“釩”人之旅

武凡博，王宇

哈爾濱工業大學化工與化學學院，哈爾濱 150001

一片白光。無聲無息。背后傳來冰冷的硬邦邦的觸感。撐起身子，握了握手，恍惚之間，突然發現我什么也想不起來。我是誰？我在哪里？我為什么會失憶？這一切究竟是怎么回事？

正當我發懵時，一男一女來到我面前。我好奇地打量著他們，有一些熟悉感。

“不必拘謹，我是鈮，41號元素。那個戴眼鏡的元素是鉭，73號元素。我們現在并不是處在人類世界，而是在元素世界里。”叫做“鈮”的女人介紹道。

“我們兩個是專門幫助你找回記憶的引導者。”被稱為“鉭”的人接著解釋。

“既然如此，那你們清楚我的身份嗎？”我忐忑地問道。

“嗯，你的名字叫釩(Vanadium)，23號元素釩。”鈮說。

“釩？……我是……釩(Vanadium)？”聽到這句話，恍然間，腦海中好像有記憶一閃而過。

1 熱心快腸，儀態萬方

1.1 舊憶：交友

“初次見面，你好，我是釩，可以交一個朋友嗎？”

“啊……啊啊好，好的。我是鐵，你好。”叫做“鐵”的元素回過神來，如此說道。

隨即，聊了幾句后，“釩”開心地跑走了，然后又去找其他元素打招呼去了。

“你好，我是釩！”“很高興認識你，我的名字是氮。”

“你好，我是釩！”“我是鋁。”

“啊，啊很高興認識你。”“……”

釩真是一個熱情好動的孩子呢，我這么想。

1.2 逐憶：個性

等回過神來的時候，我們走出了門外，鈮已經開始介紹了。“釩你的人緣可是很好的，讓很多其他元素都很羨慕。你和幾乎所有元素都是朋友，比如韌性強度很好的釩鐵合金、機械性能很好的釩氮合金、抗腐蝕性能很好的釩鋁合金等……”

原來我是這樣一個人啊，那記憶中的那個人是我嗎？我突然意識到一個問題，“等一下，你們如何確信我是釩呢？”

鉭笑了笑，“是你的衣服。”

“我們身上穿的衣服就像身份證一樣。不同元素的衣服是不一樣的。”頓了一頓，鉭繼續說道：“衣服上的扣子是主要用于區分的對象，你的外套有兩個扣子意味著你在人類世界中最外層有兩個電子。而身上衣服的數量是由未充滿電子的電子層決定的，你有兩件衣服，就說明你有兩個電子層未達穩定的滿電子結構，即價電子的3d軌道和4s軌道。”

“由于咱們三個是同一族的元素。雖然鈮有些許不同，但咱們三個的衣服，無論是內層還是外層，款式其實都很相似，衣服的厚度則能區分在同族元素的周期數，因此根據每個元素所穿的衣服，就能準確確定他的身份(圖1)。”

圖1 釩、鈮、鉭的價電子排布示意圖

說罷，我們走到了一個房間，上面寫著“性質測試”四個字。鈮說道：“測試不會對你造成任何影響，休息一會兒就能復原，這對你找回記憶會有所幫助。”

走進屋子，首先朝我走來的是幾位美麗的小姐。被稱為鹽酸和硫酸的小姐微笑著先后伸出手，我也慌忙伸手回應。

“沒有變化呢。”兩人對視一眼笑著說道。

“看來你在常態下抗酸性很強啊，是個抗腐蝕的苗子。”另一個人說道，“我是硝酸，你好。”

“你好。”我懵著握手。

突然，感覺到一絲變化，隨著握手力量的增大，我突然發現，我衣服的顏色正在逐漸變化！銀白色的衣服逐漸變成美麗的藍色，藍色逐漸加深，但最后變成了黃色。并且，最外層的衣服變得透明，內層衣服的款式也變了，11顆扣子變成了8顆！

我恍然間明白了，我正在和硝酸發生化學反應。

“我記得釩的不同價態會呈現不同的顏色。”鈮說。

為此，又找來了給電子能力很強的鋅，我和鋅分別牽著鹽酸的手，此時，那種異樣感又襲向我。緊盯著自己的衣服，還是剛才的黃色，但一會兒后，衣服的款式發生了變化，黃色逐漸消失，變成了剛才最開始出現的藍色！隨后，衣服的款式和顏色再次變化，扣子又多了一個，同時衣服又變為了綠色。在我感嘆時，衣服內層的扣子恢復成11個，隨后衣服神奇地變成了淡雅可人的紫色(圖2)。

圖2 不同價態釩離子的顏色

看著我被這一連串的顏色驚艷到的神情，鉭笑道：“或許你不記得你的名字來源了，當年塞夫斯特倫發現你的時候，也是被你的多樣顏色吸引，因此才用希臘神話里的美麗女神凡娜迪絲(Vanadis)來給你命名(Vanadium)。”

隨后和堿先生們測試，結果顯示好像我只與熔融的強堿才容易反應。

在屋子里走完一圈，我對自己終于有了一些了解，最讓我驚奇的還是這衣服，既能體現自己的性質，還是“身份證”。

“對了，你知道你自己家族的化合物嗎？”出了大門，鈮問道。

我搖了搖頭。

鉭笑了一下：“走，去放映廳，我們來帶你回憶一下釩的重要化合物吧，就從最知名的五氧化二釩開始。”

五氧化二釩？我腦海中記憶的碎片又一閃而過。

2 志在四方，家族榮光

2.1 舊憶：壯志

“鈧作為稀土元素，未來被重視程度將大大提高。”“鈦及其合金是未來最理想的金屬材料之一。”“鐵與銅，人類歷史的最大推動者。”……諸如此類的話深深烙印在一個少年心中。看他的衣服，毫無疑問，他也是釩。

自己同輩們的成績過于耀眼，讓這個釩十分不甘。托不銹鋼和錳鋼的福，鉻和錳的知名度也遠高于釩，此刻想著與自己朝夕相處的小伙伴們，落差感油然而生。

“釩元素的意義，由我來續寫！”少年立下如此誓言。

少年釩選擇了成為五氧化二釩，披上橙黃色衣服，走向人類世界。

2.2 逐憶：家族

走在路上，鉭介紹道：“常見的釩氧化物有四種，分別是+2價的氧化釩(VO)、+3價的三氧化二釩(V2O3)、+4價的二氧化釩(VO2)和+5價的五氧化二釩(V2O5)。其中灰色的氧化釩和棕黑色的三氧化二釩不穩定，在空氣中就容易被氧氣氧化，故應用有限，一般都是作為精細材料的中間體以及用于制作有色玻璃。而二氧化釩和五氧化二釩比較穩定，用途就多了起來。”

進了放映廳，巨型屏幕上放起了視頻，那是一個穿著橙黃色衣服的人，旁邊則站著硫酸小姐。那人笑著說道：“我是五氧化二釩，工業制硫酸可少不了我。硫酸她們的原料是二氧化硫，而低價的二氧化硫被氧氣氧化為高價的三氧化硫可不容易，我們就是這一步的催化劑[1]。”

畫面一閃，又一個穿著深藍色衣服的人緩緩開口：“我是二氧化釩，是釩化合物的一顆新星，由于我的相變溫度很低[2]，因此在光電轉換材料、光儲存材料、電子設備上有很大應用前景[3]……”

鈮切換了一段視頻，這一次是一個身著白衣的青年：“我是偏釩酸銨，釩酸鹽的代表。釩酸鹽一向以形態多樣和色彩變換出名。”說著，他打開了pH噴頭，然后衣服顏色逐漸變淺。“在堿中我是無色的，但是如果改變pH的話……”轉動開關，只見他的衣服染上了一抹夕陽般的橘紅，“此時我的形態變成了多聚態，當變為十釩酸根離子時，就會有這樣的顏色，而如果pH減小至2，我將以五氧化二釩的形態脫離溶液。”確實，現在他的衣服變得和五氧化二釩一模一樣，但他沒有就此停手，再次減小pH后，衣服最終變為了檸檬黃色，我認得這個顏色，這是剛剛VO+2的顏色[4]。”

“我們氮化釩，是由五氧化二釩作為中間體得到，主要是制作合金的。”一個叫做氮化釩的人在影片里說道，“如果向鋼中加入釩會得到釩鋼，僅僅百分之幾，就能使鋼的強度、韌性大大增加，耐高溫抗奇寒，耐磨損抗撞擊，在各種高端、重要領域均有很大應用。而我們氮化釩，即釩氮合金是新型合金添加劑，使鋼達到相同程度，可以節約30%-40%的釩資源。”

……

鈮看著我被感動的樣子，又認真地說道：“此外，釩還有一個近幾年來最為重要的方向，有無數科學家和學者一直在設計、研究、改進這個領域，如果他們成功了，會極大地改善人們生活。”

“那是……什么？”

“釩——電——池。”鉭一個字一個字地說出來。

突然，腦袋嗡的一下，恍惚間，我好像又窺探到了一些塵封的記憶。

3 艱難抉擇，能源有我

3.1 舊憶：抉擇

“釩電池！”一個青年模樣的釩雙手撐著桌大聲說道。

“人類那邊已經構想出了釩電池的可能性和可行性，并且優點十分突出，一直以來，都是鋰妹妹她們在電池領域不斷奉獻著，但鋰她們的人本來就沒那么多，再這么長期撐下去恐怕堅持不了很長時間。是咱們出場幫助鋰她們的時候了！”

“只是……”青年釩瞬間表情一變，語氣也隨之低沉下來，“只是現在釩電池還在研發階段，還有一些不足，這份抉擇，很可能讓走這條路的釩，一事無成……”

“大哥，不用說了。”臺下其中一個釩說道，“我們都明白。比起我們自己的價值，對整個釩元素的價值和對人類的價值更重要不是嗎？”其他釩眼神堅定，也點了點頭。

3.2 逐憶：電池

我愣住了，那個青年……是我嗎？

“看來你很快就要恢復記憶了。”鈮說。

休息了一會兒，我們走到資料室，鈮打開書架上的一本書說：“釩電池，一般指釩氧化還原流電池(VRFB)，是指陰陽極采用不同價態的釩作為電解液。其中，你們釩家的4個價態離子全部上陣，正極有+4價的VO2+和+5價的VO+2幫忙，負極則是+2價的V2+和+3價的V3+，他們都浸在硫酸里。”

鉭翻開另一本書，指著上面的圖(圖3)說道：“與一般電池不同的是，釩電池的電解液儲存在遠離電池的外部容器中，靠的是泵進行抽出和流動，因此陰陽極的交叉污染很低。當電池充電時，陽極的VO2+被氧化為VO+2，同時陰極的V3+被還原為V2+；而放電的時候，反應朝著相反方向進行。你們釩工作得十分賣力，能量轉化效率在70%甚至能達到90%以上！”

圖3 釩電池的工作原理及結構[5]

“那還真的不得了。”我訝異道。

“是啊，只要增加電池個數和電極面積，就能增加功率；只要增加電解液體積，就能增加容量；并且正負極的電解液完全分開，自放電少，壽命很長，可輕松充放電循環上萬次，同時也因此安全性高，不會因電解液混合而發生火災和爆炸，也不會產生污染或溫室氣體。”

“那釩電池有沒有什么缺點呢？”我歪了歪頭問道。

“有的，”鉭回應，“釩電池最大的就是適用溫度的問題。V2+、V3+、VO2+在低溫容易在硫酸中析出，而VO+2在高溫容易析出，就使得一般釩電池的工作溫度局限在10-40 °C范圍內。與此同時，氧化還原流電池的能量密度普遍較低，電池的體積較大，不便于攜帶。”

“而且啊，五價VO+2氧化性太強，長時間容易腐蝕離子交換膜，而二價V2+的還原性太強，長時間又容易被氧氣氧化。”鈮抬起雙手，聳了聳肩。

“不過，隨著人類學者和你們釩的付出與努力，很多缺陷都已有大的改進突破。比如，有些科學家通過對電極改性和壓縮電極來提高能量密度，也有科學家通過在硫酸中加入鹽酸或甲基磺酸在增加電池的工作溫度區間。還有學者通過調節釩離子和硫酸濃度來減緩V2+被氧化的過程[6]。”

“估計不久的將來，釩電池就能有更廣泛的應用啦，你們和鋰電池各有千秋(表1)，未來有望共同為人類創造美好的未來！”鈮接著說。

表1 釩電池與鋰電池的比較

走出資料室，突然眼前出現一扇門，抬頭一看，是我最初醒來時的地方，應該是叫“元素大殿”吧，推門進入，熟悉的一切。記憶又再次襲來。

4 記憶復蘇，平“釩”偉大

我看到了那個熱情的小男孩逐漸長大、變老，最后笑著走進了高溫的熔爐；我看到了那個有志少年無數次連接起氧原子和二氧化硫，在生命的最后驕傲地走進回收池[7]；我看到了那個青年釩將自己的一輩子奉獻給了釩電池的研究，最后在儲液罐中微笑著閉上了眼睛。

我，我是我回憶里的所有人。我記憶中的那些釩、那些不同面孔，就是我自己——或許說，是我的前世。

元素不是用一次就消失的，人類會回收各種元素，使他們處在不斷的輪回中，這些生命走到盡頭的釩，在被人類回收后，重新誕生了我這個一無所知的少年。

謝謝你，像那個小男孩一樣熱情的所有釩，正是因為你們，釩在各種工業領域才能發揮作用、也都有建樹，才能和各種元素并肩前行，因而獲得“金屬維生素”的美譽。

謝謝你，像那個少年一樣滿懷壯志的所有釩，無論你們將來選擇了哪一條路，正是因為你們，對其他物質的誕生、對各種反應的幫助，對新型儀器的設計，才有了無可替代的貢獻。

謝謝你，像那個青年一樣勇于付出的所有釩，沒有你們和人類化學家的共同努力，釩電池不可能進展得這么快，正是因為你們，元素們和人類才能有更輝煌更美麗的明天。

我是釩，平“釩”亦偉大。