关于铁是不是最稳定的金属,其实这里有歧义的,稳定也分很多种。铁最稳定的缘故是在于结合能上面,是原子核层面的问题。而铁和金银相互比较,其实是在化学反应层面,这个层面的本质是核外电子排布导致的化学性质的差异,金银的稳定就来源于此。所以两者也很大的不同。
我们可以详细的描述一下:
铁:原子核层面的稳定
铁是宇宙中第六丰富的元素,之所以会这样,是原因的。这是因为铁是很多恒星的终点,说得难听一点,铁其实是很多恒星迈不过的坎。为什么会这么说呢?恒星为什么会和铁产生关系。
这其实要从恒星的特点说起,如果非要用一句话概括恒星和元素之间的关系,那一定是:恒星是元素的炼丹炉。在宇宙当中,氢原子占比达到了全宇宙元素总量的70%以上,剩下的大部分是氦,然后只有不到1%是其他元素。(这里说的是已知的物质,没有带上暗物质和暗能量)
如果仔细看元素周期表,氢和氦是前两位,也就是质子数最少的两位。氢核干脆可以说就是质子。
那为什么说恒星是元素的炼丹炉呢?
其实这和恒星的燃烧有关系,恒星的燃烧依靠的是核聚变反应,类似于氢弹那种。
核聚变反应其实和普通的化学反应是不一样的,你也可以理解成和一般的爆炸是两码事。一般的爆炸是发生在原子层面的。而核聚变是发生在原子核层面的。
所以恒星的燃烧是原子核在聚合,主要有两种方式一种叫做:质子-质子反应。
另外一种叫做碳氮氧循环,其实都是氢聚合成氦-4,也就是4个氢核聚合成一个氦氦,放出大量能量。碳氮氧循环的过程中,碳氮氧只是起到催化作用。
所以,恒星是在燃烧氢原子,氢原子烧完了,会剩下一堆氮原子,然后在引力的作用下,会继续往聚合出元素周期表更高顺位的元素进行,质量不同的恒星会停留在不同的地方。而绝大多数最后会卡在铁原子之前。
之所以会这样,是因为要让铁发生核聚变反应需要大量的能量,而铁发生核聚变后产生的能量要小于核聚变反应所需要的能量,说白了就是入不敷出了。我们也可以说铁的结合能比较大。只有质量达到一定程度的恒星,在超强引力作用下,才可以使得铁发生聚变,产生超新星爆炸。
所以,我们说铁很稳定,就稳定在这里,是原子核层面的稳定。
金银:核外电子排布导致的稳定
我们这里以金为例。铁和金比起来,有些人肯定会觉得金更稳定,实际上这里的更稳定是指化学性质更稳定,也就是不容易发生化学反应。而化学反应一般来说指的和化学键的断裂和形成有关。化学反应不会改变原子核,只是原子核外电子云的相互作用,所以核反应和化学反应无关,也就是和上面我们说到的铁的稳定是无关的。
那么在化学性质上,为什么金原子比铁原子更稳定呢?
这里主要和黄金的原子序数很高有关,这使得它不仅要受到量子力学的约束,同时还要体现出相对论的相应来。
要理解这个问题,我们可以像从初高中的化学说起,我们都知道原子周围有很朵电子,它们会按照能量的高低分层排布,这会收到泡利不相容原理的限制。而最外层的电子决定了原子的大部分物理性质和化学性质。
我们这里要说到的金原子,原子核外有六层电子,最里面的那一层电子有极高的能量,是以65%的光速飞驰。这时候相对论的效应就不能被忽略,电子会变重,轨道会缩小,所以也导致最外层电子的轨道也缩小。这就使得金要发生化学反应,不仅要失去最外层的电子,还要失去次外层的电子。要失去这部分电子,就需要吸收大量的能量。这就会让金原子显得格外稳定。
这因为这个原因,才使得金大多数时候总是以单质的形式而存在,而极少发生化学反应。
反观铁原子,原子序数是26,它就没有金这样的化学性质,铁就很容易与氧和水反应。游离态的铁基本上只能在陨石当中找到,在地球上,铁一般都以化合物的形式存在,也就是各种铁矿石。
最后,我们来总结一下,铁的稳定其实是体现在不易发生核聚变反应。而金比铁稳定主要是体现在化学性质上,是由核外电子排布决定的。