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2021-02-26 12:10:49

资料专题:锑基本信息汇总表

(拉丁语:Stibium化学符号Sb拼音,注音:ㄊ一ˋ,粤拼:tai1)是化学元素原子序数为51,是有金属光泽的类金属,在自然界主要存在于硫化物矿物辉锑矿(Sb2S3)中。目前已知锑化合物在古代就用作化妆品,金属锑在古代也有记载,但那时却被误认为是。大约17世纪时,人们知道了锑是化学元素之一。

几十年以来,中国已成为世界上最大的锑及其化合物生产国,而其中大部分又都产自湖南省冷水江市的锡矿山。锑的工业制法是先焙烧,再用碳在高温下还原,或者是直接用金属铁还原辉锑矿。

金属锑最大的用途是与铅和锡制作合金,以及铅酸电池中所用的铅锑合金板。锑与铅和锡制成合金可用来提升焊接材料、子弹轴承的性能。锑化合物是用途广泛的含氯及含溴阻燃剂的重要添加剂。锑在新兴的微电子技术也有用途。

特点

性质

锑是氮族元素(15族),电负性为2.05。根据元素周期律,它的电负性比和铋大,比和砷小。锑在室温下的空气中是稳定的,但加热时能与氧气反应生成三氧化二锑

锑是一种带有银色光泽的灰色金属,其莫氏硬度为3。因此,纯锑不能用于制造硬的物件:中国的贵州省曾在1931年发行锑制的硬币,但因为锑很容易磨损,在流通过程损失严重。锑会与稀硝酸或温暖的浓硫酸发生化学反应。

目前已知锑有四种同素异形体——一种稳定的金属锑和三种亚稳态锑(爆炸性锑、黑锑、黄锑)。金属锑是一种易碎的银白色有光泽的金属。把熔融的锑缓慢冷却,金属锑就会结成三方晶系的晶体,其与砷的灰色同素异形体异质同晶。罕见的爆炸性锑可由电解三氯化锑制得,用尖锐的器具刮擦它就会发生放热的化学反应,放出白烟并生成金属锑。如果在研钵中用研杵将它磨碎,就会发生剧烈的爆炸。黑锑是由金属锑的蒸汽急剧冷却形成的,它的晶体结构与红磷和黑砷相同,在氧气中易被氧化甚至自燃。当温度降到100℃时,它逐渐转变成稳定的晶型。黄锑是最不稳定的一种,只能由锑化氢在-90℃下氧化而得。在这种温度和环境光线的作用下,亚稳态的同素异形体会转化成更稳定的黑锑。

金属锑的结构为层状结构(空间群:R3m No. 166),而每层都包含相连的褶皱六元环结构。最近的和次近的锑原子形成变形八面体,在相同双层中的三个锑原子比其他三个相距略近一些。这种距离上的相对近使得金属锑的密度达到6.697g/cm,但层与层之间的成键很弱也造成它很软且易碎。

同位素

锑有两种稳定同位素,Sb的自然丰度为57.36%,而Sb的自然丰度为42.64%。锑还有35种放射性同位素,其中半衰期最长的Sb为2.75年。此外,目前已发现了29种亚稳态。这其中最稳定的是Sb,半衰期为60.20天,它可以用作中子源。比稳定同位素Sb轻的同位素倾向于发生β衰变,而较重的同位素更易发生β衰变。当然也有一些例外。

自然存在

锑在地壳中的丰度估计为百万分之0.2至0.5,与之接近的是铊(0.5ppm)和银(0.07ppm)。尽管这种元素并不丰富,但它依然在超过一百种矿物中存在。虽然自然界中会有一些锑单质存在,但多数锑依然存在于它最主要的矿石——辉锑矿(主要成分Sb2S3)中。

化合物

锑化合物通常分为+3价和+5价两类。

氧化物与氢氧化物

三氧化二锑可由锑在空气中燃烧制得。在气相中,它以双聚体Sb4O6的形式存在,但冷凝时会形成多聚体。五氧化二锑只能用浓硝酸氧化三价锑化合物制得。锑也能形成混合价态化合物——四氧化二锑,其中的锑为Sb(III)和Sb(V)。与磷和砷不同的是,这些氧化物都是两性的,它们不形成定义明确的含氧酸,而是与酸反应形成锑盐。

目前还没有制得亚锑酸(Sb(OH)3),但它的共轭碱亚锑酸钠([Na3SbO3]4)可由熔融的氧化钠与三氧化二锑反应制得。过渡金属的亚锑酸盐也已制得。锑酸只能以水合物HSb(OH)6的形式存在,它形成的盐中含有Sb(OH)6。这些盐脱水得到混合氧化物。

许多锑矿石是硫化物,其中如辉锑矿Sb2S3)、深红银矿(Ag3SbS3)、辉锑铅矿、脆硫锑铅矿和硫锑铅矿。五硫化二锑是一种非整比化合物,锑处于+3氧化态并含有S-S键。有多种硫代锑酸盐是已知的,例如[Sb6S10][Sb8S13]

卤化物

锑能形成两类卤化物——SbX3SbX5。其中三卤化物(SbF3SbCl3SbBr3SbI3)的空间构型都是三角锥形。三氟化锑可以由三氧化二锑与氢氟酸反应制得:

Sb2O3+ 6 HF → 2SbF3+ 3H2O

这种氟化物是路易斯酸,能结合氟离子形成配离子SbF4-SbF2−
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。熔化的三氟化锑是一种弱的导体。三氯化锑则由三硫化二锑溶于盐酸制得:

Sb2S3+ 6 HCl → 2SbCl3+ 3H2S

五卤化物(SbF5SbCl5)气态时的空间构型为三角双锥形。但是转化为液态后,五氟化锑形成聚合物,而五氯化锑依旧是单体。五氟化锑是很强的路易斯酸,可用于配制著名的超强酸氟锑酸(HSbF6)。

锑的卤氧化物比砷和磷更为常见。三氧化二锑溶于浓酸再稀释可形成锑酰化合物,例如SbOCl和(SbO)2SO4

锑化物、氢化物与有机锑化合物

这类化合物通常被视作Sb的衍生物。锑能与金属形成锑化物,例如锑化铟(InSb)和锑化银(Ag3Sb)。碱金属和锌的锑化物,例如Na3Sb和Zn3Sb2比前者更为活泼。这些锑化物用酸处理可以生成不稳定的气体锑化氢SbH3):

Sb+ 3HSbH3

锑化氢也可用活泼氢化物(如硼氢化钠)还原三价锑化合物来制备。它在室温下就会自发分解,因为它的标准摩尔生成焓为正值。正因为如此,它在热力学上不稳定,不能由锑和气直接化合制得。

有机锑化合物一般可由格氏试剂对卤化锑的烷基化反应制备。已知有超过3,000种有机锑化合物,包括混合氯代衍生物,还有以锑为中心的阳离子和阴离子。例如Sb(C6H5)3(三苯基锑)、Sb2(C6H5)4(含有一根Sb-Sb键)以及环状的[Sb(C6H5)]n。五配位的有机锑化合物也很常见,例如Sb(C6H5)5和一些类似的卤代物。

历史

资料专题:锑历史

生产

生产国

资料专题:锑生产生产国

储量

根据美国地质调查局的统计数据,世界的锑矿藏将在2030年内枯竭。但美国地质调查局期待这期间会发现更多锑矿。

2015年的世界锑储量
国家储量(吨)占比(%)
中华人民共和国950,00047.81
俄罗斯350,00017.61
玻利维亚310,00015.60
澳大利亚140,0007.05
美国60,0003.02
塔吉克斯坦50,0002.52
南非27,0001.36
其它国家100,0005.03
世界总计1,987,000100.0

生产过程

从矿石中提取锑的方法取决于矿石的质量与成分。大部分锑以硫化物矿石形式存在。低品位矿石可用泡沫浮选的方法富集,而高品位矿石加热到500–600°C使辉锑矿熔化,并得以从脉石中分离出来。锑可以用铁屑从天然硫化锑中还原并分离出来:

Sb2S3+ 3 Fe → 2 Sb + 3 FeS

三硫化二锑比三氧化二锑稳定,因此易于转化,而焙烧后又恢复成硫化物。这种材料直接用于许多应用中,可能产生的杂质是砷和硫化物。 将锑从氧化物中提取出来可使用碳的热还原法:

2Sb2O3+ 3 C → 4 Sb + 3CO2

低品位的矿石在高炉中还原,而高品位的则在反射炉中还原。

供应风险及关键矿产排名

锑在欧洲及美国的供应风险排名一直很高,此排名涉及元素的关键性,且指出供应维持当前经济及生活方式所需的化学元素或元素群的相对风险。因进口至欧洲及美国的锑大部分来自中国,中国的生产对于供应至关重要。随着中国正在修订及提升环境管制标准,锑的生产越来越受到限制。此外,中国过去几年的锑出口配额也一直下降。此两项因素导致欧洲及美国的锑供应风险增加。

欧洲

根据2015年BGS(British Geological Survey)风险列表,锑在相对供应风险指数中排名第二(仅次于稀土元素)。 这指出它目前是对于英国经济和生活方式具有经济价值的化学元素或元素群的第二高供应风险。此外,在2014年发布的一份报告(修订了2011年发布的初始报告)中,锑被确定为欧盟20种关键原材料之一。相对于其经济重要性,锑保持着高供应风险,92%的锑是从中国进口的,此为一个极高的生产集中度。

美国

美国为了确定哪些金属应被称为对国家安全具有战略性或关键性,已经进行了大量分析,但确切的定义并不存在,关于什么构成对美国安全具战略性或关键矿物的看法各有不同。 2015年,美国并没有开采锑,这种金属是从国外进口的。 从2011年到2014年,美国68%的锑来自中国,14%来自印度,4%来自墨西哥,14%来自其他地方,而目前没有公开美国政府的库存量。


美国“关键和战略矿产供应链小组委员会(Subcommittee on Critical and Strategic Mineral Supply Chains)”从1996年至2008年筛选了78种矿产资源,发现包括锑在内的一小部分矿物一直属于潜在的关键矿物类别。在未来将对已发现的矿物子集进行第二次评估,以确定哪些矿产应该被定义为重大风险且对美国的利益至关重要。

应用

资料专题:锑应用

防护

锑和它的许多化合物有毒,作用机理为抑制的活性,这点与砷类似;与同族的砷和铋一样,三价锑的毒性要比五价锑大。 但是,锑的毒性比砷低得多,这可能是砷与锑之间在摄取、新陈代谢和排泄过程中的巨大差别所造成的:如三价锑和五价锑在消化道的吸收最多为20%;五价锑在细胞中不能被定量地还原为三价(事实上在细胞中三价锑反而会被氧化成五价锑);由于体内不能发生甲基化反应,五价锑的主要排泄途径是尿液。 急性锑中毒的症状也与砷中毒相似,主要引起心脏毒性(表现为心肌炎),不过锑的心脏毒性还可能引起阿-斯综合征。有报告称,从搪瓷杯中溶解的锑等价于90毫克酒石酸锑钾时,锑中毒对人体只有短期影响;但是相当于6克酒石酸锑钾时,就会在三天后致人死亡。 吸入锑灰也对人体有害,有时甚至是致命的:小剂量吸入时会引起头疼、眩晕和抑郁;大剂量摄入,例如长期皮肤接触可能引起皮肤炎、损害肝肾、剧烈而频繁的呕吐,甚至死亡。

锑不能与强氧化剂、强酸、氢卤酸、氯或一起存放,并且应与热源隔绝。

锑在浸取时会从聚对苯二甲酸乙二酯(PET)瓶中进入液体。检测到的锑浓度标准则是瓶装水低于饮用水,英国生产的浓缩果汁(暂无标准)被检测到含锑44.7µg/L,远远超出欧盟自来水的标准5µg/L。各个组织的标准分别是:

参见

注释

参考资料

资料专题:锑参考资料

参考书目

  • (英文)Endlich, F.M. On Some Interesting Derivations of Mineral Names. The American Naturalist. 1888,22(253): 21–32.JSTOR2451020.doi:10.1086/274630.
  • (德文)埃德蒙·奥斯卡·冯·李普曼(1919)Entstehung und Ausbreitung der Alchemie, teil 1. Berlin: Julius Springer.
  • (英文)Public Health Statement for Antimony

外部链接

资料专题:锑外部链接