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改变化学史的村庄

时间: 2019年03月21日 | 作者: Admin | 来源: 秒速快三开奖平台(huanqiukexue.com)
今年是元素周期表诞生150周年,已经有118种元素在这张表上找到了属于自己的位置。在第Ⅲ副族有一群特殊的元素,它们又被称作稀土元素,是当今各种高精尖领域是必不可少的金属元

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一座因元素出名的村庄

离斯德哥尔摩不远的Resar?岛上,有一个叫做伊特比(Ytterby)的村庄,它是化学史上有举足轻重的地位。在化学家中,都存在一种对该村庄的夸张描述:元素周期表可以分为两部分,一部分叫Ytterby元素,另一部分叫其他元素。尽管伊特比只是一个小村庄,其对元素周期表的贡献非常大,世界其他地方能发现2个元素的都屈指可数,但在伊特比就直接产出并根据Ytterby命名了4种,而还有3种也是因该地的一块矿石才得以被发现,也就是说这块土地让元素周期表上拓展了7种元素。

当然要在一个地方同时发现如此多的元素,和元素的性质有很大关系。伊特比区域发现的这些元素都属于稀土金属,稀土金属有一个很大的特点,就是其是由许多元素混合在一起组成的,当你获得一块天然的稀土金属,基本上就获得了几种不同的元素。而伊特比就是这么一个地方,富含稀土矿藏。根据考古学家推测,在上一个冰川期结束时,冰川消融带走了该区域大部分表层土壤,因此这些底层的稀土矿藏就暴露出来,很容易被开发。

最初,伊特比并不是为了采集稀土资源而存在的,其矿场仅仅只是用来寻找一种叫做长石的矿物。长石是用来制作陶瓷的重要原料,马可波罗于14世纪初期将陶瓷引进至欧洲后,欧洲人开始疯狂地爱上了这种实用且高效的舶来品。几百年来这里的矿工都会从挖出的矿藏中选出长石,其他的就当做废弃物直接倒掉,直到1787年,Seva炮兵团中尉卡尔·阿克塞尔·阿伦尼乌斯(Carl Axel Arrhenius)注意到了长石采矿场中一块弃置的黑色矿物碎片,他将其送给了化学家朋友约翰·加多林(Johan Gadolin)进行分析。后来,这块碎片成了意义非凡的矿石:人们从此开始对稀土元素展开了长久的探索。

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伊特比采石场。图片来源:Wikipedia

一块改变元素史的矿石

卡尔本身的工作其实和矿石没太大关系,但事情很奇妙,他在瑞典皇家铸币厂工作时认识了研究矿石的化学家Peter Jacob Hjelm,卡尔也耳濡目染地对化学和矿物产生了兴趣。因此当他在矿场发现这块从未见过的黑色矿石后,直觉告诉他这块矿石并不普通,他将其以发现地伊特比村为名,叫做“ytterbite”石块(现已知为硅铍钇矿),并送给了加多林检验。

收到样品的加多林经过认真分析,发现样品中约有38%为某种金属氧化物,他将该氧化物命名为“yttria”。这一刻开始,稀土金属中的元素开始逐渐浮现在了元素周期表中。为了直观地展示村庄名Ytterby是如何变成元素名的,我们可以看下最先发现的4种稀土元素的名称,它们分别是yttrium(钇),terbium(铽),erbium(铒),ytterbium(镱),几乎都是选取了村庄名的部分。

之后加多林多次对矿石进行了分析,他最终确定这块矿石的氧化物成分为氧化钇(Y2O3),这也是最早被发现的稀土金属化合物,加多林在1794年发表了这项结果。然而,Y2O3还不是元素单质,直到1828年,Friedrich W?hler通过钾还原氯化钇得到了钇单质。元素周期表上39号位的钇元素,终于安顿下来了。

从1787年这块矿石被发现,到钇元素闻名于世经历了两百年。1987年高温超导体诞生,它在极低的温度(-180℃)下也具有强磁性,这个温度对于常规超导体来说已经很高了,因此它也被应用于精密的核磁共振的设备中。而这种高温超导体就用到了钇元素(实际为钇钡铜氧化物),至此钇的商用价值也被逐渐开发出来。

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这块矿石上端黑色部分,就是当年中尉发现的物质ytterbite,中文名硅铍钇矿。图片来源:Joshua Howgego

一连串稀土元素

因为稀土元素同属于第Ⅲ副族,它们的原子结构很相似,而其中的15种镧系元素的最外层电子轨道完全一样,区别仅在于次外层电子。这些相似的电子排布会让这些金属的化学性质很相似,几种稀土元素经常扎堆出现,很难进行分离。因此,当年从伊特比村里发现的硅铍钇矿中提取的钇并不纯粹,还含有其他稀土元素。

1843年的时候,卡尔·古斯塔夫·莫桑德尔(Carl Gustaf Mosander)分析了矿石中的Y2O3成分,他发现矿石并不是只由氧化钇构成的,其还含有氧化铒(Er2O3)和氧化铽(Te2O3),他将这些氧化物依次用伊特比村庄命名为yttria、erbia和terbia,相对应的,3种金属的名称就是yttrium(钇),erbium(铒),terbium(铽)。

铒和铽都是从硅铍钇矿中分离出来的,但它们的颜色并不一样,钇呈现出白色,铒呈现出粉红色,铽则呈现出黄色,因此从颜色上就能很好地区分这三种元素,如果你买到了一些粉色或者玫瑰色的玻璃状物体,里面很可能就含有铒。如今,铒被用在一些皮肤科或牙科中使用的铒激光机器中,因为其不会穿透人体,可以针对性地治疗皮肤和牙齿疾病。而铽经过硫酸化后,能够产生黄绿色的荧光,因此被应用于显示屏发光系统中。

1878年,瑞士化学家马利克纳(J.C.G.Marignac)从铒中分离出一种新元素,他同样以伊特比为该元素起名为ytterbium(镱),镱元素最出名的是其被应用在了原子钟中。随后在1879年,瑞典化学家尼尔森(L.F.Nilson)采用马利克纳的方法从铒中分离镱,并分别测量两种元素的原子量。结果尼尔森测的镱原子量却比马利克纳测得的轻,他认为这是镱中混有其他原子量较小的元素造成的。尼尔森继续分离镱,发现了钪,克里夫从铒中分离出钬和铥。至此,从卡尔中尉拿到这块黑矿石,到元素全部解析出来,历经了近百年。

来自伊特比村庄的七种稀土元素发现史

在伊特比发现的七种元素不仅仅是元素周期表上的珍宝,更是构成先进技术的基础:钇的导电电阻几乎为零,构成了高温超导体的一部分;铽用于风力发电机的储能;铒掺杂的光纤放大器能补偿通讯系统中的光损耗,稀土金属在这些高精尖领域的优良表现使得其成为了控制世界经济走向的一大因素。正是由于其稀缺性及不可替代性,稀土元素也成为各国长期博弈的焦点。

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伊特比村庄钇路上的一座房子图片来源:Joshua Howgego

而如今,伊特比矿区已经成为了高级住宅区,昂贵的房子矗立在以自然元素命名的街道上,原先的矿入口贴着ASM International society颁发的纪念牌,这片相继发现了七种稀土元素,并命名了其中四种元素的沃土已逐渐变换了模样。

参考来源:

Д.Н.特立丰诺夫,В.Д. 特立丰诺夫.化学元素发现简史[M]北京:科学技术文献出版社,1986:133-139

https://www.newscientist.com/article/2194112-the-village-where-more-elements-were-discovered-than-anywhere-else/

http://www.slate.com/articles/health_and_science/elements/features/2010/blogging_the_periodic_table/ytterby_the_tiny_swedish_island_that_gave_the_periodic_table_four_different_elements.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Ytterby

https://blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2016/10/15/the-ytterby-elements/