“钒”人之旅
2022-10-20武凡博王宇
武凡博，王宇
哈尔滨工业大学化工与化学学院，哈尔滨 150001
一片白光。无声无息。背后传来冰冷的硬邦邦的触感。撑起身子，握了握手，恍惚之间，突然发现我什么也想不起来。我是谁？我在哪里？我为什么会失忆？这一切究竟是怎么回事？
正当我发懵时，一男一女来到我面前。我好奇地打量着他们，有一些熟悉感。
“不必拘谨，我是铌，41号元素。那个戴眼镜的元素是钽，73号元素。我们现在并不是处在人类世界，而是在元素世界里。”叫做“铌”的女人介绍道。
“我们两个是专门帮助你找回记忆的引导者。”被称为“钽”的人接着解释。
“既然如此，那你们清楚我的身份吗？”我忐忑地问道。
“嗯，你的名字叫钒(Vanadium)，23号元素钒。”铌说。
“钒？……我是……钒(Vanadium)？”听到这句话，恍然间，脑海中好像有记忆一闪而过。
1 热心快肠，仪态万方
1.1 旧忆：交友
“初次见面，你好，我是钒，可以交一个朋友吗？”
“啊……啊啊好，好的。我是铁，你好。”叫做“铁”的元素回过神来，如此说道。
随即，聊了几句后，“钒”开心地跑走了，然后又去找其他元素打招呼去了。
“你好，我是钒！”“很高兴认识你，我的名字是氮。”
“你好，我是钒！”“我是铝。”
“啊，啊很高兴认识你。”“……”
钒真是一个热情好动的孩子呢，我这么想。
1.2 逐忆：个性
等回过神来的时候，我们走出了门外，铌已经开始介绍了。“钒你的人缘可是很好的，让很多其他元素都很羡慕。你和几乎所有元素都是朋友，比如韧性强度很好的钒铁合金、机械性能很好的钒氮合金、抗腐蚀性能很好的钒铝合金等……”
原来我是这样一个人啊，那记忆中的那个人是我吗？我突然意识到一个问题，“等一下，你们如何确信我是钒呢？”
钽笑了笑，“是你的衣服。”
“我们身上穿的衣服就像身份证一样。不同元素的衣服是不一样的。”顿了一顿，钽继续说道：“衣服上的扣子是主要用于区分的对象，你的外套有两个扣子意味着你在人类世界中最外层有两个电子。而身上衣服的数量是由未充满电子的电子层决定的，你有两件衣服，就说明你有两个电子层未达稳定的满电子结构，即价电子的3d轨道和4s轨道。”
“由于咱们三个是同一族的元素。虽然铌有些许不同，但咱们三个的衣服，无论是内层还是外层，款式其实都很相似，衣服的厚度则能区分在同族元素的周期数，因此根据每个元素所穿的衣服，就能准确确定他的身份(图1)。”
图1 钒、铌、钽的价电子排布示意图
说罢，我们走到了一个房间，上面写着“性质测试”四个字。铌说道：“测试不会对你造成任何影响，休息一会儿就能复原，这对你找回记忆会有所帮助。”
走进屋子，首先朝我走来的是几位美丽的小姐。被称为盐酸和硫酸的小姐微笑着先后伸出手，我也慌忙伸手回应。
“没有变化呢。”两人对视一眼笑着说道。
“看来你在常态下抗酸性很强啊，是个抗腐蚀的苗子。”另一个人说道，“我是硝酸，你好。”
“你好。”我懵着握手。
突然，感觉到一丝变化，随着握手力量的增大，我突然发现，我衣服的颜色正在逐渐变化！银白色的衣服逐渐变成美丽的蓝色，蓝色逐渐加深，但最后变成了黄色。并且，最外层的衣服变得透明，内层衣服的款式也变了，11颗扣子变成了8颗！
我恍然间明白了，我正在和硝酸发生化学反应。
“我记得钒的不同价态会呈现不同的颜色。”铌说。
为此，又找来了给电子能力很强的锌，我和锌分别牵着盐酸的手，此时，那种异样感又袭向我。紧盯着自己的衣服，还是刚才的黄色，但一会儿后，衣服的款式发生了变化，黄色逐渐消失，变成了刚才最开始出现的蓝色！随后，衣服的款式和颜色再次变化，扣子又多了一个，同时衣服又变为了绿色。在我感叹时，衣服内层的扣子恢复成11个，随后衣服神奇地变成了淡雅可人的紫色(图2)。
图2 不同价态钒离子的颜色
看着我被这一连串的颜色惊艳到的神情，钽笑道：“或许你不记得你的名字来源了，当年塞夫斯特伦发现你的时候，也是被你的多样颜色吸引，因此才用希腊神话里的美丽女神凡娜迪丝(Vanadis)来给你命名(Vanadium)。”
随后和碱先生们测试，结果显示好像我只与熔融的强碱才容易反应。
在屋子里走完一圈，我对自己终于有了一些了解，最让我惊奇的还是这衣服，既能体现自己的性质，还是“身份证”。
“对了，你知道你自己家族的化合物吗？”出了大门，铌问道。
我摇了摇头。
钽笑了一下：“走，去放映厅，我们来带你回忆一下钒的重要化合物吧，就从最知名的五氧化二钒开始。”
五氧化二钒？我脑海中记忆的碎片又一闪而过。
2 志在四方，家族荣光
2.1 旧忆：壮志
“钪作为稀土元素，未来被重视程度将大大提高。”“钛及其合金是未来最理想的金属材料之一。”“铁与铜，人类历史的最大推动者。”……诸如此类的话深深烙印在一个少年心中。看他的衣服，毫无疑问，他也是钒。
自己同辈们的成绩过于耀眼，让这个钒十分不甘。托不锈钢和锰钢的福，铬和锰的知名度也远高于钒，此刻想着与自己朝夕相处的小伙伴们，落差感油然而生。
“钒元素的意义，由我来续写！”少年立下如此誓言。
少年钒选择了成为五氧化二钒，披上橙黄色衣服，走向人类世界。
2.2 逐忆：家族
走在路上，钽介绍道：“常见的钒氧化物有四种，分别是+2价的氧化钒(VO)、+3价的三氧化二钒(V2O3)、+4价的二氧化钒(VO2)和+5价的五氧化二钒(V2O5)。其中灰色的氧化钒和棕黑色的三氧化二钒不稳定，在空气中就容易被氧气氧化，故应用有限，一般都是作为精细材料的中间体以及用于制作有色玻璃。而二氧化钒和五氧化二钒比较稳定，用途就多了起来。”
进了放映厅，巨型屏幕上放起了视频，那是一个穿着橙黄色衣服的人，旁边则站着硫酸小姐。那人笑着说道：“我是五氧化二钒，工业制硫酸可少不了我。硫酸她们的原料是二氧化硫，而低价的二氧化硫被氧气氧化为高价的三氧化硫可不容易，我们就是这一步的催化剂[1]。”
画面一闪，又一个穿着深蓝色衣服的人缓缓开口：“我是二氧化钒，是钒化合物的一颗新星，由于我的相变温度很低[2]，因此在光电转换材料、光储存材料、电子设备上有很大应用前景[3]……”
铌切换了一段视频，这一次是一个身着白衣的青年：“我是偏钒酸铵，钒酸盐的代表。钒酸盐一向以形态多样和色彩变换出名。”说着，他打开了pH喷头，然后衣服颜色逐渐变浅。“在碱中我是无色的，但是如果改变pH的话……”转动开关，只见他的衣服染上了一抹夕阳般的橘红，“此时我的形态变成了多聚态，当变为十钒酸根离子时，就会有这样的颜色，而如果pH减小至2，我将以五氧化二钒的形态脱离溶液。”确实，现在他的衣服变得和五氧化二钒一模一样，但他没有就此停手，再次减小pH后，衣服最终变为了柠檬黄色，我认得这个颜色，这是刚刚VO+2的颜色[4]。”
“我们氮化钒，是由五氧化二钒作为中间体得到，主要是制作合金的。”一个叫做氮化钒的人在影片里说道，“如果向钢中加入钒会得到钒钢，仅仅百分之几，就能使钢的强度、韧性大大增加，耐高温抗奇寒，耐磨损抗撞击，在各种高端、重要领域均有很大应用。而我们氮化钒，即钒氮合金是新型合金添加剂，使钢达到相同程度，可以节约30%-40%的钒资源。”
……
铌看着我被感动的样子，又认真地说道：“此外，钒还有一个近几年来最为重要的方向，有无数科学家和学者一直在设计、研究、改进这个领域，如果他们成功了，会极大地改善人们生活。”
“那是……什么？”
“钒——电——池。”钽一个字一个字地说出来。
突然，脑袋嗡的一下，恍惚间，我好像又窥探到了一些尘封的记忆。
3 艰难抉择，能源有我
3.1 旧忆：抉择
“钒电池！”一个青年模样的钒双手撑着桌大声说道。
“人类那边已经构想出了钒电池的可能性和可行性，并且优点十分突出，一直以来，都是锂妹妹她们在电池领域不断奉献着，但锂她们的人本来就没那么多，再这么长期撑下去恐怕坚持不了很长时间。是咱们出场帮助锂她们的时候了！”
“只是……”青年钒瞬间表情一变，语气也随之低沉下来，“只是现在钒电池还在研发阶段，还有一些不足，这份抉择，很可能让走这条路的钒，一事无成……”
“大哥，不用说了。”台下其中一个钒说道，“我们都明白。比起我们自己的价值，对整个钒元素的价值和对人类的价值更重要不是吗？”其他钒眼神坚定，也点了点头。
3.2 逐忆：电池
我愣住了，那个青年……是我吗？
“看来你很快就要恢复记忆了。”铌说。
休息了一会儿，我们走到资料室，铌打开书架上的一本书说：“钒电池，一般指钒氧化还原流电池(VRFB)，是指阴阳极采用不同价态的钒作为电解液。其中，你们钒家的4个价态离子全部上阵，正极有+4价的VO2+和+5价的VO+2帮忙，负极则是+2价的V2+和+3价的V3+，他们都浸在硫酸里。”
钽翻开另一本书，指着上面的图(图3)说道：“与一般电池不同的是，钒电池的电解液储存在远离电池的外部容器中，靠的是泵进行抽出和流动，因此阴阳极的交叉污染很低。当电池充电时，阳极的VO2+被氧化为VO+2，同时阴极的V3+被还原为V2+；而放电的时候，反应朝着相反方向进行。你们钒工作得十分卖力，能量转化效率在70%甚至能达到90%以上！”
图3 钒电池的工作原理及结构[5]
“那还真的不得了。”我讶异道。
“是啊，只要增加电池个数和电极面积，就能增加功率；只要增加电解液体积，就能增加容量；并且正负极的电解液完全分开，自放电少，寿命很长，可轻松充放电循环上万次，同时也因此安全性高，不会因电解液混合而发生火灾和爆炸，也不会产生污染或温室气体。”
“那钒电池有没有什么缺点呢？”我歪了歪头问道。
“有的，”钽回应，“钒电池最大的就是适用温度的问题。V2+、V3+、VO2+在低温容易在硫酸中析出，而VO+2在高温容易析出，就使得一般钒电池的工作温度局限在10-40 °C范围内。与此同时，氧化还原流电池的能量密度普遍较低，电池的体积较大，不便于携带。”
“而且啊，五价VO+2氧化性太强，长时间容易腐蚀离子交换膜，而二价V2+的还原性太强，长时间又容易被氧气氧化。”铌抬起双手，耸了耸肩。
“不过，随着人类学者和你们钒的付出与努力，很多缺陷都已有大的改进突破。比如，有些科学家通过对电极改性和压缩电极来提高能量密度，也有科学家通过在硫酸中加入盐酸或甲基磺酸在增加电池的工作温度区间。还有学者通过调节钒离子和硫酸浓度来减缓V2+被氧化的过程[6]。”
“估计不久的将来，钒电池就能有更广泛的应用啦，你们和锂电池各有千秋(表1)，未来有望共同为人类创造美好的未来！”铌接着说。
表1 钒电池与锂电池的比较
走出资料室，突然眼前出现一扇门，抬头一看，是我最初醒来时的地方，应该是叫“元素大殿”吧，推门进入，熟悉的一切。记忆又再次袭来。
4 记忆复苏，平“钒”伟大
我看到了那个热情的小男孩逐渐长大、变老，最后笑着走进了高温的熔炉；我看到了那个有志少年无数次连接起氧原子和二氧化硫，在生命的最后骄傲地走进回收池[7]；我看到了那个青年钒将自己的一辈子奉献给了钒电池的研究，最后在储液罐中微笑着闭上了眼睛。
我，我是我回忆里的所有人。我记忆中的那些钒、那些不同面孔，就是我自己——或许说，是我的前世。
元素不是用一次就消失的，人类会回收各种元素，使他们处在不断的轮回中，这些生命走到尽头的钒，在被人类回收后，重新诞生了我这个一无所知的少年。
谢谢你，像那个小男孩一样热情的所有钒，正是因为你们，钒在各种工业领域才能发挥作用、也都有建树，才能和各种元素并肩前行，因而获得“金属维生素”的美誉。
谢谢你，像那个少年一样满怀壮志的所有钒，无论你们将来选择了哪一条路，正是因为你们，对其他物质的诞生、对各种反应的帮助，对新型仪器的设计，才有了无可替代的贡献。
谢谢你，像那个青年一样勇于付出的所有钒，没有你们和人类化学家的共同努力，钒电池不可能进展得这么快，正是因为你们，元素们和人类才能有更辉煌更美丽的明天。
我是钒，平“钒”亦伟大。
