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   188体育 > 不锈钢网带 > >> 在生活中很重要的元素?有哪些普通人很少听说  

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  作为第五周期、VIB族的过渡元素,42号元素钼的单质是一种银灰色的金属。Mo是合金钢的一种重要添加剂,可用于提升合金在温度骤变下的机械性能。事实上,Mo的绝大多数产量均用于合金钢的制造中。

  在初高中的化学课程中,学生最多需要掌握到第四周期的元素,而生物教材中只是在必需微量元素中提及了Mo;即使是大学基础教材里,Mo也基本只是在无机化学的描述性化学部分,和分析化学中用于测定磷含量的磷钼杂多酸/磷钼蓝中出现。

  但事实上,Mo的化合物和地球上的每一个人,甚至是每一个动植物个体永不分离,并深刻地影响了整个生物圈。

  在具有固氮能力的植物中,Mo和Fe一同构成了的Mo-3Fe-Mo原子簇,和Fe4S4簇共同形成了植物固氮酶的核心组成部分。而这一核心可以在常温常压下打开氮气分子的氮氮三键。

  而这一键能高达942 kJ/mol的超稳定共价键,在人类的手中,只能用高温高压下的Haber-Bosch合成氨法才打开。而且受到转化率和效率限制,N2和H2需要经过多次循环使用才能充分转化。

  (顺便,由于H2的分子过小,在高压下易于穿透金属,因而常常使用含有钒/V的特种合金钢制作反应釜,而钒也是一个不常见的元素,同样也具有生理活性,同时在部分细菌中存在钒固氮酶……)

  顺便,人类对于固氮的追求孜孜不倦,从合成氨的工业技术到微观下的反应历程,已经产生了3个诺贝尔奖:1918/Haber——合成氨工业、1932/Bosch——反应的改进(Haber-Bosch过程)、2007/Ertl——合成氨催化剂的表面吸附历程。

  目前,在合成氨领域的前沿工作中,人类仍然在模仿天然固氮酶的核心结构,以试图从另一个方向突破异相催化的效率上限。最新的工作中,基于Mo的核心能够将N2转化为NH3,但这一过程仍然不可逆。

  甚至,生物圈中植物的总固氮量也远远超越了人工合成氨的总量,而这构成了生物圈氮循环的重要组成部分。而同样含有Mo的硝酸还原酶(硝酸→亚硝酸)完成了另一部分的氮循环工作。

  我们完全可以认为,如果没有基于Mo的固氮酶,全球的氮循环的效率将大大降低。相对而言,粮食危机只是小事,生物圈的消费者——大多数动物将面临着前所未有的大灭绝,站在食物链上层的人类是否还能正常生存,都变成了一个问题。

  此外,作为重过渡系元素中唯一的必需微量元素,每个人的体内均含有毫克量级的Mo,在体内的生理活动中发挥着重要作用。

  含有Mo的其他生物酶类,例如黄嘌呤氧化酶、DMSO还原酶和亚硫酸盐氧化酶等等,也广泛分布在动植物体内,起到分解代谢废物的功能。患有钼缺乏症的病人可表现为尿中尿酸、黄嘌呤、次黄嘌呤排泄增加,最终生长发育迟缓甚至死亡。

  可以说,没有了Mo,每一个人的日常饮食与代谢的基础将不复存在,甚至生物圈都可能因此消失,更不必说人类的日常生活了。

  钼的矿产主要以辉钼矿(molybdenite, MoS2)为主,而六方MoS2的结构为层状晶体,片层间无原子,可以相对滑动,且为灰黑色,与石墨的结构和外形十分类似。因而,在那个年代辉钼矿往往被当成石墨。

  虽然至迟在1330年左右,Mo就出现在合金钢的刀具之中,但直至1778年,Scheele(氧元素的发现者之一)发现硝酸对石墨无反应,而和辉钼矿反应形成了白色固体(钼酸),从而发现了二者的不同,并试图制备了Mo的单质。后来在1783年,由当地矿场主首次得到了Mo的单质。

  时间来到了21世纪,Andre Geim和Konstantin Novoselov通过胶带把石墨一分为二,多次重复后终于得到了石墨的单层——石墨烯。石墨烯的诸多优异性质以及巨大的潜在应用使得他们获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

  此时,MoS2又一次出现了。与石墨类似,而又有所不同,MoS2具有双层结构,且本身为半导体,但同样可以剥离出准二维的“单层”。

  二维MoS2作为一种带隙可观的半导体,相对于无带隙的石墨烯而言,在微电子领域具有更大的优势,且与其他二维材料(SnS2、WSe2等)的组合,可以进一步挖掘其应用潜力,未来很可能取代一部分石墨烯,在芯片、MOSFET等微电子技术以及光催化等领域发挥着重要作用。

  总而言之,无论在生物圈的自然演化,还是人类发展的过程之中,甚至在未来科技的前沿,钼从幕后到台前,其地位举足轻重。

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