150年探索之旅成就“点金传奇”，铌（ní）Nb！

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蝌蚪五线谱

2024-04-24 17:05发布于北京北京市科协主办蝌蚪五线谱官方账号

AI划重点 · 全文约2379字，阅读需7分钟

1.中国科学院和青海省地质调查院宣布发现大格勒铌矿床，这是一种与碱性岩和碳酸岩杂岩共生的铌-稀土矿。

2.铌元素的发现历经150多年，如今被广泛应用于超导体、高温合金、改善钢性能、核工业等领域。

3.由于高强度、高熔点、耐腐蚀等特性，铌及其化合物在钢铁、合金、陶瓷、电子等多个领域发挥着重要作用。

4.然而，铌在工业领域的应用经历了相对漫长的过程，从20世纪初首次亮相于白炽灯制造领域到如今的应用广泛。

5.未来，铌将继续发挥不可替代的作用，为人类社会的进步贡献出更多的力量。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考


中国科学院和青海省地质调查院近日宣布了一项重大发现——大格勒铌矿床。此矿床就是与碱性岩‒碳酸岩杂岩共生的铌-稀土矿。这个发现不仅展示了我国地质科学的卓越实力，为突破我国现有铌资源“提取难、利用难”瓶颈提供契机，更让我们对一种神奇的过渡金属元素——铌有了更深入的了解。


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鲜为人知的是，铌元素的发现前后经历了150多年，现在它被广泛运用于超导体、高温合金、改善钢性能、核工业等，是名副其实的点“铌”成金。


PART.01
钶钽之争半世纪

“这家伙太顽固了，还原十多次了，还得不到单质！”

公元1801年初秋的一天，英国伦敦市郊的一所学校的实验室里。化学家查理斯•哈切特面对试剂瓶里的黑色立方晶体，头痛不已。这些晶体是未知的金属氧化物，来自博物馆的矿石。

一周前，哈切特参观大英博物馆时，对展柜里黑金条纹的精美矿石产生了浓厚的兴趣。馆长介绍说，这是美国康涅狄格州州长的孙子捐赠给博物馆的。致力于矿石研究的哈切特要了一些样品，带回学校的实验室做化学分析。经过多次试验，他分离出锰、铁等10多种单质，得到黑色的金属氧化物。

哈切特尝试了各种方法，但仍未能成功地将未知金属氧化物还原为单质。他将这种物质与当时已知的所有金属氧化物进行仔细比对，惊讶地发现没有任何一种与其相匹配。

经过无数次的试验和验证，哈切特最终确认，这种未知的金属氧化物中蕴含着一种全新的元素。为了纪念美洲大陆的发现者哥伦布（Columbus），他把新元素命名为Columbium，简称Cb。若干年后西学东渐，清末科学家把这种金属译作“钶”。


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查理斯•哈切特像


19世纪初是西方科学大爆发的年代，科学家们为发现元素而不遗余力，你追我赶。

就在哈切特发现钶元素的第二年，瑞典化学家埃克伯格发表论文声称，自己从芬兰得到的矿石里分离出一种新的金属元素，由于它的抗腐蚀能力特别强，所以用希腊神话中的英雄坦塔罗斯（Tantalus）的名字将它命名为Tantalum，简称Ta，汉译为“钽”。

在对比哈切特和埃克伯格的论文后，科学界发现钶和钽的性质有着惊人的相似性。这引发了化学家们对钶和钽是否为同一金属的激烈讨论，意见分歧严重。


在接下来的几十年中，不时有报道指出发现了与钶、钽性质相近的新元素，并为其赋予了各种新的名称。然而，经过后续的仔细核查，这些所谓的“新元素”最终被证实要么是钶，要么是钽。

公元1844年，德国化学家罗斯对一种来自波登马伊斯的矿石进行了深入的研究，并从中成功地分离出两种化学性质相似的元素。经过仔细鉴定，罗斯确认其中一种是已知的钽元素，而另一种则是全新的元素。

为了纪念这一发现，罗斯将它命名为Niobium，简称“Nb”，汉译为“铌”，这一名称的词根来源于坦塔罗斯的女儿尼奥比（Niobe）的名字，寓意着这一新元素如同神话般珍贵而独特。


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铌金属


“铌”与“钶”是否为同一元素，这一疑问在当时并未得到明确的解答。随后几十年里，西方科学家们陷入对钶、钽、铌的深入探索中，同时也在努力进行含铌氧化物的还原研究。这一系列探索与争议，使得当时的科学界热闹非凡，各种观点与实验层出不穷。


PART.02
提纯命名一百载


自罗斯发现并命名新元素铌后，第一个取得突破性进展的是瑞士科学家马利纳克。

公元1866年，马利纳克经过反复试验，发明了有效分离钽和铌的“分步结晶法”。此法的具体操作步骤如下：先将含钽和铌的氧化物与氟化物进行化学反应，从而得到氟化钽和氟化铌，再分别把氟化钽和氟化铌通入氟化氢，从而得到密度大的单质钽和密度小的单质铌。

马利纳克进一步将单质铌与先前制备的钶进行对比，从物理性质和化学性质两方面进行了深入剖析，结果惊奇地发现它们实际上为同一种元素。


在为其命名时，他深思熟虑，鉴于钽的拉丁名称（Tantalus）源自神话中的宙斯之子坦塔罗斯，他认为用坦塔罗斯之女尼奥比来命名这种新元素“铌”（Niobium）会更具逻辑性和文化底蕴。



马利纳克的命名提议虽然得到欧洲科学界的支持，但美国科学界坚决反对。道理有二：一是“钶”得名早，命名理所应当；二是“钶”主要为了纪念哥伦布，作为第一个发现美洲大陆的人，哥伦布一直受到美国人的推崇。

双方各执一词，各行其是。在沟通和公文中，欧洲人坚定地站在“铌”这一边，而美国人则坚守“钶”的阵地。


这样的局面持续了将近一个世纪，直到公元1949年，国际纯粹与应用化学会（IUPAC）召开会议作出裁决：元素周期表中第41号元素的正式名称为“铌”，而“钶”则作为旧称保留。这一长期悬而未决的争议，终于画上了句号。


PART.03
点之成金用途广


与铌的发现与命名一样，铌的运用也经历了相对漫长的过程。

20世纪初，铌首次亮相于白炽灯制造领域，然而这一短暂的尝试很快被熔点更高的钨所取代，因为钨更适宜用于白炽灯的制造。20多年后，铌再次引起人们的关注，因其具有增强钢强度的独特性能，进而推动了其在钢铁领域的广泛应用。又20多年后，钽铌高温合金的应用取得显著进展。

进入新世纪后，铌如同一把熠熠生辉的黄金钥匙，开启了进步之门。随着金属铌的物化性被人们进一步研究，例如耐高温、耐腐蚀、导电性优良等等。其已被广泛应用于航空航天、超导材料等诸多领域，给世人创造出难以想象的价值。

铌在工业领域的应用十分广泛，被誉为“工业味精”。由于其高强度、高熔点、耐腐蚀等特性，铌及其化合物在钢铁、合金、陶瓷、电子等多个领域都发挥着重要作用。

在钢铁中添加少量铌，可以显著提高钢材的强度和耐腐蚀性，这方面运用最广的是汽车；在合金中加入铌，可以改善合金的耐高温性能；在陶瓷和电子领域，铌的化合物也发挥着不可替代的作用。


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汽车部件因为加入铌而性能更强 图源：中国矿业网


更为神奇的是，铌在某些特殊情况下，甚至可以发挥出“点之成金”的神奇效果。在超导材料、催化剂等领域，铌的加入可以显著提升材料的性能，实现一些看似不可能的技术突破。

例如，在超导材料中，铌的加入可以提高超导体的临界温度，使得超导技术在更高温度下得以应用；在催化剂领域，铌的化合物可以作为高效的催化剂，促进化学反应的进行，提高生产效率。


在未来的科技发展中，发现和命名长达150多年的铌将继续发挥着不可替代的作用，为人类社会的进步贡献出更多的力量。






参考文献：

1.《铌作为微合金化元素的历史》，2001年全球铌国际会议开幕辞，作者Lutz Meyer

2.《全球铌矿资源的勘探开发与投资研究》，作者刘霏，《中国矿业》2013年07期

3.《铌的应用与发展》，作者王永跃，《宁夏科技》1997年04期




作者：魏德勇

 广东深圳市作家协会会员

责编：董小娴

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