2020年02月26日 星期三
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鈷:手機電池的“功臣”元素

2020-1-2 9:28:24 作者:魏德勇

手機是現代社會每個人必不可少的工具,被形容為“一機在手,走遍天下”。作為為手機提供持續電源的儲能工具,電池可謂手機的生命,作用不容小覷。

上世紀80年代以前,由于電池儲量小、性能不穩定等原因,手機未能實現普及,解決電池能源瓶頸成為科學家們最關注的問題之一。直到鈷酸鋰電池誕生后,電池工業革命才終于爆發性增長。鈷酸鋰電池結構穩定、綜合性能突出,是因為電池中含有一種叫鈷的元素。有趣的是,這種元素曾經被人視為“妖魔”,令礦工們談之色變……

礦物里的“妖魔”

“我們絕不下井。這是拿我們的生命開玩笑。”1733年夏天,德國薩克森州某礦床開采中心,礦工們圍在礦井口,遲遲不愿下井。礦主在旁邊走來走去,顯得很是焦躁。

“老板,礦井里有一種發著幽藍光亮的石頭。這種石頭里有妖魔,會讓我們染上怪病。以前下井的工友們都病了。我們病了誰養妻兒老?”一個皮膚黝黑的中年礦工說道。

石頭里會有妖魔?礦主雖然不相信,但只好讓礦工停下來。為弄清原委,他讓手下找了幾塊礦石,寄給住在捷克的阿格里科拉。

阿格里科拉是德國礦物學家兼醫生,生于1494年,寫了不少化學類的專著。其中,《論礦冶》一書是他豐富經驗的見證,主要講述了礦物晶體如何區分,礦物如何提煉等,還提到如何防治職業病等內容。他曾主動申請到采礦業發達的開姆尼茨市,深入礦區,開展調查研究。阿格里科拉后任帕多瓦大學教授。由于專業能力強、處事公正,礦主和礦工們都很信任他,有什么事都喜歡找他幫忙。

阿格里科拉教授反復研究礦主寄來的礦石,發現它與輝銅礦的外形很相似,遇酸變成深藍色的溶液。讓他頭痛的是,用提純等礦石實驗方法分析,礦石根本不發生變化。

他寫信給礦主,表示無能為力,但會把這件事與礦石寫進論文里,給后世科學家提供參考。為了記錄方便,他與礦工們一樣,把這種礦石稱為“Kobald”。這個單詞來源于日爾曼神話,英文 “koblin”(妖魔)即由它衍生而來。

煅燒出的新元素

德國薩克森州礦工罷工后第20個年頭,瑞典化學家格·布朗特偶然間讀到阿格里科拉關于“妖魔”礦石的論文,產生了強烈的好奇心。

布朗特對這種帶磁性的礦石重新進行試驗:選擇高溫煅燒的方式,持續對礦石進行加熱。沒想到加熱到500℃時,礦石中分離出一種具有光澤的灰色物質。

“這是什么東西?難道是新元素?” 布朗特對這種灰色物質進行化學試驗,發現它常溫下不與水反應,在潮濕的空氣也不會氧化;它很硬但很脆,加熱到約1200℃時,原有的磁性奇跡般消失了。

哪種已知物質會有這些特征呢?布朗特翻遍當時所有的物理和化學書籍,也沒查到這種物質是什么。因此,他斷定這是一種未知元素的單質,但卻不確定是不是金屬元素。因為按照當時的科學通識,金屬在潮濕的空氣里都會被氧化。

發現新元素可是大事,布朗特決定先為新元素取名。經過慎重思考,他決定從德語“Kobald”入手,把這種人見人怕的元素稱為“Cobalt”,元素符號為“Co”。若干年后,清朝末年的科學家將“Co”譯為“鈷”,沿用至今。

鈷是不是金屬?布朗特的疑問在20多年后才得到科學解答。1780年,瑞典化學家伯格曼用實驗方法制得純鈷,并確定鈷是一種金屬元素。通過進一步研究,他找到了當年礦工們懼怕礦石的原因:那種被稱為“妖魔”的礦石,實際上是鈷的化合物,化學名為輝鈷礦。從輝鈷礦的化學式CoAsS中可得知,該礦石含有鈷、硫、砷元素。鈷本來對人體沒有顯著傷害,可是含鈷30%左右的輝鈷礦加熱后生成的硫或砷的化合物都有劇毒。尤其是砷,其氧化物As2O3俗稱砒霜,毒性很強,揮發性也極強,會讓工作場所嚴重毒化。

至此,近半個世紀的鈷元素謎團終于解開。

歷史悠久的珍貴元素

雖然鈷元素在科學家手中真正現形才200多年時間,但它為人類服務已有2000年之久。

古羅馬和古希臘人曾用輝鈷礦制作深藍色的玻璃。這種深藍色既漂亮又特殊,無法用輝鈷礦之外的東西來代替制作的。

我國古代勞動人民用鈷來制作藍色的陶瓷。用鈷制作的藍色顏料,在唐三彩中被稱為“鈷藍”。后世專家收藏唐三彩時,對鈷藍非?粗,有“三彩掛藍,價值連城”的說法。

布朗特等科學家發現鈷元素,通過研究其化學性質等實驗,加快了鈷元素的運用。20世紀后,鈷及其合金如鉑鈷合金、釤鈷合金、鎢鈷合金等在機械工業、化工工業、航空工業及醫學領域都得到廣泛運用,并成為一種重要的戰略金屬。

鈷在通信領域大顯身手始于1980年。這一年里,美國化學家約翰·古迪納夫發明了鈷酸鋰電池。這種電池有效解決了伏打電池、鈉硫電池儲量小,性能不穩定等缺點。時至今日,我們所用的智能手機、筆記本電腦、充電寶,乘坐的電動汽車等都離不開鈷酸鋰電池或它的改良版。鈷酸鋰電池的發明,被后世科學家形容為“開啟了整整一個時代”。

值得一提的是,鈷這種歷史悠久的珍貴元素,在存量上也一直扮演著“妖魔”的角色。地球上的鈷總含量約700萬噸,但2/3都集中在非洲中部的剛果民主共和國。據地質學家考證,地殼中鈷含量本來非常稀少,一億年前一顆含鈷的小行星撞擊地球,在非洲地表砸出一個盆地,即剛果盆地。這就是民主剛果共和國富含鈷金屬的原因!

網站編輯:宮莉

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