美國對釩進口啟動「232調查」:釩元素到底是何方神聖?

2020-12-08 騰訊網

新華社華盛頓6月2日報導，美國商務部長羅斯宣布，美國商務部將對稀有金屬釩進口的數量和狀況是否損害美國國家安全啟動「232調查」。

美國商務部表示，釩用於生產金屬合金，也是航天、國防、能源、基礎設施等行業的化學催化劑。作為戰略關鍵性材料，釩在國防和關鍵基礎設施領域應用廣泛，涉及飛機引擎製造、彈道飛彈、能量存儲、橋梁、建築和管道建設等。

被如此「重視」的釩，到底是何方神聖？讓我們來跟隨《自然-物理》主編的介紹，來了解一下它吧！

原文作者：安德烈·塔羅尼（Andrea Taroni）

釩具有豐富的色彩、化學性質，甚至還有豐富的物理性質，是典型的過渡金屬。

為什麼我在大學選擇讀化學可謂是一個謎，連我自己都不大清楚。我了解化學中大部分的基本原則，但其中的細節，如氧化 / 還原、順式 / 反式以及 R/S 構型等，以及它們轉化的方式，似乎專門就是為了讓我感到無所適從的。坦率地說，我並不是天生擅長這一學科。

我記得在實驗室裡，我嘗試實際處理，而不只是單純地知道其存在的第一個元素就是釩。在無機化學實驗中，我合成並分析了五配位絡合物 VO(acac)2（acac是乙醯丙酮），很快它就向我生動地展示了化學能夠多麼色彩繽紛。

「釩奇妙的化學和物理特性都源於其 d 電子的豐富特性。」

和大多數的過渡金屬一樣，釩存在很多氧化態。最常見的是從+2到+5 價的釩，但它甚至能夠展現出–1價乃至–3 價的氧化態（如 V(CO)53–），因此釩可以參與各種類型的電子轉移過程。釩的配位絡合物可以發生金屬向配體的電子轉移躍遷（反之亦然）。當這些躍遷的激發能量處於電磁譜的可見光區域時，對應的光吸收會產生一種強烈的特徵色彩，比如 VO(acac)2的藍色。

通常我們可以通過增加或調換其配體來改變一個金屬的氧化態，這影響了其配位環境，進而改變了配合物電荷轉移躍遷的能量，最終導致配合物的顏色改變。我其餘的本科實驗課程便要求我利用不同試劑，還原我的釩配合物溶液並確定其氧化態。我清晰地記得每一個氧化態改變所帶來的顏色突變，這讓我非常理解為何以「Vanadis」命名這一元素——Vanadis 是主管美的北歐女神，她更常被稱作 Freyja。

事實上，許多過渡金屬化合物都有異常豐富的顏色，這使它們成為理想的顏料。它們豐富的氧化還原化學也是它們在生物系統中應用的關鍵所在（譬如光合作用中的錳）。氧化還原反應當然也是電化學的核心，全釩液流電池已經被設計出來，用以在液體電解質而非電極中儲存能量。這些電池利用V4+/V5+和 V2+/V3+的硫酸鹽水溶液作為陰 / 陽電解質，並用離子交換膜將兩者隔開。

過渡金屬也有令人興奮的物理學現象。當它們以固態形式結合在一起時，會形成凝聚態物理學家口中的強關聯電子體系，一些特別的特性就會顯現出來。

比如鐵的導電性和鐵磁性，它們是自古以來就為人類所利用的兩個例子，例如基於磁鐵礦的指南針。鐵是一個被利用得如此充分，以至於人類歷史上有一個完整的時代都以它來命名。

20 世紀 80 年代中期，人們發現了某些銅氧化物在液氮冷卻下可以變成超導體，這一發現為 K. 阿勒克斯·繆勒（K.Alex Müller）和約翰內斯·格奧爾格·貝德諾爾茨（Johannes Georg Bednorz）贏得了 1987 年的諾貝爾物理學獎。在同一年代，人們發現薄鐵鉻薄膜對外加磁場有巨大的電流響應，這種性質現在被稱為巨磁阻效應，它支撐了大部分的信息存儲技術（阿爾伯特·費爾（Albert Fert）和彼得·格林貝格（Peter Grünberg）因在這一領域的貢獻而贏得了 2007 年的諾貝爾物理學獎）。

所有這些特性都來自於這些體系中電子的不同編排，這些電子似乎有無窮多種排列方式，而材料科學家們現在越來越能夠熟練地操控它們。自然地，第 23 號元素在固態下也顯示了它自己的一系列有趣又有用的特性。例如，二氧化釩是一種典型的被冷卻到室溫以下時會從金屬導體轉化為絕緣體的氧化物。

事實上，這種金屬-絕緣體的轉變可以通過調節一系列外部參數（如壓力、摻雜和外加電場等）來控制。由於這種轉變伴隨著電阻率和透明度的顯著變化，因此二氧化釩已被廣泛應用在塗料和傳感器上。就像其他的過渡金屬元素一樣，釩奇妙的化學和物理特性都源於其d電子的豐富特性。

來源：《自然的音符：118種化學元素的故事》

部分圖源網絡，侵刪

版權歸原作者所有

編輯：張潤昕

《自然的音符：118種化學元素的故事》

作者：[英]施普林格·自然旗下的自然科研

編譯：Nature自然科研

清華大學出版社出版

ps：《自然的音符》出版兩月即入選「得到APP年度推薦TOP148」的榜單，羅振宇老師親錄視頻推薦。

《自然的音符：118種化學元素的故事》由Nature自然科研譯自《自然-化學》（Nature Chemistry）In Your Element專欄。是所有圖書中為數不多的，覆蓋當前全部已發現的118種化學元素的科普圖書，每一種元素都是邀請世界上對它研究深入的科學家之一撰寫，專業權威，生動有趣。適合中學生及以上所有對化學元素感興趣的讀者閱讀。本書由Nature Chemistry高級編輯作序。隨書贈送覆蓋118種化學元素的元素周期表明信片。

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