上天入海,“泰坦尼克”牌元素功不可没!

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-06-06

泰坦尼克号的英文“Titanic”原意是希腊神话中泰坦一族的神仙。鲜为人知的是,一种化学金属元素的名字也由此单词而来。

它比钢铁硬,不惧强酸强碱,人类上天入海都离不开它;它是稀有金属之一,提纯制取非常不容易;它的氧化物结构非常稳定,连名字都与泰坦尼克号的英文相近,人们从发现它到提纯它,共花了两百年……

这事要追溯到18世纪末。

发现真不易

1791年,英格兰康沃尔郡克里特教区的牧师格雷戈尔到本郡的马纳坎教区传教时,在小溪边不经意间捡到一块黑白相间的沙块。

时年29岁的格雷戈尔另一个身份是地质学家,时不时研究研究矿石。通过实验,他发现发沙块中有两种氧化物:黑色颗粒是能被磁铁吸引的氧化铁,白色颗粒则不知是何物。研究了很多天,他还是没找到答案。“难道这是一种新元素的氧化物?”格雷戈尔把白色颗粒挑出来,想法研成粉末,发现这些白色粉末很轻,还不易熔化。他把发现过程写成文章,发表在英国皇家地质学会的会刊和德国《化学年鉴》上。

英格兰矿物学家格雷戈尔。(网络图)

英格兰矿物学家格雷戈尔。(网络图)

转眼到了1895年。德国化学家克拉普洛特在研究匈牙利产的金红石矿时,他发现这块褐红色的石头中含有一种白色的晶体粉末。进一步试验得知,这些晶体粉末的粘附性极强。

“这些白色粉末太厉害了,连煤块也不能让它变黑一点点?”克拉普洛特翻阅各种资料,终于在《化学年鉴》上发现几年前格雷戈尔研究未知氧化物的文章,他也因此断定白色晶体里含有新元素。

克拉普罗特像。(网络图)

克拉普罗特像。(网络图)

确定无法通过实验将白色粉末里的未知元素进行还原后,克拉普洛特决定为这种元素命名,因为有名称既有利于记录和传播,也有利于后世科学家研究。经过深思,他决定借用古希腊神话中的神仙“Titanic”的名字,将此新元素命名为“Titanium”。若干年后,中国科学家根据读音将“Titanium”译作“钛”。Titanic的英文原意是庞大的或坚固的,此词主要形容钛元素保持白色的能力。

Titanic?没错,汉译泰坦尼克。100多年后的1912年,当时最豪华的英国邮轮就用它命名。然而让人遗憾的是,号称最坚固的泰坦尼克号却因撞击冰山而酿成当时最大的海难悲剧!

提纯更不易

克拉普洛特为钛命名后没多久,西方人惊奇地发现,钛的氧化物二氧化钛,也就是金红石矿中的白色粉末,可以加入钞票或绘画的白纸中,让它们变得更白且不透明,这效果是其它物质无法替代的。后来,他们进一步发现,二氧化钛不但熔点很高,是制造珐琅等器皿的理想原材料;而且,它没有毒,可以做油画、水彩中的白色颜料,比锌白(氧化锌)的效果好,且不易起化学变化。

值得一提的是,古代中国人一直选用白垩、蛤粉等作白色颜料,直到20世纪50年代,政府批量生产钛后,钛白才真正运用到国画中。

白色颜料之王——粉状“钛白”。(网络图)

白色颜料之王——粉状“钛白”。(网络图)

所以,自克拉普洛特为钛命名后的一百多年里,商人们设法开采钛矿,通过获得二氧化钛来牟利;科学家们则设法分解二氧化钛、四氯化钛等,以得到高纯度的钛。然而这个技术活儿难倒很多人,因为钛的化合物极其稳定,提纯过程中的金属钛又易与氧、氮、氢、碳等发生激烈的化学反应。

日历翻到1887年,分离纯净钛终于取得实质性进展。瑞典科学家尼尔森和彼得森通过无数次实验,在密封的钢瓶中,用金属钠还原四氯化钛,得到纯度为95%的钛。沿着两位瑞典科学家的足迹,法国科学家莫伊桑于1895年提炼出纯度为97%的钛。

1910年,美国化学家亨特改进尼尔森等的方法,终于制得纯度为99%的钛,不过质量只有1克。后人把他制钛的方法叫做亨特法,又叫钠还原法。

美国化学家亨特。(网络图)

美国化学家亨特。(网络图)

与铁、铜等金属纯度达99%时就可完全运用到工业中不同。杂质含量超过1%的钛就很脆,经不起机械加工,派不了大用场。只有含量达到99.999%的超高纯度的钛才能满足航空航天所用的高端钛合金、半导体芯片用溅射靶材等先进技术的原材料需求。

亨特制钛一事再次表明,提炼纯净的钛是多么艰难的挑战;与此同时他们更坚信,高纯度或超高纯度的钛将为人类带来巨大的帮助。

派上大用场

付出总有回报。距亨特制得99%纯度钛后15年,提纯钛的工作再次取得实质性进展。荷兰科学家范阿克尔和德博尔在一根加热的钨丝上还原四氯化钛,终于得到纯度为99.2%的钛。1940年,卢森堡科学家克罗尔则首创用镁还原四氯化钛的方法得到纯度99.7%的钛。具体做法就是先把四氯化钛放进密封的不锈钢罐中,充上氩气,使四氯化钛、氩气与金属镁反应,最终还原成纯钛。后人把克罗尔制钛的方法叫做克罗尔法,又叫镁还原法。

镁还原法生产钛的通常过程线路图。(源于网络)

镁还原法生产钛的通常过程线路图。(源于网络)

通过亨特法和克罗尔法从钛铁矿或金红石矿中还原出的钛呈海绵状,所以人们称其为海绵钛。作为生产精炼金属钛的基本原料,海绵钛纯度一般为99.1%~99.7%。把海绵钛进行再提炼,就可以得到纯净的钛。一种方法是通过机械制成钛棒、钛锭等金属材料,另一种方法是机械研磨生产成钛粉。钛粉被用于铸造精密仪表部件、机械设备的表面镀膜等。

工人在加工海绵钛。(网络图)

工人在加工海绵钛。(网络图)

自此,人们终于弄清了钛的优点:它是银白色的金属,耐高温,熔点高达1725℃,抗腐蚀性强得连最凶猛的酸——王水也无可奈何;其强度与钢相似,但重量只有钢的一半;重量是铝的1.5倍,强度比铝高5倍。

钛的优点决定了它在为人类服务上将派上大用场。目前,宇宙飞船和导弹制造中,科学家们用钛代替钢铁。每年世界各国用于宇宙航行的钛,已超过一千吨。由此,钛被称为太空金属、空间金属。此外,由于钛的强度高,能承受高压,所以科学家在潜艇制造中加入大量的钛,这种潜艇可在4500米的深海中航行。上天入海,“泰坦尼克”牌元素终于大显身手。

俄罗斯“梭鱼”级钛合金外壳潜艇。

“梭鱼”级钛合金外壳潜艇。(网络图)

后记

有趣的是,被大量运用于航空、海洋的钛,却位居稀有金属之列。长期以来,人们认为钛的存量很少,但是近年来科学家通过研究,发现钛的储藏量非常丰富,在地壳中含量仅次于铝、铁、钠、钾、镁等金属。随便把一把土,里面也有千分之二左右的钛,真可谓一点不“稀有”。

我国尽管钛资源比较丰富,仅四川攀枝花地区就有大量钛铁矿,海绵钛生产年产量17万吨,但在高纯钛领域几乎空白,价值百万元每吨的高纯度钛(纯度在99.8%以上)还主要靠进口。相信通过科学家们的不断努力,不久的将来,我国终将由钛生产大国变为钛生产强国!

【参考资料】

1、 论文《金属钛的性能、发展与应用》,作者庾晋,2003年。

2、 论文《化学元素中文命名的由来》,作者张纶,

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