镍伯爵的生日派对

冯清，刘军枫

北京化工大学化学学院，北京100029

几日前收到了镍伯爵的邀约，邀请我参加他的生日派对。在元素王国，提起镍伯爵可谓是人尽皆知，作为金属家族的重要一员，镍伯爵在各个领域都有着自己独特的才能。我也有幸趁此机会，一览镍伯爵的风采，更能切身学习其中蕴藏的化学知识。

驱车数十英里，来到镍伯爵在郊外的私人别墅。镍伯爵的别墅是三层复式结构，色彩明快淡雅。阳光穿过云层，投射在建筑上，散发出银白色的光芒。镍伯爵胜友如云，生日派对上高朋满座，好不热闹。室内装修井井有条，大厅宽敞明亮，柜子上摆满了镍伯爵收集的“工艺品”，它们一件件都和镍伯爵的经历息息相关，真是琳琅满目，让人目不暇接。管家热情地迈步迎接，带我细数这些“工艺品”的传奇故事。

1 金属相融，各显其能

管家给我递来一枚亮闪闪的纪念币，并向我介绍道：“我们镍伯爵早在几千年前就有所成就了，最早时候，是追随铜公爵，用来制造金属货币。直到现在，大多数硬币的制造，都离不开镍的身影。给您的纪念币正是伯爵特意为宾客好友们定制的礼物。由于伯爵为人低调，又很喜爱和一众好友结伴出行，轻易不展露名姓。故而直到1751年，瑞典矿物学家A. F. Cronsted才从红镍矿(NiAs)中见识到镍的真容，并命名为Nickel[1]。”

此时，镍伯爵正倚在沙发上，和众多好友谈笑风生。只见镍伯爵身着白色衬衣，外套银灰色西装，真是风姿绰约。我迫不及待地说：“金属镍在空气中很稳定，它不像铜或铁那样，时间长了会产生铜绿、铁锈，它时时刻刻都是闪亮耀人的，也因此被用来镀在金属表面，起到抗腐蚀的作用[2]。”管家笑着说道：“先生了解得挺多嘛！可是，镍伯爵耐腐蚀的才能可不止于此哦。镍在化学界可谓是坚如磐石、刀枪不入，就连氧化魔王氟单质也拿镍毫无办法。正是利用这一特性，使用镍制试管得以对氟进行研究[3]。除此之外，镍坩埚也因为价格便宜，能够抵抗熔融氢氧化钠的腐蚀而在研究中广泛使用。”

“管家先生，我一直很好奇雷尼镍是怎么制出来的，它是如何将金属镍制成海绵状的呢？”管家解释道：“先将镍和铝制成合金，之后用氢氧化钠将铝溶解掉，就留下疏松的雷尼镍了。它在用作催化氢化的优良催化剂同时，也是有很大危险性的。正是由于它疏松细致的结构，在空气中便可以自燃，很多火灾事故都是因为随手将用过的雷尼镍扔到垃圾桶里，终酿成大祸。虽然致密态的镍和酸反应很慢，但是镍粉和雷尼镍它们都很容易和酸发生置换反应，生成氢气。因此，实验室用过的雷尼镍应当用稀酸溶解后，妥善处理。”

我向沙发看去，许多老朋友悉数到场。身着黑色燕尾服的铁公爵，一袭紫红西装的铜公爵，身着晚礼服的铬夫人……

管家带着我边走边介绍道：“铁公爵和镍伯爵师出同门，他们常常结伴而行。由铁和镍形成的铁镍合金力学性质优良，又耐腐蚀，常被用在机械制造业当中。铜公爵和铁公爵相伴而坐，只见铜伯爵稳如泰山，他抗腐蚀的才能出众，几千年前使用的白铜正是铜镍合金。到今天，铜镍合金仍用于仪表的精密器件中[2]。”

“铬夫人和镍伯爵总像热恋中的情侣一样，如胶似漆，浴火而生。因此，镍铬合金经常用在燃气涡轮、反应堆、航天器等高温场景中[2]。”

在镍伯爵和镧伯爵的身边，围着一群活蹦乱跳的小孩子。我一脸疑惑，管家见状开口道：“那些是氢气，镧伯爵是稀土家族中的成员之一，我们伯爵和稀土家族的朋友们一旦聚会，就会有许多氢气从四面八方赶来相聚，久久不肯散去。镍和稀土的合金能够吸附氢气，因此镍和稀土金属的合金是优良的储氢材料，镍也因此可以制成镍氢电池，对未来清洁能源的普及使用做出了很大的贡献[2]。”

2 绿野仙踪，各显神通

跟随着管家的步伐，沿楼梯拾级而上，来到二楼。二楼的主题是纪念镍伯爵作为二价镍离子时候的经历。二价镍离子便是由镍原子失去两个电子产生的带电离子。在元素王国里，每个人的电子数通常是和他们的身份号码，也就是原子序数是相同的，但是电子数也会发生变化，这也是造就元素王国这一千姿百态的缤纷王国的原因。

刚到二楼，满墙的绿色便映入眼帘。墙上众多藏品形状各异，颜色也各不相同。纵使对于最常用的硫酸镍已经司空见惯，但是面对满墙各式各样的“绿色”，我一时间眼花缭乱。只好请管家来帮忙一一辨识。

管家从烧杯中拿出一颗蓝绿色的晶体放到桌面上。我仔细端详，这颗晶体呈四棱台型，通体晶莹剔透，深邃的蓝绿色令人神往。管家介绍道：“这便是硫酸镍的晶体。它在水中的溶解度很大，像这样一个形状优美的单晶，要从溶液中培养出来可不是件容易的事呢！和同组的铁和钴一样，若向其中加入硫酸铵，会结晶出溶解度较小的硫酸镍铵((NH4)2Ni(SO4)2)[1a]。”

管家仍在向我介绍硫酸镍，而我的注意力却跑到了旁边的一个瓶子里。瓶子里也装着一些蓝绿色的晶体，看着和刚才的硫酸镍很是相像。我好奇地提问道：“管家先生，那个瓶子里也是硫酸镍么，为什么要放到瓶子里密封起来呢？”

“那个是硝酸镍，它非常容易潮解，在潮湿的空气中一会儿就成了一滩溶液，因此一定要将他密封起来[4]。它和硫酸镍、氯化镍这些可溶性的镍盐一样，经常用在电镀行业中，为金属器件披上一层镍的外衣，使它更耐腐蚀、耐磨损。除此之外，有机合成中也缺少不了二价镍离子的身影呢。”

“那瓶黑色的粉末是硫化镍么，我记得很多金属的硫化物都是黑色的呢。”我一抬头便发现了一片绿色中，那格外瞩目的一抹黑色。

“唉，没错。”管家叹了口气，继续说道：“大多数物质都是热胀冷缩，但是硫化镍却是热缩冷胀，这个反常的现象也引起了很多问题。我们用的钢化玻璃是由普通玻璃加热后骤冷得到的，个别玻璃里面有极少量无法除去的硫化镍，在玻璃降温硬化后它还会继续膨胀，通常在钢化玻璃制造完成的数十年之后，玻璃会突然爆裂，给人们带来了很大困扰[5]。”

而另外两种难溶的镍盐就比较友好了。“立方晶系的氧化镍的本领很强，在很多地方都有不可替代的作用。它在古代就被用作陶瓷的釉料和搪瓷生产中[6]，紫外线灯使用的玻璃便是掺杂了9%氧化镍得到的[7]。此外，氧化镍还可以用来制造太阳能电池[8]、镍镉电池，是新能源普及道路上不可或缺的材料。”

“碳酸镍是向可溶性镍盐中加入碳酸盐溶液沉淀出来的浅绿色粉末，加入强酸则可以溶解，并放出二氧化碳气体。碳酸镍常被用来制作棕色[9]、黄色颜料[10]，还经常被用来制备一些催化剂[11]。”

参观完二楼，爬上陡峭的楼梯，来到了三层阁楼。

灯光略显昏暗，没有了派对的吵闹声，出奇地安静。“这些是镍伯爵作为三价镍时候的经历。”说罢，管家拿出了刚刚的硫酸镍，放入试管中溶解，向其中加入氢氧化钠，顿时产生了带有淡绿色的氢氧化镍沉淀。我疑惑道：“这不就是氢氧化镍么，和三价镍有什么关系。”管家又拿出一些次氯酸钠溶液，滴入试管中。顷刻间，淡绿色的沉淀变成了黑色。“在碱性环境下用次氯酸钠氧化氢氧化镍，得到的黑色便是NiOOH，它具有强氧化性，在碱性溶液中才能稳定存在。”

说着，管家从柜子中拿出一瓶三氧化二镍(Ni2O3)，取一些粉末，加入稀硫酸后迅速冒出大量气泡。“这气泡可不是氢气，是氧气。三价镍在酸性环境下氧化性很强，它可以迅速将水氧化成氧气。若加入的是盐酸，产生的可就是剧毒的氯气了。尽管如此，三价镍在有机合成中，作为选择性的氧化剂，常常能巧妙地实现反应高产率地转化[12]。”

镍伯爵可真是才华横溢，从机械制造，到药物合成；从古老钱币，到新型电池，镍的身影真是无处不在啊！

3 缤纷花园，五色俱全

作别了强氧化性的三价镍，回到二楼，管家又带我观赏一片“缤纷花园”。

“二价镍盐大多数都是绿色的，但是隐藏在绿色背后，却是缤纷的世界。”只见管家拿出了一瓶黄色的粉末。“刚才的硫酸镍、硝酸镍、碳酸镍都是绿色的，氯化镍却与众不同。无水的氯化镍是黄色的。但是，如若动一些手脚，可就完全不一样了。”说着，管家从下面拿出4个装有氯化镍的试管，向里面加入了4种不同的无色液体。只见，随着固体的溶解，溶液也呈现出了绿、黄、蓝、紫色[13]，俨然一场异彩纷呈的色彩盛宴。

我惊喜的眼神中透出疑惑。管家笑道：“先生不必疑惑，玄机隐藏在这四种无色透明的液体之中。它们分别是水、浓盐酸、氨水和乙二胺。水会和镍离子产生六水合镍离子([Ni(H2O)6]2+)，呈现出绿色，之前的硫酸镍、硝酸镍晶体也因此呈现绿色。浓盐酸中存在大量氯离子，它和镍离子配位会产生黄色的四氯合镍离子([NiCl4]2−)。加入氨水，溶液中的氨分子会先于水分子参与络合，生成六氨合镍离子([Ni(NH3)6]2+)，它的分裂能比水合镍离子稍高，因此会呈现较深的蓝色[14]。而加入的乙二胺，三个乙二胺分子像蟹钳一样，牢牢地把镍离子夹住，分裂能更高，呈现更深的紫色。这种化合物也因为它特殊的结构特征，被形象地称为螯合物。”

话音未落，管家拿起了一个写着丁二酮肟的瓶子，滴到试管中。鲜红色的沉淀像美丽的裙摆一样，在试管中展开，轻盈优美。管家看着鲜红色的沉淀说道：“丁二酮肟是检测镍离子的‘千里眼’，她总是能在茫茫人海中精确地找到镍的身影，因此被用来作为检测镍含量的首选方法[15]。”

4 万物生息，镍来维系

“在自然界的微生物和植物的体内，也少不了镍伯爵的作用[16]。在人体中，虽然含量不高，但镍的作用却是无可替代的。镍能刺激红细胞的再生，正常量的镍对胰岛素施展本领也有着重要的作用，缺少镍甚至会影响到细胞的呼吸，可谓是至关重要[17]。”

而在这同时，几位姗姗来迟的一氧化碳却在镍伯爵庭院的门口被警卫拦下。我疑惑地问管家：“既然都是给镍伯爵庆生的好朋友，为何不让他们进来呢？”管家长舒一口气，解释道：“这你就有所不知了，一氧化碳很容易和镍结合起来，常温下生成液体的四羰基镍(Ni(CO)4)，这种物质有剧毒，为了各位宾客的安全，还是不进去为好，毕竟好心也不能办了坏事嘛！不过，四羰基镍却是镍工业很重要的一种物质。它多用于金属镍的精炼，将四羰基镍加热后，释放出一氧化碳气体，留下的就是纯度很高的金属镍了[18]。”

生日派对落向尾声，我在这次奇妙的经历中感受到大千世界的奇妙，领略到化学知识的神奇之处，其中丰富多彩的知识令我心驰神往。