有哪些普通人很少听说，但在生活中很重要的化学元素？

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比如In等半导体材料，以及部分医用放射源、药物和火灾报警器中的元素等等

原文地址：https://www.zhihu.com/question/314433332

检验医师

玻璃钢我们都不陌生，玻璃钢是把玻璃纤维制成玻璃布，再和环氧树脂粘合后制成。在这里，玻璃纤维显然就是关键材料。
我离开校园后入职在一家大型玻璃制造企业。这家玻璃制造企业的产品有浮法玻璃，有玻璃布等等，员工总数在5万人左右。
某日，我到制造玻璃纤维的车间去办事。此车间是把海沙和其它材料在窑炉中熔融，再制作成玻璃球。玻璃球送到抽丝车间去抽玻璃纤维。在车间的原料间我看到一种很特殊的金属，很亮，但非常脆，就和普通的石头差不多，扔在地上，这种金属就碎了。问了一下，这是金属锑。


我讨了一小块金属銻做纪念，后来也不知道扔到哪里去了。有点可惜！
在玻璃制造业里，能看到许多不常见的金属和其它材料。例如金属钼，用作加热电极；再例如铂，用作玻璃纤维的抽丝漏斗，这可是价值很高的材料，还有铂热电偶也是。
最可怕的是砒霜，用量惊人，每天都需要数吨。我和一位车间主任一起到江西大余附近的钴冶炼厂去出差，他们的副产品就是砒霜。在仓库里，我看见一桶桶的砒霜，一直堆到天花板。我问管理员，怎么知道纯度？管理员拿了一小块含在嘴里，说味道很纯，纯度很高。他的举动把我给惊倒了，他说，砒霜中毒要吃很多才行，这一点点对身体反而有利。他拿了一小粒给我，被我给拒绝了。真是开眼了！
说到钴，用它可以给压花玻璃着色，颜色是蓝色的，很漂亮。在我们的生活中，蓝色的玻璃花瓶，还有蓝色玻璃杯，蓝色的窗玻璃，都是钴着色。


我在研究彩色压花玻璃的喷涂配方时，试过锰着色、铜着色和铁着色，它们的颜色是灰的、绿的和铁红色的。我还试过铬着色，不过它能形成金星效果：猛一看是透明的玻璃，但斜着看或者用光照，就能看到闪光的金星。这些彩色压花玻璃喷涂色料的配方，我还拿过发明专利哦，当然是职务发明，所属权归企业。
有点意思吧！

长长的路

钼(Mo, molybdenum)

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。



Mo单质

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。
如果不进一步深入研究，或者从事合金领域的工作，可能此后就永远地与Mo擦肩而过了。



十二钼磷杂多酸根[PMo12O40]3-结构示意图

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。



固氮酶整体结构，其中FeMo和Fe4S4簇被标记出来

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。
其总反应如下：
N2 + 8 H+ + 8 e− + 16 MgATP → 2 NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 Pi
N2 + 14 H+ + 12 e− + 40 MgATP → 2 NH4+ + 3 H2 + 40 MgADP + 40 Pi



固氮酶中的FeMo原子簇



N2在固氮酶中的断键历程

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……）
而这可能是高中生最常见的几个化学反应方程式之一，基于此的热力学平衡计算仍然让我印象深刻：
N2 + 3 H2 → 2 NH3



Haber-Bosch合成氨反应器

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。



Ertl的工作——合成氨表面催化反应历程的计算模拟

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。



人工仿生固氮催化剂的催化历程

即使如此，人类合成氨的反应条件和效率也远未达到酶催化的效果……
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。
相对而言，Mo在工业中的应用都变得无足轻重。
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。
<hr/>最后，有一个小故事：
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。
事实上，根据其结构特征和性质，MoS2和石墨一样，都可以用作固体润滑剂。



辉钼矿



石墨矿，还是有点像的

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。



石墨烯单层

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示意图

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。



三维与二维MoS2的能带，可见其1.84 eV的带隙

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。

大力水手

谢 @博丽灵梦 邀请；
这个问题，我提名钼元素。
应该有不少人知道，钼是人体的一种必需微量元素。
借 @荆博 的图片来示意一下：


可以看到，从第五周期开始，人体必需的元素有且只有两个：钼和碘，是不是有些意外？
但是，更让我意外的是，参与一个农业项目的时候，了解到了钼酸铵，这才知道钼肥是农业上十分常用的化肥。这也说明，钼在植物体内也很重要。
在从事项目过程中，我逐渐了解到钼的一些生物作用。

在说钼之前，先要讲讲氮。
氮有两种形式，俗称硝态和氨态，硝态指的是氧化数比较高的，通常是硝酸盐形式，而氨态正好相反，通常是氨基的形式。
植物能够吸收并利用的氮元素主要是氨态，因为氨态是转化成氨基酸的原料，那么硝态氮进入植物中，首先就需要转化为氨态。这个过程是在一些酶的催化下进行，而酶的作用依赖于钼。没有钼，虽然也可以进行，但是效率会低很多。
在大豆这类植物中，钼的作用体现十分明显。众所周知，豆科植物是天然氮库，因为有根瘤菌。研究发现，大豆的根瘤数目会有明显的增长。而大豆种子里蛋白质的含量是比较高的，所以，固氮效果也会直接影响到大豆产量，在施加了钼肥之后，有的品种的大豆产量可以增长10%以上。
对于其他没有根瘤的植物，钼的主要价值体现在对氮肥的吸收方面。平时使用的氮肥，硝酸盐也是挺常见的，如果没有钼的话，这种氮肥就会大量流失，浪费很严重。

除此以外，钼还有其他的一些作用，比如冬小麦，我们都知道这种植物是需要越冬的，也就是需要抗冻。那么这时候，有些物质就很重要了，比如维生素C，对于冬小麦的越冬就很关键。
而钼肥在使用之后，冬小麦中的维生素C可以翻倍，大大提升了适应性。而且，这个过程有意思的地方在于，当温度极低的时候，维生素C的提升幅度大，而当温度较高时，提升幅度就会小一些。换句话说，越是需要的时候越给力。

对于蔬菜水果来说，钼肥还有个特别的好处。我们常说，隔夜菜对身体不好，那是因为硝酸盐会转化成亚硝酸盐。虽说危害算不上多大，但是确有其事，隔夜菜的亚硝酸盐含量明显高于新鲜的菜。那么，亚硝酸盐的来源是什么呢？其实很大一部分就是残余的化肥。通过施用钼肥，可以把果蔬中的硝酸盐含量显著降低，原理就是前面讲过的。有的研究能做到下降三分之一，对人类来说，既通过这种方式补充了钼元素，又可以降低亚硝酸盐的风险，一举两得。

过去很多年以来，钼都很少被提起，最近这些年的研究多了，我回到农村也看到钼肥的袋子越来越常见了，可见这东西还是很见效的。它往往是和硼复配着用，而硼也是一种不怎么听说的元素，不过知名度还是比钼大多了，毕竟大多数人都知道硼砂。

除了农业以外，钼其实也是一种工业添加剂。
钼是第六副族，看看它的上面是铬，下面是钨，就大概能猜到它的用途。铬是不锈钢的主要成分，而钨，相信很多人都知道它是重要的合金材料。没错，钼很适合用在钢铁行业。
钨是熔点最高的金属，钼的熔点也不低，达到了2600多度；铬是最硬的金属，钼的硬度也算挺高的。所以，这些特征都让它很适合用于一些特殊材料的加工，比如电子工业。
很多人应该都听说过碳化钨，写作WC，这是一种很出色的合金材料。很荣幸，MoC，碳化钼也是。
可见，在非生物领域，钼的应用也是十分广泛。

所以，钼应该是非常符合题意了。

另外还要提一句，中国是世界上钼资源最为丰富的国家，河南洛阳又是中国钼藏集中的区域，栾川被称为中国钼都。

一个彩蛋——
钼和钼之间可以形成四重键！除了σ键和π键，它还拥有有d轨道重叠形成的δ键，只有极少数元素拥有这个技能。

大力水手

在回答这个问题之前，我们先回顾一下历史，我们也曾狂热的追捧着新元素，甚至在我们对其不甚了解的情况下就大肆推广，你不会想象出，具有放射性的镭，被用来添加到服装、饰品、玩具、日化用品，甚至饮料、药品；当然现在微商的主营产品化妆品也是当时含镭产品的重头戏。




“水中贵族”含镭矿泉水（公有领域）

所幸的镭的价格当时也是极为昂贵，大多数的产品含量非常低或者只是声称含有镭元素，但即便如此还是造成了极其严重的后果——大量用户受到辐射，而最严重却是那些生产含镭产品的工人。那么，为什么对我们生活起到重要作用的元素都是我们所熟知的呢？因为这里有两个基本原则：
生命会以最容易的方式同环境进行物质交换

这里要先介绍一个大家可能知道但不是特别熟悉的概念：丰度——各元素在限定的研究范围中比例。由于人类的活动主要是位于岩石圈的上层、水圈和大气圈中；所以，从生命进化的角度讲，生命获取元素的来源一定从上述的圈层中摄取，所以生命体活动也会受上面所述圈层的影响，这就导致了不仅人体，一般的生物体的元素丰度都会高度一致，而且生命体的部分元素比例还会还原生命的进化中某些关键节点，比如人的体液的元素丰度同古代海洋有较高的一致性，可以作为生命来自海洋的佐证。




数据来源：USGS公共统计信息，图像作者翻译编制

从上图可以看出，地壳的各种元素的含量相差巨大（注意y轴为指数标记），其中含量最高的氧硅铝铁钙五种元素所占了绝大部分，此外地壳中的主要造岩元素也是我们所熟知的，其原子序数都位于30之前，地壳中丰度最大的前十名元素，可占全部比例的99.85%。对比下图，可以发现生命有机体构成元素组成重要性和丰度与地壳的丰度有着高度一致性。




数据来源：Chang, Raymond (2007). Chemistry (Ninth ed.). McGraw-Hill. p. 52，图像作者翻译编制

从整体上讲，绿色越深的颜色丰度越大，绿色越浅的丰度越小，不仅如此，那些未用颜色标注的元素，大多数不仅含量低，而且对生命体一般还会构成危害。




数据来源：Chang, Raymond (2007). Chemistry (Ninth ed.). McGraw-Hill. p. 52，图像作者翻译编制

形成鲜明对比的是，构成生命的四种基本元素——碳氢氮氧，在地球上部圈层中有着非常高丰度，而且均有多种气态化合物，对生命有重要意义的重要元素都有不低的丰度，这为生命体能够顺利同环境进行物质交换中提供了基本保证。
这样的结果与生命的出现和进化有着直接的关系：从量变到质变，第一个可以自我复制的分子的诞生，一定是发生在较大丰度的元素中，才完成由无机体自发形成有机体的突破，再结合生命周而复始的特性，那么这种元素应该得失电子的能力都一般；基于这种考虑碳基生命和硅基生命都有其存在的道理，但自然界中没有硅的气态化合物，液态化合物种类也非常少，要知道气态物质的化学反应的速率和几率要远高于固态物质。所以，斯坦利·米勒在设计验证生命起源假说——“原始汤”的合成氨基酸实验中，使用了甲烷，氨和氢，以及水蒸气的混合物循环通过一个装置，利用电火花激化，一周后成功合成了不少于5种氨基酸（2011重新测定发现23种）。这样设计实验，除了需要模拟古代海洋和大气的条件，气态和液态物质的反应速率也是一个重要的考虑。所以在地球上诞生碳基生命而非硅基生命并非偶然——因为生命真的是一个欢快化学反应的集合体啊！




最早提出“原始汤”假说的亚历山大·奥帕林（公有领域）

元素之间虽有不同，但亦有相似性，并没有那么多的不可替代

第二个基本原则就是我们熟知的元素周期律，门捷列夫发现的元素周期律告诉我们这样的一个规律，同一列的元素由于最外层电子数相同，化学性质相近，因而很大比例可以找到替代元素，而这种规律甚至成为我们在利用元素过程中的难点，比如晶体的不完美很多时候并不是生长问题，而是在最初原子位置被同族元素替代，比如钾钠，比如钙镁，这些也同样丰富了我们的世界（还记得被各种长石支配的日子吗）




纷繁复杂的长石矿物相图（图像来自于共有领域，旁注作者加）

为了生活的苟且，我们选择性价比

除了这些科学上的原理，工程思维与我们的生活更加息息相关。什么是工程思维，就是将科学理论实现，除了基本科学性，可行性同样重要。我们常说的多快好省可以看作工程思维的集中体现，既要考虑简单实用，又要兼顾经济实效。所以我们在设计建造的过程中，不求最好，只求最适合，现实生活中我们大量使用替代材料，而非最佳材料。比如我们熟知的电阻率最低的金属是银，但我们使用银作为导线的情况少之又少，因为银作为贵金属，使用成本高，故而使用大量的铜、铁等合金替代，而且合金的线缆的许多性能是优于银制线缆的。
新材料：我们的目标是——消除短板

科学技术的发展也从两方面扩大材料使用范围，一方面降低了使用的门槛，比如矿产勘查，矿产勘查圈成矿边界的一个重要依据就是工业指标，国家或行业会制定相应的标准，一般5-10年修订一次，即便如此，由于迅速发展的科学技术，使原先不能用的矿产现在可以用，一些以前要求的指标，像铸造用膨润土的白度，水泥用灰岩的钾钠都不再作为工业指标了；原先选不了的现在通过新的复选方法可以利用了，像超贫磁铁矿等等。这种情况尤其到了一个规范用了一段时间后尤为明显，矿主或者厂家频繁反映，为什么可以进行采矿生产的区域不能圈矿，不能扩界，这个时刻勘查报告基本就得单独附选矿实验报告和相关说明进行重新圈定或扩界。
另一个方面就是提高材料的使用极限，针对性的弥补材料自身的缺点，就会得到应用更广泛的新材料。比如前一段时间，由于我国对航发工业的重视，对铼的诉求变高了，让大家认识到了铼这个元素，但铼这个元素，人们对其研究也不高，本身蕴藏量就极低，主要伴生在辉钼矿中，在此之前，我们都不会对钼矿中的铼进行检测，而像葫芦岛等成矿区带中很多钼矿山都到闭坑的阶段，是不是含铼，能不能回收都难以判断了，让人不免产生了“我生君未生,君生我已老。我恨君生迟,君恨我生早”的感慨，想这种情况，怎么办？研发新材料，像新型的大型航空发动机，越来越多的使用陶瓷基和树脂基复合材料，这些复合材料密度低、耐高温,对减轻涡轮叶片重量和降低涡轮叶片冷气量意义重大，极大填补了对特种金属不足的缺失。




依然还将使用空心钛风扇叶片的WS20概念图（图片来源：网友提供）

当然，这些新型材料的研发成本是巨大的，在完全取代之前，经典材料依然不可或缺，但这些新型材料的生产潜力更大，最为关键的就是不受稀有元素的限制，有着近乎无限发展的前景。
所以，那些很少听说过的元素，一般集中在高原子序数区域，理化性质都不稳定性，大概率有毒有放射性，使用和研究属于管控范围，同时，这些元素还受制于极低的含量，开采生产成本极高，获取不易的制约，对其研究的程度和动力都不高，可以参照一下当年居里夫人对镭的渴望，从1898年到1902年才从一吨多的沥青含铀矿渣中提取出0.1g的氯化镭，直到1910年，才成功获取了金属镭。研究和探索高原子序数工作的难度可见一斑，这些是需要国家甚至全人类的支持和认可；综上，那些新发现的新元素，就很难对我们的生活有什么影响了。
参考文献
The principles of distribution of chemical elements in minerals and rocks. The seventh Hugo Müller Lecture, delivered before the Chemical Society". Journal of the Chemical Society: 655–673.
Nielsen, Forrest H. (1998). "Ultratrace minerals.". In Maurice E. Shils; James A. Olsen; Moshe Shine; A. Catharine Ross. Modern nutrition in health and disease. Baltimore: Lippincott Williams & Wilkins. pp. 283–303.
Elemental Composition of the Human Body" by Ed Uthman, MD Retrieved 17 June 2016
Miller, Stanley L. (15 May 1953). "A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions". Science. 117 (3046): 528–529. Bibcode:1953Sci...117..528M.
Feldspar. What is Feldspar? Industrial Minerals Association. Retrieved on July 18, 2007.
本文首发于科普中国
监制：中国科学院计算机网络信息中心

长长的路

提名“镍”。



图：镍在最新版元素周期表中的位置

在中国西部的河西走廊，传承了两千年的“河西四郡”，已经扩增为现在的“河西五地市”。新增加的甘肃省金昌市，是因为金属元素——镍（符号Ni）的矿藏开发而设立，被称为中国的“镍都”，并进入了地理课本。几十年里，金川镍矿对共和国工业建设做出了巨大的贡献。



图：1992年8月，中共中央总书记江泽民视察金川，题写“腾飞的镍都”



图：金川镍矿出产的关键金属元素 （图片来源：纪录片《河西走廊》）

然而，在此前，整个二十世纪五十年代，中国是完完全全的缺镍国家。为何乾隆皇帝曾自豪地以“天朝上国，无所不有”来夸赞的中国，却独独缺少镍？镍和工业生产、人民的生活又有什么密切地联系呢？

• 缺镍的那些年：流产的货币计划
  

说起中国的矿产特征，一般来说就是单缺四样：“金银铜铁”。在中国960万平方公里的陆地面积上，这四样的矿也不是没有，但是矿石的品位和储量嘛，这么伤心的话题……我们还是回过头来说镍好了。
在1949年新中国成立的时候，以及整个五十年代，中国是完完全全的缺镍的国家，缺到什么程度呢？让我们从清朝说起。
19世纪末，风雨飘摇中的大清朝为了续命，在大笔大笔赔银子的财政压力下酝酿了针对银本位的货币改革计划，其中就有使用镍币进入流通领域替代银、铜币的想法，还从英国伯明翰造币厂订购了少量镍币样币给慈禧和光绪“御览”。



图：清朝镍币样币

但是，在国外已进入流通领域的镍币在大清朝廷却遇到了前所未有的阻力，除掉那些利益集团和党争的因素外，一个非常重要且无法反驳的理由就是：当时的中国没有镍矿。一切镍币原材料及其加工设备都需要从外国进口，无论是成本还是国家安全都没有办法进行保证。因此，清廷引入镍币进行货币改革的计划就流产了，流散出去的样币现在成了收藏界的珍品，偶见于拍卖会场。

• 白银、镍白铜傻傻分不清
  

民国是个神奇的时期，清朝没搞出的流通镍币，却时而出现在军阀们的手里，作为地方发行货币进行流通。比如，运输海外物资交通较为方便的两广地区，就曾发行镍币作为货币流通。与此同时还有一个不可不提的传统镍产地——云南。



图：民国广西镍币

云南其实是存在一些含镍铜矿的。历史上，云南昭通等地出产的含镍白铜，经常被当作白银，或称为“朱提银”。有的时候因为镍白铜看起来成色不错，又不容易像真正的白银那样氧化变黑，其银价还略高于普通白银。现在西南少数民族风情旅游点附近的纪念品商店所销售的各种冠以“苗银”“老银”等称呼的非925银制做的各种“银”首饰纪念品，基本为镍白铜制品，戴在身上非常容易因为镍的刺激引起过敏，造成皮肤红肿破损等问题，笔者建议不要买，买了不要戴……习惯性跑题了，说回镍币。



图：旅游点的苗银首饰小摊

正因为有这个传统和资源支持，云南本地军阀政府在发行铜币作为辅币的时候，在传统的红铜黄铜之外，自然也会选择白铜。这些铜币有的时候称为白铜，有的时候干脆称为镍币。镍，这时候还是为了降低铜币里的铜含量，使铜币不足值而存在的，说白了还是当地军阀为了通胀敛财。在当时，镍宝贵的工业价值还不太为国人所认知。



图：民国云南镍币

这里说到了云南产镍，那为什么清朝廷还说“中国尚无镍矿”呢？
原因很简单，中国的镍矿包括云南的镍矿基本以是铜镍复合矿（也称硫化矿）为主，包括金川镍矿的发现，都是在野外找到的铜矿石中意外收获的。早期这些矿的开采都是当铜矿甚至银矿开采的，而且当时云南所开采的镍矿普遍不大，产量较低，影响较小。这类硫化矿也不是世界上主流镍矿的类型，世界上无论是储量还是产量，都是以氧化矿（也就是红土矿）为主，而氧化矿在我国偏偏非常少；世界上硫化矿的储量，相当部分在中国，而中国的镍矿储量的一半以上在金川——当然，这是现在的情况。在60年代初期，金川镍矿投产后的相当长的时期里，它几乎是中国镍储量和年产量的全部。
改革开放以后，镍白铜也曾作为硬辅币材料出现在人民币的辅币中，也就是知名的80版长城币，但是由于镍资源的短缺，这版硬币很快就退居收藏市场。但镍白铜有时还用于流通纪念币的制造。



图：80版长城币（图片来源：http://www.airmb.com）

• 转折：第一块含镍矿石标本被发现
  

1949年建国的时候，中国手里的镍真的不多，有人称为“黄金可求，镍难求”。与花费了代价还能从国外（明灯国阿尔巴尼亚）获取的铬矿不同，当年的镍紧缺到令人发指的程度：是唯一凭特别票证供应的金属产品；半吨以上的使用项目需要总理审批。周总理的日常事务无比繁重，而镍的大量使用竟然需要他亲自把关，可以想见镍矿供应的紧缺程度。
这也是后来这个矿被命名为“金川镍矿”和永昌县之上依托金川公司新设置出的“金昌市”名称里都带“金”字的原因，因为这里产出了新中国建设最急需最紧缺的金属矿产，比金子更珍贵。



图：金川露天矿坑 （图片来源：纪录片《河西走廊》）

50年代末期在现在的金川矿区找到的第一块含镍矿石标本，被认为是紧缺的铜矿矿石——孔雀石而被矿产调查队员注意到并采集。后来的分析测试报告里，它的品位被这样描述：镍的含量高达0.90%，矿石中铜、镍均达到品位。金川镍矿在60年代初国民经济非常紧张的时候仅花了短短的几年时间就完成了矿区的勘探与开采、镍矿冶炼所需的工业体系的建设，并在一片荒原上从矿产开采起步形成了一个新兴的工业城市，也就是现在的甘肃省金昌市。



图：镍矿石 （图片来源：纪录片《河西走廊》）



图：金川矿石第一份分析报告（图片来源：纪录片《河西走廊》）

金川镍矿的成功开采和冶炼，使当年中国紧缺到极点的镍供应得到了大大的缓解。可以说，156项目（编者注：苏联对新中国工业领域的156个援助项目）之后的几十年，金川镍矿成了不可替代的中国重工业的基础支柱之一，意义等同于大庆油田的发现与建设。
金川镍矿所受到的重视和特殊的待遇无不说明，这一块矿石的发现对于中国工业来说非常非常重要。理由只需要用三个字就可以描述：不锈钢。

• 依托在镍之上的军工王国
  

镍金属在合金、电池、电镀等领域的应用使得它成为现代机械、电子工业中不可缺少的关键战略性矿产资源。它也一度大量用于镍镉电池。但作为不锈钢的关键合金成分之一，镍元素不管是在国内还是国外的首要消耗就是用于生产不锈钢。现在世界上的主要镍消耗国同时也是不锈钢生产国，不锈钢的重要性无需多言。SUS-304牌号的不锈钢经常被冠以“食品级不锈钢”的名号，为一切民用领域的不锈钢产品做广告形象宣传：打开购物网站，输入“不锈钢”三字，即可搜出种类繁多的日用品，能够涵盖生活日用的各个方面。



图：锅碗瓢盆，橱柜水槽，各种原料半成品，各种日用品几乎都有不锈钢的身影。（图片来源：视觉中国）

而且，镍元素的添加对合金性能的促进作用更是航空航天高端应用中不可或缺的。
以军事航空工业为例，冷战期间，美国单价堪比航空母舰的三倍音速战略轰炸机XB-70瓦尔基里（即北欧神话中的女武神），与前苏联的三倍音速截击机米格25，这一对原本计划针锋相对的对手，都不约而同地使用镍基铁合金材料(不是普通的不锈钢，而是特殊的镍基合金，里面镍含量相当高)来焊接 “不锈钢怪物”。尽管西方出于冷战宣传的目的对米格25使用的不锈钢焊接结构进行了污名化的舆论战，但是，美国的XB-70瓦尔基里是一个更大、更重以及更贵的不锈钢怪物，XB-70项目因成本问题下马后至少一架以上的原型机还长期在NASA充当实验机进行各种飞行试验。



图：美国的不锈钢怪物XB-70瓦尔基里轰炸机，单价相当于一艘海军的航空母舰，因为实在太贵被下马，剩余预算被挪去发射阿波罗飞船登月了。



图：冲出日本函馆机场跑道的米格25飞机。别连科上尉的叛逃才使西方摸到了这个来自苏联的不锈钢怪物。米格25一辈子也没有真正在空中截击过预想的对手XB-70，但是它将XB-70截击于出厂之前。

而米格25不仅在苏联被大量装备为截击机、侦察机甚至轰炸机，还被出口到伊拉克、印度等多个国家。伊拉克的米格25还在海湾战争中拿下了伊军空军仅有的空战战果——一架从“萨拉托加”号航母上起飞的F/A-18C“大黄蜂”攻击机。

• 为什么镍基铁合金能在各国航空军备竞赛中独领风骚？
  

在“热障“以上的高速飞行中，机体结构与空气摩擦产生高热环境，这种环境下还要保持机体结构的强度，可以使用的材料就不多了。常见的航空铝合金、复合材料都不行，从材料性能上说也就只有钛合金和航空不锈钢（镍基合金）可以胜任。
从结构构造上说，“不锈钢怪物”由于镍基合金可以通过特种焊接进行加工，结构强度非常有保障，维护也容易，综合来说便宜而又有保障，满足了极端性能要求的同时还体现了很好的维护性和成本优势。
而先进的轻巧而耐热耐腐蚀的钛合金昂贵不说，加工困难，不易焊接而不得不使用铆接的结果导致机体在受热过程中膨胀收缩不均匀，这就是YF-12A不仅贵得离谱，在地面上却是个浑身漏油的筛子，起飞后就要紧急空中加油补油，运行成本异常高昂的根源。镍基合金材料在要求最苛刻的环境里，反而由于它的“无短板”的特点，形成了独特而不可替代的优势。
如今，无论是那个经几十年开采露天矿后留在地面上的长1300米，宽700米，深310米的中国第一的巨大矿坑，地下千米以下处存在的上千公里的采掘巷道，还是新建的“镍都”金昌市，以及市场上的无数种不锈钢制品，都无比深刻的体现出了镍在新中国工业建设中的重要意义：我国是目前世界上最大的镍铁生产和消费国。
但是，由于国内镍矿资源开发存在的矿产储量有限，开采难度高，成本高，冶炼难度大以及环保压力等种种问题，使得我国镍资源的供应依然较依赖于初级镍产品的进口。但是国产镍矿的存在和金川镍矿开发形成的镍金属冶炼能力，是我国镍矿石、镍初级产品进口的安全保障和议价筹码。晚清朝廷里的太后皇帝和王公大臣们都能形成共识的风险问题，依然是我们现在中国所需要注意和极力避免的。

作者：老徐诺维奇
出品：科学大院
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