kể chuyện về kim loại: phần 2

Thứ bốn mươi mốt<br /> <br /> Nb<br /> <br /> <br /> Đến giữa thế kỷ trước, người ta đã phát hiện được vài chục nguyên tố hóa<br /> học. Song tiếc thay, lúc bấy giờ, mỗi nguyên tố vừa không có nổi một “căn<br /> phòng riêng cho mình”, vừa không được đăng ký “hộ khẩu thường trú”. Mãi<br /> đến năm 1869, khi mà Đmitri Ivanôvich Menđeleep xây dựng xong “tòa nhà<br /> nhiều tầng” cho hệ thống tuần hoàn của mình thì tất cả các nguyên tố đã<br /> được tìm ra cho đến lúc bấy giờ mới có nơi trú ngụ.<br /> <br /> Khi phân phối “diện tích nhà ở”, công lao của các “cư dân tương lai” đối với<br /> khoa học kỹ thuật cũng như “thâm niên công tác” của chúng đều không được<br /> chú ý đến. Người ta chỉ tính đến những tính chất của các nguyên tố (mà<br /> trước hết là khối lượng nguyên tử), những thiên hướng và sự tương đồng với<br /> các “láng giềng” gần gũi nhất. Ở đây, các mối liên kết (dĩ nhiên là các mối<br /> liên kết hóa học) cũng đóng vai trò quan trọng. Để tránh những sự va chạm<br /> có thể xảy ra, các “cư dân” có “tính nết” và “cách nhìn nhận cuộc sống” khác<br /> nhau thì được sắp xếp sao cho càng xa nhau càng tốt.<br /> <br /> Ở “cổng” thứ năm (tức là nhóm thứ năm), tại căn hộ số 41 trên tầng năm<br /> (chính xác hơn là ở chu kỳ thứ năm), có một “chàng” mang cái tên rất đẹp:<br /> Niobi, đến cư trú. “Chàng” là ai vậy? “Chàng” sinh ra ở đâu?<br /> <br /> ... Hồi giữa thế kỷ XVII, tại lưu vực sông Côlumbia (Bắc Mỹ), người ta đã<br /> tìm thấy một khoáng vật nặng, màu đen, có những đường gân mica lóng lánh<br /> như vàng. Cùng với các mẫu đá được thu nhận từ nhiều nơi khác nhau ở Tân<br /> đại lục, khoáng vật này (về sau được gọi là columbit) được gửi đến viện bảo<br /> tàng Anh Quốc. Được coi là một mẫu quặng sắt trong danh mục các hiện vật,<br /> khoáng vật này đã nằm trong tủ kính trưng bày của viện bảo tàng ngót 150<br /> năm. Nhưng rồi đến năm 1801, nhà hóa học nổi tiếng thời bấy giờ là Charles<br /> Hatchett đã để ý đến khoáng vật đẹp đẽ này. Phép phân tích đã cho biết rằng,<br /> trong nó quả thực là có sắt, mangan, oxi, song cùng với những nguyên tố này<br /> còn có một nguyên tố nào đó chưa biết, tạo nên một chất có các tính chất của<br /> một oxit axit. Hatchett đã gọi nguyên tố mới này là columbi.<br /> <br /> Một năm sau, nhà hóa học Thụy Điển là Anđre Guxtap Ekebec (Andres<br /> <br /> Gustav Ekeberg) lại tìm thấy một nguyên tố mới nữa trong một số khoáng<br /> vật ở xứ Xcanđinavia, rồi ông gọi nó là tantali để ghi nhớ một nhân vật thần<br /> thoại. Có lẽ tên gọi này tượng trưng cho những khó khăn (những “cực hình<br /> của Tantan”) mà các nhà hóa học đã trải qua khi họ thử hòa tan oxit của<br /> nguyên tố mới này trong các axit. Những tính chất của tantali và của columbi<br /> tưởng như hoàn toàn đồng nhất, và nhiều nhà hóa học, kể cả Becxêliut danh<br /> tiếng, đã quả quyết rằng, ở đây không có hai nguyên tố khác nhau, mà chỉ có<br /> cùng một nguyên tố là tantali thôi.<br /> <br /> Về sau Becxêliut đã tỏ ra nghi ngờ cách nhìn nhận trên đây. Trong một bức<br /> thư gửi cho người học trò của mình là nhà hóa học Friđric Vuêle (người<br /> Đức), ông đã viết: “Tôi gửi trả lại anh cái X của anh. Tôi đã cố gặng hỏi<br /> nhưng nó chỉ đáp một cách lảng tránh. Tôi hỏi: “Cậu là titan chăng?” Nó trả<br /> lời: “Vuêle đã nói rằng, tôi không phải là titan”. Tôi cũng xác định như vậy.<br /> “Cậu là ziriconi ư? ” Nó trả lời: “Không. Tôi hòa tan trong xút, còn đất chứa<br /> ziriconi thì lại không làm điều đó”. - “Cậu là thiếc phải không?” - “Tôi có<br /> chứa thiếc, nhưng rất ít” - “Thế cậu là tantali à?” - Nó đáp lại: “Tôi là bà con<br /> với tantali. Nhưng tôi lại hòa tan từ từ trong kali hiđroxit rồi kết tủa thành<br /> một chất màu nâu vàng”. Tôi lại hỏi: “ Thế cậu là thứ quỷ quái gì vậy?”. Khi<br /> đó, tôi cảm thấy rằng nó đã trả lời: “Người ta không đặt tên cho tôi”. Tuy<br /> nhiên, tôi không hoàn toàn tin là tôi đã thực sự nghe thấy điều đó hay không,<br /> bởi vì nó đứng ở bên phải tôi, mà tai phải của tôi thì nghe rất kém. Do thính<br /> giác của anh tốt hơn của tôi, nên tôi gửi trả anh đứa trẻ ranh mãnh này để<br /> anh làm một cuộc lấy khẩu cung mới với nó...”<br /> <br /> Nhưng ngay cả Vuêle cũng không làm sáng tỏ được những mối quan hệ qua<br /> lại giữa các nguyên tố do Hatchett và Ekebec phát hiện ra. Mãi đến năm<br /> 1844, sau những cuộc khảo cứu đầy khó khăn tiến hành trong gần mười lăm<br /> năm trời, nhà hóa học người Đức là Henrich Rôze (Heinrich Rose) mới<br /> chứng minh được rằng, khoáng vật columbit có chứa hai nguyên tố khác<br /> nhau là tantali và columbi mà ông đặt cho cái tên mới là niobi (theo thần<br /> thoại Hy Lạp, nữ thần buồn rầu và đau khổ Nioba là con gái của Tantan).<br /> Song ở một số nước như Mỹ, Anh tên gọi ban đầu của nguyên tố này là<br /> columbi vẫn được giữ lại trong thời gian dài. Cho đến năm 1950, hiệp hội<br /> quốc tế về hóa học thuần túy và hóa học ứng dụng đã quyết định chấm dứt<br /> tình trạng mỗi nơi một cách gọi như vậy và đã đề nghị các nhà hóa học trên<br /> toàn thế giới thống nhất gọi nguyên tố này là niobi.<br /> <br /> Thời gian đầu, các nhà hóa học Mỹ và Anh đã ra sức tìm cách hủy bỏ quyết<br /> <br /> định này - một quyết định mà họ cảm thấy không công bằng, nhưng lời phán<br /> quyết đã dứt khoát rồi, không thể khiếu nại được nữa. Thế là “những người<br /> thích columbi” đành phải vui lòng với trận đòn này của số phận, và trong các<br /> tài liệu về hóa học của Anh và Mỹ đã xuất hiện một ký hiệu mới: “Nb”.<br /> <br /> Sự chung sống của niobi và tantali trong thiên nhiên do những tính chất hóa<br /> học rất giống nhau của chúng đã kìm hãm sự phát triển của công nghiệp về<br /> kim loại này trong một thời gian dài. Mãi đến năm 1866, nhà hóa học Thụy<br /> Sĩ là Gian Saclơ Galixac đơ Mariniac (Jean Charle Galissar De Marignac)<br /> mới đưa ra phương pháp công nghiệp đầu tiên để tách rời hai nguyên tố hóa<br /> học “sinh đôi” này ra khỏi nhau. Ông đã lợi dụng độ hòa tan khác nhau của<br /> một số hợp chất của hai nguyên tố này: tantali florua phức không tan trong<br /> nước, còn hợp chất tương ứng của niobi thì lại hòa tan trong nước tương đối<br /> dễ. Cho đến gần đây, người ta vẫn sử dụng phương pháp của Mariniac dưới<br /> dạng đã được hoàn thiện. Song hiện nay, các phương pháp mới hữu hiện hơn<br /> đã thay thế nó - đó là phương pháp tách có chọn lọc, phương pháp trao đổi<br /> ion và phương pháp tinh cất các halogenua.<br /> <br /> Cuối thế kỷ XIX, nhà hóa học Pháp là Hăngri Muatxan (Henri Moissan) đã<br /> điều chế được niobi nguyên chất bằng phương pháp nhiệt điện: dùng cacbon<br /> để khử niobi oxit trong lò điện.<br /> <br /> Hiện nay, việc sản xuất niobi kim loại là một quá trình phức tạp gồm nhiều<br /> giai đoạn. Đầu tiên phải tuyển quặng niobi, rồi nấu chảy tinh quặng cùng với<br /> các chất trợ dung (natri hiđroxit, natri hiđrosunfit hoặc natri caconat), sau<br /> đấy thì ngâm chiết kiềm. Kết quả là niobi hiđroxit và tantali hiđroxit không<br /> tan sẽ lắng xuống. Tách hai hợp chất “sinh đôi” này ra khỏi nhau, lúc đó<br /> niobi sẽ ở dưới dạng oxit hoặc clorua. Bằng cách khử các hợp chất này ở<br /> nhiệt độ cao sẽ thu được niobi ở dạng bột, rồi biến bột này thành kim loại<br /> đặc để tiện gia công.<br /> <br /> Để niobi bột trở thành niobi đặc, phải làm như sau. Ép thứ bột ấy dưới áp<br /> suất lớn để tạo thành những thỏi phôi có tiết diện hình chữ nhật hoặc hình<br /> vuông. Sau đó, thiêu kết các thỏi phôi này trong chân không qua vài giai<br /> đoạn, và ở giai đoạn cuối cùng thì nhiệt độ phải đạt tới 2.350 độ C. Tiếp<br /> theo, niobi được đưa vào lò hồ quang chân không: toàn bộ quá trình biến<br /> quặng niobi thành kim loại kết thúc ở đây.<br /> <br /> Cách đây mấy năm, nền công nghiệp đã làm quen với phương pháp nấu chảy<br /> <br /> niobi bằng tia điện tử. Phương pháp này loại bỏ được nhiều công đoạn trung<br /> gian tiêu tốn nhiều công sức như nén ép và thiêu kết. Theo phương pháp này,<br /> người ta cho một dòng điện tử mạnh bắn vào niobi bột. Bột này sẽ nóng chảy<br /> và những giọt kim loại lỏng rơi xuống tạo thành thỏi niobi; thỏi này lớn dần<br /> lên tùy theo lượng bột nóng chảy, rồi từ từ được đưa ra khỏi xưởng.<br /> <br /> Như các bạn đã thấy, niobi phải trải qua một chặng đường dài trước khi được<br /> biến từ quặng thành kim loại. Vậy mà “một tiền gà ba tiền thóc” cũng xứng<br /> đáng: ngày nay, niobi rất cần cho công nghiệp. Ấy thế mà nó đã bắt đầu cuộc<br /> đời lao động của mình trong các bãi thải.<br /> <br /> Mặc dầu điều này quả là một nghịch lý, nhưng trước đây người ta chỉ coi<br /> niobi là một tạp chất có hại đối với thiếc, nên khi khai thác thiếc, những khối<br /> lượng niobi rất lớn đã bị xếp đống để đấy. Tình trạng này vẫn diễn ra ngay<br /> cả khi giới công nghiệp đã chú ý đến tantali nhưng vẫn còn thờ ơ với niobi:<br /> khi chế biến quặng tantali, thứ đá không quặng chứa niobi đã bị đổ vào bãi<br /> thải. Tuy vậy, “trong cái rủi có cái may”: về sau, khi mà giá trị của niobi đã<br /> được con người đánh giá đúng thì những đống phế thải ấy đã trở thành<br /> những “mỏ quặng” niobi giàu có.<br /> <br /> Sau khi nhà hóa học người Đức là Vecnơ Fon Bonton (Werner Von Bolton)<br /> điều chế được kim loại này ở dạng chắc đặc vào năm 1907, thì cũng giống<br /> như nhiều bè bạn khó chảy của mình, niobi đã thử sức mình trong việc sản<br /> xuất bóng đèn điện với tư cách là vật liệu để làm dây tóc. Nhưng, như chúng<br /> ta đều biết, chỉ có mình vonfram sống được ở đây thôi, còn tất cả các kim<br /> loại khác đành phải tìm kiếm sự thành đạt trong môi trường hoạt động khác.<br /> <br /> Những ý định đầu tiên sử dụng niobi làm nguyên tố điều chất đã nảy sinh<br /> vào năm 1925: ở Mỹ đã tiến hành các cuộc thí nghiệm dùng niobi thay thế<br /> vonfram trong thép gió. Mặc dù những thí nghiệm này không thành công,<br /> nhưng đã nổi lên một vấn đề quan trọng: niobi đã lọt vào tầm mắt của các<br /> nhà luyện kim.<br /> <br /> Trong năm 1930, tổng khối lượng các sản phẩm là từ niobi (lá, dây v. v...)<br /> trên toàn thế giới chỉ vẻn vẹn... có 10 kilôgam. Nhưng chúng đã được thừa<br /> nhận ngay, và việc sản xuất kim loại này cùng với các dạng sản phẩm của nó<br /> đã tăng vọt lên. Niobi đã chứng minh được rằng, nó hoàn toàn có quyền<br /> được gọi là “vitamin” của thép. Pha thêm nó vào thép crom, thép sẽ dẻo hơn,<br /> độ bền ăn mòn cũng tăng lên. Người ta đã xác định được rằng, pha thêm một<br /> <br />