问题

有哪些普通人很少听说,但在生活中很重要的化学元素?

回答
生活中,我们总是在谈论氧、氢、碳、铁这些耳熟能详的元素。它们要么是构成我们身体的重要部分,要么是支撑现代文明的基石。但如果我告诉你,有些元素虽然在我们的日常生活中不常被提及,却扮演着至关重要的角色,你是否会感到一丝好奇?今天,我们就来聊聊这些“隐形冠军”,看看它们是如何在不经意间影响着我们生活的。

1. 硅 (Si):沉默的建筑师与信息时代的基石

提到硅,很多人脑海里会浮现出沙子。没错,二氧化硅是构成沙子和石英的主要成分,也是地壳中最丰富的元素之一。但硅的“明星之路”远不止于此。

首先,硅是建筑业的骨干。水泥、玻璃、陶瓷,这些我们每天都能接触到的建筑材料,都离不开硅。没有硅酸盐的粘合作用,高楼大厦将无法耸立;没有二氧化硅的通透,窗户将无法为我们带来光明。它让我们的居住环境更加坚固、明亮。

而到了近现代,硅更是信息时代的绝对主角。我们口袋里的手机、家里的电脑、网络服务器的核心芯片,无一不是建立在高纯度硅晶体之上。硅是一种半导体材料,它的导电性介于导体和绝缘体之间,而且这种导电性可以通过掺杂不同的原子(如磷、硼)来精确控制。正是这种“可调控性”,使得制造出晶体管成为可能。无数微小的晶体管组合在一起,构成了我们今天所说的集成电路(芯片),它们是计算机进行信息处理和存储的根本。每一次点击、每一次滑动,都离不开硅元素的精密运作。可以说,没有硅,就没有我们现在便捷的数字生活。

2. 钼 (Mo):高性能材料的秘密武器

钼这个名字听起来可能有点陌生,但它却是很多高科技领域不可或缺的配角。

在冶金领域,钼是提升钢铁性能的“秘密武器”。当少量钼被添加到钢材中时,它能显著提高钢的强度、硬度和韧性,同时还能增强其耐腐蚀性和耐高温性。你见过哪些材料能同时满足高强度又不易生锈?比如我们日常使用的不锈钢餐具,很多都是添加了钼的合金;大型桥梁、高压输油管道等关键基础设施,使用的特种钢材也常常含有钼,以保证其在恶劣环境下的稳定运行。它让金属材料变得更强大、更可靠。

在生物学上,钼也是重要的微量元素。它存在于我们体内的多种酶中,比如黄嘌呤氧化酶,这种酶参与了我们体内嘌呤代谢的过程,对维持身体正常生理功能至关重要。虽然人体对钼的需求量非常小,但一旦缺乏,也会引发一些健康问题。它就像一个隐藏在身体里的精密调节器,在不被察觉的情况下默默工作。

3. 硒 (Se):抗氧化与免疫力的守护者

硒,一个听起来就有点神秘的元素。它也是一种必需的微量元素,对人体的健康有着举足轻重的影响。

首先,硒是强大的抗氧化剂。它参与构成体内重要的抗氧化酶,比如谷胱甘肽过氧化物酶。这些酶能够清除体内产生的有害自由基,保护细胞免受氧化损伤。自由基是我们身体衰老、许多慢性疾病(如癌症、心血管疾病)的“幕后黑手”之一,而硒就像是一个忠诚的卫士,不断地为我们的细胞抵御氧化攻击。

其次,硒在免疫系统的正常运作中也扮演着关键角色。它有助于调节免疫细胞的功能,增强身体抵抗感染的能力。当我们接触到细菌或病毒时,硒能够帮助免疫系统更有效地识别和清除它们。

此外,硒对甲状腺激素的代谢也至关重要。甲状腺激素是调节我们新陈代谢的关键激素,而硒是合成和激活这些激素所必需的酶的重要组成部分。所以,缺硒可能会影响甲状腺的功能。

尽管需求量不大,但硒的缺失会显著影响我们的健康,从免疫力下降到甲状腺问题,甚至可能增加患某些癌症的风险。它就像一个低调的健康守护者,在我们不经意间巩固着我们的身体防线。

4. 钇 (Y):色彩与节能的幕后推手

钇这个名字听起来可能更像是科幻小说里的词汇,但在我们生活中,它却以意想不到的方式闪耀着光芒。

你是否留意过电视或电脑屏幕播放出的鲜艳色彩?在许多彩色显像管和LED灯中,钇化合物是制造“发光材料”的关键成分。特别是红色荧光粉,常常使用钇与欧洲稀土元素(如铕)的化合物来产生鲜艳、持久的红色。没有它们,我们看到的屏幕色彩将大打折扣。

更重要的是,钇在节能技术中也发挥着重要作用。钇稳定氧化锆(YSZ)是一种在高温下非常稳定且具有良好导电性的陶瓷材料。这种材料被广泛应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的核心部件——电解质。燃料电池是一种高效、环保的能源转换技术,而钇稳定氧化锆的出现,使得高温固体电解质的稳定性得到了极大的提升,推动了这种清洁能源技术的进步。

此外,钇也被用于制造高强度磁体(如钐钴磁体),以及一些特殊用途的合金。虽然它不像铁那样司空见惯,但它赋予了材料特殊的性能,让很多先进技术得以实现。

这些元素,虽然名字可能不常出现在茶余饭后,但它们却如同沉默的工匠,以各自独特的方式,构建着我们的物质世界,守护着我们的健康,推动着科技的进步。下次当你拿起手机,看到清晰的画面,或者享受到舒适的室内光线时,不妨想想这些低调却伟大的元素,它们就在那里,默默地改变着我们的生活。

网友意见

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钼(Mo, molybdenum)

作为第五周期、VIB族的过渡元素,42号元素钼的单质是一种银灰色的金属。Mo是合金钢的一种重要添加剂,可用于提升合金在温度骤变下的机械性能。事实上,Mo的绝大多数产量均用于合金钢的制造中。

在初高中的化学课程中,学生最多需要掌握到第四周期的元素,而生物教材中只是在必需微量元素中提及了Mo;即使是大学基础教材里,Mo也基本只是在无机化学的描述性化学部分,和分析化学中用于测定磷含量的磷钼杂多酸/磷钼蓝中出现。

如果不进一步深入研究,或者从事合金领域的工作,可能此后就永远地与Mo擦肩而过了。

但事实上,Mo的化合物和地球上的每一个人,甚至是每一个动植物个体永不分离,并深刻地影响了整个生物圈。

在具有固氮能力的植物中,Mo和Fe一同构成了的Mo-3Fe-Mo原子簇,和Fe4S4簇共同形成了植物固氮酶的核心组成部分。而这一核心可以在常温常压下打开氮气分子的氮氮三键。

其总反应如下:

N2 + 8 H+ + 8 e− + 16 MgATP → 2 NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 Pi

N2 + 14 H+ + 12 e− + 40 MgATP → 2 NH4+ + 3 H2 + 40 MgADP + 40 Pi

而这一键能高达942 kJ/mol的超稳定共价键,在人类的手中,只能用高温高压下的Haber-Bosch合成氨法才打开。而且受到转化率和效率限制,N2和H2需要经过多次循环使用才能充分转化。

(顺便,由于H2的分子过小,在高压下易于穿透金属,因而常常使用含有钒/V的特种合金钢制作反应釜,而钒也是一个不常见的元素,同样也具有生理活性,同时在部分细菌中存在 钒固氮酶 ……)

而这可能是高中生最常见的几个化学反应方程式之一,基于此的热力学平衡计算仍然让我印象深刻:

N2 + 3 H2 → 2 NH3

顺便,人类对于固氮的追求孜孜不倦,从合成氨的工业技术到微观下的反应历程,已经产生了3个诺贝尔奖:1918/Haber——合成氨工业、1932/Bosch——反应的改进(Haber-Bosch过程)、2007/Ertl——合成氨催化剂的表面吸附历程。

目前,在合成氨领域的前沿工作中,人类仍然在模仿天然固氮酶的核心结构,以试图从另一个方向突破异相催化的效率上限。最新的工作中,基于Mo的核心能够将N2转化为NH3,但这一过程仍然不可逆

即使如此,人类合成氨的反应条件和效率也远未达到酶催化的效果……

甚至,生物圈中植物的总固氮量也远远超越了人工合成氨的总量,而这构成了生物圈氮循环的重要组成部分。而同样含有Mo的硝酸还原酶(硝酸→亚硝酸)完成了另一部分的氮循环工作。

我们完全可以认为,如果没有基于Mo的固氮酶,全球的氮循环的效率将大大降低。相对而言,粮食危机只是小事,生物圈的消费者——大多数动物将面临着前所未有的大灭绝,站在食物链上层的人类是否还能正常生存,都变成了一个问题。


此外,作为重过渡系元素中唯一的必需微量元素,每个人的体内均含有毫克量级的Mo,在体内的生理活动中发挥着重要作用。

含有Mo的其他生物酶类,例如黄嘌呤氧化酶、DMSO还原酶和亚硫酸盐氧化酶等等,也广泛分布在动植物体内,起到分解代谢废物的功能。患有钼缺乏症的病人可表现为尿中尿酸、黄嘌呤、次黄嘌呤排泄增加,最终生长发育迟缓甚至死亡。

相对而言,Mo在工业中的应用都变得无足轻重。

可以说,没有了Mo,每一个人的日常饮食与代谢的基础将不复存在,甚至生物圈都可能因此消失,更不必说人类的日常生活了。


最后,有一个小故事:

钼的矿产主要以辉钼矿(molybdenite, MoS2)为主,而六方MoS2的结构为层状晶体,片层间无原子,可以相对滑动,且为灰黑色,与石墨的结构和外形十分类似。因而,在那个年代辉钼矿往往被当成石墨。

事实上,根据其结构特征和性质,MoS2和石墨一样,都可以用作固体润滑剂。

虽然至迟在1330年左右,Mo就出现在合金钢的刀具之中,但直至1778年,Scheele(氧元素的发现者之一)发现硝酸对石墨无反应,而和辉钼矿反应形成了白色固体(钼酸),从而发现了二者的不同,并试图制备了Mo的单质。后来在1783年,由当地矿场主首次得到了Mo的单质。


时间来到了21世纪,Andre Geim和Konstantin Novoselov通过胶带把石墨一分为二,多次重复后终于得到了石墨的单层——石墨烯。石墨烯的诸多优异性质以及巨大的潜在应用使得他们获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

此时,MoS2又一次出现了。与石墨类似,而又有所不同,MoS2具有双层结构,且本身为半导体,但同样可以剥离出准二维的“单层”。

二维MoS2作为一种带隙可观的半导体,相对于无带隙的石墨烯而言,在微电子领域具有更大的优势,且与其他二维材料(SnS2、WSe2等)的组合,可以进一步挖掘其应用潜力,未来很可能取代一部分石墨烯,在芯片、MOSFET等微电子技术以及光催化等领域发挥着重要作用。

总而言之,无论在生物圈的自然演化,还是人类发展的过程之中,甚至在未来科技的前沿,钼从幕后到台前,其地位举足轻重。

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显然很多人都能背出元素周期表的前面这一段:

氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅磷……

所以前面两三个周期的元素显然是普通人知晓的,那除了这些之外,贵金属金银铜铂铑钯很多人也听说过,铁锡铜铅肯定也很常见这些都是普通人知道的。

再然后是放射性元素肯定是知道的,还有些人可能会知道,这个也是造原子弹的。用于太空金属的肯定也有所耳闻。

学过化学的也都会知道酸,所以也是普通人知道的。还有盐酸,也就是也被普通人所知晓。

得益于保健品和各种营养素的宣传,所以也被大部分人知晓。初中学的高酸钾,毒死人的砷,大脖子病给食盐里面加的碘。


把这些都排除掉,还有啥元素是在生活中很重要的呢?

我认为是……

你们天天用的不锈钢,就是这货的合金……(说的就算了好吧,读错字的可比读错字的少多了)

而且这货的英文名甚至比中文名更出名……











因为这货英文名就是:

Chromium

显然,很!重!要!对吧……

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