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第4章 元素构成了这个世界(3)

慢性硒中毒

慢性硒中毒往往是由于每天从食物中摄取硒2400微克~3000微克,长达数月之久才出现症状。其表现为脱发、脱指甲、皮肤黄染、口臭、疲劳、龋齿易感性增加、抑郁等。

人体必需的元素——碘

碘主要用于制药物、染料、碘酒、试纸和碘化合物等。碘酒就是用碘、碘化钾和乙醇制成的一种药物,是棕红色的透明液体,有碘和乙醇的特殊气味。

碘的发现

法国化学家库特瓦(1777~1838)出生于法国的第戎,他的家与有名的第戎学院隔街相望。他的父亲是硝石工厂的厂主,并在第戌学院任教,还常常作一些精彩的化学讲演。库特瓦一边在硝石工厂做工,一面在第戌学院学习。他很喜欢化学,后来又进入综合工业学院深造。毕业后,他当过药剂师和化学家的助手,后来又回到第戌继续经营硝石工厂。

在法国、爱尔兰和苏格兰的沿海岸,库特瓦经常到那些地方采集黑角菜、昆布和其他藻类植物。回家后,他把它们缓缓燃烧成灰,然后加水浸渍、过滤、澄清,得到一种植物的浸取溶液,接着加热蒸发,把碳还原而生成了硫化物。制得这种晶体之后,库特瓦利用这种新物质作进一步研究。他发现这种新物质不易跟氧或碳发生反应,但能与氢和磷结合,也能与锌直接结合。尤为奇特的是,这种物质不能为高温分解。库特瓦根据这一事实推想,它可能是一种新的元素。

由于库特瓦的主要精力放在经营哨石工业上,所以他请法国化学家德索尔姆和克莱芒继续这一研究。

1813年,德索尔姆和克莱芒在《库特瓦先生从一种碱金属盐中发现新物质》的报告中写道:“从海藻灰所得的溶液中含有一种特别奇异的东西,它很容易提取,方法是将硫酸倾入溶液中,放进曲颈甑内加热,并用导管将曲颈甑的口与彩形器连接。溶液中析出一种黑色有光泽的粉末,加热后,紫色蒸气冉冉上升,蒸气凝结在导管和球形器内,结成片状晶体。”克莱芒相信这种晶体是一种与氯类似的新元素,再经戴维和盖·吕萨克等化学家的研究,提出了碘具有元素性质的论证。1814年,这一元素被定名为碘,取希腊文紫色的意义。

碘的用途与分布

碘主要用于制药物、染料、碘酒、试纸和碘化合物等。碘酒就是用碘、碘化钾和乙醇制成的一种药物,是棕红色的透明液体,有碘和乙醇的特殊气味。

缺乏碘会导致甲状腺肿大。过量的碘也会导致甲状腺肿大。

碘在自然界中的储量是不大的,但是一切东西都含有碘,不论坚硬的土块还是岩石,甚至最纯净的透明的水晶,都含有相当多的碘原子。海水里含大量的碘,土壤和流水里含的也不少,动植物和人体里含的更多。

自然界中的海藻含碘,智利硝石和石油产区的矿井水中含碘也都较高。工业生产也正是通过向海藻灰或智利硝石的母液加亚硫酸氢钠经还原而生产单质碘。

国家规定在每克食盐中添加碘20微克,全民可通过食用加碘盐这一简单、安全、有效和经济的补碘措施,来预防碘缺乏病。

人们对于碘的摄入主要是通过加碘盐、食物摄入,婴幼儿食用加碘奶粉。考虑到婴幼儿时期的饮食主要是乳制品,我国政府同时还规定在婴幼儿奶粉中也必须加碘。

加碘盐是用碘酸钾按一定比例与普通食盐混匀。由于碘是一种比较活泼、易于挥发的元素,含碘食盐在贮存期间可损失20%~25%,加上烹调方法不当又会损失15%~50%,所以需要正确使用加碘盐。

含碘比较丰富的食物有:海带、紫菜、海白菜、海鱼、虾、蟹、贝类,大家可以多食。

地壳中含量最少的元素——砹

砹,原子序数85,是一种人工放射性元素,化学符号源于希腊文“astator”,原意是“改变”。现在,科学家已发现质量数196~219的全部砹同位素,其中只有砹215、216、218、219是天然放射性同位素,其余都是通过人工核反应合成的。

曲折的发现过程

砹是门捷列夫曾经指出的类碘,是莫斯莱所确定的原子序数为85的元素。它的发现经历了曲折的道路。

刚开始,化学家们根据门捷列夫的推断——类碘是一个卤素,是成盐的元素,就尝试从各种盐类里去寻找它们,但是一无所获。

1925年7月,英国化学家费里恩德特地选择在炎热的夏天去死海,寻找它们。但是,经过辛劳的化学分析和光谱分析后,却丝毫没有发现这个元素。

后来又有不少化学家尝试利用光谱技术以及利用原子量作为突破口去找这个元素,但都没有成功。

1931年,美国亚拉巴马州工艺学院物理学教授阿立生宣布,在王水和独居石作用的萃取液中,发现了85号元素。

1940年,意大利化学家西格雷也发现了第85号元素,它被命名为“砹(At)”。西格雷后来迁居到了美国,和美国科学家科里森、麦肯齐在加利福尼亚大学用“原子大炮”——回旋加速器加速氦原子核,轰击金属铋209,由此制得了第85号元素——“亚碘”,也就是砹。

极度不稳定的元素

砹的性质同碘很相似,并有类似金属的性质。砹很不稳定,它出世仅8.3小时,便有一半砹的原子核已经分裂变成了别的元素。

后来,人们在铀矿中也发现了砹。这说明在大自然中存在着天然的砹。不过它的数量极少,是地壳中含量最少的元素之一。据计算,整个地表中,砹只有0.28克!

砹有33个已知的同位素,它们的质量范围是191~22,且都具有放射性,还存在着23个稳激发态。寿命最长的同位素是210-At,它的半衰期为8.1~8.3小时;已知寿命最短的同位素是213-At,它的半衰期仅为125纳秒。

砹是镭、锕、钍这些元素自动分裂过程中的产物。砹本身也是元素。砹在大自然中又少又不稳定,寿命很短,这就使它们很难积聚,即使积聚到一克的纯元素都是不可能的,这样就很难看到它的“庐山真面目”。尽管数量这样少,可是科学家还是制得了20种砹的同位素。

受管制的危险品——硫酸

硫是一种元素,在元素周期表中它的化学符号是S,原子序数是16。硫是一种非常常见的无味的非金属,纯的硫是黄色的晶体。

爱反应的硫

硫溶于苯、甲苯、四氯化碳和二硫化碳,微溶于乙醇和乙醚,不溶于水。在空气中的发火点为261℃以上,在氧气中的发火点是260℃以上,产生二氧化硫。硫能与卤素及多种金属化合,但不与碘、氮、碲、金、铂和铱化合。硫易燃,有刺激性。

硫的导热性和导电性都较差。其性松脆,不溶于水。无定形硫主要有弹性硫,是由熔态硫迅速倾倒在冰水中所得。硫不稳定,可转变为晶状硫。晶状硫能溶于有机溶剂如二硫化碳中,而弹性硫只能部分溶解。其化学性质比较活泼,能与氧、金属、氢气、卤素(除碘外)及已知的大多数元素化合。它存在正氧化态,也存在负氧化态,可形成离子化合物、共价化合物和配位共价化合物。

大名鼎鼎的硫酸

硫酸是基本化学工业中重要的产品之一。它不仅作为许多化工产品的原料,而且还广泛地应用于其他的国民经济部门。硫酸是化学六大无机强酸之一,也是所有酸中最常见的强酸之一。

硫酸常用于冶金制造和金属加工等工业部门,特别是有色金属的生产过程需要使用硫酸。例如用电解法精炼铜、锌、镉、镍时,电解液就需要使用硫酸;某些贵金属的精炼,也需要用硫酸来溶解掉夹杂中的其他金属。在钢铁工业中进行冷轧及冲压等工序之前,都必须用硫酸清除钢铁表面的氧化铁。

硫酸还用于石油工业汽油、润滑油等石油产品的生产过程中,都需要浓硫酸精炼,以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。

在尼龙、醋酸纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤维生产中,也使用相当数量的硫酸。

巩固国防的作用

某些国家硫酸工业的发展,曾经是和军用炸药的生产紧密联结在一起的。无论是军用炸药或工业炸药,大都是以硝基化物或硝酸酯为其主要成分。主要的有硝化棉、三硝基甲苯(tnt)、硝酸甘油、苦味酸等。虽然这些化合物的制备是依靠硝酸,但同时必须使用浓硫酸或发烟硫酸。

在原子能工业及火箭技术中有着重大的作用

原子反应堆用的核燃料的生产,反应堆用的钛、铝等合金材料的制备,以及用于制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星的材料的钛合金,都和硫酸有直接或间接的关系。从硼砂制备硼烷的过程需要多量硫酸。硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料。硼烷又用做制备硼氢化铀,用来分离铀235的一种原料。由此可见,硫酸与国防工业和尖端科学技术都有着密切的关系。

硫在自然界中存在有单质状态,每一次火山爆发都会把大量地下的硫带到地面。硫还和多种金属形成硫化物和各种硫酸盐,广泛存在于自然界中。

硫在远古时代就被人们发现并使用了。

在西方,古代人们认为硫燃烧时所形成的浓烟和强烈的气味能驱除魔鬼。在古罗马博物学家普林尼的著作中写道:硫用来清扫住屋,因为很多人认为,硫燃烧所形成的气味能够消除一切妖魔和所有邪恶的势力。大约4000年前,埃及人已经用硫燃烧所形成的二氧化硫漂白布匹。在古罗马著名诗人荷马的著作里也讲到,硫燃烧有消毒和漂白作用。

中西方炼金术士都很重视硫,他们把硫看做是可燃性的化身,认为它是组成一切物体的要素之一。我国炼丹家们用硫、硝石的混合物制成黑色火药。

“硅谷”名字的由来——硅

硅是一种常见的化学元素,在宇宙中的储量排在第八位,在地壳中,排在第二位,仅次于氧。

硅谷名字的由来

在美国加利福尼亚州的西部,有一条狭长的山谷城市带,这里集聚大量高科技的企业和高等院校,如微软、惠普、苹果等公司,以及斯坦福大学等名校,这就是鼎鼎大名的“硅谷”。

硅谷是美国高科技人才的集中地,更是美国信息产业人才的集中地。目前在硅谷,集结着美国各地和世界各国的科技人员达100万以上,美国科学院院士在硅谷任职的就有近千人,获诺贝尔奖的科学家就达30多人。硅谷是美国青年心驰神往的圣地,也是世界各国留学生的竞技场和淘金场。硅谷的科技人员大都是来自世界各地的佼佼者,他们不仅母语不同、肤色不同,文化背景和生活习俗也各有所异,所学专业和特长也不一样。如此一批科技专家聚在一起,必然思维活跃,互相切磋中很容易迸发出创新的火花。

但是,硅谷为什么要叫做硅谷呢?

因为这些公司一般从事的是关于电子计算机的芯片开发和研制的工作,而计算机的芯片一般都是用半导体材料“硅”制成的,所以这个地区被称为硅谷,意为高科技的工业园区。

单晶硅革命

高纯的单晶硅是重要的半导体材料。单晶硅作为半导体器件的核心材料,大大地促进了信息技术的革命。自20世纪中叶以来,单晶硅随着半导体工业的需要而迅速发展。

应用极为广泛的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路(包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。可以说,没有单晶硅,我们就上不了网,打不了手机,听不了音乐,半个世纪以来的科技进步都化为泡影。这几十年来的产业革命,可以称之为硅技术革命,整个的电子工业,都可以称为硅工业。

在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型和p型半导体,结合在一起,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。在开发能源方面,硅是一种很有前途的材料。

硅是金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结,制成金属陶瓷复合材料,它耐高温,富韧性,可以切割,既继承了金属和陶瓷各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷,可应用于制造军事武器。第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温,全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。

硅有无定型和晶体两种同素异形体,具有明显的金属光泽,呈灰色,密度2.32克/立方厘米~2.34克/立方厘米,熔点1410℃,沸点2355℃,具有金刚石的晶体结构。硅在加热时能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用,也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用,生成硅化物。硅不溶于一般无机酸中,可溶于碱溶液中,并有氢气放出,形成相应的碱金属硅酸盐溶液。于赤热温度下,硅与水蒸气能发生作用。

硅在自然界分布很广,在地壳中的原子百分含量为16.7%。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。如果说碳是组成一切有机生命的基础,那么硅对于地壳来说,占有同样的位置,因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。

长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等都是硅酸盐类;水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等都是硅石。但是,硅与氧、碳不同,在自然界中没有单质状态存在。这就注定人们认识它,欣赏它要比碳和氧晚。

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