铕元素真是惹人生气。它是一大群相似元素中的一员,让化学家们困惑了一个多世纪。现在这种困惑却变成了它的一个优点,人们可以利用它的这种特性来鉴别赝品,阻止造假。
元素周期表里的很多族都有很强的家族特征,但有些元素是如此相似,以至于区分它们就像在玩一场特别棘手的“大家来找碴”游戏。这17种元素化学性质非常相似,即使它们位于元素周期表里的不同位置,显然也应该把它们放在一起。虽然它们被称为“稀土”,但它们既不稀少也不是土。根据电子在原子里的排布方式,对这些宛如分身一样的元素进行了更精细的分类。由15个成员组成的家族在主元素周期表的下方排成一条长线,这些是镧系元素。这一家族包括了镥元素,但它不应该被排在这里,因为镥的电子排列意味着它算是一种过渡金属,应该排在主表。
感到困惑?你不是唯一一个。稀土元素之间的化学相似性意味着它们经常在同一块岩石里被找到。整个19世纪,化学家们都试图解开这些元素之间的纠缠。似乎每当一个元素被分离出来,又会有另一个元素隐藏其中。谁在什么时候发现了什么元素,屡屡引发争论。这简直就像一场噩梦。
即使是威廉·克鲁克斯(氦和铊的发现者)也对此束手无策,他知道自己在抱怨什么:“这些稀土元素让我们在研究中感到茫然,让我们在猜测中迷惑,甚至让我们在梦中挥之不去。它们在我们面前就像一片未知的海洋,到处都是嘲弄、困惑、咕哝着奇怪的咒语以及各种可能性。”
19世纪末,人们发现在钐单质里隐藏着一种杂质——铕元素。法国化学家尤金·德马尔塞试图将它分离出来。他发明了一种方法,利用钐和未知元素之间的细微差别,通过一系列艰难的反应和重结晶来分离它们,这花费了他好几年的时间。经历了如此艰苦的工作,没有人敢质疑他的发现。
更让人心碎的是,他本不必花费这么长时间。铕在稀土元素中很不寻常,因为它乐意给出2个或3个电子。而稀土家族中其他的成员就没这么灵活,通常都只给出3个电子。从化学角度来说,这已经是很大的区别了。铕可以与其他元素结合成一系列的化合物,而这是其他镧系元素无法做到的,因此它应该很容易从同类元素中分离出来。
然而,在其他很多方面,铕就和其他稀土元素一样,很少有人花费心思去将这个家庭里的不同元素区分开来。有些元素更加稀有,可能更值钱,但它们通常作为混合物一起出售,被称为稀土混合金属(mischmetall)。尽管如此,还是有一些专门的用途,值得人们不辞辛苦地从混合物中分离它们,其中一个应用就是防伪。
因为它们的电子排布方式,所有的镧系元素都会发出荧光。用特定波长的光照射它们的原子,会使它们的电子跃迁到更高的能级。当这些电子回到它们原来的排布方式时,它们会重新发出它们吸收的光,但波长不同。照射的是蓝光,而显现的却是红光。组合使用多种镧系元素,就可以产生不同的颜色。这是鉴别假钞的众多技巧之一。将真实的钞票放到紫外灯下,会显示出镧系化合物的颜色和隐藏的图案。
1995年,一种新的货币诞生了。在设计纸币的时候,任何镧系元素都可以用来制作发光的防伪特征。人们选择了铕,这可能是因为铕的荧光特性比较清楚,而且铕在电视机显示器和荧光灯中已经有了很长的使用历史。成本也许是另一个因素,因为它比许多其他镧系元素更贵,这可以阻止那些想从假钞中获利的伪造者。然而,当这种货币被称为“欧元”的时候,只有一种镧系元素可以使用了,那就是铕[1]!
[1] 铕元素(europium)以“欧洲(Europe)”命名。