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[文献] 锂同学的成长之路

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    发表于 2018-9-1 18:13:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

    锂同学是一名就读于地球化学学园金属元素班的小同学。在班级座位表中, 她坐在第一列碱金属小组的第一排, 是在班级的第一小组。


    1817年, 锂同学被J.A.Arfvedson先生在透锂长石矿中发现并加入地球化学学园金属元素班。因为锂同学最早是在岩石中被找到, 所以人们将希腊文中“岩石”一词作为锂同学的名字[1]。


    锂同学身形瘦小, 穿着散发着柔和银白色光芒的外衣。在整个金属元素班里, 她是最轻的一个, 甚至比非金属元素班里除了氢和氦同学以外的其他同学都要轻。因为体重不如其他同学, 她总为自己的身形感到惆怅, 在班级里少了一份存在感和归属感。


    尽管如此, 锂同学并不是一个沉默寡言的小受气包, 而是个开朗的小姑娘。在第一小组里, 她是颇有忍耐力的角色——熔点、硬度都是小组里最高的, 她的熔点达到了179°C, 而小组里熔点排第二的钠姐姐也只有97.8°C[1]。她和其他碱金属同学一样, 生性活泼开朗、慷慨大方, 经常在反应中赠送电子给别人, 因此, 各种元素都愿意与她反应。锂同学能同许多金属和除稀有气体以外的大多数非金属反应。金属元素班上的大多数同学, 除了铁之外, 也都对这个小姑娘十分友好, 她可以很容易地和其他任意一种金属熔合。


    虽然锂同学和元素钠姐姐、钾哥哥等在一个小组, 但是他们的脾气个性却不太像。锂同学不像钠姐姐、钾哥哥那么暴躁霸道, 而更像个平易近人的邻家小姑娘, 她参与的反应比其他碱金属参与的反应要温和许多。锂同学喜欢坐在她右后方的镁同学, 她们脾气个性更相像。比如, 她和镁都能和氮气友好相处生成氮化物, 很多她们的盐、氧化物、氢氧化物也有相似之处, 相像的性格让她们关系很是要好。


    和小组的其他同学相比, 锂同学似乎对氮气有些偏爱, 她是唯一能在常温常压时和氮气直接反应变成氮化物的金属同学, 和她性格相像的镁同学也必须在被点燃时才愿意和性格顽固的氮气反应。


    当锂同学暴露在空气中时, 她的外衣会逐渐失去闪亮的光泽而变暗淡, 这是因为她把电子送给了氮气和氧气, 再加上水的参与, 变成了深紫色的氮化锂和白色的氢氧化锂、氢氧化锂水合物。不过, 如果时间长了, 这条变暗的衣裙又会和二氧化碳作用变成白色, 这是因为又生成了碳酸锂的缘故。


    锂同学的外衣被点燃时会发出蓝色的火焰, 被点燃后的锂同学会把绝大部分电子分给氧气, 自己变成了与氧原子个数比为2:1的“正常”氧化锂, 同时也有少量氮化锂生成。不过, 小组的其他同学在空气中被点燃时却全都“不走寻常路”, 非要霸占着更高比例的氧原子不放, 变成过氧化物、超氧化物等。就这样, 本来产物最“普通”的锂同学, 因为其他所有兄弟姐妹的“霸道”, 在小组里反而成了最“特别”的。


    碱金属小组的同学都不怎么喜欢水, 所以当与水接触时, 他们都会和水分子打上一架, 放出氢气并发出咝咝声响以示不满。若是遇到脾气暴躁的铯同学, 一点儿水就能让她大发雷霆, 放出能产生爆炸效果的氢气, 真是不好惹呢!比起小组其他同学的霸道和泼辣, 锂同学可算是小组里脾气最好的一个了, 她活泼却不焦躁。当块状的锂同学和水发生摩擦放出氢气后, 她会用不溶于水的氢氧化锂把自己包裹起来与水隔开, 平和地解决矛盾。而其他碱金属同学们和水接触变成的氢氧化物都很容易溶入水中, 暴露出的金属表面只会加剧与水的矛盾, 反应得愈加激烈。


    由于锂同学的单电子离她的内核 (原子核) 非常近, 内核的吸引力使最容易给出的电子也变得怠惰、温吞了许多, 这正是锂同学的性格比其他碱金属更温和以及锂同学的化合物表现出一定的共价性的原因。失去一个电子后, 锂同学变成了锂离子, 较高的电荷密度和稳定的电子结构让靠近她的其他离子和分子容易受到她的吸引诱导而产生“变形”。人类把这叫做极化能力, 但元素同学们觉得, 这是他们学园里一种独特的魅力。


    但是, 这样一位可爱的小姑娘却也有着自己的烦恼。相较于她同族的兄弟姐妹, 锂同学在地壳和人体中的含量都非常低, 像钾哥哥和钠姐姐, 不仅是地壳和人体中的常量元素, 而且海水里也处处有他们的足迹。虽然锂同学在很多地方, 如岩石、土壤、盐湖、海水和动植物机体中都留下了痕迹, 但由于含量较少, 最终人们还是把锂同学归为稀有元素[1]。这和同为稀有元素的铷同学和铯同学也还不一样——锂涩涩地想——她们与生俱来的较大原子质量给予了她们贵重感和各种独特的功能。锂同学一直很羡慕同族的兄弟姐妹, 尤其是钾哥哥和钠姐姐, 她常常做着一夜之间长大的梦, 希望能像钾和钠一样, 拥有更高的含量和更多的用途, 让世人瞩目。


    更让锂同学感到失落的是, 她在被发现之后相当长的一段时间里都受到冷落。锂同学只能作为“工业味精”在玻璃、陶瓷、润滑剂、制冷剂、冶金、制药和化学试剂等传统领域被使用。例如, 在玻璃生产原料中加入碳酸锂或锂辉石能让产品透明度提高、膨胀系数降低、耐腐蚀性增强;在医药工程中碳酸锂可用于生产催眠剂、镇静剂及抵抗DNA病毒的药物等[2]。自己只能在少数领域作为无机盐做些简单的工作, 锂同学很沮丧, 她感到在世人眼里自己是一个无法担当重任的幼稚的小女孩, 什么时候才能成熟、独当一面?


    锂同学抬头望着天空, 幻想着那个遥远的梦。


    好朋友镁看出了锂同学的烦恼, 开朗豪爽的她积极地给锂同学提出各种建议。她告诉锂同学, 金属班里每一个成员都是特别的, 锂同学清瘦的身形、与小组成员不同的性格未必是坏事。只要认真探索, 就一定能利用这些特别之处为人们做出更大的贡献。


    得到鼓励的锂同学开始了认真的思考, 并不断地进行尝试。


    锂同学首先在合金领域寻找突破。然而, 她的第一次尝试很快就失败了, 延展性和断裂韧性低、缺口敏感性高、加工生产困难、价格昂贵等缺点让很多人不看好锂同学的尝试, 但锂同学并未气馁而是一直在坚持着。20世纪70年代至80年代后期, 锂同学的尝试有了新的进展, 第二代铝锂合金取代了部分航空航天飞行器中的传统金属。尽管第二代铝锂合金仍然存在一些明显的缺点, 但这次努力带来的成果还是鼓励了锂同学在合金领域继续追求。特别让锂同学欣慰的是, 从前自卑的体重成了合成超轻合金的特质, 而这样的特质正是人类向太空进军的过程中求之不得的。如今, 锂同学已经被我们称为“明天的宇航合金”, 她的各类能力, 如合金质量小、强度好、耐腐蚀和抗冲击等, 在航空航天工业上得到广泛应用。锂同学还是一个懂得感恩的人, 为了回馈好朋友们的鼓励, 她将自己熔入其中, 使镁合金、铅合金等有更好的性能[3]。


    而锂同学真正实现她的愿望, 成为举世瞩目的金属, 还是在它优异的核性能被发现之后。在整个学园的出操站位——元素周期表里, 锂同学是和氢同学挨得最近的一个, 也是身体构造和氢最相近的一个。锂同学在受到撞击之后会生成氢的孪生兄妹——重氢氘以及超重氢氚, 她们都是核聚变反应的主要原料[4]。锂同学因此被大量开采, 应用于核聚变反应。被撞击的时候还是很疼的, 更何况是被撞得粉身碎骨, 但核聚变反应能为人们提供近乎取之不尽的能源, 这让锂同学咬牙坚持着。“21世纪能源金属”的美誉也成为她经受磨难、突破自我后得到的勋章。


    当然, “世纪能源金属”的美称不只局限在核能源一个方面, 锂同学受到大众关注后仍在不断努力发掘潜力, 拓宽发展方向。20世纪60、70年代的石油危机让人类世界对能源有了更高的要求, 而锂同学身体轻盈、电极电势极高、能量密度大, 让她成为人类期盼的制备高能量密度电源的“潜力股”[5]。锂同学成功进入了人类电池设计者的视野中, 开启了在电池领域探索的大门。


    最开始, 因为锂同学乐于给出电子的大方性格, 她以单质的形态在负极上工作着。但是由于变成正离子后的锂同学不容易溶解在水中, 加上金属与水会产生易爆炸的氢气, 人们在挑选合适的溶剂上可费了不少功夫。思考试验过各种方案后, 人类选定了低熔点盐溶解在有机溶剂中作为电解质、二氧化锰等过渡金属同学形成的氧化物作阳极的方案, 这是最早投入量产的锂电池[5], 常见的小巧纽扣电池就是这类电池的代表。由于自放电率极低、放电电压平缓、使用寿命长等特点, 锂电池被用于心脏起搏器中。那时候, 包裹在病人体内的锂同学, 听着身旁心脏“扑通、扑通”有规律的跳动声, 心里充满了前所未有的自豪感。


    就这样, 锂电池开始大批生产, 走向市场。但由于它是一次性电池, 使用完就会面临被丢弃的命运, 且如果粗心的人类处理不当, 和锂同学一起工作的有机溶剂还会污染土壤和水源。这让锂同学感到非常烦恼, 于是科学家们和锂同学一起努力了十年, 终于研发出了可以充电的二次电池——锂离子电池[5]。


    在锂离子电池中, 锂同学不再以金属单质的形态工作, 而是作为锂离子和正负极材料发生可逆的“嵌入”和“脱嵌”反应, 个头小小的锂离子可以像细小的水钻一样镶嵌在电极材料晶体原子间的缝隙中。充电时, 锂离子脱离正极, 在电解质中游向负极, 镶嵌在碳化合物或者金属氧化物构成的负极晶格中;放电时锂离子则从负极脱离嵌入正极, 随着电池反复地充电放电, 锂离子就在正负极间来回游动[6]。这样, 锂离子电池就可以多次使用, 锂同学也不用再担心被丢弃了。如果把普通锂离子电池中的液体电介质换成固体或凝胶状聚合物电解质, 那就是更新颖的聚合物锂离子电池了, 它可以用软包装做成多种形状内置在用电设备中[5]。锂离子电池还让电池的安全性能大大提高, 即使人类不小心让电池过充、短路、受到撞击, 也不会有危险, 锂同学终于可以放心大胆地为人类服务了[7]。


    当初只是抱着美好的愿望、尽点自己所能的锂同学没想到, 如今的她已经成了电池界的“明星大腕”。她的应用足迹遍布各行各业, 手机、电脑、电动车都离不开她, 而经过特殊设计的锂电池也能在航空航天领域发挥作用。现在人类把她看作了电池界的“主流”, 锂电池也被誉为“最有前途的化学电源”[7]。但受到这样的重视后, 锂同学并没有骄傲, 她知道自己任重道远, 也明白锂电池还有缺点, 或者说还有提升的空间;她会继续努力, 研制价格更低、性能更好的电池。


    锂同学没有停下前进的脚步, 她还在其他领域积极地进行尝试。


    比如, 作为有机锂加入有机合成研究中, 这段全新的体验带给锂同学很多灵感, 而作为聚合反应的催化剂以及产生高活性的脱氢苯、卡宾等中间物就是她利用这些灵感得到的成就[1]。


    再比如, 寻找自己在生理方面的用途, 锂同学想, 虽然我在人体和动物体内含量很少, 但我一定能发现自己独特的作用。果然, 她被发现了改善造血功能、提高人体免疫机能和调节中枢神经系统的能力[8]。


    通过不懈的努力, 锂同学已从当年那个默默无闻、不受重用的平凡小姑娘一步步成长了起来, 有了担当, 她虽然不能拥有她的偶像钠姐姐和钾哥哥的模样, 但她利用自身的特色和优点, 开辟出了一条闪闪发亮的成才之路。当然, 锂同学也知道, 这并不是她成长道路的终点, 现在的她仍在不断努力, 和研究人员一起发挥自身优势, 开拓新的应用, 我们也期待未来的她能给我们带来更多惊喜。


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