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      鉭鈮父女的一場(chǎng)較量

      2021-11-20 07:37:06柴占麗
      大學(xué)化學(xué) 2021年10期
      關(guān)鍵詞:老爸電腦性能

      柴占麗

      內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,呼和浩特010021

      1 序幕

      在元素的國(guó)度里,住著這樣一對(duì)父女,他們分別叫做鉭和鈮。作為父親鉭爸的體重更大(原子序數(shù)為73,位于第六周期VB族,外層電子結(jié)構(gòu)為[Xe]4f145d36s2);相比之下女兒鈮鈮的體重略輕(原子序數(shù)為41,位于第五周期VB族,電子結(jié)構(gòu)為[Kr]4d35s2),他們都來自于鈮鉭礦,如圖1所示。

      圖1 鈮鉭礦石

      有一天,女兒鈮鈮突然問爸爸:“爸爸,我是怎么來的?你又是從哪來的?我為什么會(huì)是你的女兒呢?”鉭爸露出慈祥的微笑,緩緩答道:“我的名字鉭,來自于拉丁文,意思是旦塔勒斯(Tantalus),他是希臘神話中的超級(jí)英雄,而你的名字鈮也是來自拉丁文,意思是尼奧婢(Niobe),正好是旦塔勒斯的女兒。為什么這樣起名呢,這又是一個(gè)更長(zhǎng)的故事了?!?/p>

      “1801年,英國(guó)化學(xué)家查爾斯·哈切特(Charles Hatchett)在研究倫敦大英博物館中收藏的鈮鐵礦時(shí),分離出一種新元素的氧化物,并命名該元素為Columbium (鈳),它是你的舊名字。1802年,瑞典化學(xué)家埃克伯格(A. Ekeberg)在鉭鐵礦中發(fā)現(xiàn)另一種新元素Tantalum (鉭),也就是我。剛開始,由于我們太像了,大家都認(rèn)為我們是同一種元素。直到1844年,德意志化學(xué)家羅斯(H. Rose)詳細(xì)研究了許多鈮鐵礦和鉭鐵礦,成功將我們分離,才澄清了誤會(huì),并給你起了一個(gè)新名字Niobium (鈮)[1]?!?/p>

      鈮鈮露出恍然大悟的表情,說道:“怪不得叔叔阿姨們都說,我不光跟你長(zhǎng)得一模一樣,性格也特別像。”鉭爸一臉驕傲地說:“要不怎們說你是我親閨女呢??纯丛蹅z,體型一樣(共價(jià)半徑均為235 pm;離子半徑~0.64 ? (1 ? = 0.1 nm);晶格類型為體心立方,晶格常數(shù)為~330 pm,摩爾體積為10.84 cm3)[1],笑容一樣(電負(fù)性Ta~1.6,Nb~1.5),就連性格都是一樣的堅(jiān)強(qiáng)(高硬度、高熔點(diǎn)>2700 °C、低膨脹、強(qiáng)抗腐蝕性,對(duì)鹽酸、濃硝酸、氫氧化鈉甚至“王水”都無動(dòng)于衷)[2]。”

      鈮鈮又不解地問道:“咱們這么像,讓別人怎么區(qū)分呢?”鉭爸答道:“你雖然很像我,但我們也有很多不同,而你是獨(dú)一無二的,你有很多我沒有的閃光點(diǎn)?!扁夆墔s不太自信了:“我感覺我有的你也有了,而你沒有的我也沒有。”聽到這里,鉭爸決定跟鈮鈮展開一次“比試”,讓她意識(shí)到自己的獨(dú)特性。比賽采用電腦出題的方式,共分為三個(gè)回合。

      2 第一回合

      電腦出題:除去你們的相似性外,誰(shuí)能說出更多的差異性,交互回答,每次一個(gè),答不出者輸。

      鉭爸想率先做個(gè)示范,說道:“我的密度是16.65 g·cm?3,而你的密度是8.57 g·cm?3,這一方面我們的差異最大。”

      鈮鈮得到爸爸的啟發(fā),也想到一個(gè):“我穿著漂亮的銀白色套裝,而你的服飾是丑丑的深灰色?!?/p>

      輪到鉭爸:“雖然我們的熔沸點(diǎn)接近,但是我的熔點(diǎn)是3269 °C,沸點(diǎn)是5690 °C,都比你的約高500 °C?!?/p>

      鈮鈮已經(jīng)進(jìn)入狀態(tài),很快說道:“我的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)9.22 K,遠(yuǎn)高于你的4.38 K,在金屬單質(zhì)中獨(dú)占鰲頭。”

      鉭爸也不甘示弱,緊接著說道:“別看我這把老骨頭,還是最堅(jiān)硬的呢!我的硬度可達(dá)6-6.5,在硬質(zhì)家族中,我的老哥們碳化鉭的硬度是最高的,能抗得住3800 °C以下的高溫,可以與金剛石匹敵,壽命更是比碳化鎢更長(zhǎng)[3]。所以說姜還是老的辣,骨頭還是老的硬。”

      鈮鈮也琢磨出一個(gè)新的差異:“我的熱中子俘獲截面小到1.15靶恩,是你的1/20,這一性質(zhì)讓我在眾多金屬姐妹中鶴立雞群?!?/p>

      鉭爸發(fā)揮年齡和經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì),說道:“我們的化學(xué)性質(zhì)也不同。在價(jià)態(tài)種類方面,雖然我們都是+5價(jià)最穩(wěn)定,但是你有Nb2O5、NbO2、NbO三種穩(wěn)定的氧化物,而我只有Ta2O5是穩(wěn)定的;在變價(jià)方面,你比我較易還原,且你易被還原成3價(jià),而我只能還原到4價(jià);你對(duì)氧的親和性較強(qiáng),而我的金屬性更大?!?/p>

      鈮鈮年齡太小,實(shí)在想不出了……

      電腦顯示第一回合結(jié)果:鑒于鈮鈮未能接上,鉭爸闡述的差異性更多。本回合鉭爸勝,目前比分:父/女= 1/0。

      3 第二回合

      電腦出題:既然二位存在眾多差異,請(qǐng)?jiān)? min時(shí)間里說出你們不同的“兼職”(應(yīng)用)?

      “這一輪該我先了!”鈮鈮著急地喊道,“我在電容器廠做過兼職,我的小伙伴們大多具有介電常數(shù)小、壓電性高、頻率常數(shù)大、密度小等優(yōu)點(diǎn),被分派到紅外線、激光和電子公司里。還有就是,我的熔點(diǎn)高,發(fā)射電子能力強(qiáng),并具有吸氣能力,在電子管和電真空器件車間也干過活兒[4]?!?/p>

      “說到電容器方面的兼職,我可是資歷最老的?!便g爸不慌不忙地道,“我的皮膚特別容易生成致密的氧化膜,具有單向?qū)щ姷拈y金屬性質(zhì),因此用我制成的電容器,具有電容量高、體積小、漏電流小、等效串聯(lián)電阻低、高低溫特性好、使用壽命長(zhǎng)、可靠性好等眾多優(yōu)點(diǎn),于是我經(jīng)常游走在通訊、計(jì)算機(jī)、汽車、家用電器、儀器儀表、國(guó)防軍工等工業(yè)和科技部門[4]?!?/p>

      “嘿嘿,老爸你的這些兼職都好老土??!”鈮鈮驕傲地說道,“在我們引以為傲的航天事業(yè)中,我可是出了不少力呢!由于我的熱強(qiáng)合金具有良好熱強(qiáng)性能、抗熱性能和加工性能,被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片[4]?,F(xiàn)在的最新戰(zhàn)機(jī)和航空航天飛機(jī)上都有我的身影!”

      鉭爸被吐槽老土,卻不反駁,繼續(xù)倚老賣老:“由于我具有高度耐蝕性、良好的強(qiáng)度和加工塑性,讓我成了資深老裁縫,可以幫助化工設(shè)備縫制外套。很多無機(jī)酸、石油煉制的外套都是我做的,非常耐穿?!?/p>

      鈮鈮撇撇嘴,反駁道:“老爸,別忘了,我也繼承了咱們家這門祖?zhèn)鞯氖炙?,而且我的外套又便宜又時(shí)尚,購(gòu)買的人越來越多呦!”

      這時(shí),鉭爸也想到新興領(lǐng)域:“我被人類稱為親生物金屬,是由于我具有更優(yōu)異的生物相容性,加上我們固有的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性,常常被醫(yī)院叫去幫忙,我可以幫助修復(fù)整牙和顱骨、輔助神經(jīng)修復(fù)/刺激裝置和心臟起搏器等[3]。這份救死扶傷的兼職讓我非常驕傲!”

      鈮鈮緊接著說道:“雖然我和爸爸都加入了超導(dǎo)金屬朋友圈(28種),但是我具有最高的超導(dǎo)臨界溫度,可達(dá)18.5-21 °C,我的好朋友Nb3Sn,是制造8.0-15.0 T超導(dǎo)磁體的最主要材料[3]。因此,在超導(dǎo)性能上,我是最棒的!”

      沒等鉭爸說話,鈮鈮繼續(xù)說道:“因?yàn)槲揖哂休^高的熔點(diǎn)和耐蝕性,更重要的是我有相對(duì)小的熱中子俘獲截面,這讓原子能工業(yè)署里的叔叔阿姨非常喜歡我,鈾也來找我做朋友,因?yàn)槲铱梢詭退圃旆磻?yīng)堆的放熱元件?!?/p>

      鉭爸一直冥思苦想,終于又想到一個(gè)新的,說道:“近些年來,我在催化領(lǐng)域有了一份新兼職,因?yàn)槲业暮?jiǎn)歷特殊——獨(dú)特的電子構(gòu)型、超強(qiáng)的氧化還原性能以及極高的穩(wěn)定性,讓光電催化領(lǐng)域的大佬們對(duì)我很是青睞?!?/p>

      鈮鈮繼續(xù)補(bǔ)刀:“老爸,這個(gè)也不算新了,我早就開始了,我的好多化合物同學(xué)都具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和良好的光吸收能力,加之良好的穩(wěn)定性,使我在催化上的簡(jiǎn)歷更加漂亮——具有良好的催化活性、選擇性及穩(wěn)定性?!?/p>

      沒等鉭爸想到新的兼職,鈮鈮又開始搶答:“煉鋼是我最重要的工作,我的85%-90%的時(shí)間都用來生產(chǎn)鈮鐵。我是鋼的微合金化元素的佼佼者,實(shí)際上鋼中只需加入0.03%-0.05%的我,便可使屈服強(qiáng)度提高30%以上[3]。于是與鋼鐵相關(guān)的產(chǎn)業(yè),如輸油輸氣管道、汽車船舶工業(yè)、鐵路運(yùn)輸、建筑工業(yè)等,都與我建立了長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系?!?/p>

      電腦統(tǒng)計(jì)第二回合結(jié)果:鑒于鈮鈮闡述的兼職工作多達(dá)7項(xiàng),超過鉭爸的4項(xiàng),本回合女兒勝出,目前比分:父/女= 1/1。

      4 第三回合

      電腦出題:在實(shí)際應(yīng)用中,誰(shuí)的性價(jià)比更高?

      鉭爸鑒于上回合的失利,本輪決定奮起直追,堅(jiān)定地答道:“閨女,我吃的鹽比你走的路都多!我的各方面性能都優(yōu)于你,例如我的熔沸點(diǎn)都比你高出500多攝氏度,密度和硬度更是你的2倍,在化學(xué)穩(wěn)定性方面也要高于你,作為鉑的替代元素,我是第一,你只能排第二。談到性價(jià)比,我的性能占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)?!?/p>

      鈮鈮到現(xiàn)在已經(jīng)信心滿滿了,不慌不忙地說道:“老爸,還有句老話叫做‘長(zhǎng)江后浪推前浪,前浪被拍在沙灘上’,呵呵!在性能上我也有很多突出特點(diǎn),比如較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,更低的熱中子俘獲截面,更優(yōu)的熱強(qiáng)性能等,所以我們?cè)谛阅苌细饔星铮幌嗌舷?。但在價(jià)格上,我具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在地殼中,我們都主要來源于鈮鉭礦,而在我大中華,鈮鉭礦主要有內(nèi)蒙古包頭的白云鄂博礦、內(nèi)蒙古扎魯特旗的花崗巖型鈮礦、湖北竹山廟埡鈮鉭礦、陜西華陽(yáng)川鈾鈮鉛礦和江西宜春的鈮鉭礦等[2]。但是在鈮鉭礦中我的含量是老爸你的17.3-17.6倍,原料價(jià)格是你的1/3-1/5,所以無論是在何種應(yīng)用領(lǐng)域,性價(jià)比方面,我的價(jià)格都絕對(duì)碾軋你!”

      電腦計(jì)算第三回合結(jié)果:綜合考慮價(jià)格和性能,鈮鈮的優(yōu)勢(shì)更加明顯,本回合鈮鈮獲勝,最終比分:父/女= 1/2

      5 尾聲

      三個(gè)回合的比賽結(jié)束了,電腦公布了最終比分,女兒鈮鈮以1分優(yōu)勢(shì)勝出。鈮鈮開心地?fù)涞姐g爸懷里,說道:“老爸,你說得對(duì),我真的是獨(dú)一無二的,我太開心了!我今后會(huì)更加努力的,讓越來越多的人看到我的魅力!”而輸了的老爸露出欣慰的笑容,柔聲道:“爸爸也跟著你一起加油,讓世界都能看到咱們爺倆的風(fēng)采!”

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      琴童(2017年4期)2017-06-14 12:57:44
      這些老爸,“爸”氣十足!
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