铱在地球上稀有吗?
铱是地壳中最稀有的元素之一。
铱是什么?
铱是元素周期表中最耐腐蚀的元素。它也是所有元素中密度最高的。因为它耐腐蚀,所以它被用来设定度量衡的标准。但由于它如此致密和易碎,除非将其加热到极端温度,否则很难对其进行加工、成型或加工。
铱的发现与铂以及其他铂系元素息息相关。古埃塞俄比亚人和南美洲各文化的人自古便有使用自然产生的铂金属,当中必定含有少量其他铂系元素,这也包括铱。17世纪西班牙征服者在今天的哥伦比亚乔科省发现了铂,并将其带到欧洲。[28]然而直到1748年,科学家才发现它并不是任何已知金属的合金,而是一种全新的元素。
当时研究铂的化学家将它置于王水 (氢氯酸和硝酸的混合物)当中,从而产生可溶盐。制成的溶液每次都留下少量深色的不可溶残留物。约瑟夫·普鲁斯特曾以为这一残留物是石墨。法国化学家维多·科莱-德科提尔(Victor Collet-Descotils)、福尔克拉伯爵安东万·弗朗索瓦(Antoine François, comte de Fourcroy)和路易·尼古拉·沃克朗(Louis Nicolas Vauquelin)在1803年也同样观察到了这一黑色残留物,但因量太少而没有进行进一步实验。
1803年,英国化学家史密森·特南特分析了残留物,并推断其中必含新的金属元素。沃克朗把该粉末来回在酸碱中浸洗,取得了一种挥发性氧化物。他认为这是新元素的氧化物,并把新元素命名为“ptene”,源于希腊文的“πτηνος”(ptènos),即“有翼的”。特南特则拥有更大量的残留物,并在不久后辨认出两种新元素,也就是锇和铱。在一连串用到氢氧化钠和氢氯酸的反应之后,他制成了一种深红色晶体(很可能是Na2[IrCl6]·nH2O)。[31]铱的许多盐都有鲜艳的颜色,所以特南特取希腊神话中的彩虹女神伊里斯(Ἶρις,Iris)之名,把铱命名为“Iridium”。元素的发现被记录在1804年6月21日致英国皇家学会的一封信中。
1813年,英国化学家约翰·乔治·求尔德伦(John George Children)首次熔化铱金属。1842年,罗伯特·海尔(Robert Hare)首次取得高纯度铱金属。他量得的铱密度为21.8 g/cm3,并发现这一金属几乎不可延展,且硬度极高。1860年,亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和朱尔·亨利·德布雷(Jules Henri Debray)第一次大量熔化铱。每千克铱的熔化过程需要燃烧超过300升的纯O
2和H2。
铱如此难熔化塑性,这大大限制了它的实际应用。约翰·艾萨克·霍金斯(John Isaac Hawkins)在1834年发明了装有铱造笔尖的金质钢笔。1880年,约翰·霍兰德(John Holland)和威廉·洛弗兰德·达德利(William Lofland Dudley)利用磷大大简化了铱的熔化过程,并在美国申请了专利。英国庄信万丰公司之后表示,他们早在1837年就开始使用类似的方法熔解铱,而且已在多个世界博览会展出经熔融制成的铱。奥托·佛斯纳(Otto Feussner)在1993年第一次在热电偶中使用铱﹣钌合金材料,使这种新型器材能够测量高达2000 °C的温度。
1957年,鲁道夫·穆斯堡尔在只含191Ir的固体金属样本中,发现原子能够进行无反冲的γ射线共振发射及吸收。他所进行的实验是20世纪标志性的物理实验之一。此现象称为穆斯堡尔效应(其他呈现该效应的原子核也陆续被发现,如57Fe),是穆斯堡尔谱学的中心原理,在物理学、化学、生物化学、冶金学和矿物学中都有重要的应用。论文发布的仅仅3年之后,即1961年,穆斯堡尔就因这一发现获得了诺贝尔物理学奖,时年32岁。
特性
铱是铂族的一员,呈白色带黄色调。它的密度为每立方厘米 22.65 克。相比之下,铅的密度为11.34 g/cm 3,铁的密度为7.874 g/cm 3。
根据化学解释,铱不受酸、碱或大多数其他强化学物质的影响。该属性使其可用于制造暴露于此类材料的物体。
应用
铱的需求量从2009年的2.5吨升至2010年的10.4吨。这主要是因为电子相关应用的需求量从0.2吨升至6吨:铱制坩埚被广泛用于大型高质量单个晶体的生产,而这些晶体的需求在这段时间大大提高。铱的消耗量预期将因为积累的坩埚库存而饱和,这在2000年代也曾经发生过。其他重要应用还包括火花塞(2007年消耗0.78吨)、氯碱法所用的电极(同年消耗1.1吨)以及化学催化剂(同年消耗0.75吨)。
工业及医学
铱的应用大部分运用其高熔点、高硬度和抗腐蚀性质。铱金属以及铱﹣铂合金和锇﹣铱合金的耗损很低,可用来制造多孔喷丝板。喷丝板用于把塑料聚合物挤压成纤维,例如人造丝。锇﹣铱合金也可以用于指南针轴承和计重秤。
铱的耐腐蚀、耐高温性质很强,所以非常适合作为合金添加物。飞机引擎中的一些长期使用部件是由铱合金组成的,铱﹣钛合金也被用作水底管道材料。加入铱可提升铂合金的硬度。纯铂的维氏硬度为56 HV,而含50%铱的铂合金硬度可超过500 HV。
铱也常被用于须承受高温的仪器当中。比如,柴可拉斯基法使用铱制高温坩埚,产生单个氧化物晶体,如蓝宝石、钆镓石榴石和钇铝石榴石等。这些晶体被用于电脑内存和固态激光器零件当中。铱合金能够抵御电弧侵蚀,所以是火花塞电触头的理想材料。
Cativa催化法是把甲醇转变为乙酸的过程,可使用铱化合物作为催化剂。
放射性同位素铱-192在γ射线照相中是一种重要的能源,有助对金属进行无损检测。另外,近距离治疗利用192Ir所释放的γ射线来治疗癌症。这种治疗方法把辐射源置于癌组织附近或里面,可用于治疗前列腺癌、胆管癌及子宫颈癌等。
科学
1889年制成的国际米原器和国际千克原器是由含90%铂和10%铱的合金组成的,原器由位于巴黎附近的国际计量局保存。米的定义在1960年改为氪的发射光谱中的一条谱线,但千克的定义仍然是千克原器。
航海家号、维京号、先锋号和卡西尼-惠更斯号、伽利略号和新视野号等无人宇宙飞船都有使用含有铱的放射性同位素热电机。由于热电机要承受高达2000 °C的高温,所以包裹着钚-238同位素的容器是以既坚硬又耐高温的铱所制。
铱还被用于X射线望远镜中。钱德拉X射线天文台的反射镜上有一层60纳米厚的铱涂层。在测试过多种金属之后,铱的X射线反射能力证明比镍、金和铂都要优胜。这层铱的平滑程度要有几个原子以内的准确度,须在气态下在高真空环境中涂在铬底层上。
粒子物理学在反质子的产生过程中也用到铱。过程中,高强度质子束射向密度必须很高的“转换目标体”。虽然可以使用钨,但铱的优胜之处在于,它可以更稳定地承受入射粒子束使温度升高时所造成的冲击波。
碳-氢键活化反应(C–H活化)是断开碳-氢键的反应。这种键在以前曾被认为具有低反应性。科学家在1982年宣布首次成功活化饱和烃中的C–H键,反应使用铱的有机配合物,使烃进行氧化加成。
铱配合物可以用来催化不对称氢化反应。这类催化剂已被用于合成天然产物,并能够把本来难以氢化的基底(例如非官能团化烯烃等)氢化成其中一种对映异构体 。
铱可以形成多种配合物,在有机发光二极管(OLED)当中起到作用。
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