供稿|張建斌, 余冬梅, 賈建剛 / ZHANG Jian-bin, YU Dong-mei, JIA Jian-gang

金屬的色、味和毒

The Color, Taste and Toxicity of Metals

供稿|張建斌, 余冬梅, 賈建剛 / ZHANG Jian-bin, YU Dong-mei, JIA Jian-gang

內(nèi)容導(dǎo)讀

金、銀、銅和鐵為何呈現(xiàn)出不同的金屬色澤？黃金觀念已被白金、紅金、粉金、藍(lán)金、紫金、玫瑰金等視覺上呈現(xiàn)不同色彩的“金合金”所替代，各色金正被越來越多地運(yùn)用到藝術(shù)品和手表、手飾等商業(yè)領(lǐng)域?！敖饘傥丁笔欠駷樗帷⑻?、苦、咸、鮮味之后的第六種味道？銅、鋅、金、不銹鋼金屬餐具也會(huì)影響食物的色澤、味道和口感。大部分金屬元素既有毒性又是人體所必需的，關(guān)鍵是人體內(nèi)所含金屬元素的毒性劑量。

金屬的色

黃金、白銀、青銅和黑鐵都是我們耳熟能詳?shù)脑~匯，令人感到奇怪的是，為何金、銀、銅和鐵會(huì)呈現(xiàn)出不同的金屬色澤呢？這要?dú)w因于每種金屬對(duì)特定波長(zhǎng)光的反射/吸收的比例不同。固體金屬都是以金屬鍵結(jié)合而成的金屬晶體，金屬內(nèi)的原子以最緊密的堆積狀態(tài)排列，其自由電子的運(yùn)動(dòng)范圍是整塊金屬。當(dāng)白光照到金屬表面時(shí)，一個(gè)光子擊中一個(gè)電子，電子吸收光子，并躍遷到一個(gè)更高的能量狀態(tài)。通常，當(dāng)吸收光子之后，處于非穩(wěn)態(tài)的電子便會(huì)釋放相同能量的光子，以回復(fù)到初始的穩(wěn)定狀態(tài)，即光的反射；但如果一個(gè)電子被激發(fā)并躍遷到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，就不會(huì)發(fā)出光子，即光的吸收。金屬的光澤只有在整塊時(shí)才能呈現(xiàn)出來，大部分的純金屬是銀灰色，只有少數(shù)金屬，顏色各異，如金呈黃色、銅呈赤紅、銫呈淺黃、鉍呈淡紅、鉛呈淡藍(lán)。

值得注意的是，金屬處于粉末狀態(tài)時(shí)，由于晶體排列不規(guī)則，可見光被自由電子吸收后難以反射出去，因此，金屬粉末一般呈銀灰色，只有少數(shù)金屬的粉末會(huì)保持原來的顏色及光澤，例如金和鋁。

基于金屬的顏色，早期將金屬分為黑色金屬(ferrous metal)和有色金屬(non-ferrous metal)并沿用至今。黑色金屬主要指鐵、錳、鉻及其合金，如鋼、生鐵、鐵合金、鑄鐵等。事實(shí)上鐵和錳是銀白色的，而鉻是銀灰色。但由于鋼鐵在自然界中容易氧化，其表面通常會(huì)覆蓋一層黑色的四氧化三鐵，而錳及鉻主要用于冶煉黑色的低合金高強(qiáng)度鋼及不銹鋼等合金鋼而被歸類為黑色金屬。有色金屬的定義可從其英文“non-ferrous metal”中得到詮釋，即有色金屬是指非黑色金屬，中文文獻(xiàn)中通常把除黑色金屬以外的其他金屬稱為有色金屬。鋁、銅、鈦、鉛、鎳、鎂、鋅等都是重要的有色金屬。有色金屬及其合金具有鮮亮而引人注目的金屬色澤，如銅就有紫銅、青銅、黃銅和白銅，在工程和商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 金-銀-銅合金顏色

金是一種呈金黃色的貴金屬，故稱黃金。可以說黃金在所有金屬中，顏色最黃。每克拉K (英文carat、德文karat的縮寫)含金量為4.166%，金無足赤即100%的純度是不可能的，24K金常被認(rèn)為是純金。純金質(zhì)軟，摻雜的其他元素可防止黃金首飾因易磨損而減少份量，18K金具有延展性強(qiáng)、堅(jiān)硬度高、不易變形或刮傷以及色彩多變等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。金-銀-銅合金中金屬配比不同賦予金以不同的顏色和色澤，見圖1(上金-黃，左銀-白，右銅-紅)。18K金含銅量高呈紅色，如18K紅金即75%的純金加上25%的純銅；18K的金含銀量高呈綠色，如18K綠金即75%的純金加上25%的純銀。金-銀-銅合金顏色隨銀加入量增加，顏色會(huì)變淺，加入越多的銀，紅色就會(huì)越淺。如金75%，銅22.25%，銀2.75%呈玫瑰色；金75%，銅20%，銀5%呈粉色；金75%，銅15%，銀10%呈淡粉色。表1列出了部分金的顏色、合金成分及說明。

借鑒金添加了不同元素后的不同質(zhì)地與色澤效果的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)合成出藍(lán)金、紫金等具有商業(yè)秘密的合金。藍(lán)金是金鐵化合物，具有深不可測(cè)的湛藍(lán)色光輝；紫金是金鋁化合物，高脆性的紫金常被加工成珠寶首飾表面上的“寶石”。

視覺上呈現(xiàn)出不同質(zhì)地、不同色彩的白金、紅金、粉金、藍(lán)金、紫金、玫瑰金等正讓手表、紀(jì)念幣和首飾多姿多彩，見圖2。

其實(shí)，只要有需求，材料學(xué)家可以合成咖啡色、灰色甚至黑色等多種不同色彩的18K金。

表1 部分金的顏色、合金成分

圖2 各種顏色金手表

金屬的味

酸、甜、苦、咸是我們對(duì)味覺的描述，而由日本科學(xué)家池田菊苗(Kikunae Ikeda)提出的“鮮味(umami)”存在了近一個(gè)世紀(jì)后終于獲得科學(xué)界的正式承認(rèn)，氨基酸谷氨酸能產(chǎn)生強(qiáng)烈的鮮味。那么金屬又具有什么味呢？

味道是人體受到的外界刺激(食物)和受體(味蕾)之間的化學(xué)反應(yīng)之一。人類對(duì)于刺激的感官印象包括舌頭上表面的味蕾所獲得的味覺、鼻子中的嗅上皮細(xì)胞所獲得的嗅覺、由機(jī)械感受器所感受到的口感以及由溫覺感受器所感受到的溫度高低。其中，舌頭嘗到的和鼻子聞到的，統(tǒng)稱為味道。

溶液中的一些金屬會(huì)產(chǎn)生“金屬味”——一種獨(dú)特的，有別于酸、甜、苦、咸、鮮味之外的味道。如在自來水中鐵或銅的“金屬味”——鍍鋅鋼供水管道或銅制接頭腐蝕產(chǎn)生的味道；在口腔出血的時(shí)候則會(huì)嘗到“金屬味”——血液中含有大量鐵離子的味道；血液中“金屬味”是肉食動(dòng)物分辨獵物位置、捕食者發(fā)現(xiàn)含血的新鮮肉類的重要信號(hào)。

事實(shí)上，金屬餐具勺子(注：金屬須無毒，少許攝入對(duì)人體有益)不但是盛送食物的器具，更會(huì)影響食物的味道和口感。倫敦大學(xué)學(xué)院(University Col- College London)的佐伊·勞克林博士(Zoe Laughlin)與馬克·麥道尼克教授(Mark Miodownik) 研究了不同金屬銅、鋅、金和不銹鋼制作的外形一模一樣的勺子有何不同口感，見圖3。銅勺和鋅勺被認(rèn)為最具金屬味；金勺顏色美觀但無金屬味；不銹鋼勺有一絲淡淡的金屬味。而金屬味與其電極電位密切相關(guān)，使用標(biāo)準(zhǔn)電極能夠很準(zhǔn)確地估測(cè)出固體金屬的味道。此外，鋅制餐具盛放烤黑鱈魚后，其口味使人感到惡心、不適；銅制餐具盛放柚子，其口味使人難以入口、下咽。但用鋅制餐具和銅制餐具盛送芒果等酸性食物時(shí)，其金屬味使芒果的酸甜味變得爽口。而增加勺子質(zhì)量會(huì)讓吃的食物味道更好、更甜、更有飽足感。

可見，材料科學(xué)除了研究金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能外，研究金屬如何影響食物的味道和口感也是一種全新的拓展。

圖3 (a)銅，(b)鋅，(c)金，(d)不銹鋼(鐵-鉻)勺子

金屬的毒

毒性是毒物的化學(xué)分子或化合物到達(dá)生物敏感部位引起機(jī)體損害的能力。金屬材料對(duì)機(jī)體損害短期出現(xiàn)排異、紅腫、疼痛等臨床表現(xiàn)；長(zhǎng)期則出現(xiàn)破壞免疫功能和摧毀人體器官生理功能，如致癌、致畸、致殘等。

所有的金屬對(duì)人體都會(huì)產(chǎn)生毒性，但大部分金屬元素又是人體所必需的，關(guān)鍵是人體內(nèi)所含金屬元素的毒性劑量。不溶性的金屬以及金屬化合物形式往往表現(xiàn)出微不足道的毒性；重金屬通常被認(rèn)為是毒性金屬的代名詞；而放射性金屬元素具有放射性毒性和化學(xué)毒性。

世界公認(rèn)的六類對(duì)人體健康威脅最大的有害元素，分別是鉛Pb、鎘Cd、汞Hg、六價(jià)鉻Cr6＋、多溴二苯醚PBDE、多溴聯(lián)苯PBB。后兩者為含毒有機(jī)物，其余的均為金屬元素。表2中列出了歐盟制定的環(huán)境保護(hù)限制措施及材料相關(guān)條例(RoHS、PPW和ELV)，可見Pb, Cd, Hg, Cr (VI) 和Br的元素含量是需要嚴(yán)格控制的。為了使電子電氣設(shè)備便于回收以及保證設(shè)備回收工作的可執(zhí)行性，歐盟提出了WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment)，即廢棄電氣電子設(shè)備指令。WEEE指令聲明生產(chǎn)商(包括進(jìn)口商和經(jīng)銷商)對(duì)進(jìn)入歐盟市場(chǎng)的廢棄的電氣電子產(chǎn)品，要負(fù)責(zé)回收和處理，并對(duì)新投放到歐盟市場(chǎng)的電氣電子產(chǎn)品必須加貼回收標(biāo)志。該指令涉及的回收對(duì)象包含大型及小型家用電器、信息技術(shù)和通訊設(shè)備、用戶設(shè)備、電子和電氣工具(大型固定工業(yè)工具除外)、玩具、休閑和運(yùn)動(dòng)設(shè)備、醫(yī)用設(shè)備、監(jiān)測(cè)和控制器械、自動(dòng)售貨機(jī)等9大項(xiàng)。據(jù)預(yù)計(jì)，從2016年起，產(chǎn)品在投入市場(chǎng)后的兩年內(nèi)，WEEE收集率至少將達(dá)到產(chǎn)品平均質(zhì)量的65%。與我們生活相關(guān)的包裝材料、電器產(chǎn)品、汽車零組件中鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻金屬含量已被歐盟嚴(yán)格控制。

表2 歐盟制定的環(huán)境保護(hù)限制措施

金屬鉛容易在空氣、土壤及水中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其表面會(huì)形成一層具有保護(hù)作用且不溶的無機(jī)鉛化物，這些鉛化物統(tǒng)歸為有害物質(zhì)，其毒性效應(yīng)各有不同。鉛常存在于橡膠生產(chǎn)、染料、印刷、陶瓷、鉛玻璃、焊錫、電纜和鉛管、生產(chǎn)廢水和廢棄物之中。另外，汽車尾氣中的四乙基鉛則是劇毒物質(zhì)。鉛在人體中會(huì)影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)及腎臟。血液中的鉛濃度超過10 μg/dL時(shí)，機(jī)體就會(huì)產(chǎn)生敏感的生化反應(yīng)，若長(zhǎng)期曝露使血液鉛濃度達(dá)到60～70 μg/dL時(shí)，就會(huì)造成人體臨床鉛中毒。

金屬鎘的毒性很低．但其化合物毒性很大。人體的鎘中毒主要是通過消化道與呼吸道攝取被鎘污染的水、食物、空氣而引起的。鎘在人體中有積蓄作用，其潛伏期可長(zhǎng)達(dá)10～30年。據(jù)報(bào)道，當(dāng)水中鎘超過0.2 mg/L時(shí)，居民長(zhǎng)期飲水和從食物中攝取的含鎘物質(zhì)，可引起“骨痛病”。實(shí)驗(yàn)研究表明，進(jìn)入人體和溫血?jiǎng)游矬w內(nèi)的鎘，主要累積在肝、腎、胰腺、甲狀腺和骨骼中，致使腎臟器官等發(fā)生病變，可引起貧血、高血壓、神經(jīng)痛、骨質(zhì)松軟、腎炎和分泌失調(diào)等病癥，并影響人的正?；顒?dòng)。1950—1960年日本發(fā)現(xiàn)鎘不利人體健康的效應(yīng)(痛痛病)之后，鎘對(duì)人體健康及環(huán)境的影響開始得到了廣泛地關(guān)注和討論。工作者因工作環(huán)境而長(zhǎng)期曝露于高濃度的含鎘熏煙或懸浮微粒的灰塵中，會(huì)嚴(yán)重影響其腎臟及呼吸系統(tǒng)，甚至出現(xiàn)腎臟衰竭。

汞存在于電源設(shè)備和光源設(shè)備中，被歸類為一種危險(xiǎn)物質(zhì)，是吸入性毒物且具有生物累積效應(yīng)。對(duì)人體的效應(yīng)主要是影響中樞神經(jīng)及腎臟系統(tǒng)。中毒會(huì)導(dǎo)致記憶力明顯減退、注意力不集中、全身乏力等。其在某些環(huán)境狀況下具有轉(zhuǎn)變成有機(jī)汞的潛在威脅，造成其毒性特質(zhì)增強(qiáng)。汞有一個(gè)顯著的潛能：生物累積及生物放大。這個(gè)結(jié)論已在各種不同生物之環(huán)境毒性效應(yīng)中得到了證實(shí)。

鉻是地殼中蘊(yùn)藏著較豐富的金屬之一，是非常堅(jiān)硬的灰白色金屬。鉻用于不銹鋼、電鍍、制革、油漆顏料、染料、木材防腐處理、防銹處理、合金等。常見的裝飾性鍍鉻包括設(shè)備器具、珠寶、塑料球形門柄、硬件、手工具及汽車零件。六價(jià)鉻為吞入性毒物和吸入性極毒物，皮膚接觸可能導(dǎo)致過敏，更可能造成遺傳性基因缺陷致使胎兒智力發(fā)育不良，吸入可能致癌并誘發(fā)基因突變，對(duì)環(huán)境有持久危險(xiǎn)性。六價(jià)鉻化合物口服致死量約1.5 g左右，水中六價(jià)鉻含量超過0.1 mg/L就會(huì)中毒。鉻對(duì)人體的毒害作用類似于砷，其毒性隨價(jià)態(tài)、含量、溫度和被作用者不同而變化。但金屬鉻、三價(jià)或四價(jià)鉻并不具有這些毒性。目前國(guó)內(nèi)外汽車業(yè)推行三價(jià)鉻替代六價(jià)鉻，但三價(jià)鉻配方昂貴且仍然含鉻，所以替代只是暫時(shí)性的，未來發(fā)展應(yīng)是完全不含鉻的方式，如合金或復(fù)合電鍍。

除鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻金屬元素外，有毒的類金屬三價(jià)砷As3+和過量的鋁Al都對(duì)人體有害，甚至中毒身亡等。蝦、蟹等軟殼類食物含有大量濃度較高的五價(jià)砷的化合物即砷酸酐，亦稱五氧化砷(As205)，五氧化砷本身對(duì)機(jī)體并無毒害作用。但在服用維生素C之后，由于發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使得原來無毒的五價(jià)砷轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸镜娜齼r(jià)砷即亞砷酸酐，亦稱三氧化二砷(As203)，即俗稱的砒霜。所以：為慎重起見，在服用維生素C期間，應(yīng)當(dāng)忌食蝦類。世界衛(wèi)生組織規(guī)定人體每天的攝鋁量應(yīng)控制在0.004 g以下，鋁在人體內(nèi)是慢慢蓄積起來的，其引起的毒性緩慢、且不易察覺，然而，一旦發(fā)生代謝紊亂的毒性反應(yīng)，則后果非常嚴(yán)重。因此，應(yīng)避免使用鋁制成的炊具。

張建斌 (1972—)，男，副教授，任職于蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅省有色金屬材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 從事金屬材 料組織性能和表面改性研究。E-mail：jbzhangjb@gmail.com。

余冬梅 (1986—)，女，蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，從事激光表面改性研究。E-mail:bjyudongmei@ gmail.com。

蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅省有色金屬材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.05