金屬的色、味和毒

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用到藝術(shù)品和手表、手飾等商業(yè)領域。“金屬味”是否為酸、甜、苦、咸、鮮味之后的第六種味道？銅、鋅、金、不銹鋼金屬餐具也會影響食物的色澤、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、銅和鐵會呈現(xiàn)出不同的金屬色澤呢？這要歸因于每種金屬對特定波長光的反射/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，其自由電子的運動范圍是整塊金屬。當白光照到金屬表面時，一個光子擊中一個電子，電子吸收光子，并躍遷到一個更高的能量狀態(tài)。通常，當吸收光子之后，處于非穩(wěn)態(tài)的電子便會釋放相同能量的光子，以回復到初始的穩(wěn)定狀態(tài)，即光的反射；但如果一個電子被激發(fā)并躍遷到一個穩(wěn)定狀態(tài)，就不會發(fā)出光子，即光的吸收。金屬的光澤只有在整塊時才能呈現(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。

值得注意的是，金屬處于粉末狀態(tài)時，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)領域得到了廣泛應用。

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、堅硬度高、不易變形或刮傷以及色彩多變等特點而被廣泛應用。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，顏色會變淺，加入越多的銀，紅色就會越淺。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，已經(jīng)合成出藍金、紫金等具有商業(yè)秘密的合金。藍金是金鐵化合物，具有深不可測的湛藍色光輝；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、藍金、紫金、玫瑰金等正讓手表、紀念幣和首飾多姿多彩，見圖2。

其實，只要有需求，材料學家可以合成咖啡色、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、咸是我們對味覺的描述，而由日本科學家池田菊苗(Kikunae Ikeda)提出的“鮮味(umami)”存在了近一個世紀后終于獲得科學界的正式承認，氨基酸谷氨酸能產(chǎn)生強烈的鮮味。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)之間的化學反應之一。人類對于刺激的感官印象包括舌頭上表面的味蕾所獲得的味覺、鼻子中的嗅上皮細胞所獲得的嗅覺、由機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產(chǎn)生“金屬味”——一種獨特的，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；在口腔出血的時候則會嘗到“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。

事實上，金屬餐具勺子(注：金屬須無毒，少許攝入對人體有益)不但是盛送食物的器具，更會影響食物的味道和口感。倫敦大學學院(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，使用標準電極能夠很準確地估測出固體金屬的味道。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，其金屬味使芒果的酸甜味變得爽口。而增加勺子質(zhì)量會讓吃的食物味道更好、更甜、更有飽足感。

可見，材料科學除了研究金屬的結(jié)構(gòu)特點和性能外，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

毒性是毒物的化學分子或化合物到達生物敏感部位引起機體損害的能力。金屬材料對機體損害短期出現(xiàn)排異、紅腫、疼痛等臨床表現(xiàn)；長期則出現(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。

所有的金屬對人體都會產(chǎn)生毒性，但大部分金屬元素又是人體所必需的，關鍵是人體內(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毒性。

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

表2 歐盟制定的環(huán)境保護限制措施

金屬鉛容易在空氣、土壤及水中發(fā)生化學反應，其表面會形成一層具有保護作用且不溶的無機鉛化物，這些鉛化物統(tǒng)歸為有害物質(zhì)，其毒性效應各有不同。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，機體就會產(chǎn)生敏感的生化反應，若長期曝露使血液鉛濃度達到60～70 μg/dL時，就會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，其潛伏期可長達10～30年。據(jù)報道，當水中鎘超過0.2 mg/L時，居民長期飲水和從食物中攝取的含鎘物質(zhì)，可引起“骨痛病”。實驗研究表明，進入人體和溫血動物體內(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，并影響人的正常活動。1950—1960年日本發(fā)現(xiàn)鎘不利人體健康的效應(痛痛病)之后，鎘對人體健康及環(huán)境的影響開始得到了廣泛地關注和討論。工作者因工作環(huán)境而長期曝露于高濃度的含鎘熏煙或懸浮微粒的灰塵中，會嚴重影響其腎臟及呼吸系統(tǒng)，甚至出現(xiàn)腎臟衰竭。

汞存在于電源設備和光源設備中，被歸類為一種危險物質(zhì)，是吸入性毒物且具有生物累積效應。對人體的效應主要是影響中樞神經(jīng)及腎臟系統(tǒng)。中毒會導致記憶力明顯減退、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)變成有機汞的潛在威脅，造成其毒性特質(zhì)增強。汞有一個顯著的潛能：生物累積及生物放大。這個結(jié)論已在各種不同生物之環(huán)境毒性效應中得到了證實。

鉻是地殼中蘊藏著較豐富的金屬之一，是非常堅硬的灰白色金屬。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備器具、珠寶、塑料球形門柄、硬件、手工具及汽車零件。六價鉻為吞入性毒物和吸入性極毒物，皮膚接觸可能導致過敏，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，對環(huán)境有持久危險性。六價鉻化合物口服致死量約1.5 g左右，水中六價鉻含量超過0.1 mg/L就會中毒。鉻對人體的毒害作用類似于砷，其毒性隨價態(tài)、含量、溫度和被作用者不同而變化。但金屬鉻、三價或四價鉻并不具有這些毒性。目前國內(nèi)外汽車業(yè)推行三價鉻替代六價鉻，但三價鉻配方昂貴且仍然含鉻，所以替代只是暫時性的，未來發(fā)展應是完全不含鉻的方式，如合金或復合電鍍。

除鉛、汞、鎘、六價鉻金屬元素外，有毒的類金屬三價砷As3+和過量的鋁Al都對人體有害，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砷的化合物即砷酸酐，亦稱五氧化砷(As205)，五氧化砷本身對機體并無毒害作用。但在服用維生素C之后，由于發(fā)生氧化還原反應，使得原來無毒的五價砷轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸镜娜齼r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，應當忌食蝦類。世界衛(wèi)生組織規(guī)定人體每天的攝鋁量應控制在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，則后果非常嚴重。因此，應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材料科學與工程學院，甘肅省有色金屬材料省部共建國家重點實驗室， 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，蘭州理工大學材料科學與工程學院，從事激光表面改性研究。E-mail:bjyudongmei@ gmail.com。

蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅省有色金屬材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.05