从角落里找到的现代工业“维生素”元素

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-09-27

碲被称为现代工业的“维生素”,它的运用在很大程度上反映了一个国家的科技水平。

近日,四川省经济和信息化厅在“四川先进材料体验行”活动中,首站走进最大面积的碲化镉发电玻璃生产企业。该企业自2018年生产完成我国第一块发电玻璃以来,一直处于平稳生产状态。(封面新闻网)

第一块发电玻璃下线(来源:搜狐)

第一块发电玻璃下线(来源:搜狐)

碲化镉发电玻璃通过光线进行发电,是集发电与原材为一体的新型材料,一块1.92平方米的玻璃发电量达270千瓦时。因此有关学者称它为“挂在墙上的油田”。

碲化镉发电玻璃的构成元素中,碲起着关键作用。鲜为人知的是,这种被誉为现代工业“维生素”的稀散元素,是200多年前科学家从实验室角落找到的……

“可疑金”依旧可疑

罗马尼亚中部有一座号称“欧洲文化之都”的古老都市,名叫锡比乌。18世纪初,锡比乌成为该国的中心城市,对外交流活动很是频繁。1782年,奥地利首都维也纳某矿场的质量监督官缪勒受命到锡比乌考察矿产情况。他平素对研究矿石颇感兴趣,喜欢捣鼓矿石。

缪勒在一个叫阿希夫的矿坑里发现几块很好看的矿石。它们表面大部分是银白色,间或带有一些黄色,当地人称为“可疑金”。他把这些矿石带回实验室进行试验,“可疑金”被点燃后,发出浅蓝色的火焰。很快熄灭的它被加热熔化后,散发出一种让缪勒感到恶心、头痛,头晕、皮肤瘙痒的气味。他忙停止了实验。

“看来‘可疑金’里面应该没有锑。”被发现已100多年的锑,常温下虽然是银白色的,但加热熔化后没有味道,更不要说会让人感到恶心、头痛等。

锑块(来源:金属百科)

锑块(来源:金属百科)

“难道矿石里含有一种前所未知的新元素?”缪勒脑海里冒出这样的念头。按当时的通用做法,是不是新元素须由科学家来鉴定。他随即把一小块矿石寄给瑞典知名化学家伯格曼,并随信附上自已的实验过程和推测结果。可惜,当时伯格曼手里有许多科学项目要做,腾不出时间。他只是对“可疑金”进行简单实验,证明它里面不含任何锑元素后就给了回信。缪勒因工作繁忙没有持续跟进此事,只是将研究过程写成名为《用萨拉特纳附近法齐柏山上美丽阿希夫矿穴的矿石所炼得并假设为金属锑的实验》的论文发表在某不知名的科学期刊上。

角落翻出新宝贝

转眼到了1798年初,德国化学家克拉普罗特为撰写一篇关于罗马利亚矿石研究的论文,只身来到锡比乌。他在考察过程中从矿坑里得到两块“可疑金”,回到柏林后便丢在实验室的一个角落,未加重视 。

有一天,克拉普罗特在办公室翻阅化学书籍时,读到那则关于缪勒研究“可疑金”的论文。他大吃一惊,然后急忙赶到实验室。幸好两块“可疑金”还安静地躺在角落里。克拉普罗特用它们进行实验,首先确定“可疑金”里面不含任何锑,再根据实验现象与已知元素进行对照。经过多次实验,他确定“可疑金”的化学性质与已知元素均不相同。

德国矿物学家克拉普罗特(图片来源:金属百科)

德国矿物学家克拉普罗特(图片来源:金属百科)

克拉普罗特最后把“可疑金”溶解在王水(即硝基盐酸)里,再用过量的碱使混合溶液沉淀,并把沉淀物里面的少量铁、金等杂质除去,从而得到一种泛着银白色光泽的物质。他把新得到的物质元素命名为tellurium,元素符号定为Te。此词来自于拉丁文tellus,即“地球”之意。克拉普罗特此举是强调新元素将和地球一样重要。若干年后西学东渐,清末科学家引入元素周期表,把“Te”译作“碲”,沿用至今。

克拉普罗特进一步总结出碲的基本化学性质:碲作为一种准金属元素,在空气中燃烧后发出蓝色火焰,熔点达452度;它不溶于水,可溶于硫酸、王水等溶液;人体吸入极少量的碲都会在呼气、汗液中产生难闻的大蒜味,这种气味像口臭一样,周围人能闻到但本人浑然不知。

碲块(来源:中国图网)

碲块(来源:中国图网)

不得不说的是,虽然克拉普罗特再三声称碲元素是1782年缪勒发现的,但后世的科学史研究专家还是认为克拉普罗特是碲的实际发现者。

现代工业“维生素”

话说克拉普罗特发现碲元素并总结其相关化学性质后,科学家们前赴后继,花两百多年时间才真正弄清它的“脾性”。原因有二:一是碲在地壳中含量极少,很难独立成矿;二是它的化学性质与硒元素类似,有一定毒性,当碲粉被人体吸收后会让中毒者有呕吐感,还会患上口臭的毛病。

在碲问世的头一个百年里,科学家们通过反复实验得知,它是金属合金的标准“强化剂”。在合金里加入极少的碲后,合金的机械强度和加工性能将被大大提高。在第二个百年里,随着科学的发展,碲在工业领域中大显身手,主要用作高速钢催化剂、石油化工催化剂及化工制品等,并在半导体材料、航空航天等方面初显作用。现代化建设中,碲被科学家誉为工业领域的“维生素”,其运用在很大程度上反映了一个国家的科技水平。

“可疑金”碲金矿(来源:金属百科)

“可疑金”碲金矿(来源:金属百科)

碲的化合物在现代化工业建设中也发挥着巨大的作用。把碲和铅按一定比例熔化制成的碲化铅,可用作红外线探索器的制造材料;碲燃烧生成的二氧化碲,可作防腐剂用,或用来测定各种疫苗中的细菌。

发电玻璃立奇功

碲与镓、铟、硒、铼等七种元素合称为稀散金属。虽然碲、硒并非真正的金属,但它们具有金属的大部分属性,是准金属。七种稀散金属的物理性质、化学性质都很类似,且都以化合物形式存在于矿物里,不易形成独立的单金属矿。一直以来,世界各国关于碲的生产主要是从铜阳极泥和有色金属冶金的残渣里进行提取,含量稀少而作用巨大的碲成为公认的世界级工业宝贝,市场上呈现出供不应求的状况。目前,碲的价格在每吨人民币100万元至200万元之间。碲在世界各国分布极不均匀,其中中国是全球碲的主要生产国,产量居世界第一。四川省雅安市石棉县因拥有世界唯一独立成矿的碲铋资源而被相关学者称为“世界碲都”。

现代工业“维生素”碲最受科学家关注之处,莫过于制造碲化镉发电玻璃。这种玻璃的科学原理是,在绝缘的半导体玻璃表面涂抹4微米厚的碲化镉光电薄膜,从而使普通的玻璃成为发电的建筑材料。由于碲化镉发电玻璃具有极强的建材属性,所以它可以用于多种场合,比如安装在屋顶、墙上。

碲化镉发电玻璃(来源:中玻网

碲化镉发电玻璃(来源:中玻网)

“碲化镉发电玻璃对可见光的吸收率达99%以上,不仅能有效减轻光污染,还能将外部能量转化为清洁能源,所以它的发电潜力是无限的。” 四川大学材料科学与工程学院副院长、稀散元素研究专家刘颖教授对碲的市场前景十分看好。这或许是对当年从角落里找到碲元素的科学家的最好褒奖吧。

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【参考资料】

1、 论文《碲矿物综述》,作者钱汉东等,《高校地质学报》2002年第2期。

2、 论文《岩矿中稀有和稀散元素的化学分析》,作者李玲霞,《工程技术》2010年24期

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