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“铑”有所“铱”,铂系两兄弟的密室闯关挑战

铑和铱是两种稀有的铂系元素,性质十分相似。本文以第三人称拟人化的口吻,通过游戏闯关的形式对两种单质的沸点、反射率、弹性模量、催化活性和化学稳定性等物理化学性质进行介绍。还穿插讲述了其氧化物和卤化物的性质以及在电镀层、汽车尾气催化转化器、热电偶等领域的应用。

撰文 | 李一冉(西北工业大学伦敦玛丽女王工程学院)、姚力筝(西北工业大学伦敦玛丽女王工程学院)、董梓凝(西北工业大学伦敦玛丽女王工程学院),颜静(西北工业大学化学与化工学院)、闫毅(西北工业大学伦敦玛丽女王工程学院、西北工业大学化学与化工学院)

“元素加油冲”是一档游戏闯关类节目,每周定期邀请两位元素伙伴完成节目组设置的多重个性化关卡。节目中,选手们会被带到一个密室,找到线索才能通往下一间密室。密室困难重重,充满危险:机关、沼泽和熔炉等,需要他们相互依靠,协同合作,才能顺利完成任务。成功过关的两种元素将获得节目组颁发的“最佳元素搭档”的奖杯,并在各大元素家族中宣传表彰。

“本期节目中,我们请来了两位鲜为人知的选手‘铑’和‘铱’,他们代表铂系家族参加此次闯关活动。虽然他们的名气不大,但实力还是很强劲的。”主持人慷慨激昂地说,“接下来,让我们热烈欢迎‘铑’和‘铱’两位选手入场!”

主持人话音刚落,身披银白色战袍的“铑”选手意气风发地走进演播厅,边走边打招呼:“亲爱的观众朋友们,大家好,我是‘铑’,外号‘黑金’,也可以叫我‘Rhodium’,在元素周期表中排行第45名(原子序数为45),位于第五周期VIII族。我一直与铂系兄弟们隐居在矿石中,1803年,被英国人William Wollaston带到这个世界[1],大家都戏称我为‘铑(老)人’。虽然我年龄大,但‘铑(老)当益壮’,我的身体很健壮(坚硬)而且寿命非常长(耐用)。在工

分散在不同的矿石中,很少会聚在一起。”主持人笑道:“我们节目组请你这样的‘贵’金属,也是花了巨资啊!”铑说:“哎呀,要论身价,我的那位搭档可绝不比我低!老朋友‘铱’,快上来吧!”

说罢,铱穿着银白色的铠甲,披着浅黄色的斗篷,大摇大摆地走近镜头:“对呀,我是地壳中丰度最低的元素之一呢!大约是金含量的1/40[2]。你们知道我是谁吗?”主持人催促道:“这位选手,别卖关子啦,快向大家介绍一下自己吧!”

铱回到主持人身边,俏皮地说:“嘿嘿,大家好,我是铑的好兄弟‘铱’,在元素周期表中,位于铑的正下方,原子序数是77。1803年,找到‘铑’的同时,英国化学家Smithson Tennant和法国化学家Hippolyte-Victor Collet-Descotils尝试用王水溶解粗铂,在器皿底部的黑色残渣中发现了我[2]。由于我的许多盐兄弟都有鲜艳的颜色,所以Smithson Tennant依据希腊神话中诸神的信使、彩虹女神伊里斯之名,给我取名为‘Iridium’。自然界中,我仅有两个同胞兄弟(同位素):铱191、铱193。大家所熟知的国际千克原器就是我和本族铂长老合作的结果[3]。”

主持人说:“感谢两位选手生动有趣的自我介绍,相信大家对他们已经有了一定的了解。请两位选手闭上眼睛,由工作人员带往闯关密室。我宣布,挑战正式开始!”

01“汽”“镀”非凡

不知过了多久,铑和铱慢慢睁开眼,竟发现自己在一间玻璃房,四周墙壁都由玻璃制成。再仔细瞧一瞧,地面上有一个可以升高房间温度的按钮,天花板处有一个极高的机关,触碰不到。此外,地面还有一个固定的激光灯。

铑是身经百战,所向披靡的游戏“铑(老)手”,提议:“我们需要用激光灯打开机关,才能找到通往下一关的入口。”说着,便打开激光灯,但发现无论怎样都照射不到机关。

关那么高,我们怎样才能利用激光灯照到它呢?”铑和铱面面相觑。

突然,铑拍了下脑门:“有办法了!我身体表面的反射率非常高,没准可以将激光照到我身上,我再把它反射到机关上。可是,怎样才能让激光照到我身上呢?”

铱思考了一下:“这不是有一个可以升高房间温度的钮吗?你的沸点低 (3695 °C)[4],而我的沸点高(4403 °C)[5, 6],我们可以将温度设置为4000°C,把你‘镀’到天花板的玻璃上,制成高反射率的镜面,然后我再打开激光灯,这样就可以照到机关啦!”铑恍然大悟:“没错!就这样办。”

两人配合默契,迅速按计划执行。果真,激光成功照到机关,通往下一间密室的门打开。随后,铱将室内温度降低,铑迅速跳到地面,两人继续携手走向下一关。

02天降危机

现在,铑和铱两位选手来到第二间密室。铑仔细打量着这个房间,在门口犹豫,迟迟不敢踏入:“这怎么看都不只是个普通的房子,里面一定有陷阱。”

铱则径直进入,说:“毕竟是闯关挑战,怎么可能没有难度。你别站在外面了,快进来吧。”

铑嘟囔了句“有道理”,也跟着走了进去。就在铑后脚踏进房间的那一刻,他们身后的门轰隆一声落下,将退路封得死死的。突然,一声巨响从上方传来,伴随着些许小石块的下落,铑和铱瞬间就明白要发生什么了。

“房顶在慢慢下降!是想要压死我们!”两人异口同声地大喊。

房顶降落的速度很慢,现在他们倒是有充足的时间寻找脱身的出口。可是这个密室,就连一个气孔都没有给他们留,更不要说逃脱通道了,两个人把每个角落都勘探个遍也依旧是一无所获。

“难道我们的出发点是错的?不应该找房间的出口?”铱陷入了自我怀疑,一屁股坐到地上开始思考每一种漏掉的可能性。

一旁的铑像是热锅上的蚂蚁,他对于铱突然停下的行为很是不满。眼见房顶就要将他们碾成泥,铑心中焦急不堪,扯着铱的胳膊想把他从地上拉起,却被铱突如其来的惊呼打断。

“我想到了!”铱兴冲冲地对着一头雾水的铑说,“这个房间根本就没有出口。这关考验的是我们的忍耐力!”房顶迫近,铱让铑蹲下,自己则双手张开撑住了天花板,阻止其进一步下坠。

“还记得吗?我的弹性模量可是金属中第二高的,足足有538.3 GPa[5]。再加上我只有0.26这样低的泊松比[5, 6],可以说我拥有超高的刚度和抗变形能力。不管这个房顶给我的压力多大,我都不会轻易变形。如果没猜错的话,再坚持几分钟后,这一关就通过了。”铱自信满满地抵住房顶,等待考核通过的信号灯亮起。

果不其然,没过多久房间内便传来了考核通过的讯息,而刚刚还近在咫尺的房顶瞬间恢复原样。通往下一关的大门已然打开,随时等待二人通过。

03必“净”之路

3

第三关依旧是在一间密室中进行。只不过比起刚刚的空无一物,铑和铱二人面前正停放着一辆小型轿车。二人走近,只见一张纸条贴在车身上,上面清清楚楚地写着本关的要求:【1 min后这辆汽车会开始不断排放尾气。一旦房间里的氮氧化物浓度达到一定的数值,屋内安装的探测仪便会发出警报,判定挑战失败;若能在5 min内将屋内氮氧化物含量维持在标准范围内,则挑战成功。】

前两关的设定都极其隐晦,基本上需要两个人进行思考后才能得出一个较为合理的通关方案。这一次的规则白纸黑字地放在这里,反倒让铑铱二人不太适应了。

铱反反复复地读纸条上的内容,确定没有遗漏的信息后,率先打破短暂的沉默:“看来这次我们的目标很明确了,就是要在规定时间内将室内的氮氧化物浓度保持在标准范围内。究竟该怎样实现呢?”

“哼哼,看来这回该我出场了。”铑一下变得得意洋洋,“我的催化活性和选择性都很高,不仅是我,我的合金、化合物以及络合物催化剂都可用于汽车废气净化工业[7]。这一关,简直就是为我量身定制的啊!”

“你打算怎么做?”这番话让铱也不禁好奇了起来。

铑一边走向车尾,一边详细地解释:“要知道,我曾在汽车尾气催化转化器中起到重要作用。我作为催化剂的活性成分,可以使氮氧化物分解成无害的氧气和氮气。这样就可以有效减少尾气中有害物质的浓度了。只不过因为我的提取实在是太过困难,导致这个过程成本很高。所以比起我本身,更多的还是将我的配合物投入这些应用。听说,每年都有新的铑配合物催化的有机反应被报道。”

说着,铑拿出了多孔陶瓷,在其表面附着上一层活性涂层。他将自己的金属颗粒嵌入多孔结构中,然后安装在汽车尾气管上。不一会儿,尾气开始排放。在催化转化器的作用下,探测仪一下都没有响过。

“哇!铑兄,你在汽车尾气催化剂方面真的是发挥了举足轻重的作用啊!这可以阻止尾气中的有害物质释放到空气中,保护我们的大气环境!”铱崇拜地赞叹道。

“其实不仅我自己可以在催化方面做贡献,我的卤化物‘碘化铑’,也是羰基化合成反应的催化剂呢!他可以帮助合成醋酸、醋酐和乙二醇等重要物质。”铑自豪地向铱介绍自己的好朋友,“咱俩别在这闲聊了,还有两关在等着我们呢!”随后,铑拍了拍铱的肩膀,两人大踏步地走向下一关。

04“王”而却步

伴随着机关门启动的轰然巨响,两人顺利进入了第四关。一片巨大沼泽地挡住了两位选手的去路。沼泽地中的液体冒着黄色雾气,空气中还弥漫着些许氯气的味道。

“什么味道?这么刺鼻!”铑捏着鼻子,紧皱着眉头抱怨道。

铱临危不惧地说:“依我的经验,这沼泽地中应该是王水,别名王酸或硝基盐酸,由硝酸和盐酸按体积比1 : 3混合而成。”

铑一听,立马慌了:“王水!原来这就是刚才参赛前听他们议论的腐蚀性极强的王水!据说上一回‘金’到这一关卡的时候,不慎失足落入其中,小命都没了啊!”

铱放声大笑:“男子汉大丈夫,你就这点儿气魄?虽然是腐蚀性极强的王水,但对我毫无影响,我可是最耐王水腐蚀的金属。你忘了我是怎么被发现的了吗?”说完,铱得意地拍了拍自己的胸脯。

“那我怎么办?”铑依然害怕得牙齿打颤。

“好兄弟,你别害怕,咱们都来自铂系家族,如果我没判断错的话,按理说你多少也应该对王水有点抵抗作用。”

“好吧,我相信你的判断。”

于是,这两位选手在王水中一前一后全速前进。半途,铱突然听见身后的铑发出了一声惊呼:“铱,救救我!我的身体怎么有点溶解了?你看我的战袍都变成破破烂烂的乞丐服了!”

铱看了一眼铑,吓了一大跳,大喊了好几声“非礼勿视”。冷静下来后,只见他一拍脑袋:“啊!我想起来了,铂长老之前好像说过,你在王水中微溶[8]。快,我背着你!”

铑顺势跳到铱的背上,铱说:“没想到你看起来和我胖瘦一样,原来这么轻。”

“那可不,我的密度(12.41 g・cm^(-3))可比你(22.42 g・cm^(-3))[5, 6, 9]小得多!虽然我的身体在王水中稍微有点溶解,不过,我的一个兄弟‘二氧化铑’,可以在王水中游泳!”

“是吗?那我倒想跟你那位兄弟比一比,看看谁在王水中游得快,哈哈!”

在欢声笑语中,两位选手继续向远处的机关门奋力冲刺。

05流金铄石

刚进入第五关的房间,墙上的一个5 min倒计时灯突然亮起。红色的灯光好像既昭示着胜利的曙光,又隐隐透露着失败的威胁。

“快!我们只有5 min时间,快找出口!”铑惊呼道。

争分夺秒,两人立即在房间内搜索着离开的出口。

片刻之后,铱突然开口:“这房间怎么越来越热啊,好似太上老君的炼丹炉。我皮都快要热皱了,温度再这么升上去,咱们今天非化在这儿不可。这地板又是镂空的,咱们现在的境遇很危险啊!”

“我也发现了,难道跟第二关一样?设计者的目的可能根本就不是为了让我们在有限的时间内找到出口,而是要我们想办法顺利撑过这5 min。”

“快看,我找到了一个温度计。”铱把一个测温计递到铑的面前,“现在时间过了2 min,室内的温度已经高达800 °C,如果温度是线性上升,3 min后这个房间高达2000 °C!虽说我的熔点在2400 °C以上[10],但是我记得你的熔点只有不到2000 °C[5, 6]。好兄弟,我可不能抛下你不管!”

铑突然想到:“对了!咱俩的晶格常数非常接近,高温下能形成连续固熔体。你还记得吗?曾经在一次实验中咱们俩熔为合金,你中有我,我中有你,形成的热电偶可承受高达2000 °C的温度[11],高温抗氧化能力比你本身还要强。”

“好主意!但是我们怎么形成合金呢?要形成合金我们必须混合融化后冷却凝固,熔炼时往往还需要用高频炉氩气保护,以防止熔炼过程中元素失重,在现在的境遇下可能难以实现。依我看,不如我去堵住加热口,你去堵住散热窗,好歹咱们可都是著名的铂族‘难熔化金属’,咱们一起忍耐一会儿,把这个加热器的电机烧掉!”

“好,那就这么办!”

二人分头行动,分别堵住了机器的加热口和散热窗。由于机器功率高,又没有过热保护,不到2 min,机器便发出了“轰隆隆”的巨响,冒出股股黑烟,停止运作了。终于房间里的温度不再升高,计时器上显示还有0.5 min两人即可顺利通关,而这时温度计显示室内温度已经高达1800 °C,两人依然完好无损。

“好险!”铑惊呼。

两人还没从刚才的惊险中缓过神来,纷纷喘着粗气,这时机关门打开了,门外是面对万千观众的领奖台。两人走出密室,在万众瞩目之下站上领奖台。礼仪小姐将“最佳元素搭档”的奖杯送到了两人的手中,铑和铱共同将奖杯举过头顶。顿时,场内掌声雷声般涌动......

06获奖感言

“恭喜铑和铱两位选手成功完成挑战!作为闯关成功的选手,你们有没有什么想和观众朋友分享的?你们觉得成功的诀窍究竟是什么呢?”主持人说完,将话筒递到铑和铱的面前。

铱率先接过话筒,侃侃而谈:“在我看来,闯关成功离不开一个非常关键的词――合作。我们作为独立的个体,都有着突出的特长和优势。平时我只是听说,铑凭借自己优良的性质和特点,不仅被用于珠宝首饰表面的电镀层,还在航空航天、玻璃纤维、电气工业等多领域都发挥着重要的作用[9]。今天,我才算真正领略到铑的风采,尤其在第三关――必‘净’之路,铑作为催化剂的活性成分,完成尾气净化的样子‘帅极了’!如果没有他,仅仅靠我只身一人的力量,我根本不可能站在这里发表获奖感言。当然,之前我和铑在事业上偶尔也会有交集,比如我们哥儿俩融为合金,制造热电偶[9],这也是今天合作顺利的基础。总之,参加了节目‘元素加油冲’,让我更加清晰地认识到:唯有取长补短,才能命途‘少’舛!”

铱说完,将话筒转交给了铑:“我很赞同铱所提到的合作的重要性。在我眼中,铱也一直是非常出色的合作伙伴,大家别只看到我在第三关汽车催化转换器方面的贡献,铱在做催化剂方面也十分卓越。近期,铱和中国科学院上海有机化学研究所的游书力研究员课题组合作完成了一个催化烯烃Z式构型保留的不对称烯丙基取代反应,为今后研究如何高效合成热力学不稳定的Z构型烯烃做出了突出贡献[12]。我觉得在今天的闯关赛背景下,我们通过相互依靠、团结合作取得成功,可以给我们这个组合起一个名字,就叫‘铑’有所‘铱’(依)。希望之后我和铱都能在各自的领域大放异彩,并充分发挥合作的优势,为人类创作出更加浓墨重彩的篇章。”

参考文献

[1] 贺小塘. 贵金属, 2011, 32 (4), 72.

[2] Iridium Chemical Element. [2021-04-07]. https://www.britannica.com/science/iridium

[3] (Former) International Prototype of the Kilogram. [2021-04-07]. https://www.bipm.org/en/bipm/mass/ipk/

[4] 高胜利, 杨奇. 化学元素新论. 北京: 科学出版社, 2020: 479C494.

[5] Hunt, L. B. Platinum Metals Rev. 1987, 31 (1), 32.

[6] 曹锡章, 宋天佑, 王杏乔. 无机化学(下册). 北京: 高等教育出版社, 2002: 1037C1039.

[7] 赵元征. 自然的音符: 118种化学元素的故事. 北京: 清华大学出版社, 2020: 147C149.

[8] 谢高阳, 俞练民, 刘本耀, 申泮文, 曾爱冬, 徐绍龄. 无机化学丛书: 铂系. 北京: 科学出版社, 1996: 303C318.

[9] Muller, O.; Roy, R. J. Less-Common Metals 1968, 16, 129.

[10] Ohriner, E. K. Platinum Metals Rev.2008, 52 (3), 186.

[11] Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. Chemistryof the Elements, 2nd ed.; Butterworth-Heinemann: Oxford, UK, 1997; pp. 1113C1143.

[12] Jiang, R.; Ding, L.; Zheng, C.; You, S. L. Science 2021, 371 (6527), 380.

本文经授权转载自微信公众号“大学化学”,选自《大学化学》“化学科普(2021)”专刊,原题目为《【科普】“铑”有所“铱”》。

引用本文:李一冉, 姚力筝, 董梓凝, 颜静, 闫毅. “铑”有所“铱”[J]. 大学化学, 2021, in press.doi:10.3866/PKU.DXHX202101057

Yiran Li, Lizheng Yao, Zining Dong, Jing Yan, Yi Yan. A Tale of Rhodium and Iridium[J]. University Chemistry, 2021, in press. doi:10.3866/PKU.DXHX202101057