你不了解的鉬元素

蘇秀英

在化學(xué)元素周期表中，鉬元素不怎么引人注“鉬”，它不像鋁、鐵那樣常見，不如鉑、金貴重，更不似氧、氫那般構(gòu)成了生命的主體。然而，鉬元素與人類的關(guān)系其實(shí)非常密切，而關(guān)于鉬元素的方方面面，有一些趣事你可能并不了解。

鉬曾被誤認(rèn)為鉛

雖然早在14世紀(jì)，人們就懂得利用含鉬的鋼鐵來鍛造軍刀，但那個(gè)時(shí)候，人們還沒有意識(shí)到鉬元素的存在。原因在于，鉬元素在地殼中的含量約為百萬分之一，分布也比較分散，屬于比較稀有的金屬。而且，鉬元素往往不是以單質(zhì)的形式存在，主要與硫結(jié)合成化合物，形成輝鉬礦，或者偶爾與鉛、銅組合，生成鉛鉬礦和銅鉬礦。

16世紀(jì)之前，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)輝鉬礦的時(shí)候，看到它為鉛灰色，具有金屬的光澤，而且輝鉬礦多以細(xì)微柔軟的鱗片狀產(chǎn)出，具有撓性（金屬或礦物受力發(fā)生變形，在作用力失去之后不能恢復(fù)原狀的性質(zhì)稱為撓性，與“彈性”相對(duì)），摸起來還有種油膩的感覺。這和石墨的性質(zhì)十分相似，所以輝鉬礦被誤以為是石墨。后來，人們?cè)趯ふ毅U礦石的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)輝鉬礦的外觀類似于方鉛礦，于是，又把鉬誤認(rèn)為是鉛。所以，人們便用古希臘語中的“molybdos”（意思是“鉛”）命名輝鉬礦。

直到1778年，德國化學(xué)家卡爾·舍勒才首次證實(shí)，鉬輝礦并不是方鉛礦，也不是石墨，而是一種新的礦物，含有新的元素。但是，舍勒沒有辦法將這種新的元素從礦石中分離出來，所以他沒能成為第一個(gè)發(fā)現(xiàn)鉬元素的科學(xué)家。有趣的是，舍勒被后世稱為“倒霉蛋科學(xué)家”，他的壞運(yùn)氣就是從錯(cuò)失鉬元素開始的，后來舍勒又從空氣可以助燃的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中差點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了氧氣，但卻因?yàn)槊孕湃妓卣f而將發(fā)現(xiàn)氧氣的機(jī)會(huì)留給了安托萬·拉瓦錫。

在舍勒之后，其他科學(xué)家也試圖從輝鉬礦中提取出新元素，他們讓輝鉬礦發(fā)生氧化反應(yīng)，然后將粉末放入水中，形成鉬酸，但仍然無法從中析出鉬金屬。終于，在1781年，瑞典化學(xué)家彼得·?；鶢柲沸疫\(yùn)地摘取了科學(xué)果實(shí)。他將碳粉、亞麻籽油和鉬酸混在一起，攪拌成糊狀，然后用封閉的坩堝對(duì)這一團(tuán)“漿糊”加熱。終于，海基爾姆用這樣的“碳還原法”將新的金屬從輝鉬礦中分離出來，他隨即將該金屬命名為“鉬”。至此，人們才開始了解到鉬元素的真面目。

戰(zhàn)爭使鉬名揚(yáng)天下

1781年，人們開始懂得如何得到金屬鉬，但此后的100多年里，全世界金屬鉬的總產(chǎn)量也不超過10噸。由于鉬元素易于氧化，且冶煉和加工水平有限，人們似乎還不知道如何將這種金屬大規(guī)模地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中來。

不過，鉬元素適合重工業(yè)的優(yōu)點(diǎn)還是有目共睹的，它硬而堅(jiān)韌、耐腐蝕、耐高溫，熔點(diǎn)僅次于鎢、鉭，它注定會(huì)成為人類重要的工業(yè)原料。1891年，法國施耐德公司率先將鉬作為合金元素生產(chǎn)出了含鉬的鋼板，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)越，而且鉬的密度僅是鎢的一半，鉬便逐漸取代鎢成為煉鋼的合金元素。到了20世紀(jì)，人類爆發(fā)了兩場(chǎng)規(guī)?？涨暗氖澜绱髴?zhàn)，統(tǒng)計(jì)資料顯示，在第一次世界大戰(zhàn)中，鉬的年產(chǎn)量從數(shù)噸瞬間飆升到了100噸，而到了二戰(zhàn)時(shí)期，又增長至1萬噸。為何戰(zhàn)爭促進(jìn)了鉬的生產(chǎn)？這是因?yàn)樗杏昧恕?/p>

我們知道，“陸戰(zhàn)之王”——坦克就是在一戰(zhàn)中發(fā)明的。最初，英國人為了增強(qiáng)坦克的防御力，給坦克安裝了75毫米厚的錳鋼板，但這種笨重的坦克在戰(zhàn)爭中表現(xiàn)得并不怎么樣。后來，英國人通過試驗(yàn)，將錳鋼板換成鉬鋼板，在不削弱防御力的前提下使得坦克的厚度減了50毫米，結(jié)果，更加機(jī)動(dòng)靈活的坦克才得以大顯神威。

同樣，德國著名的攻堅(jiān)武器——“大貝爾莎”巨炮，也是用鉬鋼做成的。一戰(zhàn)前期，應(yīng)德國總參謀部的要求，德國工業(yè)巨頭克虜伯公司研制出了史無前例的超級(jí)重炮，并以古斯塔夫·克虜伯的妻子貝爾莎命名?！按筘悹柹钡目趶綖?20毫米，炮身重43噸，需要200位德國軍人花6個(gè)星期才能組裝完畢。更嚇人的是，“大貝爾莎”的炮彈重820千克，射程15千米，再堅(jiān)固的工事也經(jīng)不住它來這么一發(fā)?？颂敳阅軌蜓兄瞥鐾θ绱梭@人的巨炮，其秘訣就在于使用了材質(zhì)特殊的鉬鋼來制作炮身，因?yàn)楫?dāng)“大貝爾莎”發(fā)射炮彈時(shí)，只有耐高溫的鉬能夠抵御炮彈產(chǎn)生的熱量，以免熔化炮身。

到了第二次世界大戰(zhàn)，鉬元素同樣發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)時(shí)，戰(zhàn)場(chǎng)上最著名的坦克莫過于德國的虎式坦克，其類型包含虎Ⅰ型和虎Ⅱ型兩種。從1942年服役至1945年德國投降，虎式坦克一直活躍于戰(zhàn)場(chǎng)第一線，它所向披靡，難以抵擋。不過，在庫爾斯克會(huì)戰(zhàn)中，蘇聯(lián)人俘獲虎Ⅱ型坦克后對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)虎Ⅱ型坦克并不像傳說中的那樣堅(jiān)不可摧，雖然它裝甲很厚，但是防御效果相對(duì)于虎Ⅰ型并未有較大提升。之所以出現(xiàn)這種狀況，其實(shí)是由于德軍所占領(lǐng)的挪威克納本鉬礦在1943年被盟軍轟炸，從而使德軍失去了鉬的來源。戰(zhàn)爭初期，德軍的虎Ⅰ型坦克都采用了鉬鋼，這種鉬鋼耐腐蝕，在高溫條件下仍然具有較高的強(qiáng)度，而虎Ⅱ型坦克的厚裝甲中已經(jīng)無鉬可用，所以影響了德軍裝甲部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。

鉬是多才多藝的金屬

兩次世界大戰(zhàn)使人們意識(shí)到鉬對(duì)于軍事的重要作用，戰(zhàn)后，鉬的全球年產(chǎn)量由10萬噸上升到如今的20多萬噸。鉬在贏得“戰(zhàn)爭金屬”美譽(yù)的同時(shí)，其應(yīng)用范圍也越來越廣，特別是在核能、醫(yī)療等高科技領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2018年，俄羅斯的莫斯科工程物理學(xué)院的科學(xué)家們發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于核燃料保護(hù)套的研究，他們使用鉬合金代替現(xiàn)有的鋯合金來用作核燃料保護(hù)外殼，可以提高核電站的安全性。

在現(xiàn)有的核電站中，鈾燃料棒是安裝在鋯合金保護(hù)外殼內(nèi)的。鋯合金具有很高的耐腐蝕性，而且鋯幾乎不會(huì)和中子反應(yīng)，所以是極好的核燃料棒保護(hù)外殼。但是，在極端情況下，比如由于地震和海嘯導(dǎo)致應(yīng)急冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，核反應(yīng)堆內(nèi)冷卻水的水平面會(huì)一直下降，使鈾燃料棒處于裸露狀態(tài)，那么冷卻不足會(huì)使高溫的鋯合金外殼與高溫水蒸氣產(chǎn)生氫化作用（即鋯水反應(yīng)），這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)爐熔毀以及氫氣爆炸——2011年的日本福島核電站事故就是這樣發(fā)生的。如果想要避免類似的事故，辦法之一就是尋找一種比鋯合金更優(yōu)秀的核燃料棒保護(hù)外殼，而在眾多金屬材料中，只有鉬同時(shí)滿足比鋯更耐腐蝕、更耐熱、有更高的導(dǎo)熱性以及更小的中子截面積（意味著不與中子反應(yīng)）的條件，因而特制的鉬合金很可能會(huì)在未來成為核電站防護(hù)裝置的主要材料。

鉬元素還被應(yīng)用于醫(yī)療實(shí)踐。比如，锝99是應(yīng)用最廣泛的放射性造影劑，不過，锝99只能由一種方式制備，那就是鉬99衰變。鉬99是鉬的一種放射性同位素，它的半衰期為2.75天，半衰期過后，鉬99衰變?yōu)轱?9。鉬99的半衰期非常理想，這個(gè)時(shí)間不但保證了鉬原子在原料地到醫(yī)療場(chǎng)所的運(yùn)輸過程具有足夠的穩(wěn)定性，而且保證了锝99的放射性可以在短時(shí)間內(nèi)激活。如果半衰期過短，在運(yùn)輸過程中，鉬原子可能產(chǎn)生放射性輻射的危險(xiǎn)；如果半衰期過長，將影響醫(yī)療診斷的效率。在核醫(yī)學(xué)中，80%的醫(yī)療都用到了锝99，而在美國，每天使用锝99的診斷就達(dá) 55000多起，所以，鉬的重要性不言而喻。

生命對(duì)鉬很敏感

生物老師常常會(huì)講一個(gè)故事：某一年，新西蘭的一個(gè)牧場(chǎng)遭遇了干旱，大量牧草枯萎而死，但有一條礦工經(jīng)常踩踏的小路邊上生長著茂密的綠草。這是為什么呢？原來這里的礦場(chǎng)是鉬礦，礦工們每天工作，身上難免會(huì)沾上礦渣，當(dāng)他們走路時(shí)不經(jīng)意間將礦渣撒落在小路上，就如同上天賜予的“大補(bǔ)丸”，給路邊的小草提供了豐富的養(yǎng)料。另外，科學(xué)已經(jīng)證明，對(duì)農(nóng)作物施加鉬肥，可以增強(qiáng)農(nóng)作物的抗病、抗旱和抗旱能力，提高產(chǎn)量。比如，根據(jù)科學(xué)家的統(tǒng)計(jì)，每畝農(nóng)田施加鉬肥20克，可使小麥增產(chǎn)35%，而大豆則可增產(chǎn)47%，蠶豆增產(chǎn)8%，綠豆增產(chǎn)32.8%，番茄增產(chǎn)75%。

鉬不僅是植物生長和發(fā)育中必需的微量元素，也是植物發(fā)揮固氮功能的重要元素。氮是生命之源，有了氮，植物才變得有營養(yǎng)。然而，植物并不能直接吸收空氣中的氮?dú)猓鼈冃枰诠痰膸椭?，通過化學(xué)反應(yīng)將氮元素吸收并存儲(chǔ)起來。固氮菌為植物固氮的過程很復(fù)雜，需要一種催化劑，名為固氮酶，金屬鉬正是固氮酶的重要成分。每年，全球植物固氮總量約1億噸，遠(yuǎn)超過人工固氮量，這都是鉬元素的功勞。

不僅植物需要鉬，我們?nèi)梭w內(nèi)也需要鉬，只不過需量極少。成年人體內(nèi)大約只有9毫克鉬，而且它們分散在身體的各個(gè)部分。雖然如此，我們對(duì)于鉬還是非常敏感的。比如，鉬與我們頭發(fā)的顏色有關(guān)，因?yàn)殂f元素會(huì)使頭發(fā)偏紅褐色。又比如，我們的情緒也容易受鉬的影響，有它，我們會(huì)精力充沛，神氣十足，缺少或無它，我們會(huì)感到疲憊不堪，渾身乏力。鉬為什么有這么大的本事呢？原因在于，鉬是兩種在新陳代謝中起重要作用的酶的組成成分，一是黃嘌呤氧化酶，一是亞硫酸鹽氧化酶。這兩種酶有鉬存在時(shí)才具有活力，沒有鉬，就會(huì)失去活力，起不了催化作用。

由于鉬在食物中比較廣泛地存在著，小麥、豆類、豬肉、牛奶、蜂蜜都含有鉬，人對(duì)于鉬的需要量也不高，所以我們一般不會(huì)缺鉬。如果身體攝入多余的鉬，反而會(huì)引起金屬中毒。

由此看來，鉬這種罕見的元素，與我們的日常生活還真息息相關(guān)呢。