本周末，《瘋狂元素城》上映，迪士尼和皮克斯為我們帶來了風(fēng)、火、水、土等元素之間感人肺腑的故事。

這不禁讓人聯(lián)想，現(xiàn)實(shí)世界中的元素是否也能發(fā)生這么多故事？

別的不說，元素周期表上的“居民”是夠多了，但我們接觸它們，大多來自“氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖”的順口溜以及各種復(fù)雜的化學(xué)式，至于它們之間能發(fā)生什么，則不在課堂的范圍之內(nèi)。

在《元素的盛宴》里，著名科普作家山姆·基恩追溯了元素周期表背后精彩的化學(xué)探險(xiǎn)史，將一個(gè)個(gè)元素的傳奇故事與奇妙化學(xué)性質(zhì)講述得麻辣鮮活，讓我們看看元素背后都發(fā)生了什么吧！

[美] 山姆·基恩｜著

楊蓓 / 陽曦｜譯

未讀·探索家｜出品

01

會(huì)騙人的元素

薄荷糖讓嘴巴感覺涼爽，是因?yàn)楸『纱紗拘蚜撕浣邮掌鳎鼤?huì)讓你像被北風(fēng)吹過一樣顫抖起來。對于嗅覺和味覺，元素也會(huì)耍一樣的花招。

如果有人把一點(diǎn)點(diǎn)碲弄到了身上，那他好幾周都會(huì)散發(fā)出大蒜一樣的惡臭。

讓人困惑的是，4號(hào)元素鈹?shù)奈兜篮吞且粯印ｂ敗且环N蒼白色、不溶于水、熔點(diǎn)極高的小原子金屬，看起來和環(huán)狀的糖分子毫無相似之處——卻能和糖一樣喚醒相同的味蕾。

這樣的偽裝也許只是個(gè)玩笑，微量的鈹雖然是甜的，但隨著劑量增大，它的毒性會(huì)急劇上升。

據(jù)估測，全世界高達(dá)十分之一的人對鈹過敏，有史以來最偉大的科學(xué)家之一恩里科·費(fèi)米發(fā)現(xiàn)，就算是不過敏的人暴露在鈹粉塵中，其肺部也會(huì)受到損害，和吸入極細(xì)的硅顆粒一樣會(huì)引發(fā)化學(xué)性肺炎。

年輕的費(fèi)米過多地吸入了這種化學(xué)“糖粉”，于是 53 歲時(shí)，他患上了肺炎，被牢牢拴在了氧氣瓶上，他的肺已經(jīng)被撕碎了。

鈹能愚弄對它不了解的人，部分是因?yàn)槿祟惖奈队X實(shí)在有點(diǎn)兒扭曲。現(xiàn)在，人們公認(rèn)5種味蕾中有一部分是靠得住的。

負(fù)責(zé)苦味的味蕾能分辨出食物，尤其是植物里的有毒氮化物，例如蘋果種子里的氰化物。

負(fù)責(zé)鮮味的味蕾只認(rèn)谷氨酸鹽，谷氨酸鹽便是味精（MSG）里的G，它是一種氨基酸，能夠幫助蛋白質(zhì)合成，所以這些味蕾會(huì)提示你食物里含有豐富的蛋白質(zhì)。

不過，負(fù)責(zé)酸味和甜味的味蕾很容易上當(dāng)。鈹能騙過它們，某些植物漿果里特殊的蛋白質(zhì)也能。

神秘果蛋白的確十分神秘，它能除去食物里令人不快的酸味，卻不會(huì)改變食物的口感，所以它能讓蘋果醋喝起來像是蘋果汁，或者讓塔巴斯科辣醬嘗起來像是意大利番茄醬。

神秘果蛋白會(huì)抑制負(fù)責(zé)酸味的味蕾，同時(shí)勾搭負(fù)責(zé)甜味的味蕾；酸產(chǎn)生離散的氫離子，在神秘果蛋白的作用下，一點(diǎn)點(diǎn)氫離子就可以激發(fā)甜味味蕾，于是你就嘗到了甜味。

根據(jù)同樣的原理，不慎吸入過鹽酸或硫酸的人經(jīng)常會(huì)想起當(dāng)時(shí)牙疼的感覺，就像嘴里被塞了一片非常酸的生檸檬一樣。

不過正如吉爾伯特·劉易斯證明過的，酸與電子及其他帶電粒子的關(guān)系十分緊密。那么從分子層面上說，我們嘗到的“酸味”只不過是味蕾被氫離子激活了。我們的舌頭會(huì)將帶電粒子產(chǎn)生的電流和酸的味道弄混。

02

比黃金更貴的元素

論通過元素周期表上某種元素掙錢的速度和數(shù)量，美國化學(xué)家查理·霍爾要自居第二的話，世上沒人敢稱第一。而這種元素就是——鋁。

整個(gè)19世紀(jì)，許多天才的化學(xué)家將全部的職業(yè)生涯奉獻(xiàn)給了鋁。

1825年前后，一位丹麥化學(xué)家和一位德國化學(xué)家同時(shí)從有著悠久歷史的止血藥明礬中提取出了這種金屬。因?yàn)樗墓鉂啥龋V物學(xué)家們立即將鋁歸入貴金屬之中，同銀或是白金并駕齊驅(qū)，1盎司（約28克）值好幾百美元。

20年后，一位法國人設(shè)法將這兩位化學(xué)家提取鋁的辦法應(yīng)用到工業(yè)中去，使得鋁有效地商品化了。但就價(jià)格而言，它依然要比黃金貴。

這是因?yàn)椋M管鋁是地殼中最普遍的金屬，按重量計(jì)算的話大概占到地殼組成部分的8%，比黃金要常見千萬倍，但它從來沒有以純粹的鋁礦脈形式出現(xiàn)過。它總是同其他元素結(jié)合在一起，通常是氧。純粹的鋁樣品被認(rèn)為是奇跡般的存在。

法國人曾經(jīng)展出過一些鋁塊，這些鋁塊享受著諾克斯堡級別的待遇，就擺在他們的王室珠寶旁邊。而那位第二帝國的皇帝拿破侖三世則定制了一套鋁制餐具，專為宴會(huì)上的特別來賓準(zhǔn)備（不那么重要的客人用的則是金質(zhì)的刀叉）。

在美國，那些為政府工作的工程師，為了展示自己國家的工業(yè)技術(shù)實(shí)力，在1884年給華盛頓紀(jì)念碑加上了一個(gè)6磅（約 2.7 千克）重的鋁質(zhì)錐形頂。一份歷史報(bào)告指出，當(dāng)時(shí)1盎司（約 28 克）從這個(gè)錐形頂上削下的薄片，換成錢，就能支付安置它的所有工人的日薪。

鋁盤踞世界最貴重物質(zhì)寶座的日子持續(xù)了60年，但好景不長，它的這份榮耀很快被一位美國化學(xué)家終結(jié)。這種金屬的特性——輕、結(jié)實(shí)、導(dǎo)電性好——將工業(yè)制造者們的心逗得直癢癢，而且它在地球上的廣泛分布隱含著引發(fā)金屬制造業(yè)革命性巨變的可能。它誘惑著人們，但是還沒人想出有效地將它同氧分離開來的辦法。

1886年，查理·霍爾從手工做的蓄電池（輸電線那時(shí)還不存在）里引出一股電流，通過溶有鋁化合物的液體。來自電流的能量震擊并解放了鋁離子，它們附著在水箱底部的一小塊銀上。

在化學(xué)史上，純鋁是自點(diǎn)金石之后最讓科學(xué)家們夢寐以求的戰(zhàn)利品，而霍爾得到了它。當(dāng)時(shí)這個(gè)“超級鋁小子”剛剛23歲。

在法國，化學(xué)家保羅·埃魯無意間也發(fā)現(xiàn)了提純鋁的方法，同霍爾的大致差不多。緊隨其后，一位奧地利人在1887年發(fā)明了另一種分離鋁的方法。

面對這些迎頭趕上的競爭對手，霍爾當(dāng)機(jī)立斷在匹茲堡建立了Alcoa，即后來的美國鋁業(yè)公司。這個(gè)冒險(xiǎn)之舉成就了歷史上最成功的商業(yè)帝國之一。

Alcoa的鋁產(chǎn)量以爆炸式的速率增長。1888年它成立的頭一個(gè)月，每天只能生產(chǎn)50磅（約 23 千克）鋁；20年之后，它每天要輸出8.8萬磅（約40噸）鋁以滿足市場要求。

當(dāng)鋁的產(chǎn)量飆升，價(jià)格也隨之狂跌。霍爾出生之前，人類在調(diào)控鋁價(jià)格上做出的重大突破不過是在7年之內(nèi)將它從每磅550美元降到每磅18美元，而50年之后，霍爾的公司將鋁的價(jià)格降到了每磅25美分，這一價(jià)格甚至連通貨膨脹時(shí)都沒有上調(diào)過。

這種程度的產(chǎn)業(yè)增長在美國歷史上大概只有一次被超越，就是80年之后的硅半導(dǎo)體革命，而且就像日后的計(jì)算機(jī)巨頭一樣，霍爾發(fā)了大財(cái)。當(dāng)他在1914年去世時(shí)，擁有價(jià)值3000萬美元（相當(dāng)于今天的65億美元）的 Alcoa股票。

感謝霍爾，鋁成為真正稀松平常的金屬，所有人都認(rèn)識(shí)它：易拉罐、少年棒球聯(lián)盟的球棒、飛機(jī)的機(jī)身，都是由它制造的。

03

得“麻風(fēng)病”的元素

1911年，一支由羅伯特·福爾肯·斯科特率領(lǐng)的英國極地探險(xiǎn)隊(duì)決心成為首批到達(dá)南緯90度的人。

艱難跋涉了數(shù)月之后，斯科特帶著5個(gè)人于1912年抵達(dá)了南極點(diǎn)，但他們晚了一步，羅阿爾德·阿蒙森率領(lǐng)的隊(duì)伍比他早一個(gè)月抵達(dá)了南極點(diǎn)。

斯科特的南極探險(xiǎn)隊(duì)，1912 年 1 月。中間站立在國旗前的是斯科特。他們用一根繩子操縱快門，拍下了這張合影。

斯科特在日記中簡短地記下了這一時(shí)刻:“最糟糕的情況發(fā)生了。所有的夢想都破滅了。”緊接著寫道，“上帝啊！這是個(gè)可怕的地方。現(xiàn)在我們得趕緊拔腿往回走，并且不顧一切地活下來。我懷疑我們能不能做到。”

除了被沮喪情緒籠罩，他們被暴風(fēng)雪圍困了好幾個(gè)星期，遭遇了饑餓、壞血病、脫水、體溫過低以及壞疽。而最要命的是燃料的缺乏。

一年前斯科特曾進(jìn)行了穿越北極圈的探險(xiǎn)，其間發(fā)現(xiàn)燃油罐的皮革封口漏得厲害，幾乎讓他損失了一半燃料。于是為了此次南極探險(xiǎn)，他的隊(duì)伍嘗試著往封口上加了錫層，并且用純錫作為焊料。但是當(dāng)他帶著狼狽不堪的隊(duì)員找到之前那些支援人員留下的燃料罐時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)大部分都是空的。有時(shí)候情況更糟糕：燃料滲漏到了食物上。

據(jù)官方的說法，他們在1912年3月末遇難，倒在了離英國考察基地只有11 英里（約17.7千米）的地方，沒能挺過最后一個(gè)夜晚。

在那個(gè)時(shí)代，斯科特就像尼爾·阿姆斯特朗一樣受歡迎，人們一直在尋找理由為他的失敗開脫，而元素周期表適時(shí)地提供了一個(gè)替罪羊：被斯科特用作焊料的錫。

錫從《圣經(jīng)》時(shí)代開始就被當(dāng)成一種寶貴的金屬，因?yàn)樗苋菀姿苄巍ＶS刺的是，冶金學(xué)家越是精煉提純錫，就越讓它在日常使用中變得糟糕。

不管什么時(shí)候，只要純錫的工具、錫幣或是錫玩具遇冷，發(fā)白的銹斑就會(huì)悄悄“爬上”它們的表面，就像冬天里窗戶凝霜一樣。這些白銹會(huì)進(jìn)一步變成大面積爆發(fā)的“膿包”，腐蝕著錫，使它變得脆弱不堪，直到最后碎成粉末。

現(xiàn)在的科學(xué)家已經(jīng)知道，這種情況的發(fā)生是因?yàn)楣虘B(tài)錫內(nèi)部的原子能以兩種不同的方式排列，當(dāng)遇冷時(shí)，它們就會(huì)從堅(jiān)固的“β 結(jié)構(gòu)”變成脆弱的、粉末狀的“α 結(jié)構(gòu)”。

斯科特探險(xiǎn)隊(duì)的遭遇（或許）通過一種殘酷的方式揭露了這樣一個(gè)事實(shí)：一種元素的原子能夠自發(fā)地從一種脆弱的晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)變成堅(jiān)固的晶體狀態(tài)，反過來也一樣。

這樣的情況通常發(fā)生在能夠促進(jìn)原子重組的極端條件下，就像地核中的熱量和壓力將碳從石墨變成鉆石一樣。錫的這種轉(zhuǎn)化在13.33°C時(shí)就會(huì)發(fā)生。

即使是10月一個(gè)溫暖的晚上也可能導(dǎo)致錫長出這樣的“膿包”，導(dǎo)致白霜爬上它的表面。更低的溫度會(huì)加快這一過程。

即使沒有溫度的影響，任何施力過度或是變形（比如燃料罐被拋到堅(jiān)冰上導(dǎo)致的凹痕）都可能催發(fā)錫的這種轉(zhuǎn)變。哪怕錫只受到了一點(diǎn)兒局部損傷，比如表面的劃痕，都不能幸免。

這種情況有時(shí)也叫作錫“麻風(fēng)病”，因?yàn)樗鼤?huì)侵蝕到錫更深的內(nèi)部，就像惡疾一樣。

這種“β-α”的轉(zhuǎn)變甚至能釋放出巨大的能量，讓這種金屬發(fā)出吱吱嘎嘎的呻吟聲——這種聲音被生動(dòng)地描繪成“錫的尖叫”，盡管它聽起來更像是立體的靜電干擾聲。

-本期話題-

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編輯｜泰若克塔

圖片｜網(wǎng)絡(luò)

原標(biāo)題：《皮克斯新片來襲：現(xiàn)實(shí)中的元素周期表，比電影更瘋狂》

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