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你不了解的钼元素

2018年8月16日 16:24:32来源:大科技作者:

 在化学元素周期表中,钼元素不怎么引人注“钼”,它不像铝、铁那样常见,不如铂、金贵重,更不似氧、氢那般构成了生命的主体。然而,钼元素与人类的关系其实非常密切,而关于钼元素的方方面面,有一些趣事你可能并不了解。

钼曾被误认为铅

虽然早在14世纪,人们就懂得利用含钼的钢铁来锻造军刀,但那个时候,人们还没有意识到钼元素的存在。原因在于,钼元素在地壳中的含量约为百万分之一,分布也比较分散,属于比较稀有的金属。而且,钼元素往往不是以单质的形式存在,主要与硫结合成化合物,形成辉钼矿,或者偶尔与铅、铜组合,生成铅钼矿和铜钼矿。

16世纪之前,当人们发现辉钼矿的时候,看到它为铅灰色,具有金属的光泽,而且辉钼矿多以细微柔软的鳞片状产出,具有挠性(金属或矿物受力发生变形,在作用力失去之后不能恢复原状的性质称为挠性,与“弹性”相对),摸起来还有种油腻的感觉。这和石墨的性质十分相似,所以辉钼矿被误以为是石墨。后来,人们在寻找铅矿石的时候,发现辉钼矿的外观类似于方铅矿,于是,又把钼误认为是铅。所以,人们便用古希腊语中的“molybdos”(意思是“铅”)命名辉钼矿。

直到1778年,德国化学家卡尔·舍勒才首次证实,钼辉矿并不是方铅矿,也不是石墨,而是一种新的矿物,含有新的元素。但是,舍勒没有办法将这种新的元素从矿石中分离出来,所以他没能成为第一个发现钼元素的科学家。有趣的是,舍勒被后世称为“倒霉蛋科学家”,他的坏运气就是从错失钼元素开始的,后来舍勒又从空气可以助燃的实验现象中差点发现了氧气,但却因为迷信燃素说而将发现氧气的机会留给了安托万·拉瓦锡。

在舍勒之后,其他科学家也试图从辉钼矿中提取出新元素,他们让辉钼矿发生氧化反应,然后将粉末放入水中,形成钼酸,但仍然无法从中析出钼金属。终于,在1781年,瑞典化学家彼得·海基尔姆幸运地摘取了科学果实。他将碳粉、亚麻籽油和钼酸混在一起,搅拌成糊状,然后用封闭的坩埚对这一团“浆糊”加热。终于,海基尔姆用这样的“碳还原法”将新的金属从辉钼矿中分离出来,他随即将该金属命名为“钼”。至此,人们才开始了解到钼元素的真面目。


战争使钼名扬天下

1781年,人们开始懂得如何得到金属钼,但此后的100多年里,全世界金属钼的总产量也不超过10吨。由于钼元素易于氧化,且冶炼和加工水平有限,人们似乎还不知道如何将这种金属大规模地应用到工业生产中来。

不过,钼元素适合重工业的优点还是有目共睹的,它硬而坚韧、耐腐蚀、耐高温,熔点仅次于钨、钽,它注定会成为人类重要的工业原料。1891年,法国施耐德公司率先将钼作为合金元素生产出了含钼的钢板,发现其性能优越,而且钼的密度仅是钨的一半,钼便逐渐取代钨成为炼钢的合金元素。到了20世纪,人类爆发了两场规模空前的世界大战,统计资料显示,在第一次世界大战中,钼的年产量从数吨瞬间飙升到了100吨,而到了二战时期,又增长至1万吨。为何战争促进了钼的生产?这是因为它太有用了。

我们知道,“陆战之王”——坦克就是在一战中发明的。最初,英国人为了增强坦克的防御力,给坦克安装了75毫米厚的锰钢板,但这种笨重的坦克在战争中表现得并不怎么样。后来,英国人通过试验,将锰钢板换成钼钢板,在不削弱防御力的前提下使得坦克的厚度减了50毫米,结果,更加机动灵活的坦克才得以大显神威。

同样,德国著名的攻坚武器——“大贝尔莎”巨炮,也是用钼钢做成的。一战前期,应德国总参谋部的要求,德国工业巨头克虏伯公司研制出了史无前例的超级重炮,并以古斯塔夫·克虏伯的妻子贝尔莎命名。“大贝尔莎”的口径为420毫米,炮身重43吨,需要200位德国军人花6个星期才能组装完毕。更吓人的是,“大贝尔莎”的炮弹重820千克,射程15千米,再坚固的工事也经不住它来这么一发。克虏伯之所以能够研制出威力如此惊人的巨炮,其秘诀就在于使用了材质特殊的钼钢来制作炮身,因为当“大贝尔莎”发射炮弹时,只有耐高温的钼能够抵御炮弹产生的热量,以免熔化炮身。

到了第二次世界大战,钼元素同样发挥着重要的作用。当时,战场上最著名的坦克莫过于德国的虎式坦克,其类型包含虎Ⅰ型和虎Ⅱ型两种。从1942年服役至1945年德国投降,虎式坦克一直活跃于战场第一线,它所向披靡,难以抵挡。不过,在库尔斯克会战中,苏联人俘获虎Ⅱ型坦克后对其进行了测试,发现虎Ⅱ型坦克并不像传说中的那样坚不可摧,虽然它装甲很厚,但是防御效果相对于虎Ⅰ型并未有较大提升。之所以出现这种状况,其实是由于德军所占领的挪威克纳本钼矿在1943年被盟军轰炸,从而使德军失去了钼的来源。战争初期,德军的虎Ⅰ型坦克都采用了钼钢,这种钼钢耐腐蚀,在高温条件下仍然具有较高的强度,而虎Ⅱ型坦克的厚装甲中已经无钼可用,所以影响了德军装甲部队的战斗力。

钼是多才多艺的金属

两次世界大战使人们意识到钼对于军事的重要作用,战后,钼的全球年产量由10万吨上升到如今的20多万吨。钼在赢得“战争金属”美誉的同时,其应用范围也越来越广,特别是在核能、医疗等高科技领域发挥着越来越重要的作用。

2018年,俄罗斯的莫斯科工程物理学院的科学家们发表了一项关于核燃料保护套的研究,他们使用钼合金代替现有的锆合金来用作核燃料保护外壳,可以提高核电站的安全性。

在现有的核电站中,铀燃料棒是安装在锆合金保护外壳内的。锆合金具有很高的耐腐蚀性,而且锆几乎不会和中子反应,所以是极好的核燃料棒保护外壳。但是,在极端情况下,比如由于地震和海啸导致应急冷却系统出现故障时,核反应堆内冷却水的水平面会一直下降,使铀燃料棒处于裸露状态,那么冷却不足会使高温的锆合金外壳与高温水蒸气产生氢化作用(即锆水反应),这会导致反应炉熔毁以及氢气爆炸——2011年的日本福岛核电站事故就是这样发生的。如果想要避免类似的事故,办法之一就是寻找一种比锆合金更优秀的核燃料棒保护外壳,而在众多金属材料中,只有钼同时满足比锆更耐腐蚀、更耐热、有更高的导热性以及更小的中子截面积(意味着不与中子反应)的条件,因而特制的钼合金很可能会在未来成为核电站防护装置的主要材料。

钼元素还被应用于医疗实践。比如,锝99是应用最广泛的放射性造影剂,不过,锝99只能由一种方式制备,那就是钼99衰变。钼99是钼的一种放射性同位素,它的半衰期为2.75天,半衰期过后,钼99衰变为锝99。钼99的半衰期非常理想,这个时间不但保证了钼原子在原料地到医疗场所的运输过程具有足够的稳定性,而且保证了锝99的放射性可以在短时间内激活。如果半衰期过短,在运输过程中,钼原子可能产生放射性辐射的危险;如果半衰期过长,将影响医疗诊断的效率。在核医学中,80%的医疗都用到了锝99,而在美国,每天使用锝99的诊断就达 55000多起,所以,钼的重要性不言而喻。

生命对钼很敏感

生物老师常常会讲一个故事:某一年,新西兰的一个牧场遭遇了干旱,大量牧草枯萎而死,但有一条矿工经常踩踏的小路边上生长着茂密的绿草。这是为什么呢?原来这里的矿场是钼矿,矿工们每天工作,身上难免会沾上矿渣,当他们走路时不经意间将矿渣撒落在小路上,就如同上天赐予的“大补丸”,给路边的小草提供了丰富的养料。另外,科学已经证明,对农作物施加钼肥,可以增强农作物的抗病、抗旱和抗旱能力,提高产量。比如,根据科学家的统计,每亩农田施加钼肥20克,可使小麦增产35%,而大豆则可增产47%,蚕豆增产8%,绿豆增产32.8%,番茄增产75%。

钼不仅是植物生长和发育中必需的微量元素,也是植物发挥固氮功能的重要元素。氮是生命之源,有了氮,植物才变得有营养。然而,植物并不能直接吸收空气中的氮气,它们需要在固氮菌的帮助下,通过化学反应将氮元素吸收并存储起来。固氮菌为植物固氮的过程很复杂,需要一种催化剂,名为固氮酶,金属钼正是固氮酶的重要成分。每年,全球植物固氮总量约1亿吨,远超过人工固氮量,这都是钼元素的功劳。

不仅植物需要钼,我们人体内也需要钼,只不过需量极少。成年人体内大约只有9毫克钼,而且它们分散在身体的各个部分。虽然如此,我们对于钼还是非常敏感的。比如,钼与我们头发的颜色有关,因为钼元素会使头发偏红褐色。又比如,我们的情绪也容易受钼的影响,有它,我们会精力充沛,神气十足,缺少或无它,我们会感到疲惫不堪,浑身乏力。钼为什么有这么大的本事呢?原因在于,钼是两种在新陈代谢中起重要作用的酶的组成成分,一是黄嘌呤氧化酶,一是亚硫酸盐氧化酶。这两种酶有钼存在时才具有活力,没有钼,就会失去活力,起不了催化作用。

由于钼在食物中比较广泛地存在着,小麦、豆类、猪肉、牛奶、蜂蜜都含有钼,人对于钼的需要量也不高,所以我们一般不会缺钼。如果身体摄入多余的钼,反而会引起金属中毒。

由此看来,钼这种罕见的元素,与我们的日常生活还真息息相关呢。

 

 
 
 
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