皮克斯新片来袭：现实中的元素周期表，比电影更疯狂

本周末，《疯狂元素城》上映，迪士尼和皮克斯为我们带来了风、火、水、土等元素之间感人肺腑的故事。

这不禁让人联想，现实世界中的元素是否也能发生这么多故事？

别的不说，元素周期表上的“居民”是够多了，但我们接触它们，大多来自“氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖”的顺口溜以及各种复杂的化学式，至于它们之间能发生什么，则不在课堂的范围之内。

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学探险史，将一个个元素的传奇故事与奇妙化学性质讲述得麻辣鲜活，让我们看看元素背后都发生了什么吧！

[美] 山姆·基恩｜著

杨蓓 / 阳曦｜译

未读·探索家｜出品

01

会骗人的元素

薄荷糖让嘴巴感觉凉爽，是因为薄荷醇唤醒了寒冷接收器，它会让你像被北风吹过一样颤抖起来。对于嗅觉和味觉，元素也会耍一样的花招。

如果有人把一点点碲弄到了身上，那他好几周都会散发出大蒜一样的恶臭。

让人困惑的是，4号元素铍的味道和糖一样。铍——它是一种苍白色、不溶于水、熔点极高的小原子金属，看起来和环状的糖分子毫无相似之处——却能和糖一样唤醒相同的味蕾。

这样的伪装也许只是个玩笑，微量的铍虽然是甜的，但随着剂量增大，它的毒性会急剧上升。

据估测，全世界高达十分之一的人对铍过敏，有史以来最伟大的科学家之一恩里科·费米发现，就算是不过敏的人暴露在铍粉尘中，其肺部也会受到损害，和吸入极细的硅颗粒一样会引发化学性肺炎。

年轻的费米过多地吸入了这种化学“糖粉”，于是 53 岁时，他患上了肺炎，被牢牢拴在了氧气瓶上，他的肺已经被撕碎了。

铍能愚弄对它不了解的人，部分是因为人类的味觉实在有点儿扭曲。现在，人们公认5种味蕾中有一部分是靠得住的。

负责苦味的味蕾能分辨出食物，尤其是植物里的有毒氮化物，例如苹果种子里的氰化物。

负责鲜味的味蕾只认谷氨酸盐，谷氨酸盐便是味精（MSG）里的G，它是一种氨基酸，能够帮助蛋白质合成，所以这些味蕾会提示你食物里含有丰富的蛋白质。

不过，负责酸味和甜味的味蕾很容易上当。铍能骗过它们，某些植物浆果里特殊的蛋白质也能。

神秘果蛋白的确十分神秘，它能除去食物里令人不快的酸味，却不会改变食物的口感，所以它能让苹果醋喝起来像是苹果汁，或者让塔巴斯科辣酱尝起来像是意大利番茄酱。

神秘果蛋白会抑制负责酸味的味蕾，同时勾搭负责甜味的味蕾；酸产生离散的氢离子，在神秘果蛋白的作用下，一点点氢离子就可以激发甜味味蕾，于是你就尝到了甜味。

根据同样的原理，不慎吸入过盐酸或硫酸的人经常会想起当时牙疼的感觉，就像嘴里被塞了一片非常酸的生柠檬一样。

不过正如吉尔伯特·刘易斯证明过的，酸与电子及其他带电粒子的关系十分紧密。那么从分子层面上说，我们尝到的“酸味”只不过是味蕾被氢离子激活了。我们的舌头会将带电粒子产生的电流和酸的味道弄混。

02

比黄金更贵的元素

论通过元素周期表上某种元素挣钱的速度和数量，美国化学家查理·霍尔要自居第二的话，世上没人敢称第一。而这种元素就是——铝。

整个19世纪，许多天才的化学家将全部的职业生涯奉献给了铝。

1825年前后，一位丹麦化学家和一位德国化学家同时从有着悠久历史的止血药明矾中提取出了这种金属。因为它的光泽度，矿物学家们立即将铝归入贵金属之中，同银或是白金并驾齐驱，1盎司（约28克）值好几百美元。

20年后，一位法国人设法将这两位化学家提取铝的办法应用到工业中去，使得铝有效地商品化了。但就价格而言，它依然要比黄金贵。

这是因为，尽管铝是地壳中最普遍的金属，按重量计算的话大概占到地壳组成部分的8%，比黄金要常见千万倍，但它从来没有以纯粹的铝矿脉形式出现过。它总是同其他元素结合在一起，通常是氧。纯粹的铝样品被认为是奇迹般的存在。

法国人曾经展出过一些铝块，这些铝块享受着诺克斯堡级别的待遇，就摆在他们的王室珠宝旁边。而那位第二帝国的皇帝拿破仑三世则定制了一套铝制餐具，专为宴会上的特别来宾准备（不那么重要的客人用的则是金质的刀叉）。

在美国，那些为政府工作的工程师，为了展示自己国家的工业技术实力，在1884年给华盛顿纪念碑加上了一个6磅（约 2.7 千克）重的铝质锥形顶。一份历史报告指出，当时1盎司（约 28 克）从这个锥形顶上削下的薄片，换成钱，就能支付安置它的所有工人的日薪。

铝盘踞世界最贵重物质宝座的日子持续了60年，但好景不长，它的这份荣耀很快被一位美国化学家终结。这种金属的特性——轻、结实、导电性好——将工业制造者们的心逗得直痒痒，而且它在地球上的广泛分布隐含着引发金属制造业革命性巨变的可能。它诱惑着人们，但是还没人想出有效地将它同氧分离开来的办法。

1886年，查理·霍尔从手工做的蓄电池（输电线那时还不存在）里引出一股电流，通过溶有铝化合物的液体。来自电流的能量震击并解放了铝离子，它们附着在水箱底部的一小块银上。

在化学史上，纯铝是自点金石之后最让科学家们梦寐以求的战利品，而霍尔得到了它。当时这个“超级铝小子”刚刚23岁。

在法国，化学家保罗·埃鲁无意间也发现了提纯铝的方法，同霍尔的大致差不多。紧随其后，一位奥地利人在1887年发明了另一种分离铝的方法。

面对这些迎头赶上的竞争对手，霍尔当机立断在匹兹堡建立了Alcoa，即后来的美国铝业公司。这个冒险之举成就了历史上最成功的商业帝国之一。

Alcoa的铝产量以爆炸式的速率增长。1888年它成立的头一个月，每天只能生产50磅（约 23 千克）铝；20年之后，它每天要输出8.8万磅（约40吨）铝以满足市场要求。

当铝的产量飙升，价格也随之狂跌。霍尔出生之前，人类在调控铝价格上做出的重大突破不过是在7年之内将它从每磅550美元降到每磅18美元，而50年之后，霍尔的公司将铝的价格降到了每磅25美分，这一价格甚至连通货膨胀时都没有上调过。

这种程度的产业增长在美国历史上大概只有一次被超越，就是80年之后的硅半导体革命，而且就像日后的计算机巨头一样，霍尔发了大财。当他在1914年去世时，拥有价值3000万美元（相当于今天的65亿美元）的 Alcoa股票。

感谢霍尔，铝成为真正稀松平常的金属，所有人都认识它：易拉罐、少年棒球联盟的球棒、飞机的机身，都是由它制造的。

03

得“麻风病”的元素

1911年，一支由罗伯特·福尔肯·斯科特率领的英国极地探险队决心成为首批到达南纬90度的人。

艰难跋涉了数月之后，斯科特带着5个人于1912年抵达了南极点，但他们晚了一步，罗阿尔德·阿蒙森率领的队伍比他早一个月抵达了南极点。

斯科特的南极探险队，1912 年 1 月。中间站立在国旗前的是斯科特。他们用一根绳子操纵快门，拍下了这张合影。

斯科特在日记中简短地记下了这一时刻:“最糟糕的情况发生了。所有的梦想都破灭了。”紧接着写道，“上帝啊！这是个可怕的地方。现在我们得赶紧拔腿往回走，并且不顾一切地活下来。我怀疑我们能不能做到。”

除了被沮丧情绪笼罩，他们被暴风雪围困了好几个星期，遭遇了饥饿、坏血病、脱水、体温过低以及坏疽。而最要命的是燃料的缺乏。

一年前斯科特曾进行了穿越北极圈的探险，其间发现燃油罐的皮革封口漏得厉害，几乎让他损失了一半燃料。于是为了此次南极探险，他的队伍尝试着往封口上加了锡层，并且用纯锡作为焊料。但是当他带着狼狈不堪的队员找到之前那些支援人员留下的燃料罐时，却发现大部分都是空的。有时候情况更糟糕：燃料渗漏到了食物上。

据官方的说法，他们在1912年3月末遇难，倒在了离英国考察基地只有11 英里（约17.7千米）的地方，没能挺过最后一个夜晚。

在那个时代，斯科特就像尼尔·阿姆斯特朗一样受欢迎，人们一直在寻找理由为他的失败开脱，而元素周期表适时地提供了一个替罪羊：被斯科特用作焊料的锡。

锡从《圣经》时代开始就被当成一种宝贵的金属，因为它很容易塑形。讽刺的是，冶金学家越是精炼提纯锡，就越让它在日常使用中变得糟糕。

不管什么时候，只要纯锡的工具、锡币或是锡玩具遇冷，发白的锈斑就会悄悄“爬上”它们的表面，就像冬天里窗户凝霜一样。这些白锈会进一步变成大面积爆发的“脓包”，腐蚀着锡，使它变得脆弱不堪，直到最后碎成粉末。

现在的科学家已经知道，这种情况的发生是因为固态锡内部的原子能以两种不同的方式排列，当遇冷时，它们就会从坚固的“β 结构”变成脆弱的、粉末状的“α 结构”。

斯科特探险队的遭遇（或许）通过一种残酷的方式揭露了这样一个事实：一种元素的原子能够自发地从一种脆弱的晶体状态转变成坚固的晶体状态，反过来也一样。

这样的情况通常发生在能够促进原子重组的极端条件下，就像地核中的热量和压力将碳从石墨变成钻石一样。锡的这种转化在13.33°C时就会发生。

即使是10月一个温暖的晚上也可能导致锡长出这样的“脓包”，导致白霜爬上它的表面。更低的温度会加快这一过程。

即使没有温度的影响，任何施力过度或是变形（比如燃料罐被抛到坚冰上导致的凹痕）都可能催发锡的这种转变。哪怕锡只受到了一点儿局部损伤，比如表面的划痕，都不能幸免。

这种情况有时也叫作锡“麻风病”，因为它会侵蚀到锡更深的内部，就像恶疾一样。

这种“β-α”的转变甚至能释放出巨大的能量，让这种金属发出吱吱嘎嘎的呻吟声——这种声音被生动地描绘成“锡的尖叫”，尽管它听起来更像是立体的静电干扰声。

-本期话题-

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编辑｜泰若克塔

图片｜网络

原标题：《皮克斯新片来袭：现实中的元素周期表，比电影更疯狂》

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