锆石

本Valsler

本周，布莱恩·克莱格让你眼花缭乱。

布莱恩·克莱格

由于人造宝石立方氧化锆，长期以来作为钻石的廉价和令人愉快的替代品而流行，很难听到“锆石”这个词，而不被带到购物渠道和廉价珠宝的世界。然而，真正的锆石是一个不同的命题。其中立方锆是二氧化锆晶体，锆是硅酸锆- ZrSiO₄．

这并不意味着锆石没有装饰性。硅酸锆是一种无色晶体，具有四边形结构，就像一个拉伸的立方体。高质量的透明宝石也被用作钻石的替代品，被称为“马图拉钻石”。然而，锆石通常含有杂质，这些杂质会使锆石变色，部分原因是在这个被称为超晶化的过程中改变了晶体的结构。锆石往往含有相对高水平的铀和钍杂质。这些放射性物质释放出α粒子——带电氦核——撞击晶体的内部结构并对其进行修饰。

其结果可能是使锆石变成黄色、棕色、红色、蓝色或绿色——最常见的是作为彩色宝石，锆石在珠宝上的特色至少有2000年了。“锆石”这个名字似乎来自德语的行话或行话，这些行话可能来自波斯语zargun，使其“像金子一样”。最近的一项发现是，在还原条件下将不吸引人的棕色变种加热到1100°C左右，会使它们呈现出更吸引人的浅蓝色。这被归因于铀和铽杂质获得电子和一些结构缺陷的退火，尽管原因仍然存在争议。这种变化是稳定的，除非宝石暴露在强烈的紫外线下——所以不建议带你的蓝色锆石去日光浴沙龙。

虽然锆石最初引起我们注意的是其诱人的外表，但硅酸盐锆在研磨成粉末或从沙子中提取时具有广泛的用途。该化合物的熔点很高，约为2550°C(相比之下，二氧化硅的熔点为1713°C)，这使得它在炉衬和反应器中的耐火材料中非常有用。锆石被用于使珐琅和釉料不透明，并在电子产品中发挥了小作用，硅酸锆薄膜提供了更常见的二氧化硅介电层的替代方案，使组件比通常可能的更小型化。

锆石在珠宝中的使用为我们提供了一扇了解人类历史的窗口，但这些晶体也充当了时间机器，让科学家们深入了解早期地球的化学成分。几十年来，人们一直认为地球上生命出现前的早期大气是甲烷、一氧化碳、硫化氢和氨的混合物。正是这种令人不快的烟雾成为20世纪50年代的实验对象，当时将放电通过装有水和这些气体的容器，以观察反应距离产生生命的距离有多近。

多亏了锆石，我们现在知道40亿年前地球的大气主要含有氮、水蒸气、二氧化碳和二氧化硫。大气中的气体主要是由火山提供的，这些火山的一些岩浆仍然以锆石的形式存在，锆石特别耐侵蚀。一些晶体可以追溯到地球形成后大约4亿年前——我们能够确定它们的年代，这要归功于那些放射性污染物的衰变速度。

锆石在形成过程中善于捕捉周围的粒子，包括氧化铈，氧化铈有两种形式:它们之间的平衡提供了大气氧化状态的指南。纽约伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的科学家已经证明，大气中碳、氢和硫化合物的氧化条件与当前的水平相似。

不过，这只是锆石揭开历史面纱的一个开始。它们还使科学家们能够更好地了解生命的起源。碳有两种主要的同位素，碳12和碳13(还有碳14用于放射性碳测年，但相对不常见)。生物过程略微偏向于较小的碳12原子，因此生命中碳12和碳13的比例往往比自然的99比1要高。在西澳大利亚的杰克山发现的41亿年前的锆石中含有大量的碳12。虽然不能确定，但这很可能是因为这些锆石形成时已经有生命存在。

锆石具有装饰性和耐热性，它改变了我们对地球上早期生命存在条件和可能性的看法。这是化学界的大卫·阿滕伯勒。

本Valsler

布莱恩·克莱格的锆石。下周，刚看完牙医的迈克·弗里曼特尔回来了。

迈克Freemantle

我的牙医和我喜欢谈论化学。所以，当他的助手准备水泥时，我问他水泥是什么。聚羧酸锌，他告诉我。

本Valsler

下次和Mike一起做定期体检吧。在那之前，用常用的方式联系——发邮件chemistryworld@rsc.org或者微博@chemistryworld．感谢收听，我是本·瓦尔斯勒。