破解恐龍滅絕之謎的“彩虹元素”
銥的英文名 Iridium 來源於彩虹女神，寓意美好。古希臘傳說中，女神 Iris 是彩虹的化身，她作為人和神之間的中介者，向普羅大眾傳達天神的旨意。化學元素銥沒有辜負她的名字，它向我們講述了多彩的世界、稀缺的資源和脆弱的地球生態圈，而這一切都值得我們倍加珍惜。
圖源：uwaterloo.ca
撰文：李研
銥是一種十分稀有的貴金屬，我們在日常生活中接觸銥的機會不多，但很多人或許對“銥”的名字並不陌生，這可能源於知名度很高的“銥星計劃”。
“銥星計劃”示意圖。圖源：satphonecity.com
“銥星計劃”想要解決的是現代人的一大痛點：手機沒信號。人們曾設想，如果在地球的 7 條軌道上均勻地分佈着 11 顆衛星，那麼這些衛星就可以覆蓋全球，用戶用手機直接連通衛星就可以進行全球範圍內的通訊，而無需直徑只有幾米拋物面的地面基站。這樣即使我們在深山老林、天涯海角也不用發愁手機沒有信號了。
之所以被稱為“銥星計劃”，是因為銥的原子序數為 77，核外有 77 個电子，這好比計劃中的 77 顆衛星圍繞地球旋轉。後來經過進一步計算，發現其實 6 條軌道就夠了，也就是說衛星總數減為 66 顆。然而核外有 66 個电子的元素是“鏑”，鏑的英文 Dysprosium 來源於希臘語“Dysprositos”，意為“難以獲取”，以此命名顯得太過負面。而銥的英文名 Iridium 則來源於彩虹女神，寓意美好，所以“銥星計劃”的名字至今仍然沿用。
銥（Ir）的名字雖然取自古希臘的女神，但它可是化學元素中的“硬漢”。金屬銥呈銀白色，熔點非常高，質地也非常硬。而且銥的密度很大，以X射線晶體結構分析試驗測出的密度為 22.56 g/cm3，僅比密度排名第一的鋨（Os）金屬低 0.03 g/cm3，比我們常見的重金屬鉛（Pb）高出一倍之多。
銥耐腐蝕性極好。和貴金屬釕（Ru）類似，它也是在鉑礦石經王水（濃硝酸和濃鹽酸的混合）“洗禮”后，留下黑色的殘渣中發現的。當時人們普遍認為這些黑色殘渣是石墨。然而，英國人史密森·特南特（Smithson Tennant）對此卻持懷疑態度，他對殘渣的成分進行了深入的研究。既然這種殘渣不溶於王水這樣的強氧化劑，他就嘗試用強鹼和強酸反覆處理，並於 1803 在其中提取出銥（Ir）和鋨（Os）兩種新元素。
這兩種元素的命名來源很有趣。銥的名字取自彩虹女神 Iris ，很可能是由於銥的氧化物在水中析出時呈現出非常豐富的顏色變化。因為鋨的氧化物有令人不快的刺激性氣味，坦南特稱這種元素為“Osmium”，源自希臘語的“臭味（Osme）”。
稀有而貴重
銥很可能是地球上最稀有的元素，在地殼中含量只有千萬分之一，常與其他鉑族元素一起分散於衝擊礦床和沙積礦床的礦石中。一些科學家相信，銥在整個地球的含量比在地殼中的含量高很多，只不過由於銥的密度大，又具有親鐵性，所以在地球仍處於熔融狀態時，就已經沉到地球的內核了。
各種元素在地殼中的丰度。圖源：維基百科
雖然銥十分稀有而貴重，但在現代科技所需的極端條件下，特別是對机械強度和耐腐蝕、耐高溫要求很高的領域，還是離不開銥元素。
銥在高端發動機的火花塞中一直是不可或缺的。鎳銅等其他金屬製作的普通火花塞和銥金火花塞性能差距很大，普通火花塞的壽命在 3 萬公里左右就需要更換，而銥金火花塞則可以達到 6 萬～10 萬公里，主要用於高檔轎車、賽車和飛機的發動機中。
銥還被用於製作科學實驗儀器，例如坩堝、熱電偶、電阻線和電極等。銥的高溫抗氧化性和熱電性能，使得銥/銥銠熱電偶成為唯一能在大氣中測量達 2100℃ 高溫的測溫材料，而銥坩堝能在 2100～2200℃ 工作幾千小時，多用於生長難熔的氧化物晶體，是重要的貴金屬實驗器皿。
和其他鉑族金屬合金一樣，銥離子也有形成配合物的強烈傾向。隨着配體所處的化學環境變化，化合物可以呈現出非常豐富的顏色。因為銥磷光配合物具有良好的發光性能，而且能夠實現一個較大波長範圍內的變化，所以可以用於構建新型發光探針，標記細胞的微細結構，在生物和醫療領域有着廣闊的應用前景。此外，銥金屬能牢固吸附有機物，有機化合物中的銥可以在 +2，+4 和 +6 等多個價態之間轉換，所以在銥在催化劑材料中也有廣泛使用。
銥還是一個很重要的合金化材料，可以用來增強其他金屬的硬度。它與鉑形成的合金（10% 的 Ir 和 90% 的 Pt），因膨脹係數極小，常被用於製造國際標準米尺，著名的世界千克原器也是由鉑銥合金製作的。
國際千克原器（複製品）。圖源：wikipedia
由於銥資源的稀缺，人們歷來重視對它的回收利用。在富含鉛、銠、銥、鋨、釕的混合物殘渣中，經過一系列浸出、煅燒、熔融、蒸餾、溶解等過程，可重新獲得銥粉。
隨着科學技術的進步，人們也在試圖減少對銥的依賴。一個經典的例子是，銥早期被用來製作鋼筆的筆尖，但鋼筆越來越普及而貴金屬來源卻非常有限，所以現在的鋼筆尖已基本被更廉價的鉻、鎢等其他金屬合金取代。
開發少銥甚至無銥的催化劑也是目前電催化劑領域的研究熱點。析氧反應（OER）在水裂解和金屬空氣電池中意義重大。酸性電解池中進行電催化反應具有更高的傳質速度、產物純度以及效率等優勢，但銥是在酸性 OER 條件下唯一可以保持穩定的金屬。為了降低 OER 的成本，商用的 OER 催化劑普遍使用 IrO2 或 Ir/C代替純銥。
科學家還發現，電催化反應是一個表面反應，可以將銥金屬盡可能地集中在納米催化劑的外層，或摻雜在特殊的晶體結構中，在提升反應活性的同時，近一步降低銥的用量。
事實上，釕（Ru）的地球儲量更豐富，也更廉價。但 RuO2 在酸性 OER 條件下不穩定。2019 年，中國科學技術大學的科研團隊利用表面缺陷工程技術捕獲和穩定單原子的方法成功製備了 Ru 單原子合金催化劑，並在酸性 OER 中獲得了更好的活性和抗過氧化能力，這為突破電催化能源轉化反應的發展瓶頸提供了新的思路。
破解恐龍滅絕之謎
值得一提的是，銥雖然在地球上可能是最稀缺的元素，平均質量比例只有百萬分之 0.001，但在宇宙中的一些隕石里含量卻比較豐富，可以達到百萬分之 0.5 以上。這一差距使得銥元素為科學家尋找恐龍滅絕的原因提供了重要線索。
宇宙中的很多隕石富含銥元素。圖源：DOI : 10.1002/chem.201804692
白堊紀後期，火山活動極為頻繁，地球上海陸分佈急劇變化，動物界也在白堊紀末發生重大變化，曾一度在地表佔據統治地位的恐龍在此時滅絕。這一切的起因，究竟在地球內部，還是來自地外天體的撞擊？
白堊紀恐龍滅絕事件。圖源：Wikimedia Commons
由於缺乏堅實的證據，這一問題在科學界長期以來都有爭論。20 世紀 80 年代，以物理學家路易斯·阿爾瓦雷茨（Luis Walter Alvarez）和他的兒子為首的科研團隊走進古生物學領域，他們發現在 6600 萬年前，也就是白堊紀到古近紀交界的地層中，黏土中銥的含量異常的高。這表明那時的地球很可能遭受過外來天體的撞擊。
後來，人們在中美洲尤卡坦半島地底的確發現了約 6600 萬年前形成的大型撞擊坑，並在坑的周圍找到了高含量的銥，和只有在高溫高壓下才能形成的衝擊石英。在這些強烈證據的支持下，巨大的“天外來客”撞擊導致包括恐龍在內的白堊紀大滅絕成為目前科學界公認的理論。
彩虹女神 Iris。圖源：wikimedia.org
古希臘傳說中，女神 Iris 是彩虹的化身，她作為人和神之間的中介者，向普羅大眾傳達天神的旨意。化學元素銥沒有辜負她的名字，它向我們講述了多彩的世界、稀缺的資源和脆弱的地球生態圈，而這一切都值得我們倍加珍惜。
本站聲明:網站內容來源於博客園,如有侵權,請聯繫我們,我們將及時處理
【精選推薦文章】
帶您來了解什麼是 USB CONNECTOR ?
為什麼 USB CONNECTOR 是電子產業重要的元件?
又掌控什麼技術要點? 帶您認識其相關發展及效能
