元素訪談：蛇蝎美人——汞

趙勁一，劉睿，呂弋

1四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院，成都610064

2四川大學(xué)分析測試中心，成都610064

元素家族，各顯神通！大家好，歡迎來到“走近元素家族”系列訪談！我是主持人霍曼(Human)。往期的節(jié)目里，我們邀請了外表華麗、內(nèi)心沉穩(wěn)的金先生，身姿輕盈、活潑開朗的氫妹妹，調(diào)皮搗蛋、喜歡電子的氟弟弟……今天我們的嘉賓是一位美麗動人的女士——咦？這位女士帶著面具出場了(圖1)。那么電視機(jī)前的你們先大膽地猜一猜她是誰吧！

圖1 汞小姐

1 揭開嘉賓的神秘面紗

“我是誰？我是希臘神話中塞壬誘惑船只的歌聲，人們對我趨之若鶩而又避之不及；我來自元素周期表IIB族，是唯一在常溫、常壓下以液態(tài)形式存在的金屬。沒錯，我就是大名鼎鼎的汞，小名水銀，又名神膠、流珠、子明[1]；在你們?nèi)祟愌壑?，我是蛇蝎美人一樣的存在?！?/p>

霍曼驚嘆道：“汞小姐真是名副其實的美人！外表是漂亮的銀白色，閃爍著神秘的光芒……請問您有什么保持容貌的秘訣嗎？”

聞言，汞小姐高冷的臉上出現(xiàn)了一絲害羞。“這可真是不好意思……我的容貌還得歸功于相對論效應(yīng)。受相對論的影響，我們住在元素周期表六樓的元素熔點變化很大。由于6s軌道收縮，能量下降，六樓居民們擁有6個價軌道，平均每位居民都有3個成鍵軌道和3個反鍵軌道，這些軌道具有高度的對稱性。我體內(nèi)的電子填滿了成鍵軌道和反鍵軌道，能量升高，金屬鍵較弱，熔點很低。所以我的容貌不像別的金屬一樣硬邦邦的，反而像水一樣柔美[2]?！?/p>

“汞小姐認(rèn)為自己的性格如何呢？”

“我算是沉得住氣的元素，不太容易被水的甜言蜜語騙走，也不被酸堿誘惑，但是和其他大多數(shù)金屬一樣，只要遇見無良的硝酸和熱濃硫酸，我還是得老老實實交出自己的電子?！?/p>

“相信汞小姐一定有許多朋友吧？”

“沒錯，我會擁抱溶解很多金屬朋友，形成‘汞齊’，比如，金先生，銀姐姐，鋅妹妹……不過鐵弟弟不怎么喜歡我。不少故事都在講述我和金屬的友誼，《天工開物》中曾說，‘水銀能消化金銀成泥，似鍍物也[3]。’還有點‘石成金’的成語——我們找到含金礦石中的金先生，形成金汞齊(Au2Hg)，再鍍金于石器或鐵器上[4]。我還有一位好閨蜜，叫做硫。我們相遇時，總是一拍即合，形成硫化汞(Hg2S)；有時候我闖了禍，撒漏在地上，硫也會及時趕來帶走我[5]?！?/p>

2 趨之若鶩？避之不及？

“您和硫的友誼聽上去真令人羨慕！話說，多年前，你們就經(jīng)常在一起吧？朱砂，也就是硫化汞，不是從很早以前就作為顏料在使用嗎？因為你們在一起會展現(xiàn)出像花朵一樣艷麗的紅色?！?/p>

“是的。早在殷朝時期，甲骨文上就留下了我的痕跡。說到這里，不得不提到我們汞與你們?nèi)祟愐呀?jīng)認(rèn)識了好多年?！妒酚浨厥蓟时居洝分芯蛯懙溃骸厥蓟试崾盎捏P山……以水銀為百川……機(jī)相灌輸……’這說明，我們的關(guān)系可以追溯到公元前6世紀(jì)[6]。那時的人們已經(jīng)掌握了水銀的提煉，并將其用于尸體防腐?！?/p>

“沒錯。您也說過，歷史上有一個時期人們對您‘趨之若鶩’，您可以詳細(xì)地講一講當(dāng)時發(fā)生了什么嗎？”

“說來話長。戰(zhàn)國齊威王、齊宣王、燕昭王時，有大批齊、燕方士入海求蓬萊仙藥，著名的徐福也是為此東渡日本[7]?！?/p>

“您參與其中？”

“對，且聽我慢慢道來。古代皇帝為追求長生不老，沉迷煉丹之術(shù)，那所謂的‘丹’，便是由一些自然礦石或金屬煉制而成。古人相信，‘變化者，乃天地之自然’，故要‘假求外物以自堅固’；我們汞的形體圓轉(zhuǎn)流動，是煉丹的主要材料之一。為了得到較為純凈的汞，人們常常用簡單粗暴的加熱方式，把我和硫分開(HgS + O2= Hg + SO2)。然后，通常來說，要有一定配比的其他金屬和我們一起在煉丹爐里經(jīng)歷千錘百煉(圖2)；譬如古人喜歡金先生，因為金先生有著良好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性，進(jìn)入人體后，可以幫助堅固肉身，從而達(dá)到長生不老的目的[8]?！?/p>

圖2 煉丹爐

“可是據(jù)我所知，丹藥里所含的物質(zhì)，很多不僅不能夠起到養(yǎng)生的作用，反而會毒害人體？”

“嗯，這源于古代人們對科學(xué)的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。盡管人們在追求長生不老的道路上遭遇到了必然的失敗，但是煉丹的過程可以視為最早的‘化學(xué)實驗’之一，涉及到了很多化合物，如氧化汞(HgO)、輕粉(Hg2Cl2)、水銀霜(HgCl2)，還有各種金屬的汞齊等?！?/p>

“或許正是因為科學(xué)的進(jìn)步，人們了解到你并不是看上去那樣溫和無害，所以后來才對你‘避之不及’的吧？”

汞小姐露出了一個無奈的笑容：“是的。不過我早就想告訴人們了，我雖然沒有讓你們起死回生的本領(lǐng)，但也沒有傳聞中那樣可怕。我們汞微溶于水，不能被腸胃吸收，所以大多數(shù)少量吞食水銀的人沒有任何癥狀，我們不會搗亂，只會默默地穿過人體，伴隨著糞便排出?！?/p>

“看來人們對汞小姐的確誤會不小。那么，到底是什么使人們?nèi)绱丝謶帜兀俊?/p>

“說起來不太好意思，有時即使身處常溫，我也會沒來由地發(fā)脾氣，那時我就不是優(yōu)雅的汞小姐了，而是揮發(fā)成為可怕的汞蒸氣。汞蒸氣從呼吸道侵入人體，由肺泡吸收50%左右[9]。當(dāng)穿過血腦屏障后，我們急著去找好朋友硫聊天；蛋白質(zhì)和酶中的巰基和我們結(jié)合后，就疏忽了自己的本職工作；我們與體內(nèi)蛋白結(jié)合后還可由半抗原成為抗原，引起變態(tài)反應(yīng)……對于我發(fā)脾氣容易給你們帶來危險這件事，我很抱歉！”

3 以史為鑒，和平發(fā)展

“20世紀(jì)五六十年代，人類與汞爆發(fā)了一場戰(zhàn)爭。這場戰(zhàn)爭主要發(fā)生在日本熊本，汞中毒的人們平衡、步態(tài)和語言能力逐步退化，大量病人死亡。這場戰(zhàn)爭早已塵埃落地，請問汞小姐對于先輩們參與的這場戰(zhàn)爭有什么看法嗎？”

“首先，我需要澄清一件事。如果只有我們汞，這場戰(zhàn)爭是不會爆發(fā)的。汞可以與烷基、炔基、芳香基、一些有機(jī)酸根等結(jié)合生成有機(jī)汞化合物，有機(jī)汞的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無機(jī)汞；戰(zhàn)爭中我們受到了甲基的脅迫，與他們形成了具有神經(jīng)毒性的甲基汞，這才是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

我們知道新陳代謝的中心思想是要靠水帶走一些在人體內(nèi)不守規(guī)矩的物質(zhì)；甲基素來與水不和(甲基是疏水基團(tuán))，它怎么會乖乖跟著水離開？在人體內(nèi)，親脂的甲基汞會去尋找各種組織并與他們結(jié)合。甲基汞會去哪里呢？他們不會在血液里呆得太久，因為血液里含有大量的水，并且人類派出的DMSA (二巰基丁二酸)巡警會去抓捕他們，DMSA的兩個巰基像鉗子一樣牢牢抓住汞(配位反應(yīng))，這樣甲基汞就不能到處亂竄了(圖3)；加上分子外層具有水溶性，可以通過腎臟排出?；蛟S他們會去心臟？這也不是好的選擇，因為心臟的主要構(gòu)成是肌肉組織[10]?！?/p>

圖3 螯合物

“難道他們選擇了大腦？據(jù)我所知，腦組織有60%由脂質(zhì)構(gòu)成?！?/p>

“沒錯，正是大腦。甲基汞來到大腦后立刻策反細(xì)胞內(nèi)的抗氧化酶，讓他們不再為人體服務(wù)；抗氧化酶的罷工又引發(fā)了線粒體的恐慌，他們不能像平時一樣好好工作、正常合成ATP，反而會生產(chǎn)出大量的活性氧——這就是所謂的‘氧化應(yīng)激’，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞死亡，再也不能執(zhí)行幫助人學(xué)習(xí)記憶的功能[11]?！?/p>

“甲基又是如何找上你們汞的呢？”

“其實，在自然條件下，一部分汞元素也會在微生物的作用下生成甲基汞和二甲基汞，前者先是進(jìn)入水生生物的體內(nèi)，富集后又通過食物鏈傳遞；后者易揮發(fā)，進(jìn)入大氣擴(kuò)散。但是，只要環(huán)境中的甲基汞在安全閾值之下，一般都可以和人類和平共處 。當(dāng)年的戰(zhàn)爭，是因為甲基汞含量過高，已經(jīng)超出了自然可以承受的范圍[12]?！?/p>

“似乎您還沒有回答我剛剛的問題？”

“是的。接下來就要進(jìn)入正題了。人類的二戰(zhàn)結(jié)束后，日本加快了工業(yè)化進(jìn)程。某些工廠生產(chǎn)氯乙烯和醋酸乙烯時，使用了含汞的催化劑，例如乙炔法制備氯乙烯，就是用乙烯和鹽酸，用氯化汞作為催化劑，通過親電反應(yīng)制成[13]。簡而言之，這導(dǎo)致排向海洋的廢水中含有大量的汞，被水生生物食用后，我們汞就在生物體內(nèi)被甲基抓住，生成了甲基汞，甲基汞比其他處于無機(jī)狀態(tài)的汞殺傷力要高得多。然后人類食用了這些水生生物，趁此機(jī)會甲基汞大量進(jìn)入人體(圖4)。這，就是戰(zhàn)爭的開始。

圖4 汞的富集

所以你們明白究竟是什么引發(fā)了戰(zhàn)爭嗎？”

“答案是甲基汞?！?/p>

“您可以這樣認(rèn)為。但在我看來，是人類對于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的貪欲為甲基汞的擴(kuò)張?zhí)峁┝藱C(jī)會和途徑。”

“您說得對。不過，人類為了加強(qiáng)防御，近來發(fā)展出了多種手段監(jiān)測環(huán)境中的有機(jī)汞?！?/p>

“沒錯。例如，一種檢出限小、干擾度低、準(zhǔn)確度高的方法，就是用鹽酸巡警抓捕土壤中的甲基汞和乙基汞，再用巰基棉富集、四丙基硼化鈉衍生，最后送進(jìn)氣相色譜-冷原子熒光光譜儀進(jìn)行分析[14]。還有，微波輔助萃取可以精準(zhǔn)找到總汞中的甲基汞，固相微萃取對環(huán)境友好且不受復(fù)雜基體干擾；也有多種檢測儀器齊心協(xié)力，氣相色譜和液相色譜都喜歡找質(zhì)譜儀合作，靈敏度更高、檢出限更低的原子熒光也不甘示弱[15]?！?/p>

汞小姐的表情逐漸嚴(yán)肅起來?！暗俏胰韵胩嵝涯銈?，歷史的悲劇似乎在重演[16]。在同一個國家，他們又一次選擇把廢水排入大海，這一次，是氚等放射性元素們，開始一輪又一輪的富集，最終是否會爆發(fā)新的戰(zhàn)爭，誰也說不清[17]?！?/p>

主持人霍曼沉默了。

汞小姐頓了頓，語氣變得溫柔，“我們元素的存在比人類早了太多，每一種元素都以自己能幫助人類創(chuàng)造更好的生活而自豪。對于汞齊，汞家族傳唱著這樣的歌謠：鈉還原，錫制鏡；鋅作電池金鑲牙；熒光燈亮多美麗，功勞還屬鈦汞齊。不僅如此，純汞把自己當(dāng)做電極，幫助人類用電解法生成高純度的氯氣和燒堿(圖5)，我們還和朋友硫一起，參與顏料的制作，或者用于制作化妝品；在高新科技領(lǐng)域也不乏我們的身影：钚原子反應(yīng)堆冷卻劑、鎘基軸承合金，這些都有我們汞的功勞[18]?！?/p>

圖5 汞電極電解食鹽水

4 尾聲

“好了，今天的節(jié)目到這里就要結(jié)束了。在節(jié)目的最后，汞小姐還有什么想要對觀眾朋友們說的嗎？”

汞小姐面向鏡頭，語重心長。

“是的。我可以幫助你們制造溫度計等各種儀器，可以制藥；也可以藏匿于各個角落、殺人于無形；大家喜歡叫我‘蛇蝎美人’，好像是因為我的存在才帶來了災(zāi)難。但實際上，我是天使還是惡魔，完全取決于你們?nèi)祟愖约?。說到底，對萬事萬物懷著一顆尊重和敬畏的心，才是我們和平相處的根本?！?/p>