|
Anh được đăng kư ở
đâu? - Không có ǵ quá đáng - Những người
láng giềng nổi máu ṭ ṃ - Bưu kiện
từ bờ sông Côlumbia - 150 năm sau - Hai phát
minh - “Lấy lại khẩu cung” - Để ghi
nhớ nữ thần buồn rầu - Những người
thích columbi đành ḷng với số phận - Như
bóng với h́nh.
Đến giữa thế kỷ trước, người
ta đă phát hiện được vài chục
nguyên tố hóa học. Song tiếc thay, lúc
bấy giờ, mỗi nguyên tố vừa không có
nổi một “căn pḥng riêng cho ḿnh”,
vừa không được đăng kư “hộ
khẩu thường trú”. Măi đến năm
1869, khi mà Đimitri Ivanôvich Menđeleep xây dựng
xong “ṭa nhà nhiều tầng” cho hệ thống
tuần hoàn của ḿnh th́ tất cả các nguyên
tố đă được t́m ra cho đến lúc
bấy giờ mới có nơi trú ngụ.
Khi phân phối “diện tích nhà ở”, công lao
của các “cư dân tương lai” đối
với khoa học kỹ thuật cũng như
“thâm niên công tác” của chúng đều không
được chú ư đến. Người ta
chỉ tính đến những tính chất
của các nguyên tố (mà trước hết là
khối lượng nguyên tử), những thiên hướng
và sự tương đồng với các “láng
giềng” gần gũi nhất. Ở đây, các
mối liên kết (dĩ nhiên là các mối liên
kết hóa học) cũng đóng vai tṛ quan
trọng. Để tránh những sự va chạm
có thể xảy ra, các “cư dân” có “tính
nết” và “cách nh́n nhận cuộc sống”
khác nhau th́ được sắp xếp sao cho càng
xa nhau càng tốt.
Ở “cổng” thứ năm (tức là nhóm
thứ năm), tại căn hộ số 41 trên
tầng năm (chính xác hơn là ở chu kỳ
thứ năm), có một “chàng” mang cái tên
rất đẹp: Niobi, đến cư trú. “Chàng”
là ai vậy? “Chàng” sinh ra ở đâu?
... Hồi giữa thế kỷ XVII, tại lưu
vực sông Côlumbia (Bắc Mỹ), người ta
đă t́m thấy một khoáng vật nặng, màu
đen, có những đường gân mica lóng lánh
như vàng. Cùng với các mẫu đá được
thu nhận từ nhiều nơi khác nhau ở Tân
đại lục, khoáng vật này (về sau
được gọi là columbit) được
gửi đến viện bảo tàng Anh Quốc.
Được coi là một mẫu quặng
sắt trong danh mục các hiện vật, khoáng
vật này đă nằm trong tủ kính trưng bày
của viện bảo tàng ngót 150 năm. Nhưng
rồi đến năm 1801, nhà hóa học
nổi tiếng thời bấy giờ là Charles
Hatchett đă để ư đến khoáng vật
đẹp đẽ này. Phép phân tích đă cho
biết rằng, trong nó quả thực là có
sắt, mangan, oxi, song cùng với những nguyên
tố này c̣n có một nguyên tố nào đó chưa
biết, tạo nên một chất có các tính
chất của một oxit axit. Hatchett đă
gọi nguyên tố mới này là columbi.
Một năm sau, nhà hóa học Thụy Điển
là Anđre Guxtap Ekebec (Andres Gustav Ekeberg) lại t́m
thấy một nguyên tố mới nữa trong
một số khoáng vật ở xứ Xcanđinavia,
rồi ông gọi nó là tantali để ghi nhớ
một nhân vật thần thoại. Có lẽ tên
gọi này tượng trưng cho những khó khăn
(những “cực h́nh của Tantan”) mà các nhà hóa
học đă trải qua khi họ thử ḥa tan
oxit của nguyên tố mới này trong các axit.
Những tính chất của tantali và của columbi
tưởng như hoàn toàn đồng nhất, và
nhiều nhà hóa học, kể cả Becxêliut danh
tiếng, đă quả quyết rằng, ở
đây không có hai nguyên tố khác nhau, mà chỉ
có cùng một nguyên tố là tantali thôi.
Về sau Becxêliut đă tỏ ra nghi ngờ cách nh́n
nhận trên đây. Trong một bức thư
gửi cho người học tṛ của ḿnh là nhà
hóa học Friđric Vuêle (người Đức),
ông đă viết: “Tôi gửi trả lại anh
cái X của anh. Tôi đă cố gặng hỏi nhưng
nó chỉ đáp một cách lảng tránh. Tôi
hỏi: “Cậu là titan chăng ?” Nó trả
lời: “Vuêle đă nói rằng, tôi không
phải là titan”. Tôi cũng xác định như
vậy. “Cậu là ziriconi ư? ” Nó trả
lời : “Không. Tôi ḥa tan trong xút, c̣n đất
chứa ziriconi th́ lại không làm điều
đó”. - “Cậu là thiếc phải không ?” -
“Tôi có chứa thiếc, nhưng rất ít” -
“Thế cậu là tantali à ?” - Nó đáp
lại: “Tôi là bà con với tantali. Nhưng tôi
lại ḥa tan từ từ trong kali hiđroxit
rồi kết tủa thành một chất màu nâu
vàng”. Tôi lại hỏi: “ Thế cậu là
thứ quỷ quái ǵ vậy?”. Khi đó, tôi
cảm thấy rằng nó đă trả lời:
“Người ta không đặt tên cho tôi”. Tuy
nhiên, tôi không hoàn toàn tin là tôi đă thực
sự nghe thấy điều đó hay không,
bởi v́ nó đứng ở bên phải tôi, mà
tai phải của tôi th́ nghe rất kém. Do thính giác
của anh tốt hơn của tôi, nên tôi gửi
trả anh đứa trẻ ranh mănh này để
anh làm một cuộc lấy khẩu cung mới
với nó...”
Nhưng ngay cả Vuêle cũng không làm sáng tỏ
được những mối quan hệ qua
lại giữa các nguyên tố do Hatchett và Ekebec phát
hiện ra. Măi đến năm 1844, sau những
cuộc khảo cứu đầy khó khăn
tiến hành trong gần mười lăm năm
trời, nhà hóa học người Đức là
Henrich Rôze (Heinrich Rose) mới chứng minh
được rằng, khoáng vật columbit có
chứa hai nguyên tố khác nhau là tantali và columbi mà
ông đặt cho cái tên mới là niobi (theo
thần thoại Hy Lạp, nữ thần buồn
rầu và đau khổ Nioba là con gái của
Tantan). Song ở một số nước như
Mỹ, Anh tên gọi ban đầu của nguyên
tố này là columbi vẫn được giữ
lại trong thời gian dài. Cho đến năm
1950, hiệp hội quốc tế về hóa
học thuần túy và hóa học ứng dụng
đă quyết định chấm dứt t́nh
trạng mỗi nơi một cách gọi như
vậy và đă đề nghị các nhà hóa
học trên toàn thế giới thống nhất
gọi nguyên tố này là niobi.
Thời gian đầu, các nhà hóa học Mỹ và
Anh đă ra sức t́m cách hủy bỏ quyết
định này - một quyết định mà
họ cảm thấy không công bằng, nhưng
lời phán quyết đă dứt khoát rồi, không
thể khiếu nại được nữa.
Thế là “những người thích columbi”
đành phải vui ḷng với trận đ̣n này
của số phận, và trong các tài liệu
về hóa học của Anh và Mỹ đă
xuất hiện một kư hiệu mới: “Nb”.
Sự chung sống của niobi và tantali trong thiên
nhiên do những tính chất hóa học rất
giống nhau của chúng đă ḱm hăm sự phát
triển của công nghiệp về kim loại này
trong một thời gian dài. Măi đến năm
1866, nhà hóa học Thụy Sĩ là Gian Saclơ
Galixac đơ Mariniac (Jean Charle Galissar De Marignac)
mới đưa ra phương pháp công nghiệp
đầu tiên để tách rời hai nguyên
tố hóa học “sinh đôi” này ra khỏi
nhau. Ông đă lợi dụng độ ḥa tan khác
nhau của một số hợp chất của hai
nguyên tố này: tantali florua phức không tan trong nước,
c̣n hợp chất tương ứng của niobi
th́ lại ḥa tan trong nước tương đối
dễ. Cho đến gần đây, người
ta vẫn sử dụng phương pháp của
Mariniac dưới dạng đă được hoàn
thiện. Song hiện nay, các phương pháp
mới hữu hiện hơn đă thay thế nó
- đó là phương pháp tách có chọn
lọc, phương pháp trao đổi ion và phương
pháp tinh cất các halogenua.
“Một tiền gà ba tiền thóc”cũng đáng
- Trong cái rủi có cái may - Một sự thừa
nhận - Những việc quan trọng - Sự giúp
đỡ của chân không - Không sợ giá
lạnh - Sự nhầm lẫn dẫn đến
một phát minh.
Cuối thế kỷ XIX, nhà hóa học Pháp là Hăngri
Muatxan (Henri Moissan) đă điều chế
được niobi nguyên chất bằng phương
pháp nhiệt điện: dùng cacbon để
khử niobi oxit trong ḷ điện.
Hiện nay, việc sản xuất niobi kim loại
là một quá tŕnh phức tạp gồm nhiều
giai đoạn. Đầu tiên phải tuyển
quặng niobi, rồi nấu chảy tinh quặng cùng
với các chất trợ dung (natri hiđroxit, natri
hiđrosunfit hoặc natri caconat), sau đấy th́
ngâm chiết kiềm. Kết quả là niobi hiđroxit
và tantali hiđroxit không tan sẽ lắng
xuống. Tách hai hợp chất “sinh đôi” này
ra khỏi nhau, lúc đó niobi sẽ ở dưới
dạng oxit hoặc clorua. Bằng cách khử các
hợp chất này ở nhiệt độ cao
sẽ thu được niobi ở dạng
bột, rồi biến bột này thành kim loại
đặc để tiện gia công.
Để niobi bột trở thành niobi đặc,
phải làm như sau. Ép thứ bột ấy dưới
áp suất lớn để tạo thành những
thỏi phôi có tiết diện h́nh chữ
nhật hoặc h́nh vuông. Sau đó, thiêu kết các
thỏi phôi này trong chân không qua vài giai đoạn,
và ở giai đoạn cuối cùng th́ nhiệt
độ phải đạt tới 2.350 độ
C. Tiếp theo, niobi được đưa vào ḷ
hồ quang chân không: toàn bộ quá tŕnh biến
quặng niobi thành kim loại kết thúc ở
đây.
Cách đây mấy năm, nền công nghiệp
đă làm quen với phương pháp nấu
chảy niobi bằng tia điện tử. Phương
pháp này loại bỏ được nhiều công
đoạn trung gian tiêu tốn nhiều công
sức như nén ép và thiêu kết. Theo phương
pháp này, người ta cho một ḍng điện
tử mạnh bắn vào niobi bột. Bột này
sẽ nóng chảy và những giọt kim loại
lỏng rơi xuống tạo thành thỏi niobi;
thỏi này lớn dần lên tùy theo lượng
bột nóng chảy, rồi từ từ được
đưa ra khỏi xưởng.
Như các bạn đă thấy, niobi phải
trải qua một chặng đường dài trước
khi được biến từ quặng thành kim
loại. Vậy mà “một tiền gà ba tiền
thóc” cũng xứng đáng: ngày nay, niobi rất
cần cho công nghiệp. Ấy thế mà nó đă
bắt đầu cuộc đời lao động
của ḿnh trong các băi thải.
Mặc dầu điều này quả là một
nghịch lư, nhưng trước đây người
ta chỉ coi niobi là một tạp chất có
hại đối với thiếc, nên khi khai thác
thiếc, những khối lượng niobi rất
lớn đă bị xếp đống để
đấy. T́nh trạng này vẫn diễn ra ngay
cả khi giới công nghiệp đă chú ư đến
tantali nhưng vẫn c̣n thờ ơ với niobi:
khi chế biến quặng tantali, thứ đá không
quặng chứa niobi đă bị đổ vào băi
thải. Tuy vậy, “trong cái rủi có cái may”:
về sau, khi mà giá trị của niobi đă
được con người đánh giá đúng
th́ những đống phế thải ấy
đă trở thành những “mỏ quặng”
niobi giàu có.
Sau khi nhà hóa học người Đức là Vecnơ
Fon Bonton (Werner Von Bolton) điều chế
được kim loại này ở dạng
chắc đặc vào năm 1907, th́ cũng
giống như nhiều bè bạn khó chảy
của ḿnh, niobi đă thử sức ḿnh trong
việc sản xuất bóng đèn điện
với tư cách là vật liệu để làm
dây tóc. Nhưng, như chúng ta đều biết,
chỉ có ḿnh vonfram sống được ở
đây thôi, c̣n tất cả các kim loại khác
đành phải t́m kiếm sự thành đạt
trong môi trường hoạt động khác.
Những ư định đầu tiên sử
dụng niobi làm nguyên tố điều chất
đă nảy sinh vào năm 1925: ở Mỹ đă
tiến hành các cuộc thí nghiệm dùng niobi thay
thế vonfram trong thép gió. Mặc dù những thí
nghiệm này không thành công, nhưng đă nổi
lên một vấn đề quan trọng: niobi
đă lọt vào tầm mắt của các nhà
luyện kim.
Trong năm 1930, tổng khối lượng các
sản phẩm là từ niobi (lá, dây v. v ... ) trên
toàn thế giới chỉ vẻn vẹn ... có 10
kilôgam. Nhưng chúng đă được thừa
nhận ngay, và việc sản xuất kim loại
này cùng với các dạng sản phẩm của
nó đă tăng vọt lên. Niobi đă chứng
minh được rằng, nó hoàn toàn có
quyền được gọi là “vitamin”
của thép. Pha thêm nó vào thép crom, thép sẽ
dẻo hơn, độ bền ăn ṃn cũng tăng
lên. Người ta đă xác định được
rằng, pha thêm một ít niobi (dưới 1 %) vào
thép không gỉ th́ ngăn chặn được
sự khử crom cacbua dọc theo ranh giới các
hạt, v́ vậy mà loại trừ được
sự ăn ṃn sâu vào các tinh thể. Thêm niobi vào
thép kết cấu th́ sẽ nâng cao rơ rệt
sức bền va ở nhiệt độ thấp;
thép sẽ dễ dàng chịu đựng các
tải trọng biến đổi, mà điều
này có ư nghĩa to lớn, chẳng hạn, trong ngành
chế tao máy bay.
Niobi đóng vai tṛ quan trọng trong kỹ
thuật hàn. Trước đây, khi mà người
ta mới chỉ hàn những loại thép thông thường
th́ quá tŕnh này không gặp khó khăn ǵ. C̣n khi
những người thợ hàn bắt đầu
phải hàn các loại thép điều chất
chuyên dùng có thành phần hóa học phức
tạp, như thép không gỉ chẳng hạn, th́
có một vấn đề xảy ra: đó là
mối hàn mất đi nhiều tính chất quư báu
mà kim loại được hàn vốn có.
Vậy làm thế nào để nâng cao chất lượng
mối hàn? Người ta đă thử thay đổi
kết cấu của khí cụ hàn, song chẳng
ích ǵ. Rồi lại thay đổi thành phần
của các que hàn, nhưng vẫn vô hiệu.
Lại thử hàn trong môi trường khí trơ
mà vẫn không đạt kết quả ǵ.
Thế rồi niobi đă đền giúp sức. Có
thể hàn được các loại thép chứa
nguyên tố này mà không phải lo lắng về
chất lượng của mối hàn: mối hàn
không hề thua kém các lớp kim loại xung quanh
không bị hàn.
Thời gian gần đây người ta đă
gặp những khó khăn lớn khi cần
phải tạo nên mối nối vững chắc
giữa các kim loại khó chảy, chẳng
hạn, giữa niobi và molipđen. Trong trường
hợp này, người cứu giúp là ... chân không.
Th́ ra trong chân không, nhiệt độ nóng
chảy của nhiều chất thấp hơn
hẳn so với trong những điều kiện
b́nh thường. Các nhà bác học đă lợi
dụng ngay đặc điểm này để vượt
qua hàng rào “không dung hợp”: hàn các kim loại
khó nóng chảy trong chân không đă thu được
kết quả mỹ măn.
Niobi nổi tiếng rộng khắp trong ngành
luyện kim với tư cách là một nguyên
tố điều chất. Chẳng hạn, nhôm
vốn dễ ḥa tan trong các chất kiềm, nhưng
nếu chỉ pha thêm 0,05 % niobi vào th́ nhôm sẽ
không phản ứng với các chất kiềm
nữa. Nếu pha thêm niobi vào th́ độ
cứng của đồng và các hợp kim
của đồng sẽ tăng lên. C̣n nếu
pha thêm niobi vào titan, molipđen và ziriconi th́ chúng
sẽ trở nên bền hơn và chịu nóng
tốt hơn. Ở nhiệt độ thấp,
nhiều loại thép và hợp kim sẽ gịn như
thủy tinh. Thế mà niobi lại có thể
cứu chúng khỏi chứng bệnh này. Pha thêm
một lượng nhỏ niobi vào sẽ làm cho
kim loại giữ được độ
bền của ḿnh ngay cả ở 80 độ C.
Phẩm chất này hết sức quan trọng
đối với các bộ phận của máy bay
phản lực hoạt động ở độ
cao lớn.
Bản thân niobi rất sẵn sàng tham gia liên minh
với các nguyên tố khác. Khi một hăng ở
Mỹ sản xuất được một
mẻ niobi tưởng như là cực tinh
khiết, th́ những người mua hàng hết
sức ngạc nhiên v́ thấy nó không nóng
chảy ở 2.500 độ C mặc dầu
nhiệt độ nóng chảy của niobi tinh
khiết c̣n thấp hơn một ít. Phép phân tích
trong pḥng thí nghiệm đă xác định
được rằng, trong niobi “cực tinh
khiết” này có chứa một lượng
nhỏ ziriconi. Hợp kim niobi - ziriconi có sức
chịu nóng rất cao đă được t́m ra
một cách bất ngờ như thế đấy.
Pha thêm các kim loại khác cũng làm cho niobi có thêm
nhiều tính chất quư giá. Vonfram và molipđen làm
tăng tính chịu nhiệt của niobi, nhôm làm
cho nó trở nên bền vững hơn, c̣n đồng
th́ nâng cao độ dẫn điện của nó.
Niobi nguyên chất có độ dẫn điện
kém hơn đồng khoảng 10 lần. Nhưng
hợp kim của niobi với 20 % đồng th́
lại có độ dẫn điện cao, đồng
thời lại bền và cứng gấp đôi so
với đồng nguyên chất. Liên kết
với tantali, niobi có khả năng chịu
được axit sunfuric và axit clohiđric ngay
cả ở 100 độ C.
|
|