原子序数为45的化学元素

拼音lǎo注音ㄌㄠˇ粤拼lou5;英語:Rhodium;舊譯),是一種化學元素,其化學符號Rh原子序數为45,原子量102.90550 u。銠是一種稀有、堅硬、抗腐蝕、在化學上較為惰性英语Chemically inert的銀白色過渡金屬元素。銠是一種惰性金屬,同時是鉑系元素的一員,為最為稀有和貴重的貴金屬之一。銠在自然界中只存在一種同位素103Rh。自然界中的銠通常以金屬態的形式與性質相近的金屬元素形成合金,偶以硫銥鉑銠礦英语Bowieite硫銠鉛礦英语Rhodplumsite等化合物形式存在。

铑   45Rh
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)




外觀
金屬:銀白色
概況
名稱·符號·序數铑(Rhodium)·Rh·45
元素類別過渡金屬
·週期·9 ·5·d
標準原子質量102.90550
电子排布[] 4d8 5s1
2, 8, 18, 16, 1
铑的电子層(2, 8, 18, 16, 1)
歷史
發現威廉·海德·伍拉斯顿(1804年)
分離威廉·海德·伍拉斯頓
物理性質
物態固體
密度(接近室温
12.41 g·cm−3
熔点時液體密度10.7 g·cm−3
熔点2237 K,1964 °C,3567 °F
沸點3968 K,3695 °C,6683 °F
熔化热26.59 kJ·mol−1
汽化热494 kJ·mol−1
比熱容24.98 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 2288 2496 2749 3063 3405 3997
原子性質
氧化态6, 5, 4, 3, 2, 1[1], -1
(兩性)
电负性2.28(鲍林标度)
电离能第一:719.7 kJ·mol−1

第二:1740 kJ·mol−1

第三:2997 kJ·mol−1
原子半径134 pm
共价半径142±7 pm
雜項
晶体结构面心立方晶格
磁序順磁性[2]
電阻率(0 °C)43.3×10-9 Ω·m
熱導率150 W·m−1·K−1
膨脹係數(25 °C)8.2 µm·m−1·K−1
聲速(細棒)(20 °C)4700 m·s−1
杨氏模量380 GPa
剪切模量150 GPa
体积模量275 GPa
泊松比0.26
莫氏硬度6.0
維氏硬度1246 MPa
布氏硬度1100 MPa
CAS号7440-16-6
最穩定同位素
主条目:铑的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
99Rh syn 16.1 d ε - 99Ru
γ 0.089, 0.353,
0.528
-
101mRh syn 4.34 d ε - 101Ru
IT 0.157 101Rh
γ 0.306, 0.545 -
101Rh syn 3.3 y ε - 101Ru
γ 0.127, 0.198,
0.325
-
102mRh syn 2.9 y ε - 102Ru
γ 0.475, 0.631,
0.697, 1.046
-
102Rh syn 207 d ε - 102Ru
β+ 0.826, 1.301 102Ru
β 1.151 102Pd
γ 0.475, 0.628 -
103Rh 100% 穩定,帶58個中子
105Rh syn 35.36 h β 0.247, 0.260,
0.566
105Pd
γ 0.306, 0.318 -

銠常和其他鉑系元素一起在鉑礦石或鎳礦石中被發現。它首先由英國化學家威廉·海德·伍拉斯頓於1803年發現,並以它的一種化合物的玫瑰色命名。

大約80%的生產出來的銠元素用於汽車的三向觸媒轉化器的觸媒。由於其對腐蝕和大部分高反應性化學物質的抗性,同時又因其極為稀有,銠常與組成合金並應用於抗高溫及腐蝕的塗層。白金上常基於外觀上的考量而鍍有薄層的銠;英幣標準銀英语sterling silver合金上鍍的銠則是為了增進其抗污能力。銠也可作為矽氧聚合物交聯催化劑,使帶有氫負離子的矽氧聚合物和帶有末端乙烯基的矽氧聚合物混合後發生固化[3]

銠可製成偵測核子反應爐中子流量英语Neutron detection的偵測器。其他銠元素的應用包括:用於生產藥物前驅物的不對稱氫化反應、以及醋酸和農藥年年春的生產製程上。

历史编辑

威廉·海德·沃拉斯顿发现钯之后[4][5][6],铑在1803年也被他发现了。他使用了可能从南美洲获得的粗矿石。[7]他的程序包括将矿石溶解在王水中,然后用 氢氧化钠 (NaOH) 中和酸。然后加入氯化铵(NH
4
Cl
),使铂沉淀为 氯铂酸铵。大多数其他金属如和铑会与一起沉淀。稀硝酸会溶解除钯和铑之外的所有物质。其中,钯可溶于王水,但铑不溶,[8]可通过添加氯化钠,以 Na
3
[RhCl
6
nH
2
O
的形式沉淀铑。用乙醇洗涤后,玫瑰色的沉淀物与锌发生置换反应,置换掉离子化合物中的铑,从而释放游离金属铑。[9]

铑被发现后,这种稀有元素只有很少的应用;例如,含铑的热电偶被用于测量高达 1800°C 的温度。[10][11]它们在1300至1800 °C 的温度范围内具有非常好的稳定性。[12]

铑的第一个主要应用是用于装饰用途和作为耐腐蚀涂层的电镀。[13]沃尔沃于1976年推出的三元催化转换器增加了对铑的需求。以前的催化转化器使用的是铂或钯,而三元催化转换器使用铑来减少废气中NOx的含量。[14][15][16]

性质编辑

銠是一種堅硬耐用的金屬,具有很高的反射率,擁有比更高的熔點和更低的密度。多數的無法侵蝕銠,其不溶於硝酸而微溶於王水。即使處於加熱狀態,銠也難以形成氧化物[17],僅在熔點時吸收大氣中的氧,然而一旦固化就又將氧釋出[18]

化学性质编辑

铑的氧化态
+0 Rh
4
(CO)
12
+1 RhCl(PH
3
)
2
+2 Rh
2
(O
2
CCH
3
)
4
+3 RhCl
3
, Rh
2
O
3
+4 RhF
4
, RhO
2
+5 RhF
5
, Sr
3
LiRhO
6
+6 RhF
6

銠隸屬於9族元素,然而其最外層電子組態卻有異於同族的其他元素。這個不規則的現象也可在鄰近的(41)、(44)、(46)等元素身上觀察到。

銠最常見的氧化態為+3,但0~+6的氧化態皆有被發現[19]

元素不同,銠並不與氧形成具揮發性的化合物。目前已知的穩定氧化物包括:Rh
2
O
3
RhO
2
RhO
2
·xH
2
O
Na
2
RhO
3
Sr
3
LiRhO
6
以及Sr
3
NaRhO
6
[20]。銠幾乎所有可能的氧化態都能和鹵素形成化合物,例如:三氯化銠、四氟化銠、五氟化銠以及六氟化銠等,其中最廣為人知的就是威爾金森催化劑,即氯化三(三苯基膦)合銠(I)。這種催化劑主要用於氫甲醯化反應以及烯烴氫化反應[21]

低價態的銠必須在存在配體的情況下才能穩定存在[22]

同位素编辑

自然界中铑以103Rh同位素的形式存在。较稳定的放射性同位素包括101Rh(半衰期3.3年)、102Rh(半衰期207天)、102mRh(半衰期2.9年)以及99Rh(半衰期16.1天)。目前已发现20多个放射性同位素,同位素质量从92.926u93Rh)至116.925u117Rh)。这些同位素的半衰期大部分都在一小时以内,除了100Rh(半衰期20.8小时)和105Rh(半衰期35.36小时)。[23]

对于原子量小于103的铑同位素,它们主要通过电子捕获衰变成;而对于原子量大于103的铑同位素则会β衰变[24]

来源编辑

铑是地球的地壳中最稀有的元素之一,丰度约为 0.0002 ppm (2 × 10−10)。[25]它的稀有度影响其价格及其在商业应用中的使用。铑在镍陨石的丰度通常为 1 ppb[26]马铃薯中的铑含量在 0.8 到 30 ppt 之间。[27]

銠為礦中的的稀少成分,產量純粹取決有多少鉑礦開採出來,開採的鉑礦越多,從中得到的銠雜質也越多。若市場需求大於供給銠的價格就會高漲,因只為增加銠供給而採更多的鉑礦不符合經濟效益。[28]

核废料编辑

铑是铀-235的裂变产物:裂变产物都含有大量较轻的铂族金属。因此,乏核燃料是铑的潜在来源,但它的提取复杂且昂贵,并且铑放射性同位素的存在需要一段时间的冷却储存,以维持寿命最长的同位素的多个半衰期(101Rh的半衰期为 3.3 年,而102mRh的半衰期为 2.9年),或大约10年。这些因素使得这个来源完全没有吸引力,也没有尝试大规模提取。[29][30][31]

用途编辑

铑的主要用途是在汽车中作为催化转换器,将有害的未燃烧碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物废气转化为毒性较低的气体。在2012 年全球消耗的 30,000公斤铑中,81%(24,300公斤)的铑就用于此应用,并且从旧转换器中回收了 8,060公斤铑。大约有964 公斤的铑用于玻璃工业,主要用于生产玻璃纤维和平板玻璃,还有2,520 公斤的铑用于化学工业。[32]

催化剂编辑

铑在催化氮氧化物分解成氮气氧气时优于其他铂族元素:[33]

2 NO
x
x O
2
+ N
2

催化剂用于许多工业过程,尤其是通过蒙山都法,把甲醇催化羰基化成乙酸[34]它还用于催化氢硅烷与分子中的双键的加成,这一过程在某些硅胶的制造中很重要。[35]铑催化剂也可以把还原成环己烷[36]

铑离子和BINAP的配合物广泛用于手性合成,用于合成薄荷醇[37]

观赏用途编辑

铑可用于珠宝和装饰品。它在白色黄金和铂上进行电镀,在销售时赋予其反光的白色表面,之后薄层会随着使用而磨损。它也可用于涂层纹银,以防止锈蚀(硫化银 Ag2S,由大气中的硫化氢 H2S 产生)。纯铑首饰非常稀有,其中的原因更多是因为制作难度大(熔点高,延展性差),而不是价格问题。[38]它的高成本使得铑仅能电镀。当银、金或铂等更常用的金属被认为不够用时,铑也用于荣誉或象征精英地位。1979年,《吉尼斯世界纪录》送给保罗·麦卡特尼一张镀铑唱片,以表彰他是历史上最畅销的词曲作者和唱片艺术家。[39]

其它用处编辑

铑可用来制造合金,用于硬化和提高的耐腐蚀性[17]这些合金用于熔炉绕组、玻璃纤维生产套管、热电偶元件、飞机火花塞电极和实验室坩埚。[40]其它用处包括:

在汽车制造中,铑还用于制造大灯反射器。[45]

危害编辑

 
危险性
H-术语 H413
P-术语 P273, P501[46]
NFPA 704
0
0
0
 
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

作为一种贵金属,纯铑是惰性且无害的。[47]不过,铑配合物可以是高反应性的。对于氯化铑(RhCl
3
),大鼠的半数致死量 (LD50) 为 198 mg/kg。[48]类似其它贵金属,铑的生物用处不明。

人们可以通过吸入在工作场所接触到铑。职业安全与健康管理局英语Occupational Safety and Health Administration (OSHA) 已指定工作场所中的铑的允许暴露极限英语Permissible exposure limit为 0.1 mg/m3(8小时工作日),而美国国家职业安全卫生研究所 (NIOSH) 则把推荐接触限值英语recommended exposure limit (REL)定位相同的值。在 100 mg/m3的浓度下,铑就达到了立刻对生命和健康造成危险值英语immediately dangerous to life or health[49]对于可溶的铑化合物,它们的 PEL 和REL 都是 0.001 mg/m3[50]

參考文獻编辑

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