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化学元素中的锇与铱


实验室k / 2018-12-14

       锇几乎就能加入那个由铜(29)和金(79)组成的“不是灰色或银色”金属的超短的名单中(铯也是银灰色的,但大部分不够纯而显金黄色),但它那淡淡的浅蓝色是如此微弱,以至于你必须努力说服自己觉得确实看到它了。但它基本上不过是另一种银色金属而已。它不仅仅是另一种银色金属。锇至少和铼(75)一样贵重,并且在布氏硬度计(在一定的推力下,测量一个球能穿透一种材料的程度)上,锇是最硬的金属(不是最硬的材料,不是最硬的元素,而是最硬的纯金属)。

锇的基本数据

       锇经常与铱(77)一起以一种被称为铱锇矿的非常罕见但天然形成的合金形式被发现。这种具有非同寻常硬度和耐磨性的金属在几代人之前就已经用在每一个家庭中都能找到的许多用途上,并且今天依然如此。这些用途包括自来水笔的笔尖和唱机的唱针头。这些部件的尖端有一粒微小的铱锇合金钮,目的是防止长时间使用导致磨损,这就是对这类昂贵的混合物的全部需求。

       与元素周期表这一区域中金属的抗氧化性相比多少有些不寻常的是,金属锇的细微粉末在空气中会缓慢氧化,形成四氧化锇。对于重金属氧化物而言更为不寻常的是,四氧化锇是挥发性的,在室温下会升华为高毒性的蒸气。据说它闻上去有点像臭氧,但是在比可以闻到的浓度低得多的浓度下它就能致命或致盲,因此这方面的信息显得粗略就不足为怪了。

       除了挥发性、高毒性和高价格以外,四氧化锇还有你可能想像不到的用途——给电子显微镜的细小样本染色,以及在化学合成中作为试剂。

       还有另一个原因使锇显得特别,即它是所有元素中密度最大的。把这个事实放在最后,是因为无论你查阅任何参考资料,无论是网上的还是书上的,你都会找到不同的答案。但那些都是错的,密度最大的元素不是铱。


       最广为引用的铱的密度值是22.65g/cm3,而锇(76)的密度则是22.61g/cm3,这使得铱成为密度最大的元素。但这些数字是完全错误的。正确的数值应该是锇的密度为22.59g/cm3,铱的密度为22.56g/cm3,这使得密度最大元素的头衔被授予了锇而不是铱,虽然两者的差距只有大约千分之ー。

铱的基本数据

       你可能认为只要经过仔细的测量,密度值是一个容易解决的问题。但是,当人们谈论一种元素的密度时,他们所指的是这种元素的绝对纯净样品的完美单晶的密度。

       当然,制备这种理想化的样品是不可能的,在某些情况下甚至接近它也是非常困难的。一个更加精确的方法是用X射线晶体学的方法来测量含有微小完美晶体的样品中原子之间的间隔。如果你知道每个原子的间隔和质量,你就能计算出一个任何尺寸的完美晶体的质量,从而能计算出理想化的密度。

       问题在于当初这么做的时候得到的锇和铱的原子量数值是错误的。如今那些原子量已经被更正很久了,但却没有人曾经费心将密度重新计算一下。所有参考资料所做的只是把错误的数值反复地相互复制了70年之久。

       这种状况如此长时间地未得到更正的原因在于,除了那些写学术报告的学生,这些数值极少被人使用。你可能永远不会拥有密度和理论值相等的锇或铱的真实标本。要做到与理论值只相差几个百分点都是相当困难的。不完美的熔化、冷却中产生的孔隙,以及所含的杂质都会使体积增大,从而降低密度。所以,实际上任何元素的理论密度只在理论上有人感兴趣。

       由于价格高昂,大多数情况下铱只用在有极小需求量的地方。例如,某些高级的汽车火花塞顶端带有微量的铱,从而可以持续使用长达十万英里的车程,这比那些传统的火花塞要长得多。

       但铱的最大用途是与它那更广为人知的邻居——铂一起被用于合金中。


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