不过,他得到了一种莫名其妙的物质,它的化学性质跟碲十分相似,经过多次实验之后,贝采利乌斯认为这是一种新元素,于是他仿照硫(拉丁文原意是地球)给它起名叫硒(拉丁文意思是月亮)。
福音?祸星?
相传,唐玄宗的女儿永乐公主年幼时体弱多病,十四岁时还是一个羸弱礁悴的丑丫头。在她十五岁那年,爆发了“安史之乱”,永乐公主随皇帝出逃,流落到陕酉沙苑一带。从此小公主便以当地产的蒺藜子为茶。不料,她渐渐病退,两三年后竟变得婀娜娇美,楚楚动人。对此,永乐公主深知自己是得益于蒺藜子。“安史之乱”平定后,永乐公主回宫时便随身带了一些蒺藜子,并把它送给皇兄肃宗皇帝饮用,几十天后肃宗感到自己耳更聪,目更明,精力倍增。从此,蒺藜子被视为灵丹妙药而名扬天下。
蒺藜子的神奇功效,对古人来说当然是秘不可知的。现代科学揭开了它的谜底,原来蒺藜子中含有许多种人体必需的微量元素,尤其是硒的含量相对较为丰富,现代医学已经证明,硒具有抗癌、防治心肌病、抗衰老等作用,对人体健康十分重要。
无巧不成书,在台湾某地有一个少年,他的视力竟达到了40的极限程度,人们公认他是现代的“千里眼”。
原来他自幼就喜欢生食鱼眼,而鱼眼中含有丰富的硒,硒在人体内形成的有机物能够消除对眼睛有害的物质,此外,瞳孔的收缩和眼睛的活动也离不开硒的作用。
看到这里,也许你们会认为硒是人体健康的福音。让我们再看下面的故事。
在1986年的一天,新疆某个牧场上的牧民在长着茂盛紫云英的沙地上放牧着五十匹良马,不料祸从天降,不到两小时内就有三十五匹马突然死亡。牧马人被当作毒杀群马的凶手拘留了起来。
然而奇怪的是,解剖分析时找不到马群死亡的原因,只是发现死马胃中有一些尚未消化的紫云英。而紫云英本身并无毒呀!后来,经过更严格的科学分析,人们这才发现,死马胃中的紫云英含有浓度异常高的硒。紫云英从生长它的土壤里吸收了大量的硒而变成了毒草。马群原来是硒毒死的。
在北美洲,有一个叫做“鬼谷”的地方,这里土壤肥沃,气候适宜,草木茂盛,是一个美丽富饶的好地方。传说当印第安人发现这片土地后,就纷纷搬到了这里。可是,没过多久,住在这里的人都莫名其妙地死去了,于是他们就把这儿称为“鬼谷”。多年以后,欧洲来的殖民者也看上了这片土地,也移居到了这里,然而,灾难再一次降临了,许多人无缘无故地死去了,幸存下来的人恐惧地迁居到了其他地方。
后来,科学家们经过仔细地分析研究后发现,原来这里的土壤中含有大量的硒,通过饮水、食物等途径进入了人体,从而使生活在这里的人因慢性中毒而死亡。
硒,究竟是福音还是祸星,最终还是科学为它作了一分为二的正确评判。
硒是生物体必需的数十种微量元素之一,生物体中只要缺乏其中任何一种元素,就会处于不正常的生理状态,影响它的生长和发育。而生物体中某种元素过量时,则不论该元素在适量时对生物多么重要,它也会对生物体产生毒害,甚至危及它的生命。
以硒为例,人体中含有适量的硒大有益处,如果硒的含量太低,就会导致肝坏死和心肌病等,而当其含量过高时,又会使人中毒以至死亡。
碲的发现
首先发现碲元素的是奥地利人缪勒(FranzJosephMuller)。他在1782年时从罗马尼亚一个矿坑里发现了一种很好看的矿石。它的表面是银白色的,但又略带一些黄色,还会发出浅蓝色的光泽。当地人把它叫做“奇异金”。缪勒把这块矿石带回了实验室,并从中提取了一小粒银灰色的金属物质,外貌非常像锑,但化学性质却有分别。他推想这可能是一种新元素,但不敢肯定。为了证实自己的发现,他曾请瑞典化学家贝格曼帮助鉴定,但因样品少,未能确定是什么元素,只能证明它不是已发现的锑。
然而,缪勒的重要发现,竟被当时的人们忽略了16年之久。直到1798年1月25日,德国矿物学家克拉普罗特在柏林科学院宣读一篇关于特兰西瓦尼的金矿论文时,才重新把这个被人遗忘的元素提出来。Klaproth克拉普罗特从金矿中分离出了这种新元素。他用的方法是:先用王水溶解金矿粉,含有的碲被氧化为碲酸(H2TeO4),加入过量氢氧化钠,生成碲酸纳(Na2TeO4),将褐色不溶物过滤后,再加盐酸于滤液中,这时就有H2TeO4沉淀产生。取沉淀用水冲洗,烘干,并用油调至油状装入玻璃瓶中,加热至全部红炽,冷却后在接受器中和玻璃瓶壁上发现金属状颗粒碲。克拉普罗特把这一新元素取名为Tellurium,简写为Te。这一词来自拉丁文tellus(地球)。
碲在一般状况下有两种同素异形体,一种是晶体的碲,具有金属光泽,银白色,性脆,是与锑相似的;另一种是无定形粉末状,呈暗灰色。密度中等(6.240g/cm3),熔、沸点较低(449.6℃、989.9℃)。它是一种非金属元素,可它却有十分良好的传热和导电本领。在所有的非金属同伴中,它的金属性是最强的。
除了兼具金属和非金属的特性外,碲还有几点不平常的地方:它在周期表的位置形成“颠倒是非”的现象——碲比碘的原子序数低,但原子量却比碘大,碲的原子量是127.60,而碘的是126.90(与此类似的还有Co,58.93比Ni,58.69大),这是由于同位素丰度差别的缘故。
碲的化学性质很像硫和硒,有一定的毒性。在空气中把它加热熔化,会生成氧化碲的白烟。它会使人感到恶心,头痛,口渴,皮肤瘙痒和心悸。人体吸入碲后,在呼气,汗尿中会产生一种令人不愉快的大蒜臭气。这种臭气很容易被别人感觉到,但本人往往并不知道。碲的用途很多。它是一些金属合金的“强壮剂”,只要在这些合金中加入少量的碲,就能大大提高它们的机械强度和加工性能,目前,碲大量用于冶金工业,把碲加入钢和铜,能改变机械加工性能和抗腐蚀性,在铅中加入碲可显著提高抗热、抗氧化、和耐磨性能。碲还被广泛用于陶瓷和玻璃生产中,因为它能使陶瓷和玻璃披上各种鲜艳的“外衣”。高纯碲主要用于制造化合物半导体,如碲化镉、碲化铝、碲化铋等。碲化镉是一种化合物半导体,其能隙宽度最适合于光电能量转换。用这种半导体做成的太阳电池有很高的理论转换效率。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜,沉积速率也高。因此,碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低,是应用前景最好的新型太阳电池,已成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象。目前,已获得的最高效率为16.5%。在国内,四川大学太阳能材料与器件研究所率先在我国开展了碲化镉薄膜太阳电池的研究。在“九五”期间,承担了科技部资助的科技攻关计划课题:“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”。在短短的3年里,研制了近空间升华系统等关键设备;研究了碲化镉、碲化锌、硫化镉等几种薄膜的沉积方法、探索了碲化镉薄膜太阳电池的结构及制备技术,制备出了转换效率为11.6%的碲化镉薄膜太阳电池,进入了世界先进行列。
臭氧的发现
臭氧很早就被人发现了。当时人们用兽皮毛摩擦琥珀用时嗅到特殊臭味的气体,这就是臭氧。琥珀是树脂在地层下受压后形成的一种黄色至红褐色半透明的天然塑料,表面光滑,古代人们从地下挖掘到它后,用它制成玩赏的小饰件,如烟嘴等。琥珀受到皮毛摩擦后产生静电放电,会使周边空气中的氧气转变成臭氧。
现今,臭氧也是在放电中被发现和制成的。在近代化学实验中最早制得臭氧的是荷兰化学家马鲁姆。1785年他在密闭的玻璃管中汞面上的氧气通电后,发觉有一股非常强烈的臭味,好像是“电气”的味道。他不知道这股臭味是什么。
到1840年,德国化学家舍恩拜因在空气中进行放电实验时也嗅到这种“电气”的味道,认为它和氯以及溴属于同类气味。1844年他又发现白磷在空气中发光氧化时也产生这种臭味,更发现它能将碘化钾中的碘释放出来,并能将二价亚铁盐氧化成三价铁盐。他认为氮气是这种气体和氢气的化合物。他继续研究这种气体,在1854年发表的论说中指出,氧气除了普通的氧气外,还有一种ozonized氧气。ozonized这一词可译成“臭味化了的”或“变臭了的”。它来自希腊文。iz-(嗅、臭味),德文中的臭氧ozon、法文中的ozone、英文中的ozone都从它而来。我们称它为臭氧是很适合的。
同一个时期里,还有一些人发现过它。1845年瑞士化学家马里纳和德拉里夫,各自加热氯酸钾获得氧气后,经干燥,在其中放电而获得臭氧,认为它是一种特别化学活动的氧气。
直到1898年,德国化学家拉登堡在测定了它的式量后,确定它的化学式是O3,是氧气的一种同素异形体。
酸雨是怎样形成的
所谓酸雨是指因空气污染而造成的酸性降雨,也包括酸雾和酸露。具有讽刺意义的是,云雨过程本是大气的自洁过程,其结果反使污染物经过转化回到地面,影响生态环境。通常,人们用pH来表示溶液的酸碱度,如中性纯水的pH为7,大于7为碱性,小于7为酸性,pH越低,溶液酸性越强。由于大气中约有占总量万分之3.5左右的二氧化碳可微溶于水,生成碳酸,故使水略带酸性。实验表明,纯水中溶入二氧化碳达到溶解平衡时的pH为5.6,因此人们常把这个数值作为云雨水是否酸化的界线。
根据大量观测知道,北美和欧洲地区的雨水pH年平均值在4.1~5.1,其中北美东部山地的云水pH平均达到3.5,而在意大利北部人们曾记录到雨水pH为1.96,这已达到柠檬汁的酸度。我国的情况又是怎样呢?按1985—1986年全国214个监测站的统计结果看,我国降水年平均pH小于5.6的地区主要分布在秦岭、淮河以南。胶东半岛和华北的城市及工业区也有小片地区pH平均小于5.6。pH平均小于5.0的区域有川、黔、湘、桂、粤等大片地区,以及皖东南、赣东北、沪杭一片、闵浙沿海。pH平均小于4.5的城市和地区有韶关、贵阳、重庆、长沙等13处。可见,我国的酸污染程度已接近世界重酸雨地区。
云雨水为什么会变酸呢?从对雨水样品的分析来看,其负离子主要由硫酸根、硝酸根组成,它们源于大气中的二氧化硫和氮氧化物。尽管这些前体物也可由自然源放射,如火山喷发硫化物气体,土壤细菌可释放含硫和含氮化合物等,但构成当今酸雨危害的主要原因还是人类的经济活动。例如,煤作为燃料发电、冶炼会放出大量二氧化硫;石油作为能源高温燃烧会排放大量氮氧化物。这些物质在对流层中经过一连串的大气光化学反应过程,可生成硫酸和硝酸蒸气。实验表明,对流层中的一个臭氧分子在太阳光子作用下,光解为一个氧分子和一个极易反应的氧原子。这个氧原子与水分子结合可生成两个羟基(OH)。羟基具有十分活跃的化学性质,可与二氧化氮结合生成硝酸分子,并能使二氧化硫转化成硫酸分子。由于羟基引发的连锁式氧化反应最终又会产生羟基,因而其浓度虽不足万亿分之一,而反应却能不停地进行下去。气态的硫酸和硝酸极易溶于云雨滴中。气相反应生成的硫酸可以在水汽参与下,生成极小的颗粒物,直径在01μm量级,它们可以作为形成初始云滴的云凝结核,水汽凝结其上生成云滴,经云雨过程成为雨滴落下。在此,凝结核提供了云滴的初始酸度。另外,二氧化硫也可溶于云雨水中,并与溶于水中的过氧化氢、臭氧等氧化生成硫酸。实验表明,这种液相反应速率比气相反应更快。当然,在反应循环中,由地面排放的氨和来自土壤的大气悬浮物中的钙盐也可进入云雨水中,并能中和其中的酸性,这也许是我国北方地区雨水不酸的原因。污染物经雨水清除随之落到地面的过程称湿沉降;二氧化硫气体,硫酸、硝酸及其盐类以及颗粒物,被地面直接吸收即为干沉降。据外场观测结果表明,上述两种过程大约各占沉降总量的一半,而且两种沉降物都能造成生态和材料的影响。由此不难看出,有关酸雨生成过程及其影响的研究,面对的是一个十分复杂的、由多个环节相互衔接起来的污染物的循环过程,即污染源发射——大气输送——大气光化学转化——云雨化学转化——干、湿沉降。这些环节的作用大小,决定了酸雨的强弱、影响范围及程度。
我国目前的能源体制主要是燃煤,且基本未经脱硫处理。这与北美及欧洲等发达国家不同,那里除了煤以外,石油作为电力和交通能源,氮氧化物的排放甚高,因此在降水组成中硝酸提供了大量酸根,其作用可和硫酸相比拟。而我国的酸雨主要是硫酸型的,即燃煤型。根据调查,广东煤中含硫为1.45%,广西则高达5.5%,从1985年统计资料来看,两广(不包括港澳地区)年排放二氧化硫62万吨,而工业交通仅排放氮氧化物14万吨。四川、贵州地区煤含硫量很高,分别为3%~5%和4%,按1987年计,四川排放二氧化硫146万吨,贵州达67万吨。若从川黔两省雨水统计资料来看,硫酸根、硝酸根及有机酸根之比为83%、10%、6%。
酸雨的影响范围和一般工厂泄漏有害气体不一样。排放二氧化硫、氟化物的冶炼厂和化工厂,周围的树木常常死亡,而且树木损害与污染物的阈值有明确的相关性。而酸雨的影响范围,固然在排放源的城市和工业地区通常是主要的酸沉降区,但是污染物和反应生成物也可作远距离输送,影响非源区。当然,这取决于气象条件、地理环境和源的状况。据悉,美国的主要能源基地在俄亥俄河谷,其排放物可向东北方向输送,并可跨国界输向加拿大,而加拿大的排放物也可部分输入美国,以至造成两国的酸雨纠纷。而在北欧,通常认为,那里的酸雨污染主要源于英国和德国西部工业区。我国川黔地区属多山和盆地区域,城市和工业区多建于盆地、河谷,由于大气低层经常维持稳定,加之大都是低烟囱排放,污染物难以上传,故区域内外交换比较困难,但在省内仍有输送。例如,峨眉山并无工业污染源,但其雨水却是酸化的。为了正确估价酸雨的影响和采取合适的对策,酸雨研究中远距离输送是重要问题之一。
酸雨对环境和人有什么危害