銥 (Ir)

發現史

發現: 1803 · Smithson Tennant

銥的發現與鉑以及其他鉑系元素息息相關。古衣索比亞人和南美洲各文化的人自古便有使用自然產生的鉑金屬，當中必定含有少量其他鉑系元素，這也包括銥。17世紀西班牙征服者在今天的哥倫比亞喬科省發現了鉑，並將其帶到歐洲。然而直到1748年，科學家才發現它並不是任何已知金屬的合金，而是一種全新的元素。當時研究鉑的化學家將它置於王水（氫氯酸和硝酸的混合物）當中，從而產生可溶鹽。製成的溶液每次都留下少量深色的不可溶殘留物。約瑟夫·普魯斯特曾以為這一殘留物是石墨。法國化學家維多·科萊-德科提爾（Victor Collet-Descotils）、安托萬-弗朗索瓦·德·富克魯瓦和路易-尼古拉·沃克蘭在1803年也同樣觀察到了這一黑色殘留物，但因量太少而沒有進行進一步實驗。1803年，英國化學家史密森·特南特分析了殘留物，並推斷其中必含新的金屬元素。沃克朗把該粉末來回在酸鹼中浸洗，取得了一種揮發性氧化物。他認為這是新元素的氧化物，並把新元素命名為「ptene」，源於希臘文的「πτηνος」（ptènos），即「有翼的」。特南特則擁有更大量的殘留物，並在不久後辨認出兩種新元素，也就是鋨和銥。在一連串用到氫氧化鈉和氫氯酸的反應之後，他製成了一種深紅色晶體（很可能是Na2[IrCl6]·nH2O）。銥的許多鹽都有鮮豔的顏色，所以特南特取希臘神話中的彩虹女神伊麗絲（Ἶρις，Iris）之名，把銥命名為「Iridium」。元素的發現被記錄在1804年6月21日致英國皇家學會的一封信中。1813年，英國化學家約翰·喬治·求爾德倫（John George Children）首次熔化銥金屬。1842年，羅伯特·海爾（Robert Hare）首次取得高純度銥金屬。他量得的銥密度為21.8 g/cm3，並發現這一金屬幾乎不可延展，且硬度極高。1860年，亨利·愛丁·聖克萊爾·德維爾和朱爾·亨利·德布雷（Jules Henri Debray）第一次大量熔化銥。每公斤銥的熔化過程需要燃燒超過300升的純O2和H2。銥如此難熔化塑性，這大大限制了它的實際應用。約翰·艾薩克·霍金斯（John Isaac Hawkins）在

用途與應用

銥的需求量從2009年的2.5公噸升至2010年的10.4公噸。這主要是因為電子相關應用的需求量從0.2公噸升至6公噸：銥製坩堝被廣泛用於大型高質量單個晶體的生產，而這些晶體的需求在這段時間大大提高。銥的消耗量預期將因為積累的坩堝庫存而飽和，這在2000年代也曾經發生過。其他重要應用還包括火花塞（2007年消耗0.78公噸）、氯鹼法所用的電極（同年消耗1.1公噸）以及化學催化劑（同年消耗0.75公噸）。銥的應用大部份運用其高熔點、高硬度和抗腐蝕性質。銥金屬以及銥﹣鉑合金和鋨﹣銥合金的耗損很低，可用來製造多孔噴絲板。噴絲板用於把塑料聚合物擠壓成纖維，例如人造絲。鋨﹣銥合金也可以用於指南針軸承和計重秤。銥的耐腐蝕、耐高溫性質很強，所以非常適合作為合金添加物。飛機引擎中的一些長期使用部件是由銥合金組成的，銥﹣鈦合金也被用作水底管道材料。加入銥可提升鉑合金的硬度。純鉑的維氏硬度為56 HV，而含50%銥的鉑合金硬度可超過500 HV。銥也常被用於須承受高溫的儀器當中。比如，柴可拉斯基法使用銥製高溫坩堝，產生單個氧化物晶體，如藍寶石、釓鎵石榴石和釔鋁石榴石等。這些晶體被用於電腦記憶體和固態雷射器零件當中。銥合金能夠抵禦電弧侵蝕，所以是火花塞電觸頭的理想材料。Cativa催化法是把甲醇轉變為乙酸的過程，可使用銥化合物作為催化劑。放射性同位素銥-192在γ射線照相中是一種重要的能源，有助對金屬進行無損檢測。另外，近距離治療利用192Ir所釋放的γ射線來治療癌症。這種治療方法把輻射源置於癌組織附近或裡面，可用於治療前列腺癌、膽管癌及子宮頸癌等。1889年製成的國際米原器和國際公斤原器是由含90%鉑和10%銥的合金組成的，原器由位於巴黎附近的國際度量衡局保存。米的定義在1960年改為氪的發射光譜中的一條譜線，，公斤的定義在2019年5月20日修改後，公斤原器已不再使用。航海家號、維京號、先鋒號和卡西尼－惠更斯號、伽利略號和新視野號等無人宇宙飛船都有使用含有銥的放射性同位素熱電機。由於熱電機要承受高達2000 °C的高溫，所以包裹著鈽-238同位素的容器是以既堅硬又耐高溫的銥所製。銥還被用

同位素

銥有兩種自然穩定同位素：191Ir和193Ir，豐度分別為37.3%和62.7%。已人工合成的放射性同位素共有34種，質量數從164至199不等。192Ir夾在兩個穩定同位素之間，也是最穩定的放射性同位素，半衰期為73.827天。這一同位素在近距離治療和工業射線照相技術中具有用途，特別是在天然氣工業中用於無損檢測鋼鐵的焊接處。銥-192曾造成多宗輻射意外。另外有三個同位素的半衰期在一天以上：188Ir、189Ir和190Ir。質量數低於191的同位素會同時進行β+衰變、α衰變以及質子發射，但有兩者除外：189Ir進行電子捕獲，而190Ir進行正電子發射。質量數高於191的同位素則進行β−衰變，其中192Ir會少量進行電子捕獲。所有銥同位素都是在1934至2001年間發現的，其中最新發現的是171Ir。銥共有32種已知同核異構體，質量數介乎164到197。最穩定的同核異構體是192m2Ir，它會經同核異能躍遷，半衰期為241年，因此比所有處於基態的放射性同位素都要穩定。最不穩定的異構體是190m3Ir，其半衰期只有2微秒。191Ir是所有元素中首個被證實呈現穆斯堡爾效應的同位素。該同位素應用在穆斯堡爾光譜分析中，在物理學、化學、生物化學、冶金學和礦物學等領域都有用到。