从营养液到战略金属:钼元素现形记

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-07-31

通过三年不懈努力,钼元素终于在科学家们的相互合作的研究中现形!

1958年,新西兰某牧场牧草枯黄,遍地萎死,牧民们叫苦不迭。但是,惊奇地发现横穿牧场的一条道路边,却长满了茂盛的绿草。科学家对绿草带进行观察并带回样品进行实验,终于找到答案。原来,牧场东边的矿工们上下班抄近路横穿牧场,鞋上的金属粉掉在地上,让枯草变绿了。科学家就把这种金属粉溶进了肥料,让牧民洒到草场。不久,枯黄的草场变得绿油油。

新西兰牧场

绿草如茵的新西兰牧场。(网络图)

科学家们进一步研究发现,这种金属元素是生物营养液配置的基本元素,植物生长、人体都离不开它。另一方面,它在工业、军事等方面都有很大用途,已被多个国家列为战略金属。其实,这种金属元素的现形,是科学家们密切合作、携手共进的结果;它的大范围应用,则与战争相关……

慧眼识出新元素

“这东西既不是石墨,也不是铅,为什么要叫它molybadenite(铅的希腊名)呢?”1779年的一天,瑞典科学家舍勒在实验里,一边仔细研究软的黑色矿物molybadenite,一边自言自语。舍勒是当时知名的科学家,他不但发现了氧气,对其他气体都有深入研究,还喜欢研究矿石,发现了白钨矿。

发现氧气的舍勒。

化学家舍勒(网络图)

原来,molybadenite与方铅矿、石墨都很相似,欧洲各国商人把它们混淆着售卖,不少市民用还它代替石墨制作铅笔芯。认真观察molybadenite、方铅矿和石墨后,经验告诉他:这几种东西虽然外观相似,但硬度、光泽等各有不同,应该含有不同的元素。

猜想对不对,实验来证明。舍勒在实验中发现,硝酸与石墨相遇时完全不起化学反应,硝酸与铅反应生成硝酸铅、氧化氮和水,而硝酸与molybadenite化学反应后生成硫酸和一种白色固体。这种白色固体很难溶于水,显然不是硝酸铅,那它是什么呢?

为了弄清这种白色固体,他找到同为化学家的好友贝格曼。贝格曼是乌布萨拉大学化学分析教授,虽然没直接发现某种元素,但培养了一大批对化学元素的发现做出贡献的学生,其中包括发现钨元素的德鲁雅尔兄弟、发现锰元素的甘恩、对molybadenite感兴趣的埃尔姆等。

还原命名又三年

未知元素是什么?为了找到答案,他们用炉子对molybadenite进行还原。可惜炉火最高温度才500多度,molybadenite根本不为所动,三年实验都没有成功。

辉钼矿

辉钼矿(网络图)

眼见研究无果,舍勒把白色固体寄给贝格曼的学生、瑞典化学家埃尔姆。埃尔姆的另一身份是矿场场主,拥有多个实验用的高温炉。让他把molybadenite和炭粉混匀,再与亚麻仁油一起调成糊状,最后放进密封的坩埚里用大火进行煅烧。亚麻仁油被炭化后,产生上千度的高温,从而把白色固体还原成银白色的金属粉末。

“这金属的熔点居然达2600度!”埃尔姆盯着高温仪表,不敢相信自己的眼睛。

他立马让人通知舍勒。舍勒来到埃尔姆处,简单交流后,他们一起重复做了还原molybadenite的实验。为了便于记录和传播,舍勒决定为这种银白色的金属取个名字。联想到此前人们称含此未知元素的矿物叫molybadenite,舍勒决定将它命名为Molybdenum,元素符号为Mo。若干年后,中国科学家将它译成“钼”。

通过三年不懈努力,钼元素终于在科学家们的相互合作的研究中现形!

一波三折建奇功

被科学家们慧眼发现的钼元素,真正运用到生产中已经100多年后的事儿了。因为它与钛、钨等战略金属一样,工业生产对它的纯度要求很高,而提纯难度很大。1893年,科学家莫思森通过炭和三氧化钼进行高温反应,终于制得纯度达96%的固态钼。

固态钼率先被运用于军事中。由于钼的强度很高,热膨胀系数低,导热性能强,固态钼被加入到合金钢、不锈钢等合金中,用于制造各种军事设备;固态钼做成的纯钼丝则被用作高温电炉和切割加工的材料。

一战期间,钨的用量剧增,远远满足不了战争。科学家们发现钼比钨轻一半,强度比钨更高,于是用钼代替,用于制造战舰、火炮内膛等。钼元素第一次大显身手。

有趣的是,一战结束后,随着战争的减少,钼需求量也锐减。科学家们开始探索钼及其化合物的新用途。他们发现,二硫化钼的分子显层状结构,层与层之间易滑动,因而它可以作固体润滑剂。这些效果超过润滑油脂的二硫化钼润滑剂,被广泛运用于机械工业和航空航天领域。

润滑剂

运用于机械工业的二硫化钼润滑剂。(网络图)

通过20世纪50年代末的新西兰牧草事件,人们认识到钼是植物必需的元素。科学家们进一步研究发现,钼也是人体必需的微量元素,可用于配置人体营养液,心脏的肌肉中含有一定量的钼,它与一些酶共同维持心肌的能量代谢。换言之,心肌梗塞患者的病因之一就是心脏肌肉缺乏或缺少钼。据专家研究,钼含量较高的食物主要有大豆、牛肉、葡萄等。自此,钼元素在医学领域也占了一席之地。

战略金属倍珍贵

二战爆发后,钼元素再次大显身手,被当作合金材料用于战舰、装甲车等武器制造中。

钼元素真正被各国重视是在二战后。鉴于钼在制造军工武器方面的特殊用途,战后各国纷纷将其列为战略金属,并建立相应的战略矿产储备制度给予保障。

之所以各国建立钼矿产储备制度,还有一方面原因是钼在地壳中的含量极少。作为典型的亲铜元素,钼主要存在于以二硫化钼为主要成分的辉钼矿中。前文舍勒所研究的molybadenite就是辉钼矿。全世界的辉钼矿主要集中在中国、俄罗斯、加拿大等地,全球钼资源储量约为1100万吨(2015年)。

钼产量

世界钼资源量分布图。(网络图)

作为全世界最大的钼资源国,中国的钼资源量占全世界总量的40%以上。尽管如此,我国政府早就认识到钼的重要性和钼资源的有限性,并加强对它的有效管控。2007年,我国政府对钼、铟等重要元素进行出口限额规定;几年后,又将辉钼矿纳入保护性开发的特定矿种。

相信通过科学家们的更多研究,钼元素必将得到更好的开发和利用!

   【参考材料】

    1、文章《钼资源储量分布及产量情况》,来源于金属百科。

    2、论文《我国钼资源现状及钼的冶炼分析》,来源于《云南冶金》2014年4月。

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