贵宝石祖母绿是何元素的结晶?答案找了两千年!

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-06-26

这种贵族级别的宝石里到底是哪种新元素的结晶?发现它有何曲折?

祖母绿,但凡对珠宝稍感兴趣的人都知道这个名字。作为国际公认的名贵宝石之一,祖母绿象征着幸福、幸运和平安。西方人认为它是绿宝石之王,对其崇拜程度与东方人痴迷翡翠有得一拼。

祖母绿走入人类视线有两千多年历史。古埃及贵族用这种绿得让人心醉的宝石当作奢侈品来装点首饰或贵冠。若干年后,古希腊人则对祖母绿的构成产生兴趣,试图弄清它的来源。尽管没有找到答案,但并不影响人们对它的喜爱。又若干年后,科学家们研究祖母绿时,发现了一种未知元素。相对铁、铝、氧等元素而言,此元素虽然“上镜率”不高,但被不少国家定位为战略元素,其重要性不言而喻。

这种贵族级别的宝石里到底是哪种新元素的结晶?又是怎么发现它的?它到底有何用途?……要解决这些答案,得从一位科学界的英雄说起。

贵宝石祖母绿是何元素的结晶?答案找了两千年!

漂亮的祖母绿宝石戒指。(网络图)

英雄科学家的遗憾

老普林尼(注1)是古罗马帝国有名的自然哲学家。他从小对万事万物都感兴趣,凡事喜欢问个为什么。有一年,朋友赠送他一颗很小的祖母绿宝石。某天,专心研究祖母绿的他突发灵感:这漂亮的宝贝与不怎么出彩的绿柱石矿石相似,它们会不会是同种东西构成的?

老普林尼被这个近似天方夜谭的念头吓了一跳,因为从古埃及人发现祖母绿开始,人们便以貌取物,认为祖母绿与绿柱石有天壤之别,两者根本不会在是“一家子”。

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老普林尼像。(网络图)

鉴于当时的科学条件,老普林尼没有也不可能弄清祖母绿与绿柱石的构成。认为自己一定能有所突破的他,把想法写进生平杰作《博物志》一书中,准备等哪天闲下来再仔细研究。

可是,此后老普林尼一直没闲下来。因为他的另一身份是罗马帝国海军司令,事务一大堆。转眼到了公元79年,维苏威火山喷发,岩浆淹没了庞贝城。带兵在庞贝城不远处驻扎的老普林尼一边组织士兵拯救市民,一边深入城中进行科学考察。不幸的是,他因吸进火山遗留的毒性气体而殉职,时年55岁。

当然,他想弄清祖母绿与绿柱石关系的愿望也成为永远的遗憾。

是非曲直的公案

转眼到了18世纪初,在一大批科学家的不懈努力下,近代科学终于萌芽。那部流传了1600多年的自然学名著《博物志》,再次被科学家想起。他们之中,对书里所记祖母绿与绿柱石关系等章节最感兴趣的是德国化学家科拉普罗特(注2)。

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科拉普罗特像。(网络图)

有一天,科拉普罗特从同样喜欢矿物研究的德国亲王加利青处得到一个祖母绿宝石和一块秘鲁产的绿柱石。通过实验,他认为两者都含有大量的硅酸铝和少量的氧化铁。事实果真如此吗?心里没谱的他知道有个人可以证明,那就是擅长做化学成分分析的法国化学家沃克兰(注3)。

化学成分分析是判定岩石构成的主要方法之一。地质学规定,对岩石进行地质判断时,需要用专业的设备进行主微量元素化学成分分析并撰写报告进行专业评定。

话说沃克兰从科拉普罗特手中接过绿柱石后,很快投入到化学成分分析当中。实验时他发现,在绿柱石的酸溶液中加入苛性钾溶液,会沉淀出一种土质的氢氧化物。通过进一步研究,他发现氢氧化物中一定没有铝元素,更不要说没有科拉普罗特认为的硅酸铝。“这土块里应该含有一种新元素!”科拉普罗特把这种带着一丝甜味的新元素命名为“glucinum”,中文意即甜甜的元素,简称甜土。

1898年2月15日,沃克兰在法国科学院宣读自己发现新元素甜土的论文。

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沃克兰像。(网络图)

事后得知消息的科拉普罗特非常生气:好你个沃克兰,让你帮做化学成分分析,你却悄悄发现一种新元素并自行公布,太不仗义了!还好我没给你祖母绿,否则指不定还有多少发现呢。

气归气,科拉普罗特却没有停止对甜土的研究。通过实验,他确定祖母绿与绿柱石中都含有甜土。接着,他发现一个很现实的问题,那就是甜土这名字太low了,非常掉价。原来,当时的科学家已发现了钇土,并得知钇的化合物也是甜的。

“以后可能还会发现带甜味的未知元素化合物,难道都用甜土来称呼?”科拉普罗特想,“既然这东西是在绿柱石里发现的,何不叫它Beryllina(绿柱石之土质)呢?”

想到这里,科拉普罗特决定写一篇关于甜土命名的论文并进行对外发布。论文中,他把“Beryllina”用化学符号“Be”来代替。若干年后,中国科学家把“Be”翻译成“铍”!

30年后,德国科学家维勒用还原法得到含有少许杂质的铍,并把此元素的英文名改为“Beryllium”。此说法得到科学界的认可。自此,这个关于铍元素发现及命名的公案终于划上句号。

大显身手的战略金属

话说维勒费尽心思制得带有少许杂质的铍,并未在工业中得到较大运用。原来,铍很爱“清洁”,只要它里面含有1%的杂质,性能就会发生变化,用途也大打折扣。直到20世纪60年代,科学家用现代科学方法制备纯度达99.99%的铍后,终于完全弄清了它的特性:强度赛过钢,传热是钢的3倍,熔点高达2400多度……

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单质铍。(网络图)

很快,纯铍被用作建造原子锅炉的材料,几乎所有的原子反应堆都要用它作中子反射体。随着科学的发展,科学家们发现纯铍是透过X射线最强的金属,是人造卫星X射线管小窗口材料的不二之选。其原因,除了纯铍极易透过X射线外,还因为它比铝、钛都轻很多。原来,人造卫星每增加1千克,运载的火箭总重量就增加500千克,用纯铍制作X射线管小窗口,可以有效减轻人造卫星及运载火箭的重量。

正因为铍有如此多的优点,所以它被广泛运用在核工业、机械工业及航空航天工业等领域。作为一种新型材料,铍金属已被多国列为战略金属,并用作制造原子弹、宇宙飞船等。铍终于在为人类服务中大显身手。

不得不说的是,即使在人类已掌握了宇宙飞船和量子物理的当代,需要铍还得找绿柱石,因为它是自然界中铍的最主要来源。当然,绿柱石并一定都是绿色的。纯净的绿柱石是无色的,由于地质条件的变化,导致其所含致色离子不同而呈现出绿、黄、蓝、粉等颜色。作为绿柱石家族中最名贵的代表,祖母绿因为含有0.3~1.0%的铬元素而呈现出苍翠的绿色,柔和而鲜亮,让人沉醉而爱不释手。同时,作为世界四大名贵宝石(另三种为钻石、红宝石和蓝宝石)之一,祖母绿因产量极少而更显珍贵。

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颜色各异的绿柱石。(网络图)

由铍等元素构成的祖母绿固然宝贵,而老普林尼、科拉普罗特等科学家敢于创新,不懈追求的精神更宝贵,更值得后人学习!

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【备注】

1、 老普林尼(24年-79年8月24日),原名乌斯·普林尼·塞孔都斯,古罗马百科全书式的作家,以其所著《自然史》一书著称。曾任米塞姆港基地的海军舰队的司令,负责清剿海盗。他殉职后,由养子小普林尼继承了全部手稿和笔记,小普林尼整理所有作品进行流传。

2、 马丁·海尔因兹·科拉普罗特(1743年12月1日-1817年1月1日),德国化学家,著有《论矿物的化学特性》。1789年发现元素铀、锆,1808年发现元素铈。

3、 路易·尼克拉·沃克兰(于1763年5月16日-1829年11月14日),法国科学家,生中共发表研究论文376篇,研究内容涉及化学的计多领域。对岩石矿物的分析研究占很大比重,曾发现玄武岩或冰晶石等矿物中含有钠,分析过硅铍钇矿,分离铂、钯、铑、铱、锇,证实瑞典学者阿尔费得松发现锂土的工作等。化学史家柯普教授评价他的工作始终处在科学发展的前沿。

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