在瑞典雷萨罗岛(Resar?)上有一个小村庄,它本应比现在更有名。伊特比村,一个静谧的地方,元素周期表中至少有四种元素以它命名——钇、镱、铽和铒。还有四种元素的发现也可以追溯到这里。在化学元素的发现上,世界上没有其他地方能与之媲美。

这一切都从钇开始。

就在伊特比村外,有一座矿藏丰富的矿场。16世纪的矿工在地下深处开采石英,后来长石由于瓷器工业大发展而成为商业上重要的矿物。但该矿也因其所含的岩石种类繁多而闻名,这些岩石被用于生产不同寻常的颜料和釉料。1787年,瑞典陆军炮兵军官卡尔·阿克塞尔·阿伦尼乌斯在调查这座矿场的时候,被一块岩石吸引住了。它是黑色的,而且很重。阿伦尼乌斯对矿物学有着浓厚的兴趣,这块岩石与他之前见过的都不一样。他的偶然发现打开了一个科学领域的“兔子洞”[1]。研究的过程堪称曲折,每每看到成功的希望时,就会出现新的转折、死胡同或岔路。科学家花了将近一个世纪的时间,才把阿伦尼乌斯偶然发现的矿物中所有的化学成分区分开。

阿伦尼乌斯以为自己发现的是几年前才刚刚发现的钨元素,于是将这块黑色岩石样本邮寄给了奥博大学的约翰·加多林,让他做一些正规的分析。加多林发现,不管如何提纯,都达不到钨的比重,也就是说它并不是钨。这块岩石的38%是由一种之前不为人知的物质组成的,他认为这是一种“土”,按照旧有化学的命名习惯,土指的是金属的氧化物。加多林将这种新的“土”命名为钇土(yttria),那么氧化物里的金属就是钇(yttrium)。1794年,他发表了自己的发现,虽然他尚未将钇元素成功分离出来,但还是获得了发现新元素的荣誉。为了纪念加多林,这种矿物被命名为加多林矿(硅铍钇矿,gadolinite)。将钇分离出来是弗雷德里希·维勒在1828年完成的,但这不过是整个故事的第一个转折——维勒的样品不纯。

1843年,卡尔·古斯塔夫·莫桑德尔发现氧化钇实际上是由三种不同的金属氧化物组成的——白色的氧化钇,加上黄色的氧化铽和玫瑰色的氧化铒。这些新的氧化物里产出了铽元素和铒元素。又有两枚新元素被添加到不断增长的元素周期表里,但这并没有到达纯度的终点。

几十年后,铒被证明是一种混合物,其中还含有另外三种元素——镱、钬和铥,而对加多林矿的进一步检测又发现了第七种元素——钪。每一种新元素都和上一种异常相似,只是在矿石里的含量越来越少。这些元素似乎就像俄罗斯套娃一样被藏在加多林矿里。最后,最稀少的新元素也被发现了,它被命名为钆[2],这是在1880年通过光谱分析发现的。

正是因为这些元素的化学性质如此相似,所以它们在岩石里通常都凑在一块。这正是它们难以分离的原因,也是它们所在家族的共同特征。这个家族就是所谓的“稀土”族,包括17种外观相似的金属元素。在元素周期表主体的下面,有15个元素排成了一个长列(镧系元素),再加上另外两种元素——钪和钇,这17种元素的化学性质都是相似的。

尽管它们的特征非常相似,每种稀土元素还是有其独特的个性,这让它们开拓出了各自的商机。比如,钇和铝、氧一起形成的石榴石,可作为伪钻石[3]和高能激光器的核心。你可能认为,詹姆斯·邦德[4]的死对头会利用这种技术来统治世界。尽管听说过钇元素的人可能很少,但它帮助我们发现了元素周期表里一个全新的分支,并使全球重要技术的发展成为可能,从LED、电池、超导体到癌症的治疗,都能找到它的身影。钇可能在一生中有个并不引人瞩目的开始,但它自己的表现也不坏。

[1] “兔子洞”来自经典童话《爱丽丝漫游奇境记》,女主爱丽丝通过一个兔子洞进入了一个不一样的童话世界。

[2] 钆元素以加多林(Gadolin)的名字来命名的,因其在加多林矿中被发现。

[3] 20世纪70年代,石榴石因为折射率高被用于合成宝石,包括钻石近似物,后来被更先进的氧化锆技术取代。

[4] 007系列电影中的主角。