金属 (1) ：地壳与人体中的金属

供稿|贾成厂 / JIA Cheng-chang

金属的定义

金属是具有光泽、富有延展性、容易导电和导热等性质的物质。延伸定义，具有以下5个特征的物质被定义为金属：在常温下是固体；容易塑性变形，能够进行延展加工；不透明并具有闪亮的金属光泽；具有很好的导电与导热能力；在水溶液中以阳离子形式存在。但是，也有例外，汞(俗称水银)也是一种金属，常温下以液态形式存在。另外，非金属元素在特定环境下也可能呈现金属特征。例如，2017年初，有科学家发表文章称已经实验证明在近500 GPa高压下的氢以固体形态存在且具有金属特性，被称为“金属氢”。

一般认为，金属晶体内含有的自由电子数量决定了金属的特性。金属的化学性质比较活泼，因此在自然界中仅有金、银、铂等贵金属能够以游离态存在，而大多数金属都是以化合态存在，金属元素在化合物中通常会失去电子而显正价。金属化合物包括氧化物、硫化物、氯化物、硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐等。

金属具有较好的延展性可以归因于连接金属原子之间的金属键。金属键是金属特有的原子化学键，是由规则排列成晶格状的金属阳离子和在其周围运动的自由电子之间产生静电吸引力结合而成的。金属键的存在使金属原子之间具有很强的结合力，因而金属晶体中的原子都趋向于紧密排列。但是，不同的金属具有不同的晶体结构，大多数金属的晶体结构比较简单，常见的晶体结构有三种：面心立方晶格结构(fcc)、体心立方晶格结构(bcc)、密排六方结构(hcp)，这些结构具有不同的原子填充率，并影响金属的塑性变形。金属键没有方向性，受到外力作用时，金属阳离子之间相对位置的改变并不会破坏电子与正离子间的结合，因而金属具有良好的塑性。受外力作用时金属结合与离子结合的差异见图1。

图1 受到外力时金属结合与离子结合的差异

中国传统“五行”中的“金”

五行是中国古代道家提出的系统观，广泛应用于中医学等领域，认为可以将宇宙间的万物归纳划分为五种性质的事物：金、木、水、火、土，即五行。自然界各种事物与现象的发展与变化都是五行在不同条件的运动和相互作用的结果。五行分别代表事物演变过程的五种基本动态：金(代表收敛)、木(代表伸展)、水(代表润下)、火(代表炎上)、土(代表中和)。运用以金木水火土为中心的五行特性，将自然界中的现象、特征、形态、功能、表现等诸方面与五行中某一行的特性相类似，进行分类与归纳，就能够将各种纷繁复杂的现象归纳为五行规律，从而说明事物之间的联系及变化关系。五行之中“金”代表的含义非常广泛，涉及到人、事、情、理、物等很多方面，“金属”以及“金属制品”只是五行中“金”属性的“物”中很小的一部分。

元素周期表中的金属元素

有位外国专家说过，你要想了解中国汉字的博大精深，那就去看一下中文版的元素周期表吧。在中文版的元素周期表中，金属元素的汉字偏旁部首一般为“金”字旁，仅有一个金属元素“汞”(俗称水银)例外。常温常压下呈气体状态的非金属元素汉字一般为“气”字头。其他非金属元素的汉字一般为“石”字旁(有一个例外，溴)。元素周期表中，“气”字头的元素有：氢、氦、氮、氧、氟、氖、氯、氩、氪、氙、氡，共11种；“石”字旁的非金属元素有：硼、碳、硅、磷、硫、砷、硒、碲、碘、砹，共10种；加上溴，一共22种非金属元素。“金”字旁的金属元素有：锂、铍、钠、镁、铝、钾、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、铷、锶、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、锑、铯、钡、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、铊、铅、铋、钋、钫、镭、锕、钍、镤、铀、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹，等。也就是说，元素周期表中已知的112种元素之中金属元素占比80%以上，图2是元素周期表。

另外，不仅可以从元素汉字的偏旁部首来判定该元素是金属或非金属，而且根据形声字构成法基本上可以推定元素汉字的读音。

地壳中的金属元素

氧是地壳中含量最多的元素，由于氧气的化学性能活泼且大多数金属元素和非金属是亲氧元素，因此地壳中氧元素多以氧化物或者含氧酸盐存在于矿物和岩石中，例如石灰石、黏土、硅酸盐等。

铝是地壳中含量最多的金属元素，含量(质量分数)为7.73%，主要以铝土矿即Al2O3的形式存在于矿物和岩石中。工业生产中，电解氧化铝是制备金属铝的主要方法。在工业和生活中，铝及铝合金的用途极其广泛。

铁是地壳中含量排名第二的金属元素，含量(质量分数)为4.75%。纯铁呈银白色，有金属光泽。在工业生产中，铁是年产量最高的金属，因而铁也是最便宜的金属。

地壳中含量最少的元素就是具有放射性的碱金属元素钫，其原子核内有87个质子，即使是在钫的含量最高的矿石中也只有3.7×10-12g/t，钫在地壳中的理论总含量约为30 g。在铀矿及钍矿中含有微量的钫，每1018个铀原子中才能找到1个钫原子。钫的化学性质极其活泼，金属钫理论上是最活泼的碱金属，如果有1 mol的钫与水反应那么产生的能量将接近50 kg普通硝铵炸药爆炸的能量。

图2 元素周期表

图4是地壳中主要元素含量图。为方便记忆地壳中主要元素含量的顺序，编了一句谐音顺口溜“养闺女贴给哪家美(氧硅铝铁钙钠钾镁)”，各元素含量(质量分数)依次为：氧48.60%、硅26.30%、铝7.73%、铁4.75%、钙3.45%、钠2.74%、钾2.47%、镁2.00%、氢0.76%、其他1.20%。

图4 地壳中主要元素的含量

人体中的金属元素

常量元素

人体中含量较多的元素有11种，它们约占人体质量的99.95%。人体中含量(质量分数)超过0.01%的元素被称为常量元素，见表1。

人体内含量最多的金属元素是钙。钙在人体内的含量仅次于4种非金属元素氧、碳、氢、氮，约占人体总质量的1.5%～2.0%。人体中99%的钙贮存在骨骼和牙齿中，1%的钙分散在血液、细胞外液和软组织中。钙是维持生命活动中的重要物质，其作用是帮助人体构筑起坚固的骨骼与牙齿，参与诸如心脏的博动、神经的传导、肌肉的收缩、血液的凝固以及酸碱平衡等过程。钙与维持调节神经肌肉、毛细血管的通透性、参与凝血机制等多种生理活动密切相关，并起着重要的作用。常量金属元素在人体中的作用及每天适宜摄入量见表2。

表1 人体中的常量元素

表2 常量金属元素在人体中的作用及每天适宜摄入量

微量元素

在人体中含量(质量分数)低于0.01%的元素称为微量元素。一些人体必需的微量元素如表3所示。

为了便于记忆人体必需的微量金属元素名称，用谐音歌谣“铁骨童心歌孟母(铁钴铜锌铬锰钼)”联想孟母三迁的故事来记忆。一些必需微量元素对人体的作用及14～18岁人群每天的适宜摄入量见表4。

人体所必需的微量金属元素的作用：

钴与人体内缺乏维生素而导致高血压等心血管疾病有关。钴的主要功能是作为维生素B12的一个必需组成元素，而维生素B12是形成人体红细胞必不可少的物质。人体缺钴时，肠道细菌无法合成维生素B12，导致贫血，表现为头昏、食欲不振、皮肤苍白、口和咽部炎症及骨髓退行性病变。钴还有去脂和防止脂肪在肝中堆积以及扩张血管、降低血压的作用。钴还是人体中酶的组成成分，能促进多种营养素的合成。

铜在人体中的存在形式主要是铜蛋白质复合物。铜是骨骼、血红蛋白、红血球等形成的重要矿物质，它会影响铁的代谢及造血功能，影响中枢神经系统，并对骨骼及结缔组织代谢、能量代谢、心血管系统、毛发、皮肤和内分泌产生影响。人体缺乏铜时会严重影响儿童大脑发育，导致疾病。铜离子中毒则会导致动作失调、进行性精神障碍、肝肾损害等症状。海鲜、肉类、蔬菜、坚果等食物是为我们的身体提供铜的来源。

铬在糖尿病和心血管疾病病因学中的作用日益受到重视。三价铬能影响糖代谢，是人和动物体内所必需的，但六价铬的化合物是公认的致癌物。铬的主要来源食物：海藻类、鱼类、豆、坚果、根菜、谷类、奶制品、肉制品、蔬菜水果等。

表3 人体必需的微量元素

表4 人体必需微量元素的作用与摄入量

锰与人体代谢有着密切的联系，人体缺锰则表现为生长发育迟缓、体重减轻和低胆固醇症，并可引起骨骼畸形。

钼是一种抗癌元素。许多癌症，如食管癌、肝癌、直肠癌、宫颈癌、乳腺癌等都与缺钼有关。缺钼还导致神经异常、智力发育迟缓、骨骼生长受到影响等。

人体所需要的元素都有最佳含量，过多或过少都会对人体不利，可能会形成疾病，甚至致死。

结束语

金属元素占据了元素周期表的80%。地壳中含量最多的金属元素是铝，含量(质量分数)达7.73%，主要以铝土矿(主要成分为Al2O3)的形式存在。铝及其合金用途极其广泛。铁是地壳中含量排名第二的金属元素，含量(质量分数)为4.75%。铁是工业生产中年产量最高的金属。地壳中含量最少的金属元素是具有放射性的碱金属元素钫，总共理论含量约为30 g。人体常量元素有11种，人体中含量最多的金属元素是钙，其次为钾、钠、镁。钙的含量大约占人体总质量的1.5%～2.0%，与多种生理活动密切相关，并起着重要的作用。人体必需的微量元素主要有：铁、钴、铜、锌、铬、锰、钼。人体对微量元素的需要量很少，但对人体来说却是必不可少的。

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