Nb - Thứ bốn mươi mốt
Kể chuyện về Kim Loại

 
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.