钽铌父女的一场较量

柴占丽

内蒙古大学化学化工学院，呼和浩特010021

1 序幕

在元素的国度里，住着这样一对父女，他们分别叫做钽和铌。作为父亲钽爸的体重更大(原子序数为73，位于第六周期VB族，外层电子结构为[Xe]4f145d36s2)；相比之下女儿铌铌的体重略轻(原子序数为41，位于第五周期VB族，电子结构为[Kr]4d35s2)，他们都来自于铌钽矿，如图1所示。

图1 铌钽矿石

有一天，女儿铌铌突然问爸爸：“爸爸，我是怎么来的？你又是从哪来的？我为什么会是你的女儿呢？”钽爸露出慈祥的微笑，缓缓答道：“我的名字钽，来自于拉丁文，意思是旦塔勒斯(Tantalus)，他是希腊神话中的超级英雄，而你的名字铌也是来自拉丁文，意思是尼奥婢(Niobe)，正好是旦塔勒斯的女儿。为什么这样起名呢，这又是一个更长的故事了。”

“1801年，英国化学家查尔斯·哈切特(Charles Hatchett)在研究伦敦大英博物馆中收藏的铌铁矿时，分离出一种新元素的氧化物，并命名该元素为Columbium (钶)，它是你的旧名字。1802年，瑞典化学家埃克伯格(A. Ekeberg)在钽铁矿中发现另一种新元素Tantalum (钽)，也就是我。刚开始，由于我们太像了，大家都认为我们是同一种元素。直到1844年，德意志化学家罗斯(H. Rose)详细研究了许多铌铁矿和钽铁矿，成功将我们分离，才澄清了误会，并给你起了一个新名字Niobium (铌)[1]。”

铌铌露出恍然大悟的表情，说道：“怪不得叔叔阿姨们都说，我不光跟你长得一模一样，性格也特别像。”钽爸一脸骄傲地说：“要不怎们说你是我亲闺女呢。看看咱俩，体型一样(共价半径均为235 pm；离子半径～0.64 Å (1 Å = 0.1 nm)；晶格类型为体心立方，晶格常数为～330 pm，摩尔体积为10.84 cm3)[1]，笑容一样(电负性Ta～1.6，Nb～1.5)，就连性格都是一样的坚强(高硬度、高熔点>2700 °C、低膨胀、强抗腐蚀性，对盐酸、浓硝酸、氢氧化钠甚至“王水”都无动于衷)[2]。”

铌铌又不解地问道：“咱们这么像，让别人怎么区分呢？”钽爸答道：“你虽然很像我，但我们也有很多不同，而你是独一无二的，你有很多我没有的闪光点。”铌铌却不太自信了：“我感觉我有的你也有了，而你没有的我也没有。”听到这里，钽爸决定跟铌铌展开一次“比试”，让她意识到自己的独特性。比赛采用电脑出题的方式，共分为三个回合。

2 第一回合

电脑出题：除去你们的相似性外，谁能说出更多的差异性，交互回答，每次一个，答不出者输。

钽爸想率先做个示范，说道：“我的密度是16.65 g·cm−3，而你的密度是8.57 g·cm−3，这一方面我们的差异最大。”

铌铌得到爸爸的启发，也想到一个：“我穿着漂亮的银白色套装，而你的服饰是丑丑的深灰色。”

轮到钽爸：“虽然我们的熔沸点接近，但是我的熔点是3269 °C，沸点是5690 °C，都比你的约高500 °C。”

铌铌已经进入状态，很快说道：“我的超导转变温度高达9.22 K，远高于你的4.38 K，在金属单质中独占鳌头。”

钽爸也不甘示弱，紧接着说道：“别看我这把老骨头，还是最坚硬的呢！我的硬度可达6-6.5，在硬质家族中，我的老哥们碳化钽的硬度是最高的，能抗得住3800 °C以下的高温，可以与金刚石匹敌，寿命更是比碳化钨更长[3]。所以说姜还是老的辣，骨头还是老的硬。”

铌铌也琢磨出一个新的差异：“我的热中子俘获截面小到1.15靶恩，是你的1/20，这一性质让我在众多金属姐妹中鹤立鸡群。”

钽爸发挥年龄和经验优势，说道：“我们的化学性质也不同。在价态种类方面，虽然我们都是+5价最稳定，但是你有Nb2O5、NbO2、NbO三种稳定的氧化物，而我只有Ta2O5是稳定的；在变价方面，你比我较易还原，且你易被还原成3价，而我只能还原到4价；你对氧的亲和性较强，而我的金属性更大。”

铌铌年龄太小，实在想不出了……

电脑显示第一回合结果：鉴于铌铌未能接上，钽爸阐述的差异性更多。本回合钽爸胜，目前比分：父/女= 1/0。

3 第二回合

电脑出题：既然二位存在众多差异，请在3 min时间里说出你们不同的“兼职”(应用)？

“这一轮该我先了！”铌铌着急地喊道，“我在电容器厂做过兼职，我的小伙伴们大多具有介电常数小、压电性高、频率常数大、密度小等优点，被分派到红外线、激光和电子公司里。还有就是，我的熔点高，发射电子能力强，并具有吸气能力，在电子管和电真空器件车间也干过活儿[4]。”

“说到电容器方面的兼职，我可是资历最老的。”钽爸不慌不忙地道，“我的皮肤特别容易生成致密的氧化膜，具有单向导电的阀金属性质，因此用我制成的电容器，具有电容量高、体积小、漏电流小、等效串联电阻低、高低温特性好、使用寿命长、可靠性好等众多优点，于是我经常游走在通讯、计算机、汽车、家用电器、仪器仪表、国防军工等工业和科技部门[4]。”

“嘿嘿，老爸你的这些兼职都好老土啊！”铌铌骄傲地说道，“在我们引以为傲的航天事业中，我可是出了不少力呢！由于我的热强合金具有良好热强性能、抗热性能和加工性能，被广泛用于制造航空发动机的零部件、燃气轮机的叶片[4]。现在的最新战机和航空航天飞机上都有我的身影！”

钽爸被吐槽老土，却不反驳，继续倚老卖老：“由于我具有高度耐蚀性、良好的强度和加工塑性，让我成了资深老裁缝，可以帮助化工设备缝制外套。很多无机酸、石油炼制的外套都是我做的，非常耐穿。”

铌铌撇撇嘴，反驳道：“老爸，别忘了，我也继承了咱们家这门祖传的手艺，而且我的外套又便宜又时尚，购买的人越来越多呦！”

这时，钽爸也想到新兴领域：“我被人类称为亲生物金属，是由于我具有更优异的生物相容性，加上我们固有的化学稳定性和抗生理腐蚀性，常常被医院叫去帮忙，我可以帮助修复整牙和颅骨、辅助神经修复/刺激装置和心脏起搏器等[3]。这份救死扶伤的兼职让我非常骄傲！”

铌铌紧接着说道：“虽然我和爸爸都加入了超导金属朋友圈(28种)，但是我具有最高的超导临界温度，可达18.5-21 °C，我的好朋友Nb3Sn，是制造8.0-15.0 T超导磁体的最主要材料[3]。因此，在超导性能上，我是最棒的！”

没等钽爸说话，铌铌继续说道：“因为我具有较高的熔点和耐蚀性，更重要的是我有相对小的热中子俘获截面，这让原子能工业署里的叔叔阿姨非常喜欢我，铀也来找我做朋友，因为我可以帮他制造反应堆的放热元件。”

钽爸一直冥思苦想，终于又想到一个新的，说道：“近些年来，我在催化领域有了一份新兼职，因为我的简历特殊——独特的电子构型、超强的氧化还原性能以及极高的稳定性，让光电催化领域的大佬们对我很是青睐。”

铌铌继续补刀：“老爸，这个也不算新了，我早就开始了，我的好多化合物同学都具有独特的层状结构和良好的光吸收能力，加之良好的稳定性，使我在催化上的简历更加漂亮——具有良好的催化活性、选择性及稳定性。”

没等钽爸想到新的兼职，铌铌又开始抢答：“炼钢是我最重要的工作，我的85%-90%的时间都用来生产铌铁。我是钢的微合金化元素的佼佼者，实际上钢中只需加入0.03%-0.05%的我，便可使屈服强度提高30%以上[3]。于是与钢铁相关的产业，如输油输气管道、汽车船舶工业、铁路运输、建筑工业等，都与我建立了长期战略合作伙伴关系。”

电脑统计第二回合结果：鉴于铌铌阐述的兼职工作多达7项，超过钽爸的4项，本回合女儿胜出，目前比分：父/女= 1/1。

4 第三回合

电脑出题：在实际应用中，谁的性价比更高？

钽爸鉴于上回合的失利，本轮决定奋起直追，坚定地答道：“闺女，我吃的盐比你走的路都多！我的各方面性能都优于你，例如我的熔沸点都比你高出500多摄氏度，密度和硬度更是你的2倍，在化学稳定性方面也要高于你，作为铂的替代元素，我是第一，你只能排第二。谈到性价比，我的性能占有绝对优势。”

铌铌到现在已经信心满满了，不慌不忙地说道：“老爸，还有句老话叫做‘长江后浪推前浪，前浪被拍在沙滩上’，呵呵！在性能上我也有很多突出特点，比如较高的超导转变温度，更低的热中子俘获截面，更优的热强性能等，所以我们在性能上各有千秋，不相上下。但在价格上，我具有绝对优势。在地壳中，我们都主要来源于铌钽矿，而在我大中华，铌钽矿主要有内蒙古包头的白云鄂博矿、内蒙古扎鲁特旗的花岗岩型铌矿、湖北竹山庙垭铌钽矿、陕西华阳川铀铌铅矿和江西宜春的铌钽矿等[2]。但是在铌钽矿中我的含量是老爸你的17.3-17.6倍，原料价格是你的1/3-1/5，所以无论是在何种应用领域，性价比方面，我的价格都绝对碾轧你！”

电脑计算第三回合结果：综合考虑价格和性能，铌铌的优势更加明显，本回合铌铌获胜，最终比分：父/女= 1/2

5 尾声

三个回合的比赛结束了，电脑公布了最终比分，女儿铌铌以1分优势胜出。铌铌开心地扑到钽爸怀里，说道：“老爸，你说得对，我真的是独一无二的，我太开心了！我今后会更加努力的，让越来越多的人看到我的魅力！”而输了的老爸露出欣慰的笑容，柔声道：“爸爸也跟着你一起加油，让世界都能看到咱们爷俩的风采!”