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钴:手机电池的“功臣”元素

2020-1-2 9:28:24 作者:魏德勇

手机是现代社会每个人必不可少的工具,被形容为“一机在手,走遍天下”。作为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80年代以前,由于电池储量小、性能不稳定等原因,手机未能实现普及,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,这种元素曾经被人视为“妖魔”,令矿工们谈之色变……

矿物里的“妖魔”

头头体育APP“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。

头头体育APP“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,主要讲述了矿物晶体如何区分,矿物如何提炼等,还提到如何防治职业病等内容。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,矿主和矿工们都很信任他,有什么事都喜欢找他帮忙。

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。

头头体育APP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,他与矿工们一样,把这种矿石称为“Kobald”。这个单词来源于日尔曼神话,英文 “koblin”(妖魔)即由它衍生而来。

煅烧出的新元素

头头体育APP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,产生了强烈的好奇心。

布朗特对这种带磁性的矿石重新进行试验: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,发现它常温下不与水反应,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。

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。因此,他断定这是一种未知元素的单质,但却不确定是不是金属元素。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。

头头体育APP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”。若干年后,清朝末年的科学家将“Co”译为“钴”,沿用至今。

头头体育APP钴是不是金属?布朗特的疑问在20多年后才得到科学解答。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。通过进一步研究,他找到了当年矿工们惧怕矿石的原因:那种被称为“妖魔”的矿石,实际上是钴的化合物,化学名为辉钴矿。从辉钴矿的化学式CoAsS中可得知,该矿石含有钴、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As2O3俗称砒霜,毒性很强,挥发性也极强,会让工作场所严重毒化。

头头体育APP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。

头头体育APP古罗马和古希腊人曾用辉钴矿制作深蓝色的玻璃。这种深蓝色既漂亮又特殊,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。用钴制作的蓝色颜料,在唐三彩中被称为“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。

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。

钴在通信领域大显身手始于1980年。这一年里,美国化学家约翰·古迪纳夫发明了钴酸锂电池。这种电池有效解决了伏打电池、钠硫电池储量小,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,被后世科学家形容为“开启了整整一个时代”。

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。地球上的钴总含量约700万吨,但2/3都集中在非洲中部的刚果民主共和国。据地质学家考证,地壳中钴含量本来非常稀少,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。△

网站编辑:宫莉