元素

34 硒 长寿的元素

本文投稿作者 漂泊

硒元素是人体所必需的元素,它是氨基酸与酶的重要组成部分,补硒可增强人体的免疫功能以及抗病能力,对人体健康具有重要作用,享有“长寿元素”的美誉。同时硒的很多化合物都是重要的半导体材料,应用在光电池、整流器、光电打印机等领域,发挥着重要的用途。

硒的基本物理性质

分类 第Ⅵ主族▪非金属
原子序号原子量 78.96
电子配置 4s24p4
密度 4810kg / m 
熔点 221°C
沸点 684.9°C
形状 灰色非金属
丰度 0.05ppm(地壳)
发现者 Jöns Jakob Berzelius
主要的同位素 74Se, 76Se, 77Se, 78Se, 80Se, 82Se
用途例 打印机硒鼓,光电池,玻璃脱色剂
前后的元素 砷-硒-溴

 

硒的发现及其性质

1817年,瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯发现硫酸厂室中有一种红色的沉淀物,这种物质在燃烧时会发出与化物燃烧时相似的味道,他认为这是一种碲的化合物。但在1818年,他发现这种物质中并不包含碲元素,由此他认为这是一种与碲元素性质相似的新元素。因为碲(tellurium)的名字来源于tellus (在拉丁语中指地球,在罗马神话中是大地母亲的名字),而这种新元素与碲性质形似,所以他将这种新元素命名为selenium ()(Selene为希腊神话中的月亮女神)。[1-3]

通过还原硒的氧化物,可以得到橙色无定形硒;缓慢冷却熔融的硒,可以得到灰色晶体硒;在空气中让硒化物自然分解,得到黑色晶体硒。而硒又分为植物活性硒和无机硒两种,无机硒一般指亚硒酸钠和硒酸钠,包括有大量无机硒残留的酵母硒、麦芽硒,它可以从金属矿藏的副产品中获得。无机硒有较大的毒性,且不易被吸收,不适合人和动物使用。植物活性硒通过生物转化与氨基酸结合而成,一般以硒蛋氨酸的形式存在,植物活性硒是人类和动物允许使用的硒源。[4-5]

单质硒

雅各布·贝采利乌斯

贝采尼乌斯是瑞典著名化学家、现代化学命名体系的建立者。他接受并发展了道尔顿的原子论;以氧作标准测定了四十多种元素的原子量;第一次采用现代元素符号并公布了当时已知元素的原子量表。他发现了等元素,并首先提出了用化学元素拉丁文名称的开头字母作为化学元素符号,沿用至今。

他还在1806年第一个提出了有机化学这一概念,并在1830年发现了外消旋酒石酸,由于它与酒石酸有相同的化学组成,但物理性质不同而认识到同分异构现象,这是同分异构现象被首次发现。此外,贝采利乌斯还在1814年提出了电化二元论:化合物都是由两种电性质不同(即带正电荷和负电荷)的组分构成的,他开创了对分子中各原子间相互关系的探索,在研究金属和非金属的特性,以及解释无机化合物性质和制备过程方面获得了成功。[6]

Jöns Jakob Berzelius

 

硒鼓与硒半导体产业

硒具有优秀的光敏性和半导体特性,1873年,威洛比•史密斯首先发现了硒的光电导效应。19世纪70年代中期,沃纳•西门子则率先将硒应用到商品中。1879年,硒电池被应用到由贝尔发明的电话中。硒的半导体特性使其在电子领域有着广泛的用途,硒在电子工业中常被用来制造光电池、感光器、激光器件、红外控制器、光电管、光敏电阻、光学仪器、光度计、整流器等。硒整流器的研发始于20世纪30年代早期,硒整流器具有耐负荷、耐高温、电稳定性好等特点,它最终取代了氧化整流器。硒整流器一直沿用到20世纪70年代才被更便宜、更高效的硅整流器所取代。硒在电子工业领域的应用约占总需求的30%。硒的消费量也随着其用途的不断扩大而增长,这些用途包括橡胶、钢合金、硒整流器、激光打印机和复印机等。[7-9]

1970年,硒作为普通纸复印机感光鼓的使用已经成为其最主要的应用领域。高纯硒(99.99%)和硒合金在光电复印机中是主要吸收光的介质,可用于制造普通纸复印机和激光印刷机的感光器。硒鼓通常呈圆筒型,其表面预先就带有电荷,当有光线照射来时,受到照射的部位会发生电阻的变化。而发送来的数据信号控制着激光的发射,扫描在硒鼓表面的光线不断地变化,这样就会有的地方受到照射,电阻变小,电荷消失,也有的地方没有受到光线照射,仍保留有电荷,最终,硒鼓的表面就形成了由电荷所组成的潜影。而硒鼓中的炭粉则是成像的关键所在,这些碳粉是一种带电荷的细微树脂颗粒,炭粉电荷与硒鼓表面上的电荷极性相反,当带有电荷的硒鼓表面经过涂墨辊时,有电荷的部位就吸附着墨粉颗粒,于是将潜影就变成了真正的影像。当硒鼓在工作中转动的同时,打印系统将打印纸传送过来,而打印纸带上了与硒鼓表面极性相同但强很多的电荷,随后纸张经过带有墨粉的硒鼓,硒鼓表面的墨粉被吸引到打印纸之上,图像就在纸张的表面形成了。此时,墨粉和打印纸仅仅是靠电荷的吸引力而结合在一起,在打印纸被送出打印机之前,经过高温的加热,墨粉被熔化,在冷却过程中固化在纸张的表面。在将墨粉附给打印纸之后,硒鼓表面就继续旋转,经过了一个清洁器,将剩余的墨粉都去掉,以便进入下一个打印的循环。[10]

20世纪80年代,使用有机光电导体的复印机开始大量生产,硒在光敏电阻领域的应用开始下降。但由于硒鼓的使用寿命较长,因此也未完全被廉价的有机光电材料淘汰。

硒鼓(左)  含有硒光电池的照度计 (中)       硒整流器组件(右)

 

硒的其他工业用途

硒是一种很好的物理脱色剂,常用于玻璃工业。玻璃原料中如果含铁离子,玻璃就会呈现出浅绿色,而硒是带金属光泽的固体,加入少量硒可以使玻璃呈现出红色,绿色和红色互补,使玻璃变成无色,因此可以做玻璃脱色剂。如果加入过量的硒,就可以制造出著名的红宝石玻璃——硒玻璃。硒和其他金属在一起使用可以使玻璃具有灰色、古铜色和粉红色等不同颜色。用于建筑物和汽车上的黑色玻璃也含硒,这种玻璃能够降低光强度和传热速度。此外,硒玻璃还可用于制造十字路口的信号红灯的灯罩。[11]

另外,硒也能够改善钢的加工性能,因而常被应用到冶金工业中。在铸铁、不锈钢、合金中加入0.3%-0.5%的硒,可以提高它们的机械性能,使它们的结构更加致密,可高速切削,加工的零件表面更光洁。[12]

含硒的茶色玻璃

硒的生理功能与毒性

元素是人体所必需的元素,在人体内的含量为13-20mg。硒是一些氨基酸与重要酶的组成部分,是强免疫调节剂,人体中几乎每一种免疫细胞中都含有硒,补硒可增强人体的体液免疫功能、细胞免疫功能和非特异性免疫功能,从而整体增强机体的抗病能力,对人体健康具有重要作用,硒元素被国内外医药界和营养学界尊称为“生命的火种”,享有“长寿元素”的美誉。如果体内硒缺乏,就会导致未老先衰,发生克山病、大骨节病,使人精神萎靡不振,易患感冒,硒严重缺乏还会引发心肌病及心肌衰竭等病症。但体内硒过量则会产生皮肤痛觉迟钝、四肢麻木、头昏眼花、食欲不振、头发脱落、指甲变厚、皮疹、胃肠功能紊乱、消化不良等症状。因此,人们在补硒时也应合理控制摄入量,避免盲目补硒。[13-14]

人体补充和利用的是植物硒,很多食物都可以补充硒。土壤中的硒是植物硒的主要来源,能被植物吸收利用的硒主要包括部分有机硒、硒酸盐和亚硒酸盐。土壤中硒的含量会受到成土母质、成土过程、土壤质地、人为因素与气候条件等因素的影响。适量的硒具有抗真菌病害、拮抗环境毒害、抗氧化、调节叶绿素合成的作用,能够促进植物生长,提高农作物品质。过量的硒则会对植物生长产生毒害作用,大部分植物出现中毒现象,生长及生理活动受到抑制。对动物而言,若土壤缺硒,牧草含硒量过低,牲畜会出现肌肉萎缩、肝坏死、不育症、发育不良等病症。但在富硒地区牧草含硒量过高,动物会出现脱毛、贫血、心脏萎缩、肝硬化、中毒等病症。[15]

含硒的食物

 

参考文献

[1]Berzelius, J.J. (1818). “Lettre de M. Berzelius à M. Berthollet sur deux métaux nouveaux” [Letter from Mr. Berzelius to Mr. Berthollet on two new metals]. Annales de Chimie et de Physique. 2nd series (in French). 7: 199–206. From p. 203: “Cependant, pour rappeler les rapports de cette dernière avec le tellure, je l’ai nommée sélénium.” (However, in order to recall the relationships of this latter [substance (viz, selenium)] to tellurium, I have named it “selenium”.)

[2]Weeks, Mary Elvira (1932). “The discovery of the elements. VI. Tellurium and selenium”. Journal of Chemical Education. 9 (3): 474. Bibcode:1932JChEd…9..474W. doi:10.1021/ed009p474

[3] Trofast, Jan (2011). “Berzelius’ Discovery of Selenium”. Chemistry International. 33 (5): 16–19.

[4] Fordyce, Fiona (2007). “Selenium Geochemistry and Health”. AMBIO: A Journal of the Human Environment. 36: 94–97. doi:10.1579/0044-7447(2007)36[94:SGAH]2.0.CO;2

[5] Wessjohann, Ludger A.; Schneider, Alex; Abbas, Muhammad; Brandt, Wolfgang (2007). “Selenium in chemistry and biochemistry in comparison to sulfur”. Biological Chemistry. 388 (10): 997–1006. doi:10.1515/BC.2007.138

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/J%C3%B6ns_Jacob_Berzelius

[7] Smith, Willoughby (20 February 1873). “Effect of light on selenium during the passage of an electric current”. Nature. 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur…7R.303.doi:10.1038/007303e0

[8] Levinshtein, M. E.; Simin, G. S. (1992-12-01). Earliest semiconductor device. Getting to Know Semiconductors. pp. 77–79. ISBN 978-981-02-3516-1.

[9] Morris, Peter Robin (1990). A History of the World Semiconductor Industry. p. 18. ISBN 978-0-86341-227-1

[10]http://www.baike.com/wiki/%E7%A1%92%E9%BC%93

[11] Bernd E. Langner “Selenium and Selenium Compounds” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a23_525

[12]Gol’Dshtein, Ya. E.; Mushtakova, T. L.; Komissarova, T. A. (1979). “Effect of selenium on the structure and properties of structural steel”. Metal Science and Heat Treatment. 21 (10): 741–746. Bibcode:1979MSHT…21..741G. doi:10.1007/BF00708374

[13] Mazokopakis, E. E.; Papadakis, J. A.; Papadomanolaki, M. G.; et al. (2007). “Effects of 12 months treatment with L-selenomethionine on serum anti-TPO Levels in Patients with Hashimoto’s thyroiditis”. Thyroid. 17 (7): 609–612. doi:10.1089/thy.2007.0040. PMID 17696828

[14] Stadtman, T. C. (1996). “Selenocysteine”. Annual Review of Biochemistry. 65: 83–100. doi:10.1146/annurev.bi.65.070196.000503. PMID 8811175

[15] Barclay, Margaret N. I.; MacPherson, Allan; Dixon, James (1995). “Selenium content of a range of UK food”. Journal of Food Composition and Analysis. 8 (4): 307–318. doi:10.1006/jfca.1995.1025

 

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