质开始具有这种奇异的“超导”性能的温度叫临界温度。不用说，各种物质的临界温度是不一样的。要知道，超低温度是很不容易得到的，人们为此而付出了巨大的代价；越向绝对零度接近，需要付出的代价越大。所以我们对超导物质的要求，当然是临界温度越高越好。具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种，而用铌制造的合金，临界温度高达绝对温度18.5~21k，是目前最重要的超导材料。人们曾经做过这样一个实验：把一个冷到超导状态的金属铌环，通上电流然后再断开电流，然后，把整套仪器封闭起来，保持低温。过了两年半后，人们把仪器打开，发现铌环里的电流仍在流动，而且电流强弱跟刚通电时几乎完全相同。从这个实验可以看出，超导材料几乎不会损失电流。如果使用超导电缆输电，因为它没有电阻，电流通过时不会有能量损耗，所以输电效率将大大提高。有人设计了一种高速磁悬浮列车，它的车轮部位安装有超导磁体，使整个列车可以浮起在轨道上约十厘米。这样一来，列车和轨道之间就不会再有摩擦，减少了前进的阻力。一列乘载百人的磁悬浮列车，只消100马力（73.5千瓦）的推动力，就能使速度达到500千米/时以上。用一条长达20千米的铌锡带，缠绕在直径为1.5米的轮缘上，绕组能够产生强烈而稳定的磁场，足以举起120千克的重物，并使它悬浮在磁场空间里。如果把这种磁场用到热核聚变反应中，把强大的热核聚变反应控制起来，那就有可能给我们提供大量的几乎是无穷无尽的廉价电力。 20210311

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