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破解恐龙灭绝之谜的“彩虹元素”

2019-10-30 05:50| 发布者: | 查看: 19| 评论: 0

摘要:   铱的英文名 Iridium 来源于彩虹女神,寓意美好。古希腊传说中,女神 Iris 是彩虹的化身,她作为人和神之间的中介者,向普罗大众传达天神的旨意。化学元素铱没有辜负她的名字,它向我们讲述了多彩的世界、稀缺的 ...

  铱的英文名 Iridium 来源于彩虹女神,寓意美好。古希腊传说中,女神 Iris 是彩虹的化身,她作为人和神之间的中介者,向普罗大众传达天神的旨意。化学元素铱没有辜负她的名字,它向我们讲述了多彩的世界、稀缺的资源和脆弱的地球生态圈,而这一切都值得我们倍加珍惜。


图源:uwaterloo.ca

  撰文:李研

  铱是一种十分稀有的贵金属,我们在日常生活中接触铱的机会不多,但很多人或许对“铱”的名字并不陌生,这可能源于知名度很高的“铱星计划”。


“铱星计划”示意图。图源:satphonecity.com

  “铱星计划”想要解决的是现代人的一大痛点:手机没信号。人们曾设想,如果在地球的 7 条轨道上均匀地分布着 11 颗卫星,那么这些卫星就可以覆盖全球,用户用手机直接连通卫星就可以进行全球范围内的通讯,而无需直径只有几米抛物面的地面基站。这样即使我们在深山老林、天涯海角也不用发愁手机没有信号了。

  之所以被称为“铱星计划”,是因为铱的原子序数为 77,核外有 77 个电子,这好比计划中的 77 颗卫星围绕地球旋转。后来经过进一步计算,发现其实 6 条轨道就够了,也就是说卫星总数减为 66 颗。然而核外有 66 个电子的元素是“镝”,镝的英文 Dysprosium 来源于希腊语“Dysprositos”,意为“难以获取”,以此命名显得太过负面。而铱的英文名 Iridium 则来源于彩虹女神,寓意美好,所以“铱星计划”的名字至今仍然沿用。

  铱(Ir)的名字虽然取自古希腊的女神,但它可是化学元素中的“硬汉”。金属铱呈银白色,熔点非常高,质地也非常硬。而且铱的密度很大,以X射线晶体结构分析试验测出的密度为 22.56 g/cm3,仅比密度排名第一的锇(Os)金属低 0.03 g/cm3,比我们常见的重金属铅(Pb)高出一倍之多。

  铱耐腐蚀性极好。和贵金属钌(Ru)类似,它也是在铂矿石经王水(浓硝酸和浓盐酸的混合)“洗礼”后,留下黑色的残渣中发现的。当时人们普遍认为这些黑色残渣是石墨。然而,英国人史密森·特南特(Smithson Tennant)对此却持怀疑态度,他对残渣的成分进行了深入的研究。既然这种残渣不溶于王水这样的强氧化剂,他就尝试用强碱和强酸反复处理,并于 1803 在其中提取出铱(Ir)和锇(Os)两种新元素。

  这两种元素的命名来源很有趣。铱的名字取自彩虹女神 Iris ,很可能是由于铱的氧化物在水中析出时呈现出非常丰富的颜色变化。因为锇的氧化物有令人不快的刺激性气味,坦南特称这种元素为“Osmium”,源自希腊语的“臭味(Osme)”。 

  稀有而贵重

  铱很可能是地球上最稀有的元素,在地壳中含量只有千万分之一,常与其他铂族元素一起分散于冲击矿床和沙积矿床的矿石中。一些科学家相信,铱在整个地球的含量比在地壳中的含量高很多,只不过由于铱的密度大,又具有亲铁性,所以在地球仍处于熔融状态时,就已经沉到地球的内核了。


各种元素在地壳中的丰度。图源:维基百科

  虽然铱十分稀有而贵重,但在现代科技所需的极端条件下,特别是对机械强度和耐腐蚀、耐高温要求很高的领域,还是离不开铱元素。

  铱在高端发动机的火花塞中一直是不可或缺的。镍铜等其他金属制作的普通火花塞和铱金火花塞性能差距很大,普通火花塞的寿命在 3 万公里左右就需要更换,而铱金火花塞则可以达到 6 万~10 万公里,主要用于高档轿车、赛车和飞机的发动机中。

  铱还被用于制作科学实验仪器,例如坩埚、热电偶、电阻线和电极等。铱的高温抗氧化性和热电性能,使得铱/铱铑热电偶成为唯一能在大气中测量达 2100℃ 高温的测温材料,而铱坩埚能在 2100~2200℃ 工作几千小时,多用于生长难熔的氧化物晶体,是重要的贵金属实验器皿。

  和其他铂族金属合金一样,铱离子也有形成配合物的强烈倾向。随着配体所处的化学环境变化,化合物可以呈现出非常丰富的颜色。因为铱磷光配合物具有良好的发光性能,而且能够实现一个较大波长范围内的变化,所以可以用于构建新型发光探针,标记细胞的微细结构,在生物和医疗领域有着广阔的应用前景。此外,铱金属能牢固吸附有机物,有机化合物中的铱可以在 +2,+4 和 +6 等多个价态之间转换,所以在铱在催化剂材料中也有广泛使用。

  铱还是一个很重要的合金化材料,可以用来增强其他金属的硬度。它与铂形成的合金(10% 的 Ir 和 90% 的 Pt),因膨胀系数极小,常被用于制造国际标准米尺,著名的世界千克原器也是由铂铱合金制作的。


国际千克原器(复制品)。图源:wikipedia

  由于铱资源的稀缺,人们历来重视对它的回收利用。在富含铅、铑、铱、锇、钌的混合物残渣中,经过一系列浸出、煅烧、熔融、蒸馏、溶解等过程,可重新获得铱粉。

  随着科学技术的进步,人们也在试图减少对铱的依赖。一个经典的例子是,铱早期被用来制作钢笔的笔尖,但钢笔越来越普及而贵金属来源却非常有限,所以现在的钢笔尖已基本被更廉价的铬、钨等其他金属合金取代。

  开发少铱甚至无铱的催化剂也是目前电催化剂领域的研究热点。析氧反应(OER)在水裂解和金属空气电池中意义重大。酸性电解池中进行电催化反应具有更高的传质速度、产物纯度以及效率等优势,但铱是在酸性 OER 条件下唯一可以保持稳定的金属。为了降低 OER 的成本,商用的 OER 催化剂普遍使用 IrO2 或 Ir/C代替纯铱。

  科学家还发现,电催化反应是一个表面反应,可以将铱金属尽可能地集中在纳米催化剂的外层,或掺杂在特殊的晶体结构中,在提升反应活性的同时,近一步降低铱的用量。

  事实上,钌(Ru)的地球储量更丰富,也更廉价。但 RuO2 在酸性 OER 条件下不稳定。2019 年,中国科学技术大学的科研团队利用表面缺陷工程技术捕获和稳定单原子的方法成功制备了 Ru 单原子合金催化剂,并在酸性 OER 中获得了更好的活性和抗过氧化能力,这为突破电催化能源转化反应的发展瓶颈提供了新的思路。

  破解恐龙灭绝之谜

  值得一提的是,铱虽然在地球上可能是最稀缺的元素,平均质量比例只有百万分之 0.001,但在宇宙中的一些陨石里含量却比较丰富,可以达到百万分之 0.5 以上。这一差距使得铱元素为科学家寻找恐龙灭绝的原因提供了重要线索。


宇宙中的很多陨石富含铱元素。图源:DOI : 10.1002/chem.201804692

  白垩纪后期,火山活动极为频繁,地球上海陆分布急剧变化,动物界也在白垩纪末发生重大变化,曾一度在地表占据统治地位的恐龙在此时灭绝。这一切的起因,究竟在地球内部,还是来自地外天体的撞击?


白垩纪恐龙灭绝事件。图源:Wikimedia Commons

  由于缺乏坚实的证据,这一问题在科学界长期以来都有争论。20 世纪 80 年代,以物理学家路易斯·阿尔瓦雷茨(Luis Walter Alvarez)和他的儿子为首的科研团队走进古生物学领域,他们发现在 6600 万年前,也就是白垩纪到古近纪交界的地层中,黏土中铱的含量异常的高。这表明那时的地球很可能遭受过外来天体的撞击。

  后来,人们在中美洲尤卡坦半岛地底的确发现了约 6600 万年前形成的大型撞击坑,并在坑的周围找到了高含量的铱,和只有在高温高压下才能形成的冲击石英。在这些强烈证据的支持下,巨大的“天外来客”撞击导致包括恐龙在内的白垩纪大灭绝成为目前科学界公认的理论。


彩虹女神 Iris。图源:wikimedia.org

  古希腊传说中,女神 Iris 是彩虹的化身,她作为人和神之间的中介者,向普罗大众传达天神的旨意。化学元素铱没有辜负她的名字,它向我们讲述了多彩的世界、稀缺的资源和脆弱的地球生态圈,而这一切都值得我们倍加珍惜。 


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