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Mg Cu Li Zn,那就讓化學元素週期表告訴你什麼叫做「銅鋰鋅」!——《完全圖解 元素與週期表》

PanSci_96
・2019/12/10 ・3186字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

一「銅」改變人類歷史

  • 銅 Cu (Copper)
  • 元素名稱由來:拉丁語為古代銅的生產地「賽普勒斯島」(Cuprum)。
  • 發現時的小插曲:自古以來即為人所熟知的元素之一。
  • 主要的化合物:硫酸銅(CuSO4)、氫氧化銅(Cu(OH)2)、氧化銅(CuO)、氯化銅(CuCl2)
  • 主要的同位素:63Cu(69.15%)、65Cu(30.85%)
銅塊。圖/人人出版提供

銅是在古早以前就融入人類生活的元素之一。考古學家在伊拉克北部發現大約在西元前 8800 年左右,推測應該是由自然銅製成的小銅珠。

銅即使延展得很薄也不易遭破壞,具有良好的延展性。此外,在導熱性和電導率方面都是僅次於銀,名列第二高,因此常被用來製作調理鍋和電線等。

銅與其他金屬混合所成的合金種類非常多,像是青銅、黃銅等都是。黃銅是純銅(俗稱紫銅)與鋅的合金,常是打造佛具、管樂器的材料。此外,鋁與銅的合金耐腐蝕性強,被用來製作裝飾品。

日常生活中常見的銅製品

目前流通的 1、5、10、20、50 圓幣共 5 種面額的硬幣材質中,都含有銅。圖/人人出版提供

銅與我們每天所使用的硬幣息息相關,在目前流通的 1、5、10、20、50 圓幣共 5 種面額的硬幣材質中,都含有銅。其中 1 圓硬幣是銅(92%)、鎳(6%)、鋁(2%)的合金。

而 5、10 圓銅幣皆為銅鎳合金,含鎳 25%。而 20 圓銅幣的材質是外環銅質(含鎳 2% 及鋁 6%)、內餅銅質(含鎳 25%),新版的 50 圓幣銅幣則是含鎳 2% 及鋁 6%。

銅製料理鍋。圖/人人出版提供

因為銅的導熱性很好,因此是製作調理鍋、煮水壺、平底鍋的材料。以銅製的平底鍋為例,不是僅接觸火焰的部位會熱,整個鍋底都會均勻受熱,因此具有食物較不易燒焦的優點。

改變人類生活的「青銅器」

青銅器(銅鐸)。圖/人人出版提供

據研究,銅的出現改變了以石器為主要工具之古代人類的生活。銅中混入錫所成的「青銅」,與銅單質相較,硬度明顯提高。青銅在較低溫的情況下也能熔化,因此就算以當時人的技術,也能將熔化的青銅液倒入鑄模中,製成各式各樣形狀的物品。

依地區和時代的不同,使用青銅製作的物品可謂琳朗滿目,食器、貨幣、飾品、樂器等等皆是。照片是從日本出土的「銅鐸」,大約 2000 年前彌生時期製作的青銅器。考古學家推測可能是使用於祭祀的禮器,但是並不十分了解其真正用途。

同樣是金屬,為什麼銅的顏色跟別種金屬不一樣?

同樣是金屬,金、銀、銅的顏色卻完全不同。銅的顏色是泛紅的「赤金色」,為什麼銅會呈現出這樣的顏色呢?

一般而言,金屬的結構是金屬原子規律排列的晶體。排列如此井然有序的金屬原子呈將最外層電子予以釋放的離子狀態。被釋放的電子因可以在金屬離子間自由活動,因此稱為「自由電子」。

自由電子會將幾乎所有的光都反射出去。但是根據金屬種類的不同,也有某特定波長的光不會反射,而會被吸收的情形發生。銅的自由電子會吸收波長 500 奈米(1 奈米為 10 億分之 1 米)左右的光,換言之就是會吸收由藍到綠的光。結果,銅反射的光,紅色的比率升高,看起來就呈「赤金色」了。

金屬藏在手機「鋰」

  • 鋰 Li (Lithium)
  • 元素名稱由來:希臘語「石頭」(Lithos)之意。
  • 發現時的小插曲:是在分析「透鋰長石」(petalite)這種礦物時發現的。
  • 主要的化合物:LiOH、Li2O、Li2CO3
  • 主要的同位素:6Li(7.59%)、7Li(92.41%)
鋰蘊藏在礦石和礦泉中,元素名稱源自希臘語的「石頭」(lithos),它同時也是金屬中質量最輕的。圖/人人出版提供

鋰跟氫、氦一樣都是在宇宙誕生之初就已經被製造出來的元素。鋰蘊藏在礦石和礦泉中,元素名稱源自希臘語的「石頭」(lithos),它同時也是金屬中質量最輕的。

一提到鋰,大家腦海中立即浮起的可能就是「鋰離子電池」。鋰離子電池因為重量輕且容量大、充電效率高,因此筆記型電腦、手機等都使用鋰離子電池做為行動電源。另外,雙極性疾患(bipolar disorder,俗稱躁鬱症)的治療藥「碳酸鋰」(鋰鹽)也是鋰的用途之一。

生活中常見的鋰

鋰被用來作為鋰離子電池、躁鬱症的治療藥、在太空船等密閉空間的二氧化碳吸收劑、潤滑膏、製造合成橡膠原料「異戊二烯」(isoprene)之際的催化劑、強化玻璃、琺瑯、合金等的原料。

油電混合車等環保車款所使用的鋰離子電池。圖/人人出版提供

鋰離子電池因為重量輕、容量大、充電效率高,所以被用來做為筆電和手機的電源。上面照片是油電混合車等環保車款所使用的鋰離子電池,由於油電混合車、電動汽車等的普及,在 2006 年到 2007 年曾經一度面臨鋰離子電池供不應求的局面。根據預測,全球製造鋰離子電池所需的鋰,未來將會有大幅增加的趨勢。

雙極性疾患治療藥中的鋰離子具有干擾「IMPA2」的功能,可抑制神經元內部的化學反應。圖/人人出版提供

接收到訊號的神經元(也稱神經細胞,neuron)會從細胞膜釋放出名為 IP3 的物質到細胞質內,該物質就會與內質網(endoplasmic reticulum)結合,然後釋放出鈣離子。

雙極性疾患(躁鬱症)病人之神經元內部的鈣離子濃度高,而雙極性疾患治療藥中的鋰離子具有干擾「IMPA2」(在 IP3 重新返回細胞膜過程中發揮作用之酵素)的功能,因此可抑制神經元內部的化學反應。

鋰的寶庫「亞他加馬鹽沼」

亞他加馬鹽沼。圖/人人出版提供

智利的亞他加馬鹽沼位在標高 2300 公尺的高地,這裡過去曾經是海洋,由於安第斯山的造山運動而隆起,海洋乾涸,於是便有大量的鋰蘊藏於此。這裡一整年只有數天降雨的乾燥氣候,對於鋰的開採生產大有助益。

身體中不可缺少的「鋅」

  • 鋅 Zn( Zinc)
  • 元素名稱由來:波斯語的「石頭」(sing),德語的「叉子尖」(Zink)。
  • 發現時的小插曲:據傳最早開始製造出單質的鋅金屬是在 13 世紀左右的印度。1746 年,馬格拉夫從菱鋅礦(smithsonite)精煉出金屬鋅,並在書中留下該方法。
  • 主要的化合物:ZnSO4、Zn(OH)2
  • 主要的同位素:64Zn(48.63%)、66Zn(27.90%),67Zn(4.04%)、68Zn(18.45%)、70Zn(0.61%)

鋅由於顏色和形狀似鉛,故也稱亞鉛,古稱倭鉛。

使用鋅銅合金「黃銅」製成的銅管樂器。圖/人人出版

薄鐵板鍍鋅可提高耐腐蝕性,是蓋屋頂的材料,現在仍廣為使用。此外,銅中添加鋅所製成的合金稱為「黃銅」,強度夠又容易加工,因此,也被用來製作樂器。此外,大多數鈕扣電池的陰極會使用鋅,而硫化鋅常被用來作為布朗管(陰極射線管)的螢光劑。

不鏽鋼基材鍍鋅的屋頂建材。圖/人人出版

過去的人認為鋅跟鉛一樣都是具有毒性的金屬,但其實鋅是人體所必需的礦物質,可將體內的有害物質轉變為無害,且能幫助有害金屬的排出,在生物生存上扮演著舉足輕重的角色。另外,鋅也存在於感知味道的味蕾,體內缺鋅時,會導致味覺障礙。

生物體內也含有鋅,例如:我們舌頭上感知味道的味蕾就含有鋅。再者,很多人都知道牡蠣體內含有大量的鋅。圖/人人出版

鋅與肌肽(carnosine)的化合物被用來作為治療胃潰瘍的藥物。最近,研究者又發現鋅有新的生理作用,亦即具有可降低血糖值,改善糖尿病和代謝症候群(metabolic syndrome)的效果。

 

——本文選自《完全圖解 元素與週期表:解讀美麗的週期表與全部118種元素!》,2019 年 9 月,人人出版

 

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喝母乳的寶寶能提升神經認知功能?——是真的!而且「曾經喝過就有效」

查克爸
・2021/10/26 ・3015字 ・閱讀時間約 6 分鐘

喝母乳的寶寶,真的會更聰明嗎?母乳不僅能夠提供小寶寶所需的營養以及免疫力,而透過母親的生理機制,更能將各種符合自己孩子需求的成分,客製成孩子專屬的母乳。需要發育大腦,就多給些相關的成分,如果要長肌肉也沒問題,媽媽隨時隨地都準備為孩子產製最適合的母乳,這可是任何產業都難以複製的機能。因此母乳被說是對寶寶是最好的禮物,想當然各種與母乳哺育相關的研究主題,便是眾多學者探討了解的目標。

其中,研究智力發展應該是最吸引人的主題之一,不過目前為止也是有研究指出,母乳哺育的孩子,他們的平均智商與沒有母乳哺育的孩子相差無幾,這不知潑了多少人一身的冷水,掃了無數爸媽的興致。但以前的證據說智商沒差異,不代表新的研究一樣沒差異,科學這件事就是會不斷變化,產出新的結論,全世界仍有不少研究都提出母乳可能使寶寶更聰明。

這次要介紹的羅徹斯特大學醫學中心(URMC)神經科學研究所(Del Monte Institute for Neuroscience)的成果就是其中之一,他們這次提出的新證據是與認知能力有關,而且他們的結論應該會讓人眼睛一亮,因為他們發現,母乳哺育的時間長短與 9-10 歲兒童的部分認知發展有關連,而且只要孩子有吃母乳一段時間就可以看出差異[1]

人類積極探索智力,母乳與智力的關係更是熱門主題之一。圖/Pixabay

改變研究方向,找出母乳與智力之間的正向證據

隨著各種研究產出,我們得以知道智力受到很多變項影響,尤其是與父母親直接相關的因素,例如父母的社經地位、智力程度、學經歷等都可能使孩子擁有較高的智力。換句話說,也就是研究者比較了相同教育程度或是經濟程度的母親後,結論是不管有沒有哺餵母乳,他們孩子的智商分數可能相近。

既然知道多種因素可以影響智力,便要在研究方法的設計下足功夫,因為要盡可能控制所有影響,讓母乳哺育的小孩,以及沒有母乳哺育的小孩都能在同一個基準線上比較,才能看出客觀上的差異,或可說是未能控制好混雜因素[2]

不過就如開頭所說,研究目標、方法不同,看到的成果就不一樣,羅徹斯特大學醫學中心這篇藉由分析青少年大腦認知發展研究計畫[3](The Adolescent Brain Cognitive Development Study;ABCD Study)數據的報告,就看到了母乳與認知的正向關係,改而分析更細項的各種認知能力[4],其涉及了執行與感知、學習、記憶、理解、意識、推理、判斷、直覺和語言相關的等各種任務技能。

認知能力分好多,研究分析哪些?

這個認知研究採用 ABCD 研究數據來探討,但為了減少測量誤差的影響(例如孩童曾經暴露會接觸酒精的環境、未參加訪視的兒童等因素),研究者最終保留了 9,116 名兒童的數據,並以此分析母乳哺育時間與神經認知能力之間的關係。那列入分析的認知能力向度有哪些?

向度一共有三項,而且跟每個人都有關,分別是一般能力(general ability)、執行能力(executive function)以及記憶力(memory),而這三項能力各自有其解釋在,如一般能力,美國心理學會對此提出的解釋定義是,一種可以被衡量的能力,且被認為是基礎能力,用來處理所有與智力相關的任務。

再來是執行能力,這個能力則可用來管理和控制工作記憶、注意力,也跟抽象思考等種種認知過程有關,像是設定目標、想像並預見;最後一個是大家耳熟能詳的記憶力,是透過大腦系統所儲存的訊息,是能回憶特定訊息或曾經有過的經歷。

不過這些能力的發展程度真的能評量嗎?放心,各項認知能力背後有眾多的研究依據,也發展出各種不同的測量方式來評定。像是「魏氏兒童智力量表的矩陣推理測驗」就在這個研究被用來測量知覺推理和組織、空間訊息處理等相關的能力;而美國國立衛生研究院的 NIH Toolbox®-Cognition battery,也在這個研究裡被整合運用評估兒童的神經和行為功能。最後通過次數以極多的神經認知測驗,也才讓研究結果得出有吃母乳的小朋友,是能改善某個認知能力。

針對各種能力、認知所開發的測驗,不斷的被開發出來並應用。圖/Pexels

母乳真的有助於認知能力!是哪一項呢?

研究要分析的有一般能力、執行能力以及記憶力,那究竟哪像能力獲得提升呢?鏘鏘,從數據提供的結論是一般能力(general ability)與母乳哺育的時間長短有顯著關聯[1]。但你可能會說「怎麼才提升一種能力?」,這時候我們要關注的是,在心理學上的一般能力也包含多種能力,一般能力只是所有分向能力的統整稱呼。

研究中把這九千多位 9-10 歲的孩子,依照他們吃母乳的時間長短分成四組,第一組是 0 個月的控制組,接著是三組母乳哺育的實驗組,分別是 1-6 個月、7-12 個月以及吃母乳超過 12 個月的寶寶,可以看到在母乳哺育期最短的 1-6 個組別寶寶,他們在一般能力的測驗結果,比起沒吃母乳的寶寶有所提升,而且隨著母乳哺育的時間變長,孩子們在一般能力的發展程度也越來越高。

用另外一個角度來看研究結果就是,今天有某一個家庭選擇餵養母乳,即便哺育期間落在有點長又不算太長的 2 個月或是半年內,對寶寶的神經認知發展來說也是有幫助的,這也符合研究人員的設定目標,因為這有望幫助改善人們的動機,讓更多人想要母乳哺育,不只告訴每個家庭們可以量力而行,也藉此呼籲政府、社會企業能夠更設身處地為媽媽們著想。

母乳哺育與一般能力認知的關聯性較高,且隨著期間變長而增加。資料/參考資料1

研究成果重要,但更該考慮「人」

各種母乳相關的科學證據報告,讓母乳對孩子的好處不言而喻,這次介紹的研究也是,也的確可以藉由這些證據協助家庭做出決定,讓他們決定是否要餵養母乳,但這篇研究成果的重點,是希望能夠「鼓勵」家庭選擇用母乳哺育寶寶,而不是「非得要」。

不可否認的是,母乳哺育對媽媽們是一個壓力來源,常常聽到「給寶寶最好的」,反而讓各種美好變成壓力,像是聽到哪位媽媽不給寶寶吃母乳,各種批評襲來,不餵母乳變成一種罪過。而如果選擇母乳哺育,又可能因為家人不支持而宣告放棄。

母乳對寶寶有幫助,但家人彼此間的支持才更重要。圖/Pixabay


研究也實實在在告訴我們,餵養母乳的意願及時間長短,可是牽涉眾多因素,其中個體因素如教育程度、年齡會改變想法,還有環境和社會文化影素也會影響,例如就業問題、丈夫支持程度、家人態度也都大大的參雜其中[6]

因此每個家庭間的討論、媽媽的個人意願都很重要,有了共識後再來下決定,而當你們決定好要給寶寶母乳,又就差那決定性的臨門一腳時,不妨想想這篇研究提出的結論,「只要曾經給寶寶喝母乳,便有機會提升他特定的認知能力喔」。

參考資料

  1. Lopez, D. A., Foxe, J. J., Mao, Y., Thompson, W. K., Martin, H. J., & Freedman, E. G. (2021). Breastfeeding Duration Is Associated With Domain-Specific Improvements in Cognitive Performance in 9-10-Year-Old Children. Frontiers in public health, 9, 657422. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.657422
  2. Walfisch, A., Sermer, C., Cressman, A., & Koren, G. (2013). Breast milk and cognitive development–the role of confounders: a systematic review. BMJ open, 3(8), e003259. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2013-003259
  3. https://abcdstudy.org/
  4. https://dictionary.apa.org/cognitive-ability
  5. Natland ST, Andersen LF, Nilsen TI, Forsmo S, Jacobsen GW. Maternal recall of breastfeeding duration twenty years after delivery. BMC Med Res Methodol. 2012 Nov 23;12:179. doi: 10.1186/1471-2288-12-179. PMID: 23176436; PMCID: PMC3568415.
  6. Shi, H., Yang, Y., Yin, X. et al. Determinants of exclusive breastfeeding for the first six months in China: a cross-sectional study. Int Breastfeed J 16, 40 (2021). https://doi.org/10.1186/s13006-021-00388-y

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查克爸
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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職為開發自然科學評量工具的研究 人員,將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。
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