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「稀土戰爭」的起點:七種元素因這個村莊而被發現!

  • 本文授權轉載自領研公眾號
  • 编译/谢汝雨 杨心舟@环球科学

今年是元素週期表誕生 150 周年,已經有 118 種元素在這張表上找到了屬於自己的位置。在第 Ⅲ 族副族裡,有一群特殊的元素,它們又被稱作稀土元素,是當今各種高科技領域是必不可少的金屬元素。而其中 7 種元素都因一座村莊而發現,4 種都以村莊的名字命名。

一座因元素出名的村莊

離斯德哥爾摩不遠的 Resarö 島上,有一個叫做伊特比(Ytterby)的村莊,它是化學史上有舉足輕重的地位。在化學家中,都存在一種對該村莊的誇張描述:

元素週期表可以分為兩部分,一部分叫 Ytterby 元素,另一部分叫其他元素。

儘管伊特比只是一個小村莊,其對元素週期表的貢獻非常大,世界其他地方能發現 2 個元素的都屈指可數,但在伊特比就直接產出並根據 Ytterby 命名了4種,而還有 3 種也是因該地的一塊礦石才得以被發現,也就是說這塊土地讓元素週期表上拓展了 7 種元素。

當然要在一個地方同時發現如此多的元素,和元素的性質有很大關係。伊特比區域發現的這些元素都屬於稀土金屬,稀土金屬有一個很大的特點,就是其是由許多元素混合在一起組成的,當你獲得一塊天然的稀土金屬,基本上就獲得了幾種不同的元素。而伊特比就是這麼一個地方,富含稀土礦藏。根據考古學家推測,在上一個冰川期結束時,冰川消融帶走了該區域大部分表層土壤,因此這些底層的稀土礦藏就暴露出來,很容易被開發。

伊特比採石場。圖片來源:Wikipedia

最初,伊特比並不是為了採集稀土資源而存在的,其礦場僅僅只是用來尋找一種叫做長石的礦物。長石是用來製作陶瓷的重要原料,馬可波羅於14世紀初期將陶瓷引進至歐洲後,歐洲人開始瘋狂地愛上了這種實用且高效的舶來品。幾百年來這裡的礦工都會從挖出的礦藏中選出長石,其他的就當做廢棄物直接倒掉,直到1787年,Seva炮兵團中尉卡爾.阿克塞爾.阿倫尼烏斯(Carl Axel Arrhenius)注意到了長石採礦場中一塊棄置的黑色礦物碎片,他將其送給了化學家朋友約翰.加多林(Johan Gadolin)進行分析。後來,這塊碎片成了意義非凡的礦石:人們從此開始對稀土元素展開了長久的探索。

一塊改變元素史的礦石

卡爾本身的工作其實和礦石沒太大關係,但事情很奇妙,他在瑞典皇家鑄幣廠工作時認識了研究礦石的化學家Peter Jacob Hjelm,卡爾也耳濡目染地對化學和礦物產生了興趣。因此當他在礦場發現這塊從未見過的黑色礦石後,直覺告訴他這塊礦石並不普通,他將其以發現地伊特比村為名,叫做「ytterbite」石塊(現已知為矽鈹釔礦),並送給了加多林檢驗。

這塊礦石上端黑色部分,就是當年中尉發現的物質ytterbite,中文名矽鈹釔礦。圖片來源:Joshua Howgego

收到樣品的加多林經過認真分析,發現樣品中約有 38% 為某種金屬氧化物,他將該氧化物命名為「yttria」。這一刻開始,稀土金屬中的元素開始逐漸浮現在了元素週期表中。為了直觀地展示村莊名 Ytterby 是如何變成元素名的,我們可以看下最先發現的 4 種稀土元素的名稱,它們分別是yttrium(釔),terbium(鋱),erbium(鉺),ytterbium(鐿),幾乎都是選取了村莊名的部分。

之後加多林多次對礦石進行了分析,他最終確定這塊礦石的氧化物成分為氧化釔(Y2O3),這也是最早被發現的稀土金屬化合物,加多林在 1794 年發表了這項結果。然而,Y2O3還不是元素,直到 1828 年,Friedrich Wöhler 通過鉀還原氯化釔得到了釔元素。元素週期表上 39 號位元的釔元素,終於安頓下來了。

從 1787 年這塊礦石被發現,到釔元素聞名於世經歷了兩百年。1987 年高溫超導體誕生,它在極低的溫度(-180℃)下也具有強磁性,這個溫度對於常規超導體來說已經很高了,因此它也被應用於精密的核磁共振的設備中。而這種高溫超導體就用到了釔元素(實際為釔鋇銅氧化物),至此釔的商用價值也被逐漸開發出來。

一連串稀土元素

因為稀土元素同屬於第Ⅲ副族,它們的原子結構很相似,而其中的 15 種鑭系元素的最外層電子軌道完全一樣,區別僅在於次外層電子。這些相似的電子排布會讓這些金屬的化學性質很相似,幾種稀土元素經常紮堆出現,很難進行分離。因此,當年從伊特比村裡發現的矽鈹釔礦中提取的釔並不純粹,還含有其他稀土元素。

來自伊特比村莊的七種稀土元素發現史

1843年的時候,卡爾·古斯塔夫·莫桑德爾(Carl Gustaf Mosander)分析了礦石中的Y2O3成分,他發現礦石並不是只由氧化釔構成的,其還含有氧化鉺(Er2O3)和氧化鋱(Te2O3),他將這些氧化物依次用伊特比村莊命名為 yttria、erbia 和 terbia,相對應的,3 種金屬的名稱就是 yttrium(釔),erbium(鉺),terbium(鋱)。

鉺和鋱都是從矽鈹釔礦中分離出來的,但它們的顏色並不一樣,釔呈現出白色,鉺呈現出粉紅色,鋱則呈現出黃色,因此從顏色上就能很好地區分這三種元素,如果你買到了一些粉色或者玫瑰色的玻璃狀物體,裡面很可能就含有鉺。如今,鉺被用在一些皮膚科或牙科中使用的鉺鐳射機器中,因為其不會穿透人體,可以針對性地治療皮膚和牙齒疾病。而鋱經過硫酸化後,能夠產生黃綠色的螢光,因此被應用于顯示幕發光系統中。

1878 年,瑞士化學家馬利克納(J.C.G.Marignac)從鉺中分離出一種新元素,他同樣以伊特比為該元素起名為 ytterbium(鐿),鐿元素最出名的是其被應用在了原子鐘中。隨後在 1879 年,瑞典化學家尼爾森(L.F.Nilson)採用馬利克納的方法從鉺中分離鐿,並分別測量兩種元素的原子量。結果尼爾森測的鐿原子量卻比馬利克納測得的輕,他認為這是鐿中混有其他原子量較小的元素造成的。尼爾森繼續分離鐿,發現了鈧,克裡夫從鉺中分離出鈥和銩。至此,從卡爾中尉拿到這塊黑礦石,到元素全部解析出來,歷經了近百年。

伊特比村莊釔路上的一座房子圖片來源:Joshua Howgego

在伊特比發現的七種元素不僅僅是元素週期表上的珍寶,更是構成先進技術的基礎:釔的導電電阻幾乎為零,構成了高溫超導體的一部分;鋱用於風力發電機的儲能;鉺摻雜的光纖放大器能補償通訊系統中的光損耗,稀土金屬在這些高科技領域的優良表現使得其成為了控制世界經濟走向的一大因素。正是由於其稀缺性及不可替代性,稀土元素也成為各國長期博弈的焦點。

而如今,伊特比礦區已經成為了高級住宅區,昂貴的房子矗立在以自然元素命名的街道上,原先的礦入口貼著 ASM International society頒發的紀念牌,這片相繼發現了七種稀土元素,並命名了其中四種元素的沃土已逐漸變換了模樣。

參考來源

  • Д.Н.特立豐諾夫,В.Д. 特立豐諾夫.化學元素發現簡史[M]北京:科學技術文獻出版社,1986:133-139
  • https://www.newscientist.com/article/2194112-the-village-where-more-elements-were-discovered-than-anywhere-else/
  • http://www.slate.com/articles/health_and_science/elements/features/2010/blogging_the_periodic_table/ytterby_the_tiny_swedish_island_that_gave_the_periodic_table_four_different_elements.html
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Ytterby
  • https://blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2016/10/15/the-ytterby-elements/

本文授權轉載自領研公眾號,原文標題:一座改变化学史的村庄:7种元素从这里诞生,它是“稀土战争”的最初起点


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