“锰”元素现形记

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-04-12

作为与医学精神科联系最紧密的元素之一,锰元素真正被人们所认识只有240多年历史……

  曾经,一则关于电水壶的消息在网站、微博、微信朋友圈中疯传。大致内容是,一种由高锰钢材料制成的不锈钢电水壶,在加热过程中会使“锰”析出,长期使用会对身体造成伤害甚至变傻,建议市民在选用此类产品时认准“304不锈钢”材质。于是,有的网民在宣传怎么选壶,有的网民则长篇累牍地解析这则消息的可靠性,一时之间闹得不可开交。其实,高锰钢中所含的锰元素,是人体必需的微量元素之一,对人体骨骼的正常生长发育有重要作用,但人体长期超标摄入锰,会造成一定损害,如记忆力减退、嗜睡、精神萎靡不振、神经功能紊乱等症状。作为与医学精神科联系最紧密的元素之一,锰元素真正被人们所认识只有240多年历史……

“假化石”说起

  公元1770年夏天维也纳城人凯姆对朋友处得来的几块“假化石”入了迷。他本是城里的一名教师,业余喜欢捣鼓矿石等东东。他得到的“假化石”,石面上有树枝状的印痕,密密麻麻的,咋一看还以为真的化石呢。

  经验丰富的凯姆很清楚,这些“假化石”看起来像化石,但不是化石,而是一种黑色矿石“假化石”主要由沼泽、湖海等形成的沉积物形成。这种矿石已经被人们运用了上千年。作为人类自古以来就熟悉的黑色矿石,“假化石”在玻璃制造中发挥惊人的作用。凯姆出生的两百多年前,意大利科学家比林古乔(注一)在《火法技艺》一书中说,如果在“假化石”中加入透明的物质,就会染成美丽的紫罗兰色。玻璃工人用“假化石”给玻璃着色,陶瓷工人用它为自己的工艺品绘出紫罗兰图案。此外,“假化石”还有一种特殊的性能:当它和熔融的玻璃熔合时,能使玻璃净化,并把玻璃变成无色透明,而不是变成绿色或黄色

“假化石”软锰矿(网络图)

可以给玻璃着色的“假化石”(网络图)

  “这个可以以假乱真的家伙,到底什么化学元素组成的?”那时,世界上大多数科学研究者都对化学元素研究感兴趣,凯姆也不例外。

  为了弄清“假化石”的奥秘,善于思考的凯姆进入实验状态。他把“假化石”和两份黑的混合物放在坩埚里加热,得到了一种有光泽面的晶状脆性金属。他发现,这种金属断面有从蓝到黄等各种色调的虹彩。

  凯恩断定这种晶状脆性金属是由一种很有用的元素构成,但具体是什么元素金属块是单质还是化合物,这些问题一直没弄清。后来,他把实验过程和结果写成论文,发表在维也纳的一份科学杂志上。

黑白镁之辨

  一年多后,在离维也纳不远的瑞典国内,化学家伯格曼看到凯恩那篇关于“假化石”的论文时,一拍大腿,跳了起来。他一边在实验室来回踱步,一边自言自语:“‘假化石’就是黑镁,肯定没错!”

  伯格曼口中的黑镁,是当时许多化学家醉心研究的矿石之一。小亚细亚的马格仙西亚镇盛产两种矿藏:黑镁和白镁。管人们都知道黑镁具有让玻璃脱色的功能,但没有人认为它就是“假化石”。

  经过多次实验,结合凯恩的论文,伯格曼确定白镁是氧化镁,而“假化石”就是黑镁;黑镁中含有一种新元素。同时他还指出,作为一种新型的金属氧化物,黑镁不能和焙烧的石灰混合,也不能和白镁混在一起。很显然,凯恩只是对“假化石”提出质疑,而伯格曼已经确认“假化石”含有新元素。

马格仙西亚镇盛产的白镁:氧化镁

马格仙西亚镇盛产的白镁:氧化镁(网络图)

  伯格曼的研究到此为止。因为探求新元素不是他的研究方向。不过,他在当年发表的论文中提到的马格仙西亚镇的拉丁文managnese,将继续发挥作用。

素终现形

  伯格曼有个很要好的朋友,就是大名鼎鼎的瑞典化学家舍勒(注2。正醉心研究新元素舍勒毫不犹豫地接过朋友的大旗,决心让这种新元素现形。公元1774年,舍勒向斯德哥尔摩科学院提交了一篇名为“假化石”元素的性质》的论文里面正式提出“假化石”中含有一种新金属元素的观点

  论文发表没多久,舍勒得知本国另一位化学家加恩也做过类似的实验。原来,加恩在坩埚的内壁用湿木炭粉涂敷,然后在坩埚中放进油和“假化石”粉末的混合物,一起加热。3小时后,他在坩埚中发现了一颗颗金属晶粒。

  为了早日弄清“假化石”的奥秘,舍勒于当年5月16日寄给加恩一些纯净的“假化石”。同时寄去的,还有一封信:“我焦急地等待着你用‘魔火’加热‘化石’后得到的结果,我希望你能尽快送给我一小块这种金属。

为锰元素命名的科学家舍勒画像(网络图)

让锰最终现形,并为锰元素命名的科学家舍勒画像(网络图)

  一个多月后,加恩回寄给舍勒一部分“魔火”提炼出来的金属。舍勒迅速写信给加恩,感谢他送去的“假化石”“我认为‘化石中所含的金属元素,是一种区别于其它所有半金属的新元素。”舍勒经过研究,得出含这种新元素的金属的共性:这种银灰色的金属像铁,但比铁要软些,熔点比铁低,表面还易生锈,变得灰蒙蒙的没有光泽。他与加恩见面后,提出的这些观点,加恩也表示赞同。

  后来,经过仔细的思考,舍勒决定用马格仙西亚镇的拉丁语(Managnese)来命名“锰”,元素符号取其缩写“Mn”。他进一步提出,“假化石”应该叫软锰矿,其主要成分是二氧化锰

  经过几国科学的不懈努力,“锰”元素终于现形于世!

锰的氧化物,二氧化锰(网络图)

“假化石”的主要成分:二氧化锰(网络图)

  后记

  话说舍勒给锰命名后相当长一段时间,软锰矿及锰元素的用途并不大。当时的科学家认为,纯净的金属锰在人们的眼中没有多少用途,因为它比铁还容易生锈,在潮湿的空气中, 不一会儿就变得灰头灰脑的;此外,锰的熔点也没有铁高,机械强度也远不及钢铁,而价格却比钢铁贵得多。

  100多年后的1882年,英国治金学家罗伯特哈德菲尔德研制出含锰13%的锰钢。锰钢是一种高强度的钢材,主要用于需要承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工况条件,破坏形式以磨损消耗为主,部分断裂、变形。从此,锰的身价大增,在工业建设中大显身手。当然,哈德菲尔德的研究之路颇为曲折。

高强度,承重压的锰钢铸件(网络图)

高强度,承重压的锰钢铸件(网络图)

  后世科学家继续努力,终于弄清了锰的化学性质:作为地壳中广泛分布的元素之一,锰常含少量的水及二氧化硅、氧化铁及硬锰矿它通常呈柱状、针状、纤维状、粒状等晶体。

五星食品级高锰钢水壶

标有五星食品级的高锰钢水壶(网络图)

  当然,人们更需要明白的是,锰本来是一种高度不溶解元素,如果存在于容器材料中的锰如果不与酸性溶液接触,就不会“从锅里跑到饭菜里”;再者,由于人体消化系统对于锰的吸收概率只有1%—5%,绝大部分通过饮食进入到胃肠的锰会排出体外。因为只有明白了这些,才能明白“长期使用高锰钢水壶会让人变傻”这不过是一句谎言而已!

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  注:

        1、 比林古乔(1480~约1539),意大利冶金学家。青年时期曾周游意大利和德国,考察冶金作业,后在铁矿、锻造厂和兵工厂工作。1513年主管造币厂,此后他在威尼斯和佛罗伦萨共和国铸造火炮和修建城堡。1540年,他逝世一年后,著作《火法技艺》才出版。

        2、 卡尔·威尔海姆·舍勒(1742~1786),瑞典著名化学家,1775年当选为瑞典科学院成员。他对氧气、氯化氢、二氧化碳、二氧化氮等多种气体都有深入研究。还发现过钼、钨、锰等金属元素。他也发现了一种与巴氏消毒法很相似的消毒方法。据载,他喜欢亲自“品尝”自己发现的化学元素并因此中过毒。

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