供稿|賈成廠 / JIA Cheng-chang

金屬的定義

金屬是具有光澤、富有延展性、容易導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性質(zhì)的物質(zhì)。延伸定義，具有以下5個特征的物質(zhì)被定義為金屬：在常溫下是固體；容易塑性變形，能夠進(jìn)行延展加工；不透明并具有閃亮的金屬光澤；具有很好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱能力；在水溶液中以陽離子形式存在。但是，也有例外，汞(俗稱水銀)也是一種金屬，常溫下以液態(tài)形式存在。另外，非金屬元素在特定環(huán)境下也可能呈現(xiàn)金屬特征。例如，2017年初，有科學(xué)家發(fā)表文章稱已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明在近500 GPa高壓下的氫以固體形態(tài)存在且具有金屬特性，被稱為“金屬氫”。

一般認(rèn)為，金屬晶體內(nèi)含有的自由電子數(shù)量決定了金屬的特性。金屬的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，因此在自然界中僅有金、銀、鉑等貴金屬能夠以游離態(tài)存在，而大多數(shù)金屬都是以化合態(tài)存在，金屬元素在化合物中通常會失去電子而顯正價。金屬化合物包括氧化物、硫化物、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽等。

金屬具有較好的延展性可以歸因于連接金屬原子之間的金屬鍵。金屬鍵是金屬特有的原子化學(xué)鍵，是由規(guī)則排列成晶格狀的金屬陽離子和在其周圍運(yùn)動的自由電子之間產(chǎn)生靜電吸引力結(jié)合而成的。金屬鍵的存在使金屬原子之間具有很強(qiáng)的結(jié)合力，因而金屬晶體中的原子都趨向于緊密排列。但是，不同的金屬具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，大多數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)比較簡單，常見的晶體結(jié)構(gòu)有三種：面心立方晶格結(jié)構(gòu)(fcc)、體心立方晶格結(jié)構(gòu)(bcc)、密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)，這些結(jié)構(gòu)具有不同的原子填充率，并影響金屬的塑性變形。金屬鍵沒有方向性，受到外力作用時，金屬陽離子之間相對位置的改變并不會破壞電子與正離子間的結(jié)合，因而金屬具有良好的塑性。受外力作用時金屬結(jié)合與離子結(jié)合的差異見圖1。

圖1 受到外力時金屬結(jié)合與離子結(jié)合的差異

中國傳統(tǒng)“五行”中的“金”

五行是中國古代道家提出的系統(tǒng)觀，廣泛應(yīng)用于中醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，認(rèn)為可以將宇宙間的萬物歸納劃分為五種性質(zhì)的事物：金、木、水、火、土，即五行。自然界各種事物與現(xiàn)象的發(fā)展與變化都是五行在不同條件的運(yùn)動和相互作用的結(jié)果。五行分別代表事物演變過程的五種基本動態(tài)：金(代表收斂)、木(代表伸展)、水(代表潤下)、火(代表炎上)、土(代表中和)。運(yùn)用以金木水火土為中心的五行特性，將自然界中的現(xiàn)象、特征、形態(tài)、功能、表現(xiàn)等諸方面與五行中某一行的特性相類似，進(jìn)行分類與歸納，就能夠?qū)⒏鞣N紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象歸納為五行規(guī)律，從而說明事物之間的聯(lián)系及變化關(guān)系。五行之中“金”代表的含義非常廣泛，涉及到人、事、情、理、物等很多方面，“金屬”以及“金屬制品”只是五行中“金”屬性的“物”中很小的一部分。

元素周期表中的金屬元素

有位外國專家說過，你要想了解中國漢字的博大精深，那就去看一下中文版的元素周期表吧。在中文版的元素周期表中，金屬元素的漢字偏旁部首一般為“金”字旁，僅有一個金屬元素“汞”(俗稱水銀)例外。常溫常壓下呈氣體狀態(tài)的非金屬元素漢字一般為“氣”字頭。其他非金屬元素的漢字一般為“石”字旁(有一個例外，溴)。元素周期表中，“氣”字頭的元素有：氫、氦、氮、氧、氟、氖、氯、氬、氪、氙、氡，共11種；“石”字旁的非金屬元素有：硼、碳、硅、磷、硫、砷、硒、碲、碘、砹，共10種；加上溴，一共22種非金屬元素?！敖稹弊峙缘慕饘僭赜校轰嚒⑩?、鈉、鎂、鋁、鉀、鈣、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、鍺、銣、鍶、釔、鋯、鈮、鉬、锝、釕、銠、鈀、銀、鎘、銦、錫、銻、銫、鋇、鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鉿、鉭、鎢、錸、鋨、銥、鉑、金、鉈、鉛、鉍、釙、鈁、鐳、錒、釷、鏷、鈾、镎、钚、镅、鋦、锫、锎、锿、鐨、鍆、锘、鐒，等。也就是說，元素周期表中已知的112種元素之中金屬元素占比80%以上，圖2是元素周期表。

另外，不僅可以從元素漢字的偏旁部首來判定該元素是金屬或非金屬，而且根據(jù)形聲字構(gòu)成法基本上可以推定元素漢字的讀音。

地殼中的金屬元素

氧是地殼中含量最多的元素，由于氧氣的化學(xué)性能活潑且大多數(shù)金屬元素和非金屬是親氧元素，因此地殼中氧元素多以氧化物或者含氧酸鹽存在于礦物和巖石中，例如石灰石、黏土、硅酸鹽等。

鋁是地殼中含量最多的金屬元素，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為7.73%，主要以鋁土礦即Al2O3的形式存在于礦物和巖石中。工業(yè)生產(chǎn)中，電解氧化鋁是制備金屬鋁的主要方法。在工業(yè)和生活中，鋁及鋁合金的用途極其廣泛。

鐵是地殼中含量排名第二的金屬元素，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4.75%。純鐵呈銀白色，有金屬光澤。在工業(yè)生產(chǎn)中，鐵是年產(chǎn)量最高的金屬，因而鐵也是最便宜的金屬。

地殼中含量最少的元素就是具有放射性的堿金屬元素鈁，其原子核內(nèi)有87個質(zhì)子，即使是在鈁的含量最高的礦石中也只有3.7×10-12g/t，鈁在地殼中的理論總含量約為30 g。在鈾礦及釷礦中含有微量的鈁，每1018個鈾原子中才能找到1個鈁原子。鈁的化學(xué)性質(zhì)極其活潑，金屬鈁理論上是最活潑的堿金屬，如果有1 mol的鈁與水反應(yīng)那么產(chǎn)生的能量將接近50 kg普通硝銨炸藥爆炸的能量。

圖2 元素周期表

圖4是地殼中主要元素含量圖。為方便記憶地殼中主要元素含量的順序，編了一句諧音順口溜“養(yǎng)閨女貼給哪家美(氧硅鋁鐵鈣鈉鉀鎂)”，各元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))依次為：氧48.60%、硅26.30%、鋁7.73%、鐵4.75%、鈣3.45%、鈉2.74%、鉀2.47%、鎂2.00%、氫0.76%、其他1.20%。

圖4 地殼中主要元素的含量

人體中的金屬元素

常量元素

人體中含量較多的元素有11種，它們約占人體質(zhì)量的99.95%。人體中含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過0.01%的元素被稱為常量元素，見表1。

人體內(nèi)含量最多的金屬元素是鈣。鈣在人體內(nèi)的含量僅次于4種非金屬元素氧、碳、氫、氮，約占人體總質(zhì)量的1.5%～2.0%。人體中99%的鈣貯存在骨骼和牙齒中，1%的鈣分散在血液、細(xì)胞外液和軟組織中。鈣是維持生命活動中的重要物質(zhì)，其作用是幫助人體構(gòu)筑起堅(jiān)固的骨骼與牙齒，參與諸如心臟的博動、神經(jīng)的傳導(dǎo)、肌肉的收縮、血液的凝固以及酸堿平衡等過程。鈣與維持調(diào)節(jié)神經(jīng)肌肉、毛細(xì)血管的通透性、參與凝血機(jī)制等多種生理活動密切相關(guān)，并起著重要的作用。常量金屬元素在人體中的作用及每天適宜攝入量見表2。

表1 人體中的常量元素

表2 常量金屬元素在人體中的作用及每天適宜攝入量

微量元素

在人體中含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))低于0.01%的元素稱為微量元素。一些人體必需的微量元素如表3所示。

為了便于記憶人體必需的微量金屬元素名稱，用諧音歌謠“鐵骨童心歌孟母(鐵鈷銅鋅鉻錳鉬)”聯(lián)想孟母三遷的故事來記憶。一些必需微量元素對人體的作用及14～18歲人群每天的適宜攝入量見表4。

人體所必需的微量金屬元素的作用：

鈷與人體內(nèi)缺乏維生素而導(dǎo)致高血壓等心血管疾病有關(guān)。鈷的主要功能是作為維生素B12的一個必需組成元素，而維生素B12是形成人體紅細(xì)胞必不可少的物質(zhì)。人體缺鈷時，腸道細(xì)菌無法合成維生素B12，導(dǎo)致貧血，表現(xiàn)為頭昏、食欲不振、皮膚蒼白、口和咽部炎癥及骨髓退行性病變。鈷還有去脂和防止脂肪在肝中堆積以及擴(kuò)張血管、降低血壓的作用。鈷還是人體中酶的組成成分，能促進(jìn)多種營養(yǎng)素的合成。

銅在人體中的存在形式主要是銅蛋白質(zhì)復(fù)合物。銅是骨骼、血紅蛋白、紅血球等形成的重要礦物質(zhì)，它會影響鐵的代謝及造血功能，影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并對骨骼及結(jié)締組織代謝、能量代謝、心血管系統(tǒng)、毛發(fā)、皮膚和內(nèi)分泌產(chǎn)生影響。人體缺乏銅時會嚴(yán)重影響兒童大腦發(fā)育，導(dǎo)致疾病。銅離子中毒則會導(dǎo)致動作失調(diào)、進(jìn)行性精神障礙、肝腎損害等癥狀。海鮮、肉類、蔬菜、堅(jiān)果等食物是為我們的身體提供銅的來源。

鉻在糖尿病和心血管疾病病因?qū)W中的作用日益受到重視。三價鉻能影響糖代謝，是人和動物體內(nèi)所必需的，但六價鉻的化合物是公認(rèn)的致癌物。鉻的主要來源食物：海藻類、魚類、豆、堅(jiān)果、根菜、谷類、奶制品、肉制品、蔬菜水果等。

表3 人體必需的微量元素

表4 人體必需微量元素的作用與攝入量

錳與人體代謝有著密切的聯(lián)系，人體缺錳則表現(xiàn)為生長發(fā)育遲緩、體重減輕和低膽固醇癥，并可引起骨骼畸形。

鉬是一種抗癌元素。許多癌癥，如食管癌、肝癌、直腸癌、宮頸癌、乳腺癌等都與缺鉬有關(guān)。缺鉬還導(dǎo)致神經(jīng)異常、智力發(fā)育遲緩、骨骼生長受到影響等。

人體所需要的元素都有最佳含量，過多或過少都會對人體不利，可能會形成疾病，甚至致死。

結(jié)束語

金屬元素占據(jù)了元素周期表的80%。地殼中含量最多的金屬元素是鋁，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)7.73%，主要以鋁土礦(主要成分為Al2O3)的形式存在。鋁及其合金用途極其廣泛。鐵是地殼中含量排名第二的金屬元素，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4.75%。鐵是工業(yè)生產(chǎn)中年產(chǎn)量最高的金屬。地殼中含量最少的金屬元素是具有放射性的堿金屬元素鈁，總共理論含量約為30 g。人體常量元素有11種，人體中含量最多的金屬元素是鈣，其次為鉀、鈉、鎂。鈣的含量大約占人體總質(zhì)量的1.5%～2.0%，與多種生理活動密切相關(guān)，并起著重要的作用。人體必需的微量元素主要有：鐵、鈷、銅、鋅、鉻、錳、鉬。人體對微量元素的需要量很少，但對人體來說卻是必不可少的。

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