大学化学, 2019, 34(8): 55-60 doi: 10.3866/PKU.DXHX201901010

科普

铋先生的一天

毕睿豪, 朱亚先,

A Day of Mr. Bismuth

BI Ruihao, ZHU Yaxian,

通讯作者: 朱亚先, Email: yaxian@xmu.edu.cn

收稿日期: 2019-01-14   接受日期: 2019-01-18  

基金资助: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024

Received: 2019-01-14   Accepted: 2019-01-18  

Fund supported: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024

作者简介 About authors

毕睿豪,2017级本科生 。

摘要

将元素周期表形象化为一个“元素城”,铋元素则被拟人化为元素城内的一个居民——铋先生。通过描述铋先生一天的生活,介绍了铋及其化合物的主要性质和应用。

关键词: ; 性质 ; 应用

Abstract

In this article, the periodic table is described as a thriving "city", and Mr. Bismuth is one of the citizens. Through a day's life of Mr. Bismuth, the main properties and applications of bismuth and its compounds are demonstrated.

Keywords: Bismuth ; Properties ; Applications

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本文引用格式

毕睿豪, 朱亚先. 铋先生的一天. 大学化学[J], 2019, 34(8): 55-60 doi:10.3866/PKU.DXHX201901010

BI Ruihao. A Day of Mr. Bismuth. University Chemistry[J], 2019, 34(8): 55-60 doi:10.3866/PKU.DXHX201901010

铋先生是“元素城”里的一位居民,城里很多元素都视他为“怪”元素。

“元素城”最初的设计师是俄国人门捷列夫,他在人类公历1869年画出了“元素城”的蓝图,当时“元素城”里只有60多位居民。之后,随着人类科学技术的发展,越来越多的元素伙伴相继住进了“元素城”,城市的规模也在逐渐扩大。时至今日,“元素城”已经成为拥有东西七条大道(周期),南北十八条街(族),外加镧系、锕系两个特区的大都市,现如今已经有118位元素入住。

铋先生的家住在城里第六大道第十五街(第六周期VA族),这是稳定元素区和放射性元素区的交界。稳定元素们都觉得这不是一个好的住处,因为那些放射性元素邻居们不太热爱自己的家,他们甚至通过改变自己身体里的质子、中子或电子的方式来改变自己的身份,从而住到别的元素的家里去。“爱家”的稳定区元素并不能理解这样的行为,但是,作为稳定区元素的铋先生好像并不介意这一点。

最近,有人类声称铋先生也有极其微弱的放射性,虽然半衰期长达超过十亿倍的宇宙年龄[1],以至于人类可以完全忽略铋先生的放射性。但是,这消息一时间成为了元素城的元素们八卦的热门话题,铋先生在元素们眼中更为奇怪了。

在铋先生很多看似奇怪的特性背后,他更是位敬业的“多面手”,坚守在多个岗位上,为人类奉献着力量。

接下来的一天里,我们要悄悄地跟随铋先生,记录他平凡的生活,或许你能从中瞥见这个“怪”元素身上很多的闪光点。

1 铋先生的梳妆

清晨,当第一缕阳光射进窗户,铋先生醒了。作为一个爱美的元素,铋先生一天的生活是从对自己的精心打扮开始的。铋先生的化妆过程可能和你想象中的十分不同,他并不会给自己身上“涂脂抹粉”,而是用元素城里的小淘气——氧气来装扮自己。

首先,铋先生会将自己加热,使自己融化。在加热的过程中你会发现一个“怪”现象:铋先生的体积并不会像我们想象的那样膨胀,而是会逐渐收缩,在元素城的金属居民中,很少有这样热缩冷胀的特性。随着铋先生的逐渐熔化,我们会发现未熔化的固体部分漂浮在液态铋上,就像冰浮在水面上一样[2]。铋先生的熔点不是很高(金属铋熔点为271.4 ℃ [3]),因此很容易就可以熔化,以此来完成自己化妆的第一步。

之后,铋先生开始冷却结晶。在此过程中原子间距变小并且有序排列,最外层的原子由于和氧气接触并结合,因此铋先生在自己的表面附上了一层三氧化二铋(Bi2O3)薄膜。你或许会觉得很多金属都拥有这样的特性,铋先生的妆也不过如此。但是铋先生的妆有自己的精巧之处,他可以通过控制薄膜厚度的变化,来获取由黄到蓝渐变的效果,就像是给自己的表面涂上了彩虹。用我们人类的话来说,这个原理叫做薄膜干涉[1]

除了“彩虹妆”,铋先生的形状也有所改变。结晶后的铋先生变得方方正正,呈现出像台阶一样的阶梯状结构[1]

由于巧妙的彩虹妆,还有这种化妆赋予他的奇特外观,在元素城里的一次选美比赛中,铋先生力压所有参赛的金属元素,获得了最美金属的称号。同时,铋先生的“彩虹妆”也受到了人类的青睐,现在已经有很多人选择将铋晶体作为家中的装饰品了。

2 意外的插曲

元素城中的元素,和我们人类一样,也需要工作,元素们也会根据自己的性质特点在不同的部门任职,它们的工作涉及到人类世界的方方面面。

在梳洗完毕后,铋先生走出了自己的房间,发现铅叔叔已在门前等待,铋先生不久前应聘到材料部工作,他们约好今天上午一起去。铋先生和铅叔叔在元素城里是邻居,也是非常要好的朋友,他们在自然界中经常以共生矿的形式所存在。他们的很多物理、化学性质都非常相似[3],以至于在历史上人类一度很难将他们分离开来。

他们今天决定沿着第十五街(第Ⅴ主族)走向他们的工作点——材料部。

在这条街道上,住着铋先生和他的元素“家族”。走着走着,铋先生就情不自禁地向铅叔叔说起了自家的故事。“我们家族住的这片地方,按照人类现在的说法,叫第Ⅴ主族。当时人类建筑师考虑到我们家族的元素的最外层都具有2个s电子和3个p电子,为了方便人类管理,就让我们都住在这条街上。”

“说起我们,可是元素城里分配最均衡的一家。我们家族的价电子占据了一半的p轨道,不多也不少。既不像碱金属和d区元素一样全是金属,也不像稀有气体和卤素全是非金属。我们家的氮爷爷和磷伯伯是典型的非金属元素,而砷哥哥属于准金属,我和锑关系最亲近,都是金属。除此之外啊,我的爷爷……”

铋先生滔滔不绝地向铅叔叔讲着自家那些事情。

当铋先生和铅叔叔来到材料部门口时,迎接他们的却是工人们的一脸愁容,两个元素互相看看,也面面相觑,铋先生已经失去了自己彩虹般的光泽,而变成了黑黑的一块;铅叔叔也已经失去了金属的光泽,变成蓝黑色了。

原来,在元素们匆匆拥挤地赶往工作地点时,难免会相互接触,发生了化学反应。一位经验老道的工人说:“一定是你们这两种亲硫元素在上班路上和冒冒失失的硫小姐发生了“碰撞”,反应成硫化铋(Bi2S3)和硫化铅(PbS)了。”好在元素城的设计者——化学家们,早已经掌握了一套成熟的方法,将铋先生和铅叔叔变回单质形态:首先,这两种金属的硫化物需要经过烈火的灼烧,让氧原子替换硫原子,他们分别变成氧化物形态(Bi2O3,PbO)。接着加入碳粉,继续灼烧,使与这两种金属结合的氧原子跑去和碳元素结合,这样铋先生和铅叔叔就能回到单质的样子了。

经过上面的一通折腾,上午的时间已经所剩不多。铋先生和铅叔叔向工人师傅道谢后,马上投入到紧张的工作中。

3 合金加工车间

铋先生和铅叔叔首先来到合金加工车间。

合金加工车间是材料部下属的一个比较大的部门,这里为人类世界提供了各种各样功能的合金材料。在这里,既有生产类似制作锅碗瓢盆所用材料的场所,也有日日夜夜尝试突破科学前沿的实验室。铋先生在这两方面都一直贡献着自己的力量。

铋先生在这里最接地气的一个应用是用来制作保险丝,这和它熔点低的特性密不可分。这种保险丝和一般的电流保险丝不同,当电路环境温度超过限度(异常值)时,它可以在电器正常工作电流下立刻熔断,从而切断电路而防止险情的发生。这样的保险丝被称作温度保险丝[4]

这种保险丝的制作不能只凭铋先生的一己之力,还得要有其他元素的合作。铋先生的身子骨比较脆,熔点270 ℃左右,只有通过与其他韧性好、熔点也比较低的金属一同形成合金,才能有效结合各家之长,让保险丝真正地“保险”。

除铋先生外,传统的低熔点金属还有锡、铅、铊和镉,但是很不巧的是,铅、铊和镉都具有毒性。因此,从安全角度来看,毒性非常低的锡先生是铋先生的最佳拍档。但由于成本和性能的问题,目前市场上铅锡合金保险丝还是占据主导地位[4],相信在科研工作者的努力下,锡铋保险丝定会早日进入千家万户。

4 超导实验室

“你好,铋先生!我是超导实验室的研究员,BSCCO项目现在需要你过去一趟。”一个穿着白大褂的年轻人匆匆走过来叫住了铋先生。

于是,铋先生停下了手头的工作,跟着年轻人前往超导实验室。

超导实验室,和合金加工车间一样,隶属于材料部。但和车间流水线式的工作形式不同,这里更多的是实验台、科研人员以及他们使用的各种试剂。

年轻人所提的项目,是关于BSCCO族(铋锶钙铜氧化物)超导材料的研究课题。BSCCO于1988年被人们发现,是很有前景的高温超导材料。所谓高温超导,就是指材料在液氮温度(77 K)下就能表现出超导特性。最早发现的一种BSCCO材料就有105 K的临界温度[5],远远高于液氮温度。

而我们的铋先生在项目中所做的工作,就是作为合成BSCCO的基本“建筑材料”。BSCCO实质上是铋、锶、钙和铜四种元素的氧化物,它是由最基本的“建筑单元”——晶胞所构成。每个建筑单元中,既有铋、锶、钙和铜这四种金属阳离子“砖块”,还有带负电的氧离子。由于正负电荷会互相吸引,带负电的氧离子就像水泥一样将阳离子“黏合”在一起。这样的晶胞不断地重复,就构成了我们需要的材料。

随着科研工作的继续,BSCCO将有望应用于超导磁悬浮和超导大功率发电机等领域。

5 “啊!有人倒下了”

不知不觉间,强烈的阳光直射着厂房的屋顶,已经快到中午了。工作人员们纷纷离开工位去吃饭,我们的元素们也能借此机会稍事休息,他们围坐在一起聊天。

“嘿!老兄,感觉之前没怎么在材料部见过你,能给我讲讲你来这儿之前的故事吗?”铜元素向旁边的铋先生说道。

“当然可以,铜前辈。您是人类最早开始使用的金属,跟您相比,我在材料方面的应用才刚刚开始哩。”铋先生谦虚地回答。

“我的化合物最早主要用于制作药物,它们主要用于治疗胃痛、烧伤、腹泻和肠道功能紊乱等疾病[6]。我的化合物第一次作为缓解胃痛的药物是在16世纪,从那以后到1930年,我都一直主要在医药部工作。直到1930年,每年有大概90% [2]的铋被用于药物的生产呢!……”铋先生的故事娓娓道来,元素们都听得十分投入。此时,突然有人喊道:“啊!有人倒下了。”大家听到了求救,都急忙赶了过去。

只见一位工人师傅坐在地上,捂着自己的上腹。

“怎么了,哪里不舒服?”

他回答说:“已经好几天了,每天吃完饭以后上腹部就有点痛。我以为是小事,就没去管它,谁知道今天突然加剧了,站都站不稳了!”

一旁的铋先生说:“你应该是患了胃溃疡,哪位师傅帮他到药店买点‘得乐’吧”。一位热心的工友立刻跑去了药店。

胃痛的工人皱着眉头,看起来还是有一丝担忧。

铋先生解释道,“放心,我让他去买的‘得乐’,是枸橼酸铋钾,是我的化合物。它是治疗胃溃疡的特效药,它可以在胃液pH的条件下水解,形成保护性的、弥散性涂膜附着在溃疡处,隔离胃液和溃疡,从而缓解疼痛感。”

不一会儿,工友就拿着药回来了,胃痛的工人喝了药以后好了很多。铋先生脸上露出了欣慰的笑容。

6 珍珠般的光泽

意外过后,元素们和工作人员又继续进行工作。铋先生在这个时间要离开材料部了,他今天还有一项特别的工作。这究竟是什么样的任务呢?我们继续跟随铋先生的脚步,一探究竟。

瞧,他顶着烈日来到了一家化妆品店。只见他走到一个展台前,拿出了之前准备好的广告牌,放到了展台边最显眼的位置,上面写着:

“珍珠般光泽的眼影,值得你拥有!”

哈哈!原来铋先生今天的工作是要推荐一款最新开发的眼影。没想到我们的铋先生不仅在药学和材料方面有很大应用,在化妆品领域也是颇有建树啊!

过了一会儿,一位女士收起了遮阳伞,走进了店里。铋先生的广告牌吸引了她,她径直走向铋先生:

“有珍珠般的光泽,这广告牌上的效果看起来倒是不错,真的能做到和珍珠光泽一样吗?”女士疑惑地问。

铋先生热心地推销:“不妨一试,我们的新品免费试涂!”

女士在自己的手上试了试这款眼影,涂抹的部分在天花板上日光灯的照射下,反射出珍珠般的耀眼光泽。女士看起来对这个新品十分满意:

“效果还真心不错哦。不过,我还是有些疑惑,你们是怎么让它的光泽像珍珠一样的呢?”

“啊,你问我可就问对元素了!”铋先生非常开心。

“因为这种眼影中含有氯化氧铋(BiOCl)的成分,氯化氧铋的晶格是层状的,铋元素——也就是我,和氧元素结合形成了平面网格的结构。但是,因为我是+3价,氧是−2价,这样电荷不能平衡,所以层与层间存在−1价的氯来平衡电荷。正因为氯化氧铋具有这样的层状晶格结构,经过一定的工艺结晶就可以得到非常薄的固体片。这种固体片非常薄以至于具有很强的透光率,看起来是半透明的。”

铋先生一时激动,自顾自地讲了起来:“在使用时,混在化妆品中的这些小片会一层层地堆叠起来。光照射在这样的薄片表面时会发生反射,还有一部分会通过折射透过薄片。由于薄片是一层一层堆叠的,折射的光也会在下面的薄片上反射,最终进入人眼。因此,除被吸收的光之外,入射的光会在表面充足地反射,这就是我们看到闪亮光泽的原因。”

旁边的女士已经开始打盹了,好在她对产品十分满意,也没有在意铋先生的这套让人头晕的长篇大论,高高兴兴地带着眼影离开了化妆品店。

成功地卖出含自己化合物的新品,铋先生内心充满了喜悦,他迫不及待地等待着下个顾客的到来,让更多的顾客了解这款产品,同时了解自己。

7 实验室的“变脸”

当铋先生走出化妆品店时,时间已经到了下午,阳光已经没有刚才那么毒辣了。他今天的最后一项工作要在学校的实验室进行,今天他可是实验室的特邀嘉宾。

当铋先生赶到实验室时老师已经开始上课,黑板上写着“铋价态变化”。同学们正在认真地记录老师所讲的内容。

铋先生快步走进实验准备室,摇身一变,成了无色的硝酸铋(Ⅲ)溶液,他静静地躺在试剂瓶里,等待着亮相。

老师走过来,指着铋先生说:“这就是我们今天的嘉宾,我们看一看他如何变脸。”

老师向坩埚中注入少量的硝酸铋溶液,再加入氢氧化钠和氯水,加热。过了一会儿,倾去溶液,同学们看到了土黄色的沉淀。

“钠盐大多是易溶的,但是并不是所有的钠盐都易溶,这就是其中一种难溶钠盐——铋酸钠。它是土黄色的粉末,不溶于水。由于铋表现为+5价,在酸性环境中拥有极强的氧化性,常作为氧化剂使用。”

老师继续实验演示,他在试管中滴入1滴淡粉红色的硫酸锰溶液和几滴硝酸,再加入少量刚刚制备的铋酸钠固体,微微加热,溶液变成了紫红色。

“大家觉得这紫红色的溶液是什么呢?”老师问道。

台下有同学小声回答:“高锰酸钾”。

“对了,是高锰酸钾。这个反应颜色变化很敏锐,实验室里用来定性鉴定锰离子。”

“为什么铋先生会变脸呢?从+3价变到+5价,又从+5价变回+3价呢?”老师继续问。有的同学在挠头,有的在沉思,有一位同学举手发言:

“当铋先生以硝酸铋(Ⅲ)形式进入碱性溶液时,遇到了氯水先生,氯水先生可是鼎鼎大名抢夺电子的能手。刚开始的时候,两位选手都只是在互相试探、制造摩擦以寻找对方的弱点,之后随着周围的热度不断升高(指加热),两人的碰撞越来越剧烈,慢慢地,三价铋先生有些力不从心了,他身上的电子已经开始偏向氯水先生,被氧化为铋酸钠。”

“这时的铋先生呈现+5价,失去这么多电子,他的性格变得暴躁。当他进入酸性的硫酸锰溶液时,本来平静的溶液又变成了他和锰先生的角斗场,水中富足的氢离子助长了铋先生的力气。终于,铋先生战胜了锰先生,成功地获得了他的电子,从+5价变成了+3价。失去电子的锰先生成为+7价,他和氧元素结盟,成为紫红色的高锰酸根离子。”

老师听到答案后十分满意,露出了笑容。同学们开始亲自体验铋先生的“变脸”……

铋先生离开学校的时候已是黄昏,他独自在夕阳下慢慢地走着,回忆这充实又忙碌的一天。他觉得自己并不是一个怪元素,正是这些独特的性质才代表着自己是铋先生——一个独立而勤奋的元素。而且,他的这些性质也一直在造福着人类,自己和其他元素一样都是自然界中不可或缺的一部分。

铋先生快乐地回到了自己的家中,准备为明天的工作积蓄力量。

我们这一天的记录也结束了……嘘,元素们已经休息了,让我们悄悄离开元素城,让这些特殊的居民们做个好梦吧!

参考文献

Wikipedia.com. Bismuth.[2018-04-21]. https://en.wikipedia.org/wiki/Bismuth.

[本文引用: 3]

Chagnon, M. J. Bismuth and Bismuth Alloys. In Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th ed.; John Wiley & Sons, Inc.: USA, 2010; Vol. 34, pp 1-16. Doi: 10.1002/0471238961.0209191303080107.a01.pub3.

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Greenwood, N. N.; Earnshaw, A.元素化学(中册).李学同,译.北京:高等教育出版社, 1996: 220-229.

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刘尧.无铅温度保险丝的制备及其性能研究(M).广州:广东工业大学, 2008.

[本文引用: 2]

MaedaH. ; Tanaka Y. ; Fukutomi M. ; Asano T. Jpn. J. Appl. Phys. 1988, 27, L209.

DOI:10.1143/JJAP.27.L209      [本文引用: 1]

Encyclopedia.com. Bismuth (revised).[2018-05-24]. http://www.encyclopedia.com/science/news-wires-white-papers-and-books/bismuth-revised.

[本文引用: 1]

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