19世紀50年代,住在漢堡城里的德國化學家羅伯特·威廉·本生發(fā)明了一種可以燃燒煤氣的燈,命名為“本生燈”。當把不同的物質(zhì)放到這種燈的高溫火焰里時,火焰會有不同的顏色變化：放入含鈉的物質(zhì),火焰會變成黃色;放入含鉀的物質(zhì),火焰則變成紫色……在物理學家古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫研制的分光儀的幫助下,他們成功地找到了一種可靠地探索和分析物質(zhì)成份的方法——光譜分析法。1861年,利用這種方法在一種礦泉水里和鋰云母礦石中,科學家發(fā)現(xiàn)了一種產(chǎn)生紅色光譜線的未知元素。這個新發(fā)現(xiàn)的元素就用它的光譜線顏色來命名(在拉丁語里,銣的含意是深紅色)。銣的發(fā)現(xiàn)是用光譜分析法研究分析物質(zhì)元素成分取得的第一個勝利。
那么問題來了——“銣”為何物?又該“銣”何得到?它為何“銣”此了得?
“銣”為何物?
銣(Rb)是一種稀有金屬元素,原子序數(shù)37.位于元素周期表中第五周期、第ⅠA族,與鋰、鈉、鉀、銫同屬堿金屬家族,是一種極軟的銀白色蠟狀金屬,其化學性質(zhì)比鉀活潑。在室溫條件下,能在空氣中自燃。其熔點為38.89℃,沸點為686℃,密度為1.532g/cm3(20°C條件下),在地殼中含量約為0.009%,遇水起劇烈作用,生成氫氣和氫氧化銣,即使與溫度低于-100℃的冰亦能發(fā)生反應,并隨之生成氫氣和氫氧化銣。銣在空氣中會很快形成氧化層,失去光澤并自燃生成深棕色的超氧化物RbO2;銣跟氯氣或溴猛烈反應燃燒形成火焰。銣不與氮氣反應,它跟氫氣反應則生成氫化銣。銣的蒸氣在180℃時顯絳紅色,高于250℃時則變?yōu)槌赛S色。純金屬銣通常儲存于密封的玻璃安瓿瓶中(是用于盛裝藥液的小型玻璃容器,容量一般為1~25毫升,具有膨脹系數(shù)小、耐熱性好等特點)。
銣與銫的物理及化學性質(zhì)非常相似,在用途上也相差無幾,絕大多數(shù)情況下兩者可以相互代替。銣的不同特性使其在不同領域中具有不同作用,如易電離性多用于磁流體發(fā)電、離子火箭等;銣原子外層電子的超精細躍遷頻率可用于原子鐘、衛(wèi)星導航、計算機通信等;特殊的生化作用可使其在治療癲癇的鎮(zhèn)定劑中起到作用。由于現(xiàn)階段全球銣需求并不高且與我們?nèi)粘Ｉ罹哂幸欢ň嚯x,因此人們在日常生活中很難感受到它的重要性。目前,銣資源處于“產(chǎn)—銷”兩不旺的尷尬處境,究其原因是因為銣資源的稀缺導致其高昂的價格。美國地質(zhì)調(diào)查局資料顯示：2010年,純度達99.75%的銣的估價為52.33美元/克。價格太高會使得使用者盡量使用代替品,但隨著提取和化合物生產(chǎn)技術的提高,其價格肯定會下降,需求量也會上升。從長遠來看,銣的應用肯定會越來越廣泛,如通信領域中用作光導纖維的添加劑;在能源領域中用作能源轉換與存儲材料;在環(huán)保領域中用于煙氣除硫,等等。
不僅如此,銣還是人體必需的微量元素。銣在自然界普遍存在,以一定濃度存在于動植物體內(nèi)。銣在人體組織中濃度維持不變或隨人體衰老而降低,可刺激或促進生長。在體內(nèi)代謝方面,科學家發(fā)現(xiàn)可能存在銣的平衡和調(diào)節(jié)機制,并能透過胎盤和乳腺屏障供給新生兒。實驗研究發(fā)現(xiàn),銣不僅能影響生長、生殖功能以及腦發(fā)育和腦衰老等,而且還具有抗癌效用。在醫(yī)學上,銣被應用于治療神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、老年性白內(nèi)障等疾病。同時,銣還具有抗抑郁作用。自20世紀60年代后,由于鋰在精神科臨床的廣泛應用,人們對鋰的同族元素銣亦進行了較深入的研究。經(jīng)研究證實,銣與鋰的藥理效應恰恰相反,具有抗抑郁作用。據(jù)此,研究者們建議臨床用銣作為抑郁癥的治療藥物。結果發(fā)現(xiàn),經(jīng)過4周氯化銣藥物治療,70%的頑固性抑郁癥患者療效顯著,且無嚴重的不良反應。
“銣”何得到?
銣在自然界儲量雖大,但可實際應用的資源卻并不多,因此銣的提取就變得至關重要。由于銣是鉀、鋰或銫礦中的伴生元素,常作為鉀、鋰、銫提取時的副產(chǎn)品回收。目前提取和分離銣的技術主要有以下4種：一是分步結晶法,即利用溶液中物質(zhì)溶解度差異而分步結晶的原理來分離和提純物質(zhì),例如,從含銣鋰云母或銫榴石等含銣礦物中提取銣及其化合物,但作為一種傳統(tǒng)方法,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)很少應用;二是沉淀法,銣離子能與某些陰離子反應產(chǎn)生沉淀,通過控制沉淀的條件,如濃度、酸度等,可有效地分離銣與其他雜質(zhì),達到回收銣及銣鹽的目的,此方法可用于粗產(chǎn)品的進一步提純,由于鹽湖鹵水中銣的含量較低,因此很少應用沉淀法從鹵水中提取銣,由于沉淀劑價格高、沉淀物的穩(wěn)定性一般,此法在工業(yè)界應用并不廣泛;三是離子交換法,是從鹵水等液態(tài)資源中提取銣的重要手段,利用離子交換劑(離子篩分材料)中的可交換基團與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來進行分離的一種方法,該方法具有工藝簡單,回收率高,且易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),是非常具有前景的一種方法;四是溶劑萃取法,通過有機萃取液和水溶的銣銫母液相互混合,利用質(zhì)量與密度的不同將兩者分開,該方法既可用于含銣礦物銣的提取回收,也可用于含銣鹵水銣的提取回收,是近年來應用最廣、研究最多、研究進展最快的一種分離回收技術,具有廣泛的應用前景。
> 沸騰的工地 吳節(jié)俤/攝
> 可可托海的瞬間 吳洪杰/攝
銣在全球市場中的應用尚未被充分發(fā)揮。目前銣產(chǎn)品(銣鹽、銣金屬等)的主要消費國家是日本和美國,近20年來日本在銣生產(chǎn)和應用領域中發(fā)展最快,而美國又將80%的銣應用都聚焦在高新技術的開發(fā)上,其余20%用于電子器件、催化劑等傳統(tǒng)領域。2014年,全美消耗銣鹽61 600噸,基本等同于全球的消耗量。據(jù)統(tǒng)計,我國2010—2016年國內(nèi)銣產(chǎn)量從1.5噸發(fā)展到4噸,而其產(chǎn)品消耗量也逐年增加。
雖然全球范圍內(nèi)銣儲量豐富,但因其獨特的性質(zhì),至今仍未發(fā)現(xiàn)單獨的銣礦,其主要是以類質(zhì)同象形式賦存于鉀含量較高的硅酸鹽礦物和氯化物礦物中。銣資源主要包括花崗偉晶巖、天然光鹵石、銫鋰云母、鉀礦、鋰云母、銫榴石、海水、地熱水及鹽湖鹵水,等等。目前的工業(yè)回收方法主要是從花崗偉晶巖中回收銣,其工業(yè)礦物是鋰云母和銫沸石(銫榴石)。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計,全球氧化銣儲量約為341萬噸,其中鹽湖鹵水(死海和大鹽湖)中氧化銣儲量總計109.4萬噸。國外偉晶巖中氧化銣儲量共計18.3萬噸,其中津巴布韋占58%(約11萬噸)、納米比亞占29%(約5.5萬噸)、加拿大占7%(約1.3萬噸)。此外,雖然海水中銣的濃度并不高(0.12毫克/升),但因為總量巨大,仍然不可小覷。國際上,美國、南非、納米比亞、贊比亞等國銣儲量豐富。特別是加拿大Baenic湖沉積物中的鋰云母和銫榴石、智利的Salar de atacama鹵水中均含有豐富的銣資源。我國銣資源相對豐富,儲量約為18.4萬噸,基礎儲量約31.1萬噸,目前已探明氧化銣資源量約195.8萬噸,占全國氧化銣資源量的97%;主要分布在江西、新疆和廣東等12個省份,其中江西宜春是我國最主要的銣供應地(約34%),新疆可可托海則是開采時間最久的地區(qū)。可可托海三號礦更是以“地質(zhì)礦產(chǎn)博物館”享譽海內(nèi)外,是中外地質(zhì)學者心目中的“麥加”,擁有地球上已知140多種礦物中的86種,稀有金屬占到礦山儲量的九成以上,是一座天然的稀有金屬元素儲備庫。
銣金屬具有特殊的化學性質(zhì),可在空氣中自燃。因此,其生產(chǎn)、儲存和運輸必須需采用液體石蠟、惰性氣體或真空條件等方式隔絕空氣,然而這種近乎苛刻的存儲方法也在很大程度上制約了銣在某些領域的應用和開發(fā)。但隨著對銣應用不斷深入的研究,銣在很多高科技領域顯示出了廣闊的應用前景。
“銣”此了得
優(yōu)異的光電性幾乎可稱為銣的最重要的性質(zhì),因此它也被稱為“長眼睛”的金屬。鈣鈦礦型太陽能電池是最新的第三代太陽能電池,區(qū)別于第一代單晶硅電池和第二代多晶硅薄膜電池,其認證效率目前已經(jīng)達到了22.1%,是一種有著巨大潛力的太陽能電池,具有穩(wěn)定、高效、結構簡單、便于批量生產(chǎn)等特點。然而,鈣鈦礦的穩(wěn)定性問題限制了該種太陽能電池的使用壽命。解決這一問題的一個研究方向就是通過摻入構造更復雜的陽離子化合物以提高鈣鈦礦性能。摻入陽離子的目的是用來提高鈣鈦礦的穩(wěn)定性。2016年9月29日在《Science》雜志上發(fā)表的一篇文章稱,將氧化態(tài)銣離子加入到鈣鈦礦中,在小面積上實現(xiàn)了穩(wěn)定效率21.6%(平均值為20.02%,在0.5平方厘米的面積上穩(wěn)定效率為19%)。銣離子的摻入使鈣鈦礦穩(wěn)定地保持了具有光活性的黑色相,在85℃下長達500小時的太陽光照射后仍然保持最初性能的95%。
> 鈣鈦礦型電池
(圖片來源：www.xincailiao.com)
此外,銣原子鐘是全球導航系統(tǒng)裝備最早、數(shù)量最多的原子鐘,被視為導航定位系統(tǒng)的“心臟” 。這顆“心臟”為衛(wèi)星系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時間頻率信號,而頻率穩(wěn)定是整個衛(wèi)星系統(tǒng)導航定位精度的關鍵。
在醫(yī)療領域中,銣鹽則常用于治療甲狀腺腫大,并可作為抗狂躁劑和心境穩(wěn)定劑的藥物。銣的溴化物形式作為抗癲癇藥物用于臨床,并制成碘化物用于治療梅毒。使用銣金屬作為重要制作材料的PET-CT成像設備,除了常規(guī)的X射線造影外,還可以精確地評價冠狀動脈疾病的位置和程度。
> PET-CT成像設備
(圖片來源：www.hedy.com.cn)
此外,在鑄鋁合金中加入0.01%~1%(質(zhì)量分數(shù))的銣可以改善其力學性能。在很多有機和無機合成中,可以用RbO2代替K2O作為助催化劑以提高現(xiàn)有催化劑的催化活性和效率。RbN3被作為氧化劑用于制備紅外煙火藥劑。值得一提的是,有些含銣化合物具有多重性質(zhì),并不局限于一個應用領域,而是可以在多個領域發(fā)揮作用。
總而言之,戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)礦產(chǎn)中的代表性礦種——銣,如今越來越受到人們關注。也許銣并不像鋰那樣廣為人知,也不像鉀、鈉一樣隨處可見,但它卻與我們的生活息息相關——從20世紀60年代它的鋒芒初露,到如今它在各大領域中的必不可少。也許到了將來的某一天,忽“銣”一夜春風來,千樹萬樹梨花開,它必將走進我們的生活,為我們創(chuàng)造出無窮無盡的價值! |
