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118化学元素---第五周期与元素周期表中的特殊元素

时间:2023-10-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:铷元素就是他们运用光谱分析法发现的第一个新元素。钇是第一种被发现的稀土元素。介 绍●铌的性质与在元素周期表中位于它下方的钽十分接近,导致它们最初被误认为是同一种元素。元素周期表中第VIII族中的钌、锇、铑、铱、钯、铂统称为“铂系元素”。在人类社会早期,银和金、铜都曾作为货币流通,它们在元素周期表中都位于第IB族。

118化学元素---第五周期与元素周期表中的特殊元素

铷的化学性质非常活泼,但严苛的运输和存储条件制约了它的应用。中国的铷资源非常丰富,有广阔的开发前景。

介 绍

●每种原子都有自己的特征谱线,因此可以根据光谱来鉴别物质以及确定它的化学组成,这种方法叫作“光谱分析法”,被称为“化学家的眼睛”。光谱分析法最初是由德国科学罗伯特·本生和古斯塔夫·基尔霍夫提出并奠定研究基础的。铷元素就是他们运用光谱分析法发现的第一个新元素

锶广泛存在于土壤、海水中。清新典雅的天青石就是锶的矿物。

介 绍

●锶有很强的储电能力。因此,锶的化合物被广泛用于电子领域。例如,钛酸锶用于电容器存储器的制造,硝酸锶可用作电子管的发射极。

●锶具有一定的医疗用途。雷奈酸锶是一种包含雷奈酸的锶盐,用于预防骨质疏松。另外,锶离子具有抗过敏的作用,氯化锶被添加在抗敏牙膏中以缓解牙齿敏感。

●放射性的锶进入人体后会导致癌症日本福岛核事故中有大量核污水外泄,其中就包含了放射性的锶。由于锶的最外层电子排布情况和钙一样,锶进入人体后容易被误当作钙吸收,造成不可逆的辐照危害。

钇是第一种被发现的稀土元素。人类月球岩石中也发现了钇的存在。

介 绍

超导体是达到某一临界温度时,材料电阻突变为零的特殊材料。以钇钡铜氧(YBCO)为代表的钇系合金就是良好的超导体。利用超导体制作的电线可以把电力几乎无损耗地输送给用户,极大地提升输电效率。由于超导体需在-190℃左右的环境中工作,目前还未能大规模投入使用,但它已经提供了值得期待的前景。

锆的外观类似于钢,有着极好的抗腐蚀性能以及超高的硬度和强度。

介 绍

●锆与核工业密切相关,是重要的战略金属。锆合金用于制作核电站中核燃料棒的包壳材料,是防止放射性物质外溢的“金钟罩”。

●氧化锆(ZrO2)具有高韧性和高耐磨性,是一种重要的陶瓷材料,可用作陶瓷刀具、陶瓷阀门、陶瓷轴承等。

铌具有良好的耐腐蚀、耐高温和耐磨等特性。最初的白炽灯灯丝是用铌制造的。

介 绍

●铌的性质与在元素周期表中位于它下方的钽十分接近,导致它们最初被误认为是同一种元素。1844年,德国科学海因里希·罗瑟将两者分离,分别以希腊神话中坦塔洛斯(Tantalos)和他的女儿尼俄伯(Niobe)的名字命名了钽(Tantalum)和铌(Niobium),以显示出这两种元素的相似性

●“西气东输”工程是我国实现天然气资源跨区域调配的宏伟工程,西起新疆,东至上海,横跨9个省、市、自治区,促进了我国能源结构和产业结构的调整。含铌管线钢由于具有高强度、高韧性的特点,可以满足长距离的地下天然气输送需求。

钼既是一种重要的合金元素,也是一种动植物体内重要的生理元素。

介 绍

●钼作为合金元素,在钢铁工业中一直占据着重要的地位。日本从14世纪起就开始用含钼的钢制造刀剑。含钼合金钢是当前铁轨和桥梁建设中的重要钢材。

●钼的硬度很高,又耐高温,是理想的电火花线切割工具。钼丝通电后产生电火花,能使得金属零件局部受热熔化并进行切割,能加工形状极其复杂的零件。

●二硫化钼是航空航天机械工业的重要润滑剂。单层的二硫化钼则具有良好的半导体特性,甚至优于硅或者石墨烯的半导体特性,在纳米器件领域有着很广阔的应用空间。

锝的名称来自希腊语“人造的”(technetos)。

介 绍

●锝的所有同位素都是放射性的,其中半衰期最长的为400万年,这意味着地球诞生之初存在的锝早已衰变为其他元素,因此它一度被认为是“失踪的元素”。1937年,意大利人卡洛·佩里埃在美国进修时,在回旋加速器中用氘核(重氢)轰击钼,并把样品带回了意大利。佩里埃在同胞埃米利奥·塞格雷的协助下分离并鉴定了样品中的锝,终于填上了43号元素的空位。

元素周期表中第VIII族中的钌、锇、铑、铱、钯、铂统称为“铂系元素”。钌是铂系元素中含量最少,也是最晚被发现的一个。

介 绍

●催化剂通常是指一种不参与化学反应、但能改变反应速率的物质。例如,原本需要数十年才能完成的化学反应,在催化剂的帮助下能在短短几分钟内完成。钌虽然在生活上很少被注意到,但它却是一种重要的催化剂。钌曾两次“登上”诺贝尔化学奖领奖台,分别是2001年的钌催化加氢反应和2005年的含钌的格拉布催化剂。钌催化剂是药物制备及材料合成中的重要物质。

铑的化学性质极不活泼,但它是十分出色的催化剂。

介 绍

●贵金属通常是指金、银以及铂系金属(钌、锇、铑、铱、钯、铂)在内的8种金属元素。这些金属大部分都拥有美丽的色泽,且具有比较强的化学稳定性,一般条件下不容易和其他物质发生化学反应。值得一提的是,铑的稀有程度与价格甚至高于金或银。

●铑和铂组成的铂铑合金是一种重要的合金材料,它具有很强的抗氧化能力、耐酸腐蚀能力以及抗电弧烧损能力。铂铑合金可以用作测量温度的热电偶材料,也可以制造电气接点和火花塞电极等。

铂系元素均为高熔点且性质稳定的金属。钯的熔点是铂系元素中最低的,但也达到了1552 ℃。

介 绍

●钯的重要用途之一是净化汽车尾气。汽车的排气管路中有一个非常重要且非常昂贵的部件—三元催化器(装载了钯、铑、铂三种金属)。汽车尾气中含有一氧化碳碳氢化合物和氮氧化合物,直接排放对环境危害较大。三元催化器可以促进这些有害气体和氧气反应,转化为较为清洁的水、氮气和二氧化碳。我们能在交通拥堵的城市中呼吸到新鲜空气,三元催化器功不可没。

在人类社会早期,银和金、铜都曾作为货币流通,它们在元素周期表中都位于第IB族。

介 绍

●金属银的化学性质稳定,且较为稀有、珍贵,在历史上用作交易的货币。古希腊罗马帝国时期,银币就开始被使用和发行。英国在19世纪前曾流通银币。中国古代的“银两”就是用作货币的银的总称。

镜子是不可或缺的日常工具。银的反光率极高,是制作镜子的最佳材料。18世纪,德国科学家尤斯蒂斯·李比希发明了用化学镀银工艺制作玻璃镜子的方法,其基本原理就是“银镜反应”。

●银具有杀菌消毒的功效。银器表面溶出的银离子能破坏细菌细胞膜,并与细菌酶蛋白中的巯基结合,破坏其酶活性,使细菌难以生存。因此银可以用于制造抗菌医疗器械和厨房用具,担任起“健康守护者”的角色。

●云是由悬浮在大气中的小水滴或小冰晶组成的。人工降雨的原理是人为制造降水条件,破坏云内的系统平衡,使悬浮的小水滴和小冰晶发生沉降。碘化银可作为人工冰核,增加云中冰晶的数量和质量。实施人工降雨后,水分子会不断地从水滴向冰晶转移,当冰晶增大到一定程度的时候,便会形成降水。

重要反应(www.xing528.com)

银能溶于硝酸,生成硝酸银

葡萄糖溶液与硝酸银的氨溶液混合在一起,硝酸银被葡萄糖还原成金属银,沉淀在容器内壁上,光亮如镜,这就是“银镜反应”:

银的卤化物(氯化银、溴化银等)会在光照下分解,形成游离态的银。这一过程就是胶片摄影的“曝光”:

镉是一种毒性较大的金属,被镉污染的空气和食物对人体有严重的危害。

介 绍

●镉主要用于制造镍镉电池,但镉的毒性已催生了多项禁用立法,镍镉电池逐渐被锂离子电池和镍氢电池所取代。

●“埃”是一个比纳米还小的长度单位,1埃=10-10米。“埃”最初是根据镉的吸收光谱中的红色谱线波长(6438.46963埃)来定义的。

●地球上的镉污染主要来自工业排放和农药化肥的施用。20世纪中叶,日本富山县出现了一种导致人体骨质疏松和关节剧痛的“痛痛病”,其罪魁祸首就是重金属镉。此后,许多国家日渐重视重金属的污染治理。

铟的质地柔软,用指甲就能在其表面留下划痕。纯铟棒折断时会发出“嚓嚓”的声音。

介 绍

●我们所使用的手机电视电脑的屏幕都是导电玻璃制作的。玻璃能导电的秘密就是其中镀有一层氧化铟锡(ITO)。

●铟是计算机、半导体等高科技领域的重要原料,但铟在地壳中含量低且开采难度大。为提高铟资源的利用率和可持续发展,我国非常重视废弃电子器件的回收,努力提高再生铟的循环利用,实现社会发展与环境保护的双赢。

锡是大名鼎鼎的“五金”(金、银、铜、铁、锡)之一,但它在地壳中的含量并不高。

介 绍

●自然界中很少有纯净的金属锡。主要的锡矿是锡石,其化学成分为二氧化锡。只要把锡石与木炭放在一起加热,木炭便会把锡从锡石中还原出来。古人在有锡矿的地方烧篝火、烤野物,便能得到熔化了的银光闪闪的锡液。因此,锡很早就被人类所发现,并加入铜中制成青铜

●锡合金是一种非常重要的焊料,包括加铜焊锡、加锑焊锡等。焊锡是焊接线路中连接电子元器件的重要工业原料,它广泛应用于电子工业、家电制造业和维修业中。

●锡是一种“怕冷”的金属。白锡在低温下会转变为粉末状的灰锡,并且转变一旦开始就会蔓延,导致整个锡制品的毁坏,这种现象被形象地称为“锡疫”。17世纪初,拿破仑率军远征俄国,军队御寒大衣上的白锡纽扣在冰天雪地中纷纷瓦解,许多士兵因此受寒生病甚至冻死,迫使拿破仑狼狈撤退。18世纪初,英国的探险队进入冰天雪地的南极探险,低温使得锡制油桶化为灰土,装载的煤油漏得一干二净,探险队遭遇灭顶之灾。为了避免“锡疫”的发生,锡制品常以合金的形式存在,以增加耐用性。

重要反应

金属锡在常温下的化学性质比较稳定,不易被氧化。当加热到150℃以上时,锡与氧气反应,生成二氧化锡:

锡是两性金属,与酸或碱均能发生反应,生成氢气:

锑及其化合物对人体和环境都有毒性。锑多与其他金属组成复合材料使用。

介 绍

●硫化锑是一种易燃物质。1826年,英国人约翰·沃克发明了利用摩擦起火的火柴,其中的关键成分就是硫化锑。直到如今,火柴盒的侧面依然涂有红磷(作为发火剂)和硫化锑(作为易燃物)。

锑与中国

●相对原子质量是元素的基本常数,表示不同原子之间的质量关系。锑元素的相对原子质量标准值是由中国科学家测定的,被确定为国际标准。

碲最初是从金矿中的碲化金矿石中提取得到的。碲的名称来源于拉丁文的“土地”(tellus)。

介 绍

●碲化铋(Bi2Te3)和碲化铅(PbTe)都是广泛使用的热电材料。 热电材料通电后,会出现一端温度上升而另一端温度降低的现象,因此热电材料能够通过电流和电压的大小调控制冷、制热的温度,是一种无污染的制冷材料。

●碲对于电子电气工业来说是一种非常重要的元素。红外光电元件、激光器发光二极管、光接收器等元件都运用了包括碲化镉、碲化汞、碲化锌在内的多种碲的半导体材料。

碘是一种来自海洋的元素。由于在人类生理上具有重要的作用,碘也被称为“智力元素”。

介 绍

●升华是指在一定温度和气压条件下,物质由固态直接变成气态而不经过液态的物理过程。衣柜樟脑球使用之后逐渐变小直至消失,就是生活中常见的升华现象。碘微微加热就可升华,得到紫红色的碘蒸气。

●碘元素对于生命体是极其重要的。碘是人体中维持甲状腺正常功能的必需元素。甲状腺素参与人体的新陈代谢,起着促进骨骼发育和蛋白质合成、维护中枢神经系统正常结构的作用。大多数海洋动植物的新陈代谢都与海水里的碘化物和碘酸盐有关。因此,人们可以通过食用海带和海鱼等富含碘的食物补碘。

●人们曾认为塑料是一种绝缘体。但2000年诺贝尔化学奖的三位得主艾伦·黑格、艾伦·马克迪尔米德和白川英树研制的一种掺碘的有机聚合物也可以像金属导体那样导电。他们发现,在聚乙炔塑料中掺入碘后,它的导电性比普通塑料提高了数千万倍。利用这种神奇的导电聚合物材料,可以制造出抗静电地毯和智能窗户。在军事领域,可以利用导电聚合材料吸收微波的特性让飞机从雷达图中消失,实现“隐身”的效果。

重要反应

碘单质常温下可以与化学性质活泼的金属直接发生反应。例如,碘可以与钠反应,生成碘化钠:

碘的活泼性不如其他卤素(F、Cl、Br),因此位于碘之前的卤素可以将碘从碘化物中置换出来:

碘化氢可以与浓硫酸反应,生成碘单质,这就是碘被发现的过程:

氙最初被认为是化学惰性的,因此得名于希腊语“陌生人”(xenos)。但如今已有超过100种氙的化合物被制造出来。

介 绍

●20世纪60年代,英国化学家尼尔·巴特利特首次制成了六氟合铂酸氙(XePtF6),打破了化学界中持续多年的“稀有气体对化学反应完全惰性”的假设。

●氙气最重要的应用是制造氙灯。氙气可产生白色超强电弧光,亮度远远高于普通灯泡。氙灯可以用作照相机闪光灯和频闪灯,也可以用作汽车照明,以提高夜间和雾天的行车安全性。

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