采矿活动：从发现新金属到元素周期表

采矿活动是发现新金属材料的主要途径。采矿活动在不同地区往往都有几百年乃至上千年的历史，然而关于16世纪之前人们是如何处理矿石的，我们却所知甚少。因为在那之前，采矿、冶金知识都属于机密，是一代代人口头相传的。直到15世纪晚期活字印刷术问世后，采矿知识才开始以文字形式传播开来。在这方面，德国矿物学家阿格里科拉的《论矿冶》是最为重要的早期著作，初版于1556年的德国。

该书直到1912年才有了英文译本，译者为后来的第31任美国总统赫伯特·胡佛及其夫人。而早在1640年，日耳曼传教士汤若望就和中国学者李天经合作，翻译了其中文版《坤舆格致》。阿格里科拉描述并描绘了可开采的金属，以及寻找、提炼和制取这些金属的工序和装备，包括熔炼矿石、分离金属、化验（测试纯度）方法，以及如何制备这些环节所需的溶液。

一项技术革新彻底改变了采矿业，这项革新虽发端于采矿，却产生了极为广泛的影响。18世纪初，英国工程师纽科门（T. Newcomen）发明了第一台实际可用的蒸汽机，并在1710年至1714年间将其装备于康沃尔的矿区。这台蒸汽机被用于从矿坑里抽水，从而使矿工得以深入原本无法抵达的地层。这标志着工业化采矿的起点，迈出了工业革命的第一步。采矿活动的新进展使人类在18世纪能够发现更多种类的矿石，并最终发现了更多的金属元素。

纽科门先生发明的机器，使我们能够将矿井开凿到以往机械所能做到的两倍深度。

——威廉·普赖斯，《康沃尔矿物学》（1778年）

纽科门开创性的蒸汽机的后期版本，生产于1752年

伊特比村的元素

过渡元素（或称d区元素）是s区和p区元素之间的桥梁。镧系和锕系元素（或称f区元素）有时被认为是“内过渡元素”

18世纪末，有一个地方成为新元素的重要来源地。瑞典斯德哥尔摩附近的小村庄伊特比（Ytterby）贡献的新元素，比地球上其他任何一个地方都要多，总共“造就”了10种元素：钇、镱、铽、铒（均以村庄命名），以及钪、钆、铥、钬、镝和镥。能以该村名命名的元素数量显然受到了限制，因为村名中总共只有7个字母。

18世纪晚期到19世纪初，矿物学家们（尤其是法国、德国及瑞典的矿物学家们）探索了不计其数的矿石、矿物，覆盖了从英格兰到西伯利亚的广大地区。他们研磨矿石，利用炭加热矿物，用各类酸加以溶解，添加各类盐以产生沉淀，并做进一步研究。不过数年之间，这些勤奋的化学家就先后发现了锰（1774年）、钼（1781年）、碲（1782年）、钨（1783年）、锆和铀（1784年）、锶（1790年）、钛（1791年）、钇（1794年）、铍和钒（1797年）、铬（1798年）、铌（1801年）、钽（1802年），仅仅在1803年这一年就发现了一大批，包括铑、钯、铈、锇和铱。(www.xing528.com)

钨锰铁矿是一种重要的钨矿，其中还含有铁和锰

除了锶，上述金属全都属于“过渡金属”。在现代的元素周期表中，过渡金属占据着从第2族（碱土金属）到第13族（硼族）的位置。总的来说，过渡金属具有硬度高、密度大的特性，并且比起第1族的碱金属活性偏低。它们可形成种类繁多的“配离子”。1921年，这些元素首次被归类为过渡金属。

1789年拉瓦锡重新定义化学元素的概念之后，人类不仅能够辨识新的金属，还能将其鉴别为新的元素。1807年，汉弗莱·戴维展示了一种新的方法——电解法，能够分解最为顽固的化合物。利用这种方法，他很快又发现了两个非常重要的金属族。由于极具活性，且与典型金属的反应很不一样，碱金属在化学领域掀起了一场风暴。

铱是灭绝恐龙的元凶吗？

1803年，英国化学家特南特在铂金中发现了杂质——过渡金属铱和锇。锇是密度最大的元素，铱则是密度第二大和最耐腐蚀的元素。铱在地球上极为罕见，而在陨石中更为常见。大约6600万年前稳定下来的岩石中含有丰富的铱元素，人们从而提出了一个假说：杀死非鸟类恐龙的大规模灭绝事件，是由一颗巨大的小行星撞击地球引起的。

钨也是过渡金属中的一员，其化学符号为W，源自钨锰铁矿，人们就是在这种矿石中发现它的。发现钨的西班牙人德卢亚尔兄弟最初将其命名为“wolframium”，这个名称现在依然通用于某些欧洲国家。而让人意外的是，钨现在最通行的名称“tung sten”来自瑞典语，意为“重石头”，而在瑞典本国，这个名称却已不再使用。这原本是白钨矿（scheelite）的名称，以瑞典化学家舍勒的名字命名，他在1781年发现了一种酸，就是从白钨矿制得的。他把这种酸称作“钨酸”，猜测可以从这种酸里提取出一种金属。

1783年，德卢亚尔兄弟用钨铁矿也制备出了钨酸，并且真的从中提取出了一种金属——正如舍勒预言的那样。钨锰铁矿是铁、锰和氧化钨的混合物，而白钨矿则是钨酸钙。钨锰铁矿的名称源于德语中的“wolf rahm”，意为“狼灰”或者“狼奶油”，而这个词组又转译自“lupi spuma”（狼泡沫），一个由阿格里科拉于1546年创造的名称。对于德国锡矿工人而言，钨锰铁矿是很麻烦的东西，会让锡难于熔化，以及产生更多矿渣。

几个世纪之后人们发现，在铁中添加钨可以锻造出钨钢。于是钨一下子就成了抢手货，甚至那些锡矿上的古老矿渣都要被重新挖掘出来仔细翻找。钨钢可用于制造强韧的枪管和炮筒，这让德国人在第一次世界大战期间占了便宜。但随着19世纪90年代积累的这些钨金属迅速消耗殆尽，德国人只好开始拼命搜寻这种当年的废渣。

钨丝于1904年被用于电灯泡。钨丝比以前使用的碳丝寿命更长，亮度也更高