“銠”有所“銥”，鉑系兩兄弟的密室闖關挑戰_風聞

銠和銥是兩種稀有的鉑系元素，性質十分相似。本文以第三人稱擬人化的口吻，通過遊戲闖關的形式對兩種單質的沸點、反射率、彈性模量、催化活性和化學穩定性等物理化學性質進行介紹。還穿插講述了其氧化物和鹵化物的性質以及在電鍍層、汽車尾氣催化轉化器、熱電偶等領域的應用。

撰文 | 李一冉（西北工業大學倫敦瑪麗女王工程學院）、姚力箏（西北工業大學倫敦瑪麗女王工程學院）、董梓凝（西北工業大學倫敦瑪麗女王工程學院），顏靜（西北工業大學化學與化工學院）、閆毅（西北工業大學倫敦瑪麗女王工程學院、西北工業大學化學與化工學院）

“元素加油衝”是一檔遊戲闖關類節目，每週定期邀請兩位元素夥伴完成節目組設置的多重個性化關卡。節目中，選手們會被帶到一個密室，找到線索才能通往下一間密室。密室困難重重，充滿危險：機關、沼澤和熔爐等，需要他們相互依靠，協同合作，才能順利完成任務。成功過關的兩種元素將獲得節目組頒發的“最佳元素搭檔”的獎盃，並在各大元素家族中宣傳表彰。

“本期節目中，我們請來了兩位鮮為人知的選手‘銠’和‘銥’，他們代表鉑系家族參加此次闖關活動。雖然他們的名氣不大，但實力還是很強勁的。”主持人慷慨激昂地説，“接下來，讓我們熱烈歡迎‘銠’和‘銥’兩位選手入場！”

主持人話音剛落，身披銀白色戰袍的“銠”選手意氣風發地走進演播廳，邊走邊打招呼：“親愛的觀眾朋友們，大家好，我是‘銠’，外號‘黑金’，也可以叫我‘Rhodium’，在元素週期表中排行第45名 (原子序數為45)，位於第五週期VIII族。我一直與鉑系兄弟們隱居在礦石中，1803年，被英國人William Wollaston帶到這個世界[1]，大家都戲稱我為‘銠(老)人’。雖然我年齡大，但‘銠 (老) 當益壯’，我的身體很健壯 (堅硬) 而且壽命非常長 (耐用) 。在工

分散在不同的礦石中，很少會聚在一起。”主持人笑道：“我們節目組請你這樣的‘貴’金屬，也是花了巨資啊！”銠説：“哎呀，要論身價，我的那位搭檔可絕不比我低！老朋友‘銥’，快上來吧！”

説罷，銥穿着銀白色的鎧甲，披着淺黃色的斗篷，大搖大擺地走近鏡頭：“對呀，我是地殼中丰度最低的元素之一呢！大約是金含量的1/40[2]。你們知道我是誰嗎？”主持人催促道：“這位選手，別賣關子啦，快向大家介紹一下自己吧！”

銥回到主持人身邊，俏皮地説：“嘿嘿，大家好，我是銠的好兄弟‘銥’，在元素週期表中，位於銠的正下方，原子序數是77。1803年，找到‘銠’的同時，英國化學家Smithson Tennant和法國化學家Hippolyte-Victor Collet-Descotils嘗試用王水溶解粗鉑，在器皿底部的黑色殘渣中發現了我[2]。由於我的許多鹽兄弟都有鮮豔的顏色，所以Smithson Tennant依據希臘神話中諸神的信使、彩虹女神伊里斯之名，給我取名為‘Iridium’。自然界中，我僅有兩個同胞兄弟 (同位素)：銥191、銥193。大家所熟知的國際千克原器就是我和本族鉑長老合作的結果[3]。”

主持人説：“感謝兩位選手生動有趣的自我介紹，相信大家對他們已經有了一定的瞭解。請兩位選手閉上眼睛，由工作人員帶往闖關密室。我宣佈，挑戰正式開始！”

01“汽”“鍍”非凡

不知過了多久，銠和銥慢慢睜開眼，竟發現自己在一間玻璃房，四周牆壁都由玻璃製成。再仔細瞧一瞧，地面上有一個可以升高房間温度的按鈕，天花板處有一個極高的機關，觸碰不到。此外，地面還有一個固定的激光燈。

銠是身經百戰，所向披靡的遊戲“銠 (老) 手”，提議：“我們需要用激光燈打開機關，才能找到通往下一關的入口。”説着，便打開激光燈，但發現無論怎樣都照射不到機關。

關那麼高，我們怎樣才能利用激光燈照到它呢？”銠和銥面面相覷。

突然，銠拍了下腦門：“有辦法了！我身體表面的反射率非常高，沒準可以將激光照到我身上，我再把它反射到機關上。可是，怎樣才能讓激光照到我身上呢？”

銥思考了一下：“這不是有一個可以升高房間温度的鈕嗎？你的沸點低 (3695 °C) [4]，而我的沸點高(4403 °C) [5, 6]，我們可以將温度設置為4000°C，把你‘鍍’到天花板的玻璃上，製成高反射率的鏡面，然後我再打開激光燈，這樣就可以照到機關啦！”銠恍然大悟：“沒錯！就這樣辦。”

兩人配合默契，迅速按計劃執行。果真，激光成功照到機關，通往下一間密室的門打開。隨後，銥將室內温度降低，銠迅速跳到地面，兩人繼續攜手走向下一關。

02天降危機

現在，銠和銥兩位選手來到第二間密室。銠仔細打量着這個房間，在門口猶豫，遲遲不敢踏入：“這怎麼看都不只是個普通的房子，裏面一定有陷阱。”

銥則徑直進入，説：“畢竟是闖關挑戰，怎麼可能沒有難度。你別站在外面了，快進來吧。”

銠嘟囔了句“有道理”，也跟着走了進去。就在銠後腳踏進房間的那一刻，他們身後的門轟隆一聲落下，將退路封得死死的。突然，一聲巨響從上方傳來，伴隨着些許小石塊的下落，銠和銥瞬間就明白要發生什麼了。

“房頂在慢慢下降！是想要壓死我們！”兩人異口同聲地大喊。

房頂降落的速度很慢，現在他們倒是有充足的時間尋找脱身的出口。可是這個密室，就連一個氣孔都沒有給他們留，更不要説逃脱通道了，兩個人把每個角落都勘探個遍也依舊是一無所獲。

“難道我們的出發點是錯的？不應該找房間的出口？”銥陷入了自我懷疑，一屁股坐到地上開始思考每一種漏掉的可能性。

一旁的銠像是熱鍋上的螞蟻，他對於銥突然停下的行為很是不滿。眼見房頂就要將他們碾成泥，銠心中焦急不堪，扯着銥的胳膊想把他從地上拉起，卻被銥突如其來的驚呼打斷。

“我想到了！”銥興沖沖地對着一頭霧水的銠説，“這個房間根本就沒有出口。這關考驗的是我們的忍耐力！”房頂迫近，銥讓銠蹲下，自己則雙手張開撐住了天花板，阻止其進一步下墜。

“還記得嗎？我的彈性模量可是金屬中第二高的，足足有538.3 GPa [5]。再加上我只有0.26這樣低的泊松比[5, 6]，可以説我擁有超高的剛度和抗變形能力。不管這個房頂給我的壓力多大，我都不會輕易變形。如果沒猜錯的話，再堅持幾分鐘後，這一關就通過了。”銥自信滿滿地抵住房頂，等待考核通過的信號燈亮起。

果不其然，沒過多久房間內便傳來了考核通過的訊息，而剛剛還近在咫尺的房頂瞬間恢復原樣。通往下一關的大門已然打開，隨時等待二人通過。

03必“淨”之路

3

第三關依舊是在一間密室中進行。只不過比起剛剛的空無一物，銠和銥二人面前正停放着一輛小型轎車。二人走近，只見一張紙條貼在車身上，上面清清楚楚地寫着本關的要求：【1 min後這輛汽車會開始不斷排放尾氣。一旦房間裏的氮氧化物濃度達到一定的數值，屋內安裝的探測儀便會發出警報，判定挑戰失敗；若能在5 min內將屋內氮氧化物含量維持在標準範圍內，則挑戰成功。】

前兩關的設定都極其隱晦，基本上需要兩個人進行思考後才能得出一個較為合理的通關方案。這一次的規則白紙黑字地放在這裏，反倒讓銠銥二人不太適應了。

銥反反覆覆地讀紙條上的內容，確定沒有遺漏的信息後，率先打破短暫的沉默：“看來這次我們的目標很明確了，就是要在規定時間內將室內的氮氧化物濃度保持在標準範圍內。究竟該怎樣實現呢？”

“哼哼，看來這回該我出場了。”銠一下變得得意洋洋，“我的催化活性和選擇性都很高，不僅是我，我的合金、化合物以及絡合物催化劑都可用於汽車廢氣淨化工業[7]。這一關，簡直就是為我量身定製的啊！”

“你打算怎麼做？”這番話讓銥也不禁好奇了起來。

銠一邊走向車尾，一邊詳細地解釋：“要知道，我曾在汽車尾氣催化轉化器中起到重要作用。我作為催化劑的活性成分，可以使氮氧化物分解成無害的氧氣和氮氣。這樣就可以有效減少尾氣中有害物質的濃度了。只不過因為我的提取實在是太過困難，導致這個過程成本很高。所以比起我本身，更多的還是將我的配合物投入這些應用。聽説，每年都有新的銠配合物催化的有機反應被報道。”

説着，銠拿出了多孔陶瓷，在其表面附着上一層活性塗層。他將自己的金屬顆粒嵌入多孔結構中，然後安裝在汽車尾氣管上。不一會兒，尾氣開始排放。在催化轉化器的作用下，探測儀一下都沒有響過。

“哇！銠兄，你在汽車尾氣催化劑方面真的是發揮了舉足輕重的作用啊！這可以阻止尾氣中的有害物質釋放到空氣中，保護我們的大氣環境！”銥崇拜地讚歎道。

“其實不僅我自己可以在催化方面做貢獻，我的鹵化物‘碘化銠’，也是羰基化合成反應的催化劑呢！他可以幫助合成醋酸、醋酐和乙二醇等重要物質。”銠自豪地向銥介紹自己的好朋友，“咱倆別在這閒聊了，還有兩關在等着我們呢！”隨後，銠拍了拍銥的肩膀，兩人大踏步地走向下一關。

04“王”而卻步

伴隨着機關門啓動的轟然巨響，兩人順利進入了第四關。一片巨大沼澤地擋住了兩位選手的去路。沼澤地中的液體冒着黃色霧氣，空氣中還瀰漫着些許氯氣的味道。

“什麼味道？這麼刺鼻！”銠捏着鼻子，緊皺着眉頭抱怨道。

銥臨危不懼地説：“依我的經驗，這沼澤地中應該是王水，別名王酸或硝基鹽酸，由硝酸和鹽酸按體積比1 : 3混合而成。”

銠一聽，立馬慌了：“王水！原來這就是剛才參賽前聽他們議論的腐蝕性極強的王水！據説上一回‘金’到這一關卡的時候，不慎失足落入其中，小命都沒了啊！”

銥放聲大笑：“男子漢大丈夫，你就這點兒氣魄？雖然是腐蝕性極強的王水，但對我毫無影響，我可是最耐王水腐蝕的金屬。你忘了我是怎麼被發現的了嗎？”説完，銥得意地拍了拍自己的胸脯。

“那我怎麼辦？”銠依然害怕得牙齒打顫。

“好兄弟，你別害怕，咱們都來自鉑系家族，如果我沒判斷錯的話，按理説你多少也應該對王水有點抵抗作用。”

“好吧，我相信你的判斷。”

於是，這兩位選手在王水中一前一後全速前進。半途，銥突然聽見身後的銠發出了一聲驚呼：“銥，救救我！我的身體怎麼有點溶解了？你看我的戰袍都變成破破爛爛的乞丐服了！”

銥看了一眼銠，嚇了一大跳，大喊了好幾聲“非禮勿視”。冷靜下來後，只見他一拍腦袋：“啊！我想起來了，鉑長老之前好像説過，你在王水中微溶[8]。快，我揹着你！”

銠順勢跳到銥的背上，銥説：“沒想到你看起來和我胖瘦一樣，原來這麼輕。”

“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！雖然我的身體在王水中稍微有點溶解，不過，我的一個兄弟‘二氧化銠’，可以在王水中游泳！”

“是嗎？那我倒想跟你那位兄弟比一比，看看誰在王水中游得快，哈哈！”

在歡聲笑語中，兩位選手繼續向遠處的機關門奮力衝刺。

05流金鑠石

剛進入第五關的房間，牆上的一個5 min倒計時燈突然亮起。紅色的燈光好像既昭示着勝利的曙光，又隱隱透露着失敗的威脅。

“快！我們只有5 min時間，快找出口！”銠驚呼道。

爭分奪秒，兩人立即在房間內搜索着離開的出口。

片刻之後，銥突然開口：“這房間怎麼越來越熱啊，好似太上老君的煉丹爐。我皮都快要熱皺了，温度再這麼升上去，咱們今天非化在這兒不可。這地板又是鏤空的，咱們現在的境遇很危險啊！”

“我也發現了，難道跟第二關一樣？設計者的目的可能根本就不是為了讓我們在有限的時間內找到出口，而是要我們想辦法順利撐過這5 min。”

“快看，我找到了一個温度計。”銥把一個測温計遞到銠的面前，“現在時間過了2 min，室內的温度已經高達800 °C，如果温度是線性上升，3 min後這個房間高達2000 °C！雖説我的熔點在2400 °C以上[10]，但是我記得你的熔點只有不到2000 °C [5, 6]。好兄弟，我可不能拋下你不管！”

銠突然想到：“對了！咱倆的晶格常數非常接近，高温下能形成連續固熔體。你還記得嗎？曾經在一次實驗中咱們倆熔為合金，你中有我，我中有你，形成的熱電偶可承受高達2000 °C的温度[11]，高温抗氧化能力比你本身還要強。”

“好主意！但是我們怎麼形成合金呢？要形成合金我們必須混合融化後冷卻凝固，熔鍊時往往還需要用高頻爐氬氣保護，以防止熔鍊過程中元素失重，在現在的境遇下可能難以實現。依我看，不如我去堵住加熱口，你去堵住散熱窗，好歹咱們可都是著名的鉑族‘難熔化金屬’，咱們一起忍耐一會兒，把這個加熱器的電機燒掉！”

“好，那就這麼辦！”

二人分頭行動，分別堵住了機器的加熱口和散熱窗。由於機器功率高，又沒有過熱保護，不到2 min，機器便發出了“轟隆隆”的巨響，冒出股股黑煙，停止運作了。終於房間裏的温度不再升高，計時器上顯示還有0.5 min兩人即可順利通關，而這時温度計顯示室內温度已經高達1800 °C，兩人依然完好無損。

“好險！”銠驚呼。

兩人還沒從剛才的驚險中緩過神來，紛紛喘着粗氣，這時機關門打開了，門外是面對萬千觀眾的領獎台。兩人走出密室，在萬眾矚目之下站上領獎台。禮儀小姐將“最佳元素搭檔”的獎盃送到了兩人的手中，銠和銥共同將獎盃舉過頭頂。頓時，場內掌聲雷聲般湧動……

06獲獎感言

“恭喜銠和銥兩位選手成功完成挑戰！作為闖關成功的選手，你們有沒有什麼想和觀眾朋友分享的？你們覺得成功的訣竅究竟是什麼呢？”主持人説完，將話筒遞到銠和銥的面前。

銥率先接過話筒，侃侃而談：“在我看來，闖關成功離不開一個非常關鍵的詞——合作。我們作為獨立的個體，都有着突出的特長和優勢。平時我只是聽説，銠憑藉自己優良的性質和特點，不僅被用於珠寶首飾表面的電鍍層，還在航空航天、玻璃纖維、電氣工業等多領域都發揮着重要的作用[9]。今天，我才算真正領略到銠的風采，尤其在第三關——必‘淨’之路，銠作為催化劑的活性成分，完成尾氣淨化的樣子‘帥極了’！如果沒有他，僅僅靠我隻身一人的力量，我根本不可能站在這裏發表獲獎感言。當然，之前我和銠在事業上偶爾也會有交集，比如我們哥兒倆融為合金，製造熱電偶[9]，這也是今天合作順利的基礎。總之，參加了節目‘元素加油衝’，讓我更加清晰地認識到：唯有取長補短，才能命途‘少’舛！”

銥説完，將話筒轉交給了銠：“我很贊同銥所提到的合作的重要性。在我眼中，銥也一直是非常出色的合作伙伴，大家別只看到我在第三關汽車催化轉換器方面的貢獻，銥在做催化劑方面也十分卓越。近期，銥和中國科學院上海有機化學研究所的遊書力研究員課題組合作完成了一個催化烯烴Z式構型保留的不對稱烯丙基取代反應，為今後研究如何高效合成熱力學不穩定的Z構型烯烴做出了突出貢獻[12]。我覺得在今天的闖關賽背景下，我們通過相互依靠、團結合作取得成功，可以給我們這個組合起一個名字，就叫‘銠’有所‘銥’ (依)。希望之後我和銥都能在各自的領域大放異彩，並充分發揮合作的優勢，為人類創作出更加濃墨重彩的篇章。”

參考文獻

[1] 賀小塘. 貴金屬, 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] 高勝利, 楊奇. 化學元素新論. 北京: 科學出版社, 2020: 479–494.

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

[6] 曹錫章, 宋天佑, 王杏喬. 無機化學(下冊). 北京: 高等教育出版社, 2002: 1037–1039.

[7] 趙元徵. 自然的音符: 118種化學元素的故事. 北京: 清華大學出版社, 2020: 147–149.

[8] 謝高陽, 俞練民, 劉本耀, 申泮文, 曾愛冬, 徐紹齡. 無機化學叢書: 鉑系. 北京: 科學出版社, 1996: 303–318.

[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. 1113–1143.

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

本文經授權轉載自微信公眾號“大學化學”，選自《大學化學》“化學科普(2021)”專刊，原題目為《【科普】“銠”有所“銥”》。

引用本文：李一冉, 姚力箏, 董梓凝, 顏靜, 閆毅. “銠”有所“銥”[J]. 大學化學, 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