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“锰”元素现形记

科普小知识2021-09-23 11:56:30
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曾经,一条关于电水壶的新闻在网站、微博和微信上的朋友中广泛传播。一般来说,高锰钢制成的不锈钢电热水壶在加热过程中会导致“锰”析出,长期使用会对身体造成伤害甚至变傻。建议公众在选择此类产品时识别“304不锈钢”。因此,一些网民在宣传如何选择大麻,而另一些人则在详细分析新闻的可靠性,这引起了一阵骚动。事实上,高锰钢中所含的锰是人体必需的微量元素之一,对人体骨骼的正常生长发育起着重要作用。然而,人体长期过量摄入锰会造成一定的损害,如记忆力减退、嗜睡、精神萎靡、神经功能障碍等症状。作为与医学精神病学最密切相关的元素之一,锰仅仅被发现了240年。

谈“假化石”

公元1770年夏天,来自维也纳市的卡姆被他的朋友们得到的一些“假化石”迷住了。他曾经是这个城市的一名教师。他喜欢在业余时间玩矿物和其他东西的游戏。他得到的“假化石”在石头表面有密集的树枝状痕迹。乍一看,他认为这是一个真正的化石。

经验丰富的日本京都电子工业株式会社非常清楚这些“假化石”看起来像化石,但它们不是化石,而是一种黑色矿石。“假化石”主要是由沼泽、湖泊和海洋的沉积物形成的。这种矿石已经被人们使用了几千年。作为人类自古以来就熟悉的黑色矿石,“假化石”在玻璃制造中发挥着惊人的作用。200多年前,当卡姆出生时,意大利科学家比林古乔(注1)在他的著作《火的技术》中说,如果透明物质被添加到“假化石”中,它们将被染成美丽的紫色。玻璃工人用“假化石”给玻璃上色,陶瓷工人用它为他们的工艺品画紫色图案。此外,“假化石”还有一个特殊的性质:当它与熔融玻璃融合时,它能净化玻璃,使玻璃变成无色透明,而不是绿色或黄色。

“锰”元素现形记

能给玻璃着色的“假化石”(网络图)

"这个可以用真的化学元素制造赝品的家伙由什么化学元素组成?"当时,世界上大多数科学研究者都对化学元素的研究感兴趣,金也不例外。

为了找出“假化石”的奥秘,深思熟虑的金进入了实验状态。他将一种“假化石”和两种碳黑的混合物放入坩埚中,加热它们,得到一种表面光亮的水晶脆性金属。他发现这种金属的横截面有从蓝色到黄色的各种颜色的彩虹色。

凯恩得出结论,这种晶状脆金属是由一种非常有用的元素组成的,但他还不清楚具体的元素以及金属块是简单的物质还是化合物。后来,他写了一篇关于实验过程和结果的论文,并发表在维也纳的一份科学杂志上。

区分黑镁和白镁

一年多以后,在离维也纳不远的瑞典,化学家褒曼看到凯恩关于“假化石”的论文时,拍着大腿跳了起来。当他在实验室来回踱步时,他对自己说:“假化石是黑色镁,这绝对是真的!”

伯格曼嘴里的黑色镁是当时许多化学家着迷的矿物质之一。小亚细亚的氧化镁富含两种矿物质:黑镁和白镁。虽然人们都知道黑镁有脱色玻璃的功能,但没有人认为它是“假化石”。

经过多次实验,结合凯恩的论文,伯格曼证实白色镁是氧化镁,“伪化石”是黑色镁。黑色镁含有一种新元素。同时,他还指出,作为一种新的金属氧化物,黑镁不能与生石灰或白镁混合。显然,凯恩只质疑“假化石”,而褒曼已经证实“假化石”包含新的元素。

“锰”元素现形记

氧化镁:氧化镁镇富含氧化镁(网络图)

伯格曼的研究到此结束。因为探索新的元素不是他的研究方向。然而,马那语,在他那年发表的论文中提到的拉丁语单词氧化镁,将继续发挥它的作用。

元素终于成形了。

褒曼有一个非常好的朋友,著名的瑞典化学家舍勒。致力于研究新元素的舍勒毫不犹豫地接过了《老友记》的旗帜,并决心让新元素出现。公元1774年,舍勒向斯德哥尔摩科学院提交了一份题为“假化石”元素的性质的论文,该论文正式提出“假化石”包含一种新的金属元素的观点。

论文发表后不久,舍勒得知另一位国家化学家加恩也做了类似的实验。最初,加恩在坩埚内壁涂上一层湿木炭粉,然后将油和“假化石”粉末的混合物放入坩埚并一起加热。三小时后,他在坩埚里发现了金属颗粒。

为了尽快发现“假化石”的奥秘,舍勒于当年5月16日向加恩送去了一些纯“假化石”。与此同时,另一封信发出了:“我正焦急地等待着你用魔火加热假化石后的结果。我希望你能尽快送我一小块这种金属。”

“锰”元素现形记

最终发现锰并命名为锰的科学家舍勒的照片(网络图)

一个多月后,加恩把从“魔法之火”中提取的一些金属送回给了舍勒。舍勒很快给加恩写信,感谢他的“假化石”:“我认为“假化石”中的金属元素是一种不同于所有其他半金属的新元素。”舍勒的研究揭示了含有这种新元素的金属的共性:这种银灰色金属像铁一样,但比铁软,熔点比铁低,表面容易生锈,变得灰色和暗淡。在与加恩会面后,加恩也同意了这些观点。

后来,经过慎重考虑,舍勒决定用马津西亚镇的拉丁词“马那语”来命名“锰”,元素符号取其缩写“锰”。他进一步提出“假化石”应该被称为软锰矿,其主要成分是二氧化锰。

经过几个国家在科学上的不懈努力,“锰”元素终于出现在世界上了!

“锰”元素现形记

“假化石”的主要成分:二氧化锰(网络图)

附言

软锰矿和锰在很长一段时间内没有被广泛使用。当时,科学家们认为纯锰金属在人们眼中没有什么用处,因为它比铁更容易生锈,在潮湿的空气中,它很快就会变成灰色。此外,锰的熔点并不比铁高,其机械强度也远低于钢,但其价格却远高于钢。

100多年后的1882年,英国冶金学家罗伯特·哈德菲尔德发明了含13%锰的锰钢。锰钢是一种高强度钢,主要用于承受冲击、挤压、材料磨损等恶劣的工作条件。损坏的主要形式是磨损,部分断裂和变形。从那时起,锰的价值大大增加,并在工业建设中发挥了重要作用。当然,哈德菲尔德的研究道路相当曲折。

“锰”元素现形记

高强度高承压锰钢铸件(网络图)

后来的科学家继续努力,终于发现了锰的化学性质。作为广泛分布在地壳中的元素之一,锰通常含有少量的水和二氧化硅、氧化铁和硬锰矿。它通常是柱状、针状、纤维状、颗粒状和其他晶体。

“锰”元素现形记

标有五星食品等级的高锰钢水壶(网络图)

当然,人们需要了解锰最初是一种高度不溶的元素。如果容器材料中的锰不与酸性溶液接触,它就不会“从锅里跑到食物里”。此外,由于人体消化系统对锰的吸收概率仅为1%-5%,通过饮食进入胃肠道的大部分锰将被排出体外。因为只有当我们理解了这些事情,我们才能理解“长期使用高锰钢水壶会让人变笨”。这只是一个谎言!

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注意:

1.比林古乔(1480 ~ 1539),意大利冶金学家。年轻时,他周游意大利和德国,视察冶金作业,然后在铁矿、锻造厂和兵工厂工作。1513年他掌管铸币厂,此后他在威尼斯和佛罗伦萨铸造大炮和城堡。1540年,在他死后一年,《火的技巧》一书出版了。

2.卡尔·威廉·舍勒(1742 ~ 1786),瑞典著名化学家,1775年当选为瑞典科学院院士。他对氧气、氯化氢、二氧化碳、二氧化氮和其他气体进行了深入研究。还发现了钼、钨和锰等金属元素。他还发现了一种与巴氏杀菌非常相似的消毒方法。据报道,他喜欢亲自“品尝”他发现并中毒的化学元素。