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》

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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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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