銥檢視原始碼討論檢視歷史
銥是原子序77號的元素,其元素符號為Ir,是一種十分剛脆,銀白色的鉑系過渡金屬。銥是目前發現密度第二大的化學元素(僅次於鋨),以X射線晶體結構分析實驗測出的密度為22.56 g/cm3,在室內溫度及標準大氣壓的環境時,它以同樣的方式被計算出的密度較鋨高出了0.04g/cm3,銥是抗腐蝕性最高的金屬,甚至在攝氏2000度的高溫都還保留著抗腐蝕的特性。雖然只有某些融化的鹽類及鹵素[1] 對銥有腐蝕性,然而極細的銥粉末仍擁有較高的活性而且也是可燃的。
1803年,史密森·特南特在自然鉑礦石的不可溶雜質中發現了銥元素。由於該元素的鹽有眾多鮮豔的顏色,所以他根據希臘神話的彩虹女神伊里斯(Iris)把這新元素命名為「Iridium」。銥是地球地殼中最稀有的元素之一。其全球年產量及年消耗量只有三噸。自然存在的銥有191Ir和193Ir兩種同位素,後者的豐度較高。銥的其他同位素都是不穩定同位素。
雖然銥可以形成有機金屬化合物和被拿來做為工業催化劑及研究中,最重要的銥化合物應用主要是和氯化合而成的酸類及鹽類。銥金屬會被應用是因其在高溫環境下的抗腐蝕性,像是在高效的火星塞,用作於半導體再結晶的坩堝中及氯鹼法的電極中。銥的放射性同位素則被應用於放射性同位素熱電機。
銥在隕石中的含量較地球的地殼還要來得高很多。因此,在K-T界線黏土層的高含銥量導致阿瓦雷茲推測|Alverez hypopethesis在一次劇烈的隕石撞擊使恐龍及其他物種在六千六百萬年前滅絕。類似地,太平洋樣本中的銥的不規則也和兩百五十萬年前的Eltanin撞擊有關。
性質
物理性質
銥屬於鉑系金屬,和鉑一樣呈白色,但夾雜少許黃色。銥堅硬易碎,熔點也非常高,所以很難鑄造和塑形。製造工序因此一般使用粉末冶金。銥是唯一一種在1600 °C以上的空氣中仍保持優良力學性質的金屬。其沸點極高,在所有元素中排第10位。銥在0.14 K以下會呈現超導體性質。
銥的彈性模量僅次於鋨,為所有金屬中第二高。其剪切模量很高,泊松比很低,因此具有很高的剛度,這使得銥非常難以加工生產。儘管生產不易且價格昂貴,但在現代科技所需的極端條件下,機械強度很高的銥元素仍然擁有多項應用。
銥的密度在所有元素中排第二位,僅比鋨稍低(低約0.12%)。由於兩元素密度值十分相近且測量不易,所以其密度相對高低一度並沒有定論。不過,X射線晶體學技術的發展使得測量密度時的準確度大大提高,最終以這種方法所得出銥和鋨的密度值分別為22.56 g/cm3和22.59 g/cm3。
化學性質
銥是抗腐蝕性最強的金屬之一:它能夠在高溫下抵禦幾乎所有酸、王水、熔融金屬和矽酸鹽。但是某些熔融鹽,如氰化鈉和氰化鉀以及氧和鹵素(特別是氟)在高溫下還是可以侵蝕銥的。
同位素
銥有兩種自然穩定同位素:191Ir和193Ir,豐度分別為37.3%和62.7%。已人工合成的放射性同位素共有34種,質量數從164至199不等。192Ir夾在兩個穩定同位素之間,也是最穩定的放射性同位素,半衰期為73.827天。這一同位素在近距離治療和工業射線照相技術中具有用途,特別是在天然氣工業中用於無損檢測鋼鐵的焊接處。銥-192曾造成多宗輻射意外。另外有三個同位素的半衰期在一天以上:188Ir、189Ir和190Ir。質量數低於191的同位素會同時進行β+衰變、α衰變以及質子發射,但有兩者除外:189Ir進行電子捕獲,而190Ir進行正電子發射。質量數高於191的同位素則進行β−衰變,其中192Ir會少量進行電子捕獲。所有銥同位素都是在1934至2001年間發現的,其中最新發現的是171Ir。
銥共有32種已知同核異構體,質量數介乎164到197。最穩定的同核異構體是192m2Ir,它會經同核異能躍遷,半衰期為241年,因此比所有處於基態的放射性同位素都要穩定。最不穩定的異構體是190m3Ir,其半衰期只有2微秒。191Ir是所有元素中首個被證實呈現穆斯堡爾效應的同位素。該同位素應用在穆斯堡爾光譜分析中,在物理學、化學、生物化學、冶金學和礦物學等領域都有用到。
歷史
銥的發現與鉑以及其他鉑系元素息息相關。古埃塞俄比亞人和南美洲各文化的人自古便有使用自然產生的鉑金屬,當中必定含有少量其他鉑系元素,這也包括銥。17世紀西班牙征服者在今天的哥倫比亞喬科省發現了鉑,並將其帶到歐洲。然而直到1748年,科學家才發現它並不是任何已知金屬的合金,而是一種全新的元素。
當時研究鉑的化學家將它置於王水 (氫氯酸和硝酸的混合物)當中,從而產生可溶鹽。製成的溶液每次都留下少量深色的不可溶殘留物。約瑟夫·普魯斯特曾以為這一殘留物是石墨。法國化學家維多·科萊-德科提爾(Victor Collet-Descotils)、福爾克拉伯爵安東萬·弗朗索瓦(Antoine François, comte de Fourcroy)和路易·尼古拉·沃克朗(Louis Nicolas Vauquelin)在1803年也同樣觀察到了這一黑色殘留物,但因量太少而沒有進行進一步實驗。
1803年,英國化學家史密森·特南特分析了殘留物,並推斷其中必含新的金屬元素。沃克朗把該粉末來回在酸鹼中浸洗,取得了一種揮發性氧化物。他認為這是新元素的氧化物,並把新元素命名為「ptene」,源於希臘文的「πτηνος」(ptènos),即「有翼的」。特南特則擁有更大量的殘留物,並在不久後辨認出兩種新元素,也就是鋨和銥。在一連串用到氫氧化鈉和氫氯酸的反應之後,他製成了一種深紅色晶體。銥的許多鹽都有鮮豔的顏色,所以特南特取希臘神話中的彩虹女神伊里斯之名,把銥命名為「Iridium」。元素的發現被記錄在1804年6月21日致皇家學院的一封信中。
1813年,英國化學家約翰·喬治·求爾德倫(John George Children)首次熔化銥金屬。1842年,羅伯特·海爾(Robert Hare)首次取得高純度銥金屬。他量得的銥密度為21.8 g/cm3,並發現這一金屬幾乎不可延展,且硬度極高。1860年,亨利·愛丁·聖克萊爾·德維爾和朱爾·亨利·德布雷(Jules Henri Debray)第一次大量熔化銥。每公斤銥的熔化過程需要燃燒超過300升的純O|2和H|2。
銥如此難熔化塑性,這大大限制了它的實際應用。約翰·艾薩克·霍金斯(John Isaac Hawkins)在1834年發明了裝有銥造筆尖的金質鋼筆。1880年,約翰·霍蘭德(John Holland)和威廉·洛弗蘭德·達德利(William Lofland Dudley)利用磷大大簡化了銥的熔化過程,並在美國申請了專利。英國莊信萬豐公司之後表示,他們早在1837年就開始使用類似的方法熔解銥,而且已在多個世界博覽會展出經熔融製成的銥。奧托·佛斯納(Otto Feussner)在1993年第一次在熱電偶中使用銥﹣釕合金材料,使這種新型器材能夠測量高達2000 °C的溫度。
1957年,魯道夫·穆斯堡爾在只含191Ir的固體金屬樣本中,發現原子能夠進行無反衝的γ射線共振發射及吸收。他所進行的實驗是20世紀標誌性的物理實驗之一。此現象稱為穆斯堡爾效應(其他呈現該效應的原子核也陸續被發現,如57Fe),是穆斯堡爾譜學的中心原理,在物理學、化學、生物化學、冶金學和礦物學中都有重要的應用。論文發佈的僅僅3年之後,即1961年,穆斯堡爾就因這一發現獲得了諾貝爾物理學獎,時年32歲。
存量
銥是地球地殼中最稀有的元素之一,平均質量比例只有百萬分之0.001。金的豐度是它的40倍,鉑是它的10倍,而銀和汞都是它的80倍。碲的豐度與銥相近,另外只有三種穩定元素比銥更加稀有:錸、釕和銠,其中後兩者的豐度是銥的十分之一。相比之下,銥在隕石裡的含量則高很多,一般在百萬分之0.5以上。科學家相信,銥在整個地球的含量比在地殼中的含量高很多,但由於它密度高,而且具親鐵性,所以在地球仍處於熔融狀態時,就已沉到地球的內核了。
銥在自然中以純金屬或合金的形態出現,尤其是各種比例的銥﹣鋨合金。鎳和銅礦藏中含有鉑系金屬的硫化物(如(Pt,Pd)S)、碲化物(如PtBiTe)、銻化物(PdSb)和砷化物(如PtAs|2)。這些化合物中的鉑會被少量的銥和鋨元素取代。與其他鉑系元素一樣,銥可以形成自然鎳合金及銅合金。
地殼中有三種地質結構的銥含量最高:火成岩、撞擊坑以及前二者演化而成的地質結構。最大的已知礦藏有南非的布殊維爾德火成雜岩體、俄羅斯的諾里爾斯克及加拿大的索德柏立盆地等。美國有較小的銥礦藏。銥也出現在次生礦藏中,與沖積層礦藏中的鉑以及其他鉑系元素結合。前哥倫布時期哥倫比亞喬科省居民所用的沖積層礦藏至今仍是鉑系元素的一大來源。截至2003年,並沒有數據記錄全球銥儲藏量。