kể chuyện về kim loại: phần 2 - nxb khoa học và kỹ thuật hà nội

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