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第3章 各显其能:化学元素故事(2)

1811年的一天,法国的制硝技师库尔特瓦斯像往常一样,在家中做由硝酸钠转为硝酸钾的实验。当他将海藻灰溶液和硝酸钠混合后正要进行蒸发时,不慎将旁边一个盛有硫酸的瓶子碰倒了,当过量的硫酸流入海藻灰溶液中时出现一种十分奇异的现象:一股股紫色的气体如同美丽的彩云,冉冉升起,其气味既难闻,又呛鼻。库尔特瓦斯认为这紫色的气体一定可凝结成滴滴的液珠,他急忙用玻璃片去盛接,可是这紫色的气体遇冷后并没有凝成液珠,而是变成了紫黑色的、闪烁着金属光泽的颗粒固体。

现在看来,这是很简单的化学反应,即海藻中的碘化钾和碘化钠跟硫酸作用生成了氢碘酸,这氢碘酸被硫酸氧化而游离出碘。

库尔特瓦斯被这一从未见到过的奇异现象吸引住了,他便一头钻进自己的实验室,夜以继日地对这种气体进行实验和研究。最后,他认为这紫色气体是海藻中含有的一种尚未被人们所认识的新元素。

为弄清这种新元素,库尔特瓦斯还邀请了两位化学家共同进行研究。经过两年的努力,他们终于弄清了这一新的元素,并在1813年11月29日宣告了新发现的元素———碘(希腊文意思是紫色)。

在西方,对于碘的发现,还有一个有趣的传说,说碘是由小花猫“发现”的。原来,库尔特瓦斯不慎碰倒的那个装硫酸的瓶子,并不是他本人碰翻的,而是由在他肩上的一只小花猫突然跳下来而碰翻的,从而引发他研究发现碘。果真如此的话,也只能说在碘的发现中,是小花猫“帮助”了化学家而已。

1913年,在碘元素发现100周年之际,库尔特瓦斯家乡的人们在他的诞生地建立一座纪念碑,后又把一条街道命名为库尔特瓦斯大街,以追念他在科学上的重大发现。

奇妙的懒惰气体

19世纪80年代,英国有一位叫瑞利的物理学家正在进行气体的一系列实验,其目的是精确地测量各种气体的密度。他的实验是从氢气开始的,接着是氧气、氮气……为从氢气中得到纯的氮气,他采取让空气通过许多仪器装置的办法,把空气中的二氧化碳、氧气和水蒸气都吸收掉,最后测得氮的密度是12572克/升。瑞利为验证这个数据,他又从氨气中分离制得的氮气来进行测定,测得氮的密度是12505克/升。这比空气中取得的氮气轻00067克/升。经反复实验测定,这00067克/升的差距依然存在。于是,他又从尿素、二氧化氮等物质中分离出氮进行测量,结果测得的密度值都和氨气分离出的氮一样,都比从空气中分离出的氮气的密度少00067克/升,他百思不解,陷入困惑之中。

一天,瑞利在实验室里看到刚收到的新一期杂志《自然》,忽然想到,何不去封信给杂志社,请求帮助呢!于是,他提笔写了一封信,信中写道:“……我对最近测得用两种不同的制取方法取得的氮气密度的结果很惊讶,我得到不同的数值,两者相差约千分之几,虽然相差不大,但它在实验误差范围之外。是由于气体的性质不同而引起的?还是别的什么原因?如果读者之中谁能给予指出,我将十分感激。”《自然》是一份有很高声望的科学类杂志,不仅在英国,而且在全世界都有一定的影响。可是信发出很长时间后,仍没有任何回音。

在这段时间里,瑞利并没完全等待,也在积极地分析和思考。他也曾设想过几种解释:1由空气制得的氮气可能含有氧气;2由空气制得的氮气或许含有臭氧似的N3分子;3由氨制得的氮气可能含有氢气;4由氨制得的氮气可能有若干氮分子离解成原子了。以上四种解释都缺乏实验根据,不具说服力,因此,也都被他一一推翻了。

这时瑞利想到了他的朋友,伦敦大学的化学教授拉姆赛,并向他求教。对此,拉姆赛也解答不出来,但拉姆赛被瑞利这种锲而不舍、一丝不苟的精神所感动,决定和他一起从实验中去寻找答案。

他们经过了两年多的反复实验研究,终于发现原来在空气中还存在着一种未知的气体,它的密度约是氮气的一倍半。这样就可解释为什么从空气和氨气分别取得的氮气密度会不同了。为进一步证实所得的实验结果,他们又对这种气体进行了光谱分析,结果发现它既有氮的光谱线,又有红色和绿色的各组明线,这是当时已知元素的光谱所没有的,这再次确认了它是一种未知气体,而从实验得知,这种气体的化学性质极不活泼。

1894年8月13日,英国科学促进会在牛津召开会议,瑞利和拉姆赛在会上报告了这一新发现,最后根据会议主席马丹的建议,把新发现的气体叫做“氩”,希腊文是“懒惰”的意思。这就是氩的由来。

躲在矿泉水里的“双胞胎”———铷和铯

德国化学家本生靠着一盏瓦斯灯———本生灯和一架分光镜———三棱镜,废寝忘食地在寻觅新的元素。

1860年5月的一天,本生偶然得到了杜尔汉矿泉水。这种矿泉水是医生开给许多病人当药吃的,它又苦又咸。他随即把它蒸发、浓缩……最后取出一滴送进灯焰里,习惯地开始搜寻起新元素来……起初,分光镜没有向他提出任何特别的报告,只是说杜尔汉矿泉水中有钠、钾、锂、钙、锶等一些熟悉的元素。

本生作为一个精细的分析化学专家,没有就此罢手,他有着寻找新元素的坚定不移的信念。他想,既然杜尔汉矿泉水中含有许多已知元素,那它们的谱线一定过于明亮。加上其中钙和锶的各色谱线,条数又多。因此,一滴矿泉水里,如果含有微量的未知元素,它的微弱的光谱,可能就分辨不出来,必须把钙、锶、锂提走。于是,他开始了提纯工作。最后溶液里只剩下钠盐、钾盐和没有提尽的极少的锂盐。

他从提纯过的液体里取了一小滴,送进灯焰里。当他往分光镜里窥视时,“谦虚地”躲在钾、钠和锂的谱线当中的两条陌生谱线,映入他的眼帘。“浅蓝浅蓝的”,本生喜出望外,立即为他发现的新元素取了名字———铯,它的原意是浅蓝色的。

不久,本生便从44万升杜尔汉矿泉水中提取到7克铯盐。

本生取一点不太纯的铯盐放到灯焰里验证,结果分光镜上又出现了几条暗红色的谱线。难道还有新的元素?本生反复做了起来……直到1861年初,本生又从杜尔汉矿泉中提取到10克铷盐,并为它取名为铷。铷的拉丁文是暗红的意思。

这样,本生几乎同时发现了躲在矿泉里的两种新元素———55号和37号。

7克和10克,这点点备用品,实在少得可怜,可是在本生手里却有很大的作为。他从17克物质得到许多种化合物,又研究了它们的一切性质。原来它们性质极其相似,酷似孪生兄弟。是的,纯净的铷和铯都是银白色的金属,含有杂质时则略带黄色。它们都很软,富有可塑性,又很易熔化。它们的化学性质非常活泼,在空气中会像黄磷一样自燃,放出玫瑰般的紫色光芒。如果把它们投入水中,会剧烈地与水作用,放出氢气,发生燃烧甚至爆炸。正是因为它们这般不“老实”,平时都被“关”在煤油里,与空气、水等隔绝。

铷和铯最可贵的性质,是它们具有优异的光电性能,号称长“眼睛”的金属。它们一受到光的照射,就会被激发而释放电子。人们利用这一特性,把金属铯或铷喷镀在银片上,制成光电管。因此它们在冶金、电视、电影、通讯等领域中都有重要用途。

与德国同名的“锗”

元素锗的英文名字是“Germanium”,原意是德意志,即德国的国名。为什么锗能与德国的国名联系在一起呢?这要从元素的发现说起。

锗元素的发现者是德国分析化学家文克列尔。文克列尔的父亲科德,是贝采里乌斯的学生,一位著名的化学家和冶金学家。他开办一座颜料工厂,厂中建立了一个设备相当齐全的冶金实验室。正是这个实验室把文克列尔塑造成了一位知名的分析化学家。

文克列尔读书期间,尤其是假期,经常待在父亲的实验室里。他学会了一套熟练的分析技术。1857年,他进入佛日堡矿业学院学习,1873年,担任该校的化工和分析化学教授。1885年,该校的矿物学教授威斯巴赫在学校附近的一个矿井中发现一种矿石。他邀请文克列尔做定量分析。经过分析后,文克列尔得出的分析结果是:Ag为7472%,S为1713%,FeO为066%,ZnO为022%,Hg为031%,总含量却少了7%。因此他断定这7%的成分一定是一种未知元素的硫化物,要么怎么用常规的方法分离不出来呢?他又选用了一种新的定性分析方法,确定了这种新成分应属于砷、锑、锡的那一组。他把这种矿石的细粉,与碳酸钠及硫黄混合,一起熔化,又用水浸取熔块,滤去残渣,然后用盐酸中和到微酸性。这时析出了一些沉淀,但经检查却令他失望,原来那是硫黄。可是,当他滤去硫黄,并往滤液中加入浓硫酸时,溶液中竟出现了像雪花一样的白色絮状物徐徐沉入瓶底。其实这种白色沉淀就是硫化锗。他将这种沉淀物干燥后,放到氢气流中加热,新元素终于离析出来!这是一种灰黑色的金属粉末,挥发性较锑低,但其氯化物的挥发性极强。这个新元素恰巧是伟大化学家门捷列夫预言的“类硅”元素,所以引起了科学界的轰动。文克列尔的名字一下传遍了整个科学界。此时,他没有忘记养育他的祖国,就为它取名为“锗”!

坦塔罗斯的苦难

埃克伯格是位擅长分析化学的化学家。一次,他接受分析斯堪的纳维亚岛的一种矿物的任务。照理说,一种矿物质在他的手下,应该是迅速得出化学组成答案的。可是,这回不同往常,他发现,这种矿物含有一种未知的成分,弄得他丈二和尚摸不着头脑。他实验、分析、翻阅文献……都未查到。于是他想尽办法将它提取出来,这种银白色的金属是什么呢?难道是一种新的金属元素?经过实验研究,他发现这种金属的确是一种新元素。为它取个什么名字呢?他不由得想起对这种元素进行化学性质检测的曲折经历,在硝酸和盐酸中都无动于衷,即使在王水中加热到900℃,也根本不起任何变化……实验一个接着一个都失败了。他想到这儿,脑中又浮现“坦塔罗斯的苦难”这个故事:一天,宙斯的宠儿小亚细亚国王坦塔罗斯想取悦于参加他的宴会的众神,把自己的亲生儿子佩洛普斯的肉拿给他们吃。众神被他的野蛮所激怒,决定判决坦塔罗斯经受口渴、饥饿和恐惧的折磨,坦塔罗斯被罚站在海中。水深及他的下巴,在他头顶上低垂着硕果累累的树枝。可是,每当坦塔罗斯口渴张开嘴喝水时,水就从嘴唇下退去;当他饥饿难忍伸手摘水果时,风就把树枝吹向高处,一直吹到他够不着的地方。在他头顶上悬挂着的巨大石块,每时每刻都可能砸下来……当然,这是一段神话故事。可是,故事中的坦塔罗斯的遭遇,自幼就铭刻在埃克伯格的心上,他十分敬佩这位英雄,所以就为这种新发现的元素取名为“钽”。钽的希腊文原意就是这段神话中英雄的名字———坦塔罗斯。

当时,研究钽的性质的确很不容易。它的化学活性很差,其化学稳定性胜过玻璃和陶瓷,可与铂相媲美,非常耐腐蚀,是最耐高温的金属之一,熔点高达2996℃。

现在,钽在工业、医疗等领域都有着广泛的应用。在实验室里,可以用钽作电极、蒸发皿和一些反应器皿,在生产化学纤维时,可用钽代替价格昂贵的铂制造喷丝模;它还可以制造天平的砝码、外科器械、自来水笔尖、留声机唱针、钟表弹簧等;由于钽具有吸收氧、氮、氢等气体的特殊本领,因此,在制造真空管和真空仪器时,都用它作为吸气剂;此外,钽还具有“亲生物”的特性,如果用钽条代替折断了的骨头,过了一段时间,人体的肌肉居然会在钽条上生长,犹如真正的人的骨头一样,钽是外科医疗上不可缺少的金属元素。

猎人的发现

在很久以前,有一位猎人,他经常出没在赞比亚的一个偏远山区。一天,他又来到这里狩猎,可是半天过去了,却一无所获。正当他要返回家中时,一只白羚羊突然从树丛中跑了出来,他喜出望外,急忙拔箭朝羚羊射去,真是箭无虚发,羚羊中箭跌倒在地。然而负伤的羚羊,又从地上爬起,拼命逃跑,最后终于因体力不支躺倒在一块岩石上。猎人赶到那里,拾起血迹斑斑的羚羊,突然发现岩石上有一团蓝绿色、带丝绸光泽的斑痕,像孔雀羽毛那样鲜艳美丽。他把这块美丽的石头带回家中,当作宝石珍藏起来。

后经科学家鉴定,这块石头为孔雀石和石青的复合石。孔雀石的主要成分是CuCO3·Cu(OH)2,鲜绿色;石青的主要成分是2CuCO3·Cu(OH)2,深蓝色。二者都是铜矿石。于是地质学家沿着猎人的足迹,发现了世界闻名的赞比亚铜带,找到了大自然赋予赞比亚人的地下宝藏。从而使赞比亚这个贫穷落后的小国,开始富裕起来。铜和赞比亚人民结下了不解之缘!

铜是人类在古代就发现了的金属元素,具有广泛的用途。纯净的铜是紫色的金属,俗称“紫铜”、“红铜”或“赤铜”。它富有延展性,能拉成细丝,也能压延成几乎透明的箔。纯铜的导电性能非常好,仅次于金属银,是电气工业的“主角”!铜还可制造许多合金,如黄铜便是铜与锌的合金,青铜便是铜与锡的合金,白铜则是铜与镍的合金……黄铜声响效果好,所以可以用它做锣、钹、铃、号和风琴、口琴的簧片等;青铜做成的轴承是工业上著名的“耐磨轴承”;白铜可用于制造精密仪器。近年来,铜虽然在某些方面逐渐被铝所替代,但它仍不失为一种重要的金属。据统计,现代工业上生产100吨的钢铁,大约需要生产1吨铜来配合。铜的重要化合物硫酸铜是著名的无机农药,氧化铜则是无机黏合剂的重要原料……铜不仅是重要的工业原料,它和动植物也有着密切的关系。土壤内缺了铜,植物就长不高,结的果实也很少;家畜缺了铜,会掉膘脱毛……它是动植物必需的七大微量元素之一。所以,铜不仅在赞比亚是神圣的,而且在全世界都享有盛名!

有毒的“杀生草”

1275年,意大利旅行家马可·波罗旅行途经中国西北部,发现那里出产一种质量非常好的大黄,十分兴奋,不由得在那多停留了几天。一天,马可·波罗的坐骑随同当地的马群,到荒山上食草,结果回来后,坐骑突然发病,四蹄溃烂,鲜血淋淋,惨不忍睹。由于坐骑病因不明,无法医治,马可·波罗只好自叹晦气,匆忙离开此地。

其实,马可·波罗的坐骑根本没有得病,是吃了一种有毒的野草所致。原来,在这冈峦起伏的大山里,生长着一种有毒的野草,也曾毒死过当地不少牲畜,不过,天长日久人们对它都十分熟悉,就连当地的牲畜也懂得分辨它,总是对它避而远之,所以当地人称它为“杀生草”。

杀生草为何能使人畜中毒,甚至死亡呢?那时,人们根本不知其中的奥秘。可现在却真相大白,在杀生草中作怪的是化学元素硒!

的确,硒是有毒的化学元素,而且它的化合物也均有毒。每人每天摄取的硒,如果高于02毫克,就可能出现腹泻和神经官能症等中毒反应。

畜禽在高硒区放牧或投喂过量硒,都会引起硒中毒。美国通过大量实验,规定饲料中硒浓度以010~020ppm为宜,若超过5~10ppm,则会发生慢性或急性硒中毒。慢性中毒使畜禽出现食欲减退、呕吐、消瘦贫血、磨牙、迟钝无力、掉毛、关节僵硬变形等症状;急性中毒则使畜禽尿频、腹痛、瞎眼、痉挛和瘫痪,严重的常因呼吸困难窒息而死。

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