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元素发现史:手机电池的功臣元素 曾被误会是妖魔

时间:2019-04-30 | 作者:蝌蚪君 | 来源:蝌蚪五线谱 | 浏览:

手机是现代生活中每个人必不可少的工具,具有视频通话、资源共享、摄影摄像、移动支付等功能,被人形容是“一机在手,走遍天下”。作为手机提供持续电源的储能工具,电池可谓手机的生命,作用不容小觑。

上世纪八十年代以前,由于电池储量小、性能不稳定等原因,手机没有普及。解决电池能源瓶颈成为科学家们最关注的问题之一。直到钴酸锂电池诞生后,电池工业革命才终于爆发性增长。

钴酸锂电池结构稳定、综合性能突出,是因为电池中含有一种叫钴的元素。有趣的是,这种元素曾经被人们视为“妖魔”,矿工们谈之色变……

矿物里的“妖魔”

“我们绝不下井。这是拿我们的生命开玩笑。”1733年夏天,德国萨克森州的某矿床开采中心,矿工们围在矿井口,迟迟不愿下井。矿主在旁边走来走去,显得很是焦躁。

元素发现史:手机电池的功臣元素 曾被误会是妖魔
风景秀丽的德国萨克森州(网络图)

“老板,矿井里有一种发着幽蓝光亮的石头。这种石头里有妖魔,会让我们染上怪病。以前下井的工友们都病了。我们病了谁养妻儿老小?”一个皮肤黝黑的中年矿工说道。

“石头里会有妖魔?”矿主虽然不相信,但只好让矿工停下来。为弄清原委,他让手下找了几块矿石,寄给住在捷克的阿格里科拉。

阿格里科拉是德国矿物学家兼医生,生于1494年,写了不少化学类的专著,其中《论矿冶》一书是他丰富经验的见证,此书主要讲述矿物晶体如何区分,矿物如何提炼等内容。书中还提到关于职业病的防治等内容。

他曾主动申请到采矿业发达的开姆尼茨市,深入矿区,开展调查研究。阿格里科拉后任帕多瓦大学教授。由于专业能力强、处事公正,矿主和矿工都很信任他,有什么事都喜欢找他帮忙。

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阿格里科拉像(网络图)

阿格里科拉教授反复研究矿主寄来的矿石,发现它与辉铜矿的外形很相似,遇酸变成深蓝色的溶液。让他头痛的是,用提纯等矿石实验方法分析,矿石根本不发生变化。

他写信给矿主,表示无能为力,但会把这件事与矿石写进论文里,给后世科学家提供参考。

为了记录方便,他也与矿工们一样,把这种矿石称为“Kobald”。此单词来源于日尔曼神话,英文“koblin”(妖魔)即由它衍生而来。

落后的科学,让“妖魔”蒙蔽了人们的双眼。

煅烧出的新元素

德国萨克森州矿工罢工后第20个年头,瑞典化学家格·布朗特偶然间读到阿格里科拉关于“妖魔”矿石的论文。一向好奇的他决心要研究这种矿石。

布朗特对这种带磁性的矿石重新进行试验:他选择高温煅烧的方式,持续对矿石进行加热。没想到加热到500℃时,矿石中分离出一种具有光泽的灰色物质。

“这是什么东西?难道是新元素?” 布朗特对这种灰色物质进行化学试验,他发现这种物质常温下不与水反应,在潮湿的空气也不会氧化。它很硬但很脆,加热到约1200℃时,原有的磁性奇迹般消失了。

元素发现史:手机电池的功臣元素 曾被误会是妖魔
钴(网络图)

“常温下不与水反应,也不易氧化,加热后磁性消失。哪种已知物质会有这些特征呢?”布朗特翻遍当时所有的物理和化学书籍,也没查到这种物质是什么。

由此,他断定这是一种未知元素的单质,但不确定它是不是金属元素,因为按照当时的科学通识,金属在潮湿的空气里都会被氧化。

发现新元素可是大事,布朗特决定先为新元素取名。经过慎重思考,他决定从德语“Kobald”入手,把这种人见人怕的元素称为“Cobalt”,元素符号为“Co”。“Cobalt”意为“坏精灵”。

若干年后西学东渐,清朝末年的科学家将“Co”译为“钴”,沿用至今。

钴是不是金属?布朗特的疑问在20多年后得到科学解答。1780年,瑞典化学家伯格曼用实验方法制得纯钴,并确定钴是一种金属元素。

他进一步研究,找到了当年矿工们惧怕矿石的原因。那种被称为“妖魔”一样的矿石,实际是钴的化合物,化学名是辉钴矿。

从辉钴矿的化学式CoAsS中可得知,此矿石含有钴、硫、砷元素。钴本来对人体没有显著伤害,可是含钴30%左右的辉钴矿加热后生成的硫或砷的化合物都有剧毒。

尤其是砷,其氧化物“三氧化二砷”俗称砒霜,是毒性很强的物质,挥发性极强,挥发后会让工作场所严重毒化。《水浒传》中潘金莲毒杀丈夫武大郎用的就是砒霜。

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辉钴矿(网络图)

至此,近半个世纪的钴元素谜团终于解开。

历史悠久的珍贵元素

虽然钴元素在科学家手中真正现形才200多年时间,但它为人类服务已有2000年之久。

古罗马和古希腊人曾用辉钴矿来制作深蓝色的玻璃。这种深蓝色看起来很漂亮,是无法用辉钴矿之外的东西来代替制作的。

我国古代劳动人民用钴来制作蓝色的陶瓷。唐三彩中,钴制作的蓝色陶瓷非常名贵。用钴制作的带蓝颜料,在唐三彩里被称为“钴蓝”。

后世专家收藏唐三彩时,对钴蓝非常看重,有“三彩挂蓝,价值连城”的说法。

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带蓝色的唐三彩瓷器(网络图)

布朗特等科学家发现钴元素,通过研究其化学性质等实验,加快了钴元素的运用。

20世纪后,钴及其合金如铂钴合金、钐钴合金、钨钴合金等在机械工业、化工工业、航空工业及医学领域都得到广泛运用,并成为一种重要的战略金属。

钴在通讯领域大显身手是在1980年。因为这一年里,美国化学家约翰·古迪纳夫发明了钴酸锂电池。此电池有效解决了伏打电池、钠硫电池等储量小,性能不稳定等缺点。

时至今日,我们所用的智能手机、笔记本电脑、充电宝,乘坐的电动汽车等都离不开钴酸锂电池或它的改良版。钴酸锂电池的发明,被后世科学家稀烂为“开启了整整一个时代”。

元素发现史:手机电池的功臣元素 曾被误会是妖魔
钴酸锂电池(网络图)

值得一提的是,钴这种历史悠久的珍贵元素,在存量上也一直扮演着“妖魔”的角色。钴在地球上的总含量约700万吨,但三分之二都集中在非洲中部的民主刚果共和国。

据地质学家考证,原来地壳中钴含量非常稀少,一亿年前一颗含钴的小行星撞击地球,在非洲地表上砸出一个盆地,即刚果盆地。这就是民主刚果共和国富含钴金属的原因。

能源太过集中,最大的害处就是易造成能源垄断,从而影响全球相关产业的发展。据“金融界”网站2018年12月报道,“世界原料仓库”刚果宣布钴为战略金属,其矿税调高至10%。

如此看来,“妖魔”矿的主要元素之一钴,将在未来显示出更加重要的作用。

【参考资料】

1、 文章《陶瓷中的蓝:一抹“钴”元素的艺术演变》,澎湃网。

2、 论文《金属元素钴应用范围及用途的重要性》,作者王善胜,《工程科技》

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