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。
“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,大家都戏称我为‘铑(老)人’。
虽然我年纪大,但‘铑(老)人’当益壮,我的身体很健壮(坚硬)而且寿命非常长(耐用)。在工业生产中,我可以由深灰色的氧化铑(Rh2O3)粉末高温分解产生,也可以在二氧化硫、氢气等作用下还原而来。不过,我的兄弟姐妹不多,在地壳中的含量仅有十亿分之一,大多分散在不同的矿石中,很少会聚在一起。”
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。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。
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。”
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!”
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。铑和铱面面相觑,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。”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),而我的沸点高(4403 °C),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。
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。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。铱陷入了自我怀疑,铑则心急如焚。铱突然兴奋地说:“我想到了!这个房间根本就没有出口。这关考验的是我们的忍耐力!”
铱让铑蹲下,自己则双手撑住了天花板,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。再加上我只有0.26这样低的泊松比,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。
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。】
铱反复读纸条上的内容,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?”铑得意洋洋地说:“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。这一关,简直就是为我量身定制的啊!”
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。”铱赞叹道:“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!”
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。
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。铑捏着鼻子,紧皱着眉头抱怨道:“什么味道?这么刺鼻!”铱则说:“依我的经验,这沼泽地中应该是王水。”
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!”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。”
铑依然害怕得牙齿打颤:“那我怎么办?”铱鼓励道:“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。”
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?”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,铱一拍脑袋:“啊!我想起来了,你在王水中微溶。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。”铑笑道:“那可不,我的密度可比你小得多!”在欢声笑语中,两位选手继续向远处的机关门奋力冲刺。
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。铑惊呼道:“快!我们只有5 min时间,快找出口!”
铱突然开口:“这房间怎么越来越热啊,我皮都快要热皱了。”铑也发现了:“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。”
铱找到一个温度计:“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!”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。”
铱赞同道:“好主意!但是我们怎么形成合金呢?”铑说:“不如我去堵住加热口,你去堵住散热窗。”二人分头行动,分别堵住了机器的加热口和散热窗。不到2 min,机器便发出了“轰隆隆”的巨响,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。
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。
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。”铑补充道:“我很赞同铱所提到的合作的重要性。”