元素

51 锑 火柴的元素

本文作者 漂泊

锑是一种历史悠久的元素,它被用于制造安全火柴、阻燃剂、保险丝等众多与我们生活息息相关的领域,给我们的生活带来了诸多便利。

 

锑的基本物理性质

分类 第Ⅴ族▪金属
原子序号原子量 51(121.76)
电子配置 5s25p3
密度 6.697g/cm 
熔点 630°C
沸点 1635°C
形状 带银色光泽的灰色金属
丰度 0.2-0.5ppm(地壳)
发现者 Jābir ibn Hayyān
主要的同位素 121Sb,123Sb
用途例 安全火柴
前后的元素 锡-锑-碲

锑的发现

人类对的使用可以追溯到公元前三千多年。早在公元前3100年的埃及前王朝时代,三硫化二锑就被当作眼影粉使用。在迦勒底的泰洛赫(今伊拉克),曾发现一块可追溯到公元前3000年的锑制花瓶碎片。而在埃及发现的镀锑器,也可以追溯到公元前2500年至前2200年间。公元前18世纪左右,人们在匈牙利发现了小块锑,但很长时间,人们并未真正认识这种金属。在公元前6-7世纪装饰砖的釉料中也发现了黄色的锑酸。在中世纪,锑被用来制作铅字,还被当作泻药使用。[1-2]

人们很早就开始冶炼锑了,锑的一种炼金术符号被记为“♀”。欧洲人万诺乔·比林古乔于1540年最早在《火焰学》(De la pirotechnia)中描述了提炼锑的方法,这早于1556年阿格里科拉出版的名作《论矿冶》(De re Metallica)。此书中阿格里科拉错误地记入了金属锑的发现。1604年,德国出版了一本名为《Currus Triumphalis Antimonii》(直译为“凯旋战车锑”)的书,其中介绍了金属锑的制备。15世纪时,据说笔名叫巴西利厄斯·华伦提努的圣本笃修会的修士提到了锑的制法,如果此事属实,就早于比林古乔。一般认为,纯锑是由贾比尔(Jābir ibn Hayyān)于8世纪时最早制得的。然而争议依旧不断,翻译家马塞兰·贝特洛声称贾比尔的书里没有提到锑,但其他人认为贝特洛只翻译了一些不重要的著作,而最相关的那些(可能描述了锑)还没翻译,它们的内容至今还是未知的。[3-6]

1615年,德国化学家Andreas Libavius向硫化锑、氯化钠、酒石酸钾的熔融混合物中加入了铁,得到了具有晶体特征的锑单质。自然界中也存在纯锑,地壳中自然存在的纯锑最早是由瑞典籍英国科学家威廉·亨利·布拉格于1783年发现的,样本采集自瑞典西曼兰省萨拉市的萨拉银矿。[7-9]

锑的名字antimony可能源于 ἀντίμοναχός anti-monachos 或法语词 antimoine,意思是“僧侣杀手”,古代的炼金术师多是僧侣,而锑有毒,这可能就是锑名称的由来。[10]


锑的炼金术符号 金属锑

 

安全火柴

根据记载当前认为最早的火柴是在公元577年发明的,当时是南北朝时期,战事四起,北齐腹背受敌,物资短缺,尤其是缺少火种,做饭都成问题。当时后妃和一班宫女将硫磺沾在小木棒上,借助于火种或火刀火石,能很方便地把“阴火”引发为“阳火”。这可视为当前记载中原始的火柴。到了南宋时期,杭州的大小街道上,已经到处都有出售火柴的小贩。陶宗仪《辍耕录》载:“杭人削松木为小片,其薄如纸,鎔磺涂木片顶分许,名曰发烛,又曰焠儿。盖以发火及代烛也”。950年前后,陶谷在《清异录》一书中提到,夜里有急事而又要花不少时间做灯。有一位聪明人用松木条浸染硫磺,贮存起来备用。与火一接触,就会燃烧起来。可得小火焰如同谷穗。这种神奇之物,当时称为引光奴。后来,它成为商品时,便更名为火寸条。这就是最早期的火柴。

在欧洲,火柴出现于古罗马时期。当时一些小贩,将木柴浸泡在硫磺中出售。这种被浸泡在硫磺中的木柴本身并不起火,而是可以用来引火。人们用铁块撞击火石,让溅出的火星落在这些木柴上,就能获得火种。到了中世纪时期,欧洲人又用芦苇取代了木柴,成为引火的材料。欧洲最早的火柴也是用硫磺制成的,许多研究者认为,这项发明很可能是由欧洲旅游者直接从中国带回的。马可波罗时期,中国早期的火柴技术传入欧洲,后来欧洲人就在这个基础上不断改进一度被中国人称为“洋火”的火柴。

1669年,德国人H.布兰德提炼出了黄磷。人们利用黄磷极易氧化发火这一特性,在小木棒一端沾上硫磺,然后再沾黄磷而发光。1805年,法国人钱斯尔将氯酸钾和糖用树胶粘在小木棒上,浸沾硫酸而发火。1816年,法国巴黎的F.德鲁森制成了黄磷火柴,1828年,英国伦敦的S. 琼斯制成了普鲁米辛火柴,接著巴黎人G. E. 梅凯尔和奥地利人J.西格尔等人发明了无磷火柴。为了增加火柴的稳定性和易燃性,法国人C.索利亚和德国的坎默洛利用白磷、黄磷和氯酸钾混合原料作为配方,于1830年革新了火柴配方的设计。

以前的火柴都需借助火星引火,非常不方便,而英国人沃克则发明了依靠摩擦起火的火柴,其中最关键的成分就有硫化锑(硫化锑易燃)。他在1826年利用树胶和水制成了膏状的硫化锑氯化钾,涂在火柴梗上并夹在砂纸上拉动便产生火。他把氯酸钾和三硫化锑用树胶粘在小木棒端部作药头,装在盒内,盒侧面粘有砂纸。手持小木棒将药头在砂纸上用力擦划,能发火燃烧。这是最早具有实用价值的火柴。

1845年,奥地利化学家A.施勒特尔研制出赤磷(也称红磷),它是黄磷的同素异形体,采用赤磷作为火柴头,性能比较稳定,且无毒。1855年,瑞典人J.E.伦德斯特伦创制出一种新型火柴,它是将氯酸钾和硫磺等混合物粘在火柴梗上,而将赤磷药料涂在火柴盒侧面。使用时,将火柴药头在磷层上轻轻擦划,即能发火。由于把强氧化剂和强还原剂分开,大大增强了生产和使用中的安全性,称之为安全火柴,应用广泛。

如今广泛使用的安全火柴,其火柴盒侧面涂有红磷(发火剂),三硫化二锑(Sb2S3,易燃物)和玻璃粉;而火柴头上的物质一般是KClO3、MnO2(氧化剂)和S(易燃物)等。当两面者摩擦时,因摩擦产生的热使与KClO3等接触的红磷发火并引起火柴头上的易燃物燃烧,从而使火柴杆着火。安全火柴的优点是红磷没有毒性,并且它和氧化剂分别粘附在火柴盒侧面和火柴杆上,不用时二者不接触。所以叫安全火柴[11-12]

燃烧的安全火柴 火柴盒侧面涂层中含有硫化锑

 

 

保险丝

保险丝又称电流保险丝,主要起过载保护作用。在电路中正常安装的保险丝,会在电流异常升高到一定的高度时,自身熔断切断电流,保护电路安全。

一般保险丝由三个部分组成:一是熔体部分,它是保险丝的核心,熔断时起到切断电流的作用,同一类、同一规格保险丝的熔体,材质要相同、几何尺寸要相同、电阻值尽可能地小且要一致,最重要的是熔断特性要一致,家用保险丝通常用铅锑合金制成,它具有很低的熔点以及良好的导热性,在电流过大时,能及时熔断保护电路。(铅锑合金除了用于保险丝,也用于制造铅酸蓄电池的板栅。)保险丝必须选择低熔点的合金材料。

二是电极部分,通常有两个,它是熔体与电路联接的重要部件,它必须有良好的导电性,不应产生明显的安装接触电阻

三是支架部分,保险丝的熔体一般都纤细柔软的,支架的作用就是将熔体固定并使三个部分成为刚性的整体便于安装、使用,它必须有良好的机械强度、绝缘性、耐热性和阻燃性,在使用中不应产生断裂、变形、燃烧及短路等现象。[13]


使用铅锑合金的保险丝管

 

 

阻燃剂

锑的氧化物三氧化二锑是一种重要的阻燃材料,它形成锑的卤化物的过程可以吸收大量的热量,减缓燃烧。三氧化二锑几乎总是与卤化物阻燃剂一起使用。这些阻燃剂常应用于儿童服装、玩具、飞机和汽车座套等,也常用作玻璃纤维复合材料工业中聚酯树脂的添加剂。此外,三氧化二锑也是一种优质的白色颜料,可以用于油漆的着色。[14-15]

三氧化二锑阻燃剂

 

参考文献

[1]Shortland, A. J. (2006). “Application of Lead Isotope Analysis to a Wide Range of Late Bronze Age Egyptian Materials”. Archaeometry48 (4): 657. doi:10.1111/j.1475-4754.2006.00279.x.

[2]”Antimony” in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th ed. 2004. ISBN 978-0-471-48494-3

[3]Vannoccio Biringuccio, De la Pirotechnia (Venice (Italy): Curtio Navo e fratelli, 1540), Book 2, chapter 3: Del antimonio & sua miniera, Capitolo terzo(On antimony and its ore, third chapter), pp. 27-28. [Note: Only every second page of this book is numbered, so the relevant passage is to be found on the 74th and 75th pages of the text.] (in Italian)

[4]Wang, Chung Wu (1919). “The Chemistry of Antimony”. Antimony: Its History, Chemistry, Mineralogy, Geology, Metallurgy, Uses, Preparation, Analysis, Production and Valuation with Complete Bibliographies (PDF). London, United Kingdom: Charles Geiffin and Co. Ltd. pp. 6–33.

[5] s.v. “Basilius Valentinus.” Harold Jantz was perhaps the only modern scholar to deny Thölde’s authorship, but he too agrees the work dates from after 1550: see his catalogue of German Baroque literature

[6] Weeks, Mary Elvira (1932). “The discovery of the elements. II. Elements known to the alchemists”. Journal of Chemical Education. 9 (1): 11. Bibcode:1932JChEd…9…11Wdoi:10.1021/ed009p11.

[7] Mellor, Joseph William (1964). “Antimony”. A comprehensive treatise on inorganic and theoretical chemistry9. p. 339.

[8] “Native antimony”. Mindat.org.

[9] Klaproth, M. (1803). “XL. Extracts from the third volume of the analyses”. Philosophical Magazine. Series 1. 17 (67): 230. doi:10.1080/14786440308676406.

[10]Harper, Douglas. “antimony”Online Etymology Dictionary.

[11]National Research Council (1970). Trends in usage of antimony: report. National Academies. p. 50.

[12]Stellman, Jeanne Mager (1998). Encyclopaedia of Occupational Health and Safety: Chemical, industries and occupations. p. 109. ISBN 978-92-2-109816-4.

[13] Grund, Sabina C.; Hanusch, Kunibert; Breunig, Hans J.; Wolf, Hans Uwe (2006) “Antimony and Antimony Compounds” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a03_055.pub2

[14]Weil, Edward D.; Levchik, Sergei V. (4 June 2009). “Antimony trioxide and Related Compounds”. Flame retardants for plastics and textiles: Practical applicationsISBN 978-3-446-41652-9.

[15] Weil, Edward D.; Levchik, Sergei V. (4 June 2009). Flame retardants for plastics and textiles: Practical applications. pp. 15–16. ISBN 978-3-446-41652-9.

 

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