77 Ir 铱 192.217
过渡金属 d区 第6周期 第9族

铱

Ir · 元素77 · 过渡金属

已知耐腐蚀性最强的金属,也是终结恐龙的那颗小行星留下的指纹。

20°C时的状态 固态
原子量 192.217 u
电子排布[Xe] 4f¹⁴ 5d⁷ 6s²

结构

铱原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示铱在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 22.56 g/cm³ 91%
熔点 2719 K 94%
沸点 4701 K 92%
比热容 0.131 J/g·K
热导率 147 W/m·K 90%

原子

原子半径 136 pm 26%
共价半径 141 pm
范德华半径 202 pm

电子

电负性 2.2 78%
电离能 865.5 kJ/mol 76%
电子亲和能 150.9 kJ/mol 84%

存在情况

地壳中的丰度 0.001 mg/kg 32%

身份

符号Ir
原子序数77
原子量192.217 u
类别过渡金属
区d
晶体结构面心立方
氧化态-2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6
发现1803
发现者Smithson Tennant

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

铱的原子有多大?

半径136 pm——即0.136 nm,因此大约3.68百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

铱在1982 K的范围内呈液态,温度从2719 K到4701 K。

所在位置

在表中的位置

铱位于第6周期、第9族。 第9族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

铱是什么,以及我们如何发现它

已知耐腐蚀性最强的金属,也是终结恐龙的那颗小行星留下的指纹。

铱的发现

彩虹金属的发现

一次偶然的发现(1803年)

铱的发现读起来就像一则化学侦探故事。1803年,英国化学家 Smithson Tennant 正在研究粗铂溶解于王水(一种硝酸和盐酸的混合物)后留下的神秘黑色残渣。其他化学家都认为这种残渣只是毫无价值的杂质,而Tennant的好奇心却促成了化学史上最引人注目的发现之一。

在他的伦敦实验室里,Tennant注意到这种“毫无价值”的残渣无法溶解于任何已知的酸中——这种异常性质值得深入研究。当他最终设法利用极端的化学方法将其溶解时,非凡的事情发生了:所得溶液呈现出绚丽多彩的色彩,这是化学史上前所未见的现象。

名称的由来

Tennant制得的溶液闪耀着彩虹的各种颜色——深紫色、明黄色、鲜绿色和浓烈的红色。面对这种壮观的景象,他以彩虹女神Iris的名字为新元素命名为“iridium”;Iris是希腊神话中往返于天地之间的信使。

这并不只是诗意的命名——这个名称完美体现了这种金属最引人注目的化学性质。不同的铱化合物会产生明显不同颜色的溶液,从深紫色的氯化铱(IV)到黄色的铱(VI)化合物。即使在今天,这种多彩的化学性质仍使铱化合物在分析化学中具有重要价值。

一次双重发现

Tennant对铂残渣的研究实际上带来了两种新元素!除了彩虹般的铱,他还发现了锇,其名称源于它刺鼻的气味。这次双重发现使1803年成为元素发现史上成果最丰硕的年份之一。

这项发现使Tennant成为他所处时代最杰出的化学家之一。他系统研究“废弃”材料的方法成为后来发现元素的典范。许多后续发现的元素,都是从其他化学过程的残渣和副产物中找到的。

早期的挑战与突破

分离出纯铱极其困难。这种金属非凡的化学惰性——也正是如今使它具有价值的性质——使其几乎不可能用19世纪的技术进行处理。早期化学家费尽艰辛,也只能制得少量纯金属。

随着粉末冶金技术的发展,突破终于到来。化学家先将铱化合物还原为金属粉末,再在极高温度下压制并烧结,最终获得了这种非凡元素的可用数量。

皇室的认可

铱的独特性质很快引起了科学家和皇室成员的共同关注。这种金属极强的耐久性和抗失去光泽的能力,使其非常适合用于需要数十年保持精度的科学仪器。

到19世纪中叶,铱合金已被用于最具声望的科学领域,包括国际标准米尺以及各国实验室使用的砝码。这种对铱卓越性质的早期认可,预示了它在现代先进技术中的作用。

发现的遗产

Tennant发现铱的经历证明,彻底研究表面上的“废弃产物”非常重要。他的工作激励了一代又一代化学家更加仔细地观察反应残渣,并促成了许多其他元素的发现。

如今,铱或许是元素周期表中化学惰性最极端的例子。Tennant很难想象,他的“彩虹金属”有一天会成为太空探索、癌症治疗以及为可持续未来生产清洁氢燃料的关键材料。

用途

铱的用途

工业用途

航空航天与高温应用

铱具有2,466°C的超高熔点,因此在要求最苛刻的航空航天应用中不可或缺。它用于火箭发动机喷嘴,因为极端温度会使其他材料失效。NASA在航天器推进器中使用铱衬里燃烧室,在太空任务的再入飞行器隔热罩中,铱也是必不可少的材料。

在喷气发动机中,铱部件能够承受燃烧室的高温。铱具有耐热冲击性,非常适合用于极端温度下运行的军用飞机发动机中的涡轮叶片涂层。

化学工业催化

铱催化剂正在革新绿色化学和工业过程。在用于制氢的水电解中,铱基催化剂是析氧反应(OER)的金标准。这些催化剂对于利用可再生能源进行绿色制氢至关重要。

制药行业依靠铱催化剂进行复杂的有机合成反应。铱配合物能够实现不对称加氢反应,产生特定的分子手性,这对于制造副作用最小且疗效良好的药物至关重要。

在石化炼制中,铱催化剂促进重整反应,将直链烃转化为支链分子,从而提高汽油辛烷值并减少发动机爆震。

先进电子与精密仪器

铱具有优异的导电性和耐腐蚀性,因此在高端电子产品中很有价值。它用于关键应用中的电触点,这些应用不能容忍故障,从飞机控制系统到医疗设备均是如此。

在精密测量中,铱合金用于制造标准砝码和量具。国际计量局使用铂铱合金制作国际米原器和千克原器。

高性能发动机中的火花塞电极使用铱,是因为它耐用且性能稳定。这些火花塞的使用寿命明显长于传统设计,并能提供更优异的点火性能。

核能与研究应用

铱-192同位素在工业射线检测中至关重要,可用于对焊缝、管道和结构部件进行无损检测。它的伽马辐射性质使其非常适合检测关键基础设施中的缺陷。

在核反应堆中,铱部件能够抵抗中子轰击,并在极端辐射条件下保持结构完整性。研究机构使用铱坩埚安全地处理放射性材料。

奢侈品与特殊应用

奢华腕表行业看重铱的耐刮擦性和光泽外观。高端钢笔笔尖通常采用铱尖端,书写流畅且具有出色的耐用性。

铱的稀有性和独特性质使其成为奢侈品中专属性的象征,从珠宝到限量版收藏品皆是如此;其独特性质也足以支撑更高的定价。

世界上最耐腐蚀金属的日常用途

汽车领域的卓越表现

你的汽车很可能在火花塞中含有铱!铱火花塞是高性能汽车和摩托车的优质选择。它们的使用寿命比传统铜火花塞长4-6倍,并能提供更稳定的点火效果,从而提高燃油效率并减少排放。

豪华汽车和跑车制造商会选用铱火花塞,因为它们具有出色的性能。这些火花塞能更长时间保持电极形状,确保发动机在延长的使用寿命期间始终保持最佳性能。

书写工具

高档钢笔采用铱尖笔尖,带来尽可能流畅的书写体验。尽管通常被称为“铱尖”,现代钢笔制造商经常使用兼具耐用性和柔韧性的铱合金。

这些笔尖能够抵抗纸张摩擦造成的磨损,并在数十年的使用中保持形状。铱尖可确保墨水持续均匀地流出,并防止钢笔尖长期使用后出现的刮纸现象。

豪华钟表

高端瑞士腕表采用铱部件,凭借其出色的抗刮擦性能和光泽外观提升品质。即使每天佩戴,表壳和机芯也能受益于铱保持表面光泽的能力。

一些限量豪华腕表采用纯铱表壳,成为市面上最耐用、最具特色的腕表之一。这种金属的稀有性进一步提升了这些奢华腕表的独特性和价值。

医疗用途

癌症治疗受益于近距离放射治疗中使用的铱-192源。这些放射性粒子会直接植入肿瘤,在尽量减少对健康组织损伤的同时实施靶向辐射。

手术器械和医疗植入物有时会采用铱合金,因为它们具有良好的生物相容性,并且能够抵抗体液腐蚀。这种金属的惰性使其能够安全地与人体组织长期接触。

质量控制与检测

工业设施使用铱-192源对管道、压力容器和结构焊缝进行射线检测。这种无损检测可确保关键基础设施的安全性和完整性。

航空业依靠铱射线照相技术检查飞机部件,检测可能导致灾难性故障的微小缺陷。对于许多安全关键型航空航天部件,这类检测是强制性的。

来源

自然存在

地壳中含量为0.001 mg/kg · 比32%的元素更丰富

地球上最稀有的稳定元素

宇宙起源

铱的故事始于垂死恒星的核心。这种贵金属在超新星爆炸和中子星碰撞过程中形成,因此在地球表面极其稀有。地质记录中著名的铱异常标志着导致恐龙时代终结的那次小行星撞击,其发生于6600万年前。

这种在全球范围内发现的富铱薄层,为支持小行星撞击理论解释大灭绝提供了有力证据。铱浓度比正常地球岩石高出数百倍,与小行星和彗星的成分相符。

地球分布

地球上的铱极其稀少,地壳平均丰度仅为0.001 ppm,比金或铂更稀有。大部分易于获取的铱在行星形成期间沉入地核,只在地壳中留下微量铱。

这种金属通常存在于铂族金属(PGM)矿床中,分布于南非的布什维尔德杂岩体、俄罗斯的诺里尔斯克地区和加拿大的萨德伯里盆地。这些矿床由古老的岩浆作用形成,并使铂族金属富集。

开采与提取

南非产出全球约80%的铱,主要是铂矿和镍矿开采的副产品。布什维尔德火成杂岩体含有世界上已知最大的铱储量,形成于20亿多年前。

俄罗斯是第二大生产国,在乌拉尔山脉和西伯利亚地区拥有重要矿床。诺里尔斯克—塔尔纳赫矿床尤其富含包括铱在内的铂族金属。

全球年产量仅为3-4 tonnes,使铱成为积极开采的最稀有金属之一。尽管性质优异,这种稀缺性仍推高了铱的价值,并限制了其广泛应用。

回收与再生

由于极度稀有且价值高,铱回收在经济上至关重要。废催化剂、旧火花塞和电子元件会经过复杂的回收工艺,以提取并纯化铱。

发达国家的铱回收率超过90%,使二次来源几乎与原生开采同等重要。先进的化学工艺可以从复杂合金和受污染材料中回收铱。

地外丰度

讽刺的是,铱在地球表面很稀有,却在小行星和陨石中更为丰富。一些金属陨石中的铱浓度比地球岩石高出数千倍。

未来的太空采矿作业可能会以富含铂族金属的近地小行星为目标,从而使铱更易获取。单颗大型小行星所含的铱,可能超过地球上所有已知储量的总和。

处理

安全

世界上最惰性金属的安全指南

通常安全的金属形态

金属铱因其非凡的化学惰性,被认为是最安全的金属之一。在正常条件下,它不会与皮肤、空气或大多数化学品发生反应。不过,在操作和加工过程中仍应采取适当的预防措施。

粉末和粉尘危害

铱粉末和粉尘是主要的安全隐患。细小颗粒可能悬浮在空气中,被吸入后会引起呼吸道刺激。处理铱粉末或进行研磨、机加工操作时,务必使用适当的防尘口罩(最低为N95)。

接触铱粉尘可能会使敏感人群出现轻微刺激。佩戴丁腈手套,并在操作后彻底洗手。处理细小颗粒时必须佩戴护目镜。

放射性同位素警告

铱-192是重大的辐射危害源,需要经过专业培训并配备专用设备。这种同位素会发射高能伽马辐射,可能导致严重组织损伤、放射病以及癌症风险增加。

只有获得许可的辐射安全专业人员才能操作Ir-192源。储存时需要使用铅衬容器,并应依据ALARA原则(在合理可行的范围内尽量低)将暴露时间降至最低。必须定期进行辐射监测。

必须建立应急规程,以应对Ir-192事故。暴露后数小时内可能出现急性放射综合征。必须立即接受医疗救治,并采取辐射污染处理程序。

工业安全措施

铱的高温加工需要专用设备和专业培训。铱的熔点为2,466°C,这意味着存在极端高温危害和严重烧伤的可能。使用适当的耐热个人防护装备,并确保通风良好。

铱化合物的化学加工需要谨慎操作,因为其中一些化合物的反应性可能高于纯金属。遵循标准实验室安全规程,并查阅具体化合物的安全数据表。

废弃处理和环境注意事项

由于铱极其昂贵且稀有,废弃处理在经济上造成浪费,在环境上也没有必要。所有含铱材料都应通过专业贵金属回收服务进行回收。

由于铱具有化学惰性,其对环境的威胁极小,但放射性同位素的妥善处理需要由获得许可的放射性废物管理设施负责。

快速解答

铱:常见问题

铱是什么?

铱(符号Ir)是元素周期表中的第77号元素,属于6周期9族的过渡金属。 已知耐腐蚀性最强的金属,也是终结恐龙的那颗小行星留下的指纹。 在室温下为固态。

铱的电子排布是什么?

铱的基态电子排布为[Xe] 4f¹⁴ 5d⁷ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 32, 15, 2。

铱的熔点和沸点是多少?

铱在2719 K(2445.9 °C)熔化,在4701 K(4427.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。

铱的原子量是多少?

铱的标准原子量为192.217 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

铱的密度是多少?

铱的密度为22.56 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此铱块约重22.6倍。

铱的电负性是多少?

铱的鲍林电负性为2.2。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了铱,是在什么时候?

铱由Smithson Tennant于1803年发现。 它以iris,彩虹女神命名。

铱在地球上有多常见?

铱约占地壳的0.001 mg/kg——确实很稀有,因此价格昂贵。