金属的色、味和毒

供稿|张建斌, 余冬梅, 贾建刚 / ZHANG Jian-bin, YU Dong-mei, JIA Jian-gang

金属的色、味和毒

The Color, Taste and Toxicity of Metals

供稿|张建斌, 余冬梅, 贾建刚 / ZHANG Jian-bin, YU Dong-mei, JIA Jian-gang

内容导读

金、银、铜和铁为何呈现出不同的金属色泽？黄金观念已被白金、红金、粉金、蓝金、紫金、玫瑰金等视觉上呈现不同色彩的“金合金”所替代，各色金正被越来越多地运用到艺术品和手表、手饰等商业领域。“金属味”是否为酸、甜、苦、咸、鲜味之后的第六种味道？铜、锌、金、不锈钢金属餐具也会影响食物的色泽、味道和口感。大部分金属元素既有毒性又是人体所必需的，关键是人体内所含金属元素的毒性剂量。

金属的色

黄金、白银、青铜和黑铁都是我们耳熟能详的词汇，令人感到奇怪的是，为何金、银、铜和铁会呈现出不同的金属色泽呢？这要归因于每种金属对特定波长光的反射/吸收的比例不同。固体金属都是以金属键结合而成的金属晶体，金属内的原子以最紧密的堆积状态排列，其自由电子的运动范围是整块金属。当白光照到金属表面时，一个光子击中一个电子，电子吸收光子，并跃迁到一个更高的能量状态。通常，当吸收光子之后，处于非稳态的电子便会释放相同能量的光子，以回复到初始的稳定状态，即光的反射；但如果一个电子被激发并跃迁到一个稳定状态，就不会发出光子，即光的吸收。金属的光泽只有在整块时才能呈现出来，大部分的纯金属是银灰色，只有少数金属，颜色各异，如金呈黄色、铜呈赤红、铯呈浅黄、铋呈淡红、铅呈淡蓝。

值得注意的是，金属处于粉末状态时，由于晶体排列不规则，可见光被自由电子吸收后难以反射出去，因此，金属粉末一般呈银灰色，只有少数金属的粉末会保持原来的颜色及光泽，例如金和铝。

基于金属的颜色，早期将金属分为黑色金属(ferrous metal)和有色金属(non-ferrous metal)并沿用至今。黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金，如钢、生铁、铁合金、铸铁等。事实上铁和锰是银白色的，而铬是银灰色。但由于钢铁在自然界中容易氧化，其表面通常会覆盖一层黑色的四氧化三铁，而锰及铬主要用于冶炼黑色的低合金高强度钢及不锈钢等合金钢而被归类为黑色金属。有色金属的定义可从其英文“non-ferrous metal”中得到诠释，即有色金属是指非黑色金属，中文文献中通常把除黑色金属以外的其他金属称为有色金属。铝、铜、钛、铅、镍、镁、锌等都是重要的有色金属。有色金属及其合金具有鲜亮而引人注目的金属色泽，如铜就有紫铜、青铜、黄铜和白铜，在工程和商业领域得到了广泛应用。

图1 金-银-铜合金颜色

金是一种呈金黄色的贵金属，故称黄金。可以说黄金在所有金属中，颜色最黄。每克拉K (英文carat、德文karat的缩写)含金量为4.166%，金无足赤即100%的纯度是不可能的，24K金常被认为是纯金。纯金质软，掺杂的其他元素可防止黄金首饰因易磨损而减少份量，18K金具有延展性强、坚硬度高、不易变形或刮伤以及色彩多变等特点而被广泛应用。金-银-铜合金中金属配比不同赋予金以不同的颜色和色泽，见图1(上金-黄，左银-白，右铜-红)。18K金含铜量高呈红色，如18K红金即75%的纯金加上25%的纯铜；18K的金含银量高呈绿色，如18K绿金即75%的纯金加上25%的纯银。金-银-铜合金颜色随银加入量增加，颜色会变浅，加入越多的银，红色就会越浅。如金75%，铜22.25%，银2.75%呈玫瑰色；金75%，铜20%，银5%呈粉色；金75%，铜15%，银10%呈淡粉色。表1列出了部分金的颜色、合金成分及说明。

借鉴金添加了不同元素后的不同质地与色泽效果的经验，已经合成出蓝金、紫金等具有商业秘密的合金。蓝金是金铁化合物，具有深不可测的湛蓝色光辉；紫金是金铝化合物，高脆性的紫金常被加工成珠宝首饰表面上的“宝石”。

视觉上呈现出不同质地、不同色彩的白金、红金、粉金、蓝金、紫金、玫瑰金等正让手表、纪念币和首饰多姿多彩，见图2。

其实，只要有需求，材料学家可以合成咖啡色、灰色甚至黑色等多种不同色彩的18K金。

表1 部分金的颜色、合金成分

图2 各种颜色金手表

金属的味

酸、甜、苦、咸是我们对味觉的描述，而由日本科学家池田菊苗(Kikunae Ikeda)提出的“鲜味(umami)”存在了近一个世纪后终于获得科学界的正式承认，氨基酸谷氨酸能产生强烈的鲜味。那么金属又具有什么味呢？

味道是人体受到的外界刺激(食物)和受体(味蕾)之间的化学反应之一。人类对于刺激的感官印象包括舌头上表面的味蕾所获得的味觉、鼻子中的嗅上皮细胞所获得的嗅觉、由机械感受器所感受到的口感以及由温觉感受器所感受到的温度高低。其中，舌头尝到的和鼻子闻到的，统称为味道。

溶液中的一些金属会产生“金属味”——一种独特的，有别于酸、甜、苦、咸、鲜味之外的味道。如在自来水中铁或铜的“金属味”——镀锌钢供水管道或铜制接头腐蚀产生的味道；在口腔出血的时候则会尝到“金属味”——血液中含有大量铁离子的味道；血液中“金属味”是肉食动物分辨猎物位置、捕食者发现含血的新鲜肉类的重要信号。

事实上，金属餐具勺子(注：金属须无毒，少许摄入对人体有益)不但是盛送食物的器具，更会影响食物的味道和口感。伦敦大学学院(University Col- College London)的佐伊·劳克林博士(Zoe Laughlin)与马克·麦道尼克教授(Mark Miodownik) 研究了不同金属铜、锌、金和不锈钢制作的外形一模一样的勺子有何不同口感，见图3。铜勺和锌勺被认为最具金属味；金勺颜色美观但无金属味；不锈钢勺有一丝淡淡的金属味。而金属味与其电极电位密切相关，使用标准电极能够很准确地估测出固体金属的味道。此外，锌制餐具盛放烤黑鳕鱼后，其口味使人感到恶心、不适；铜制餐具盛放柚子，其口味使人难以入口、下咽。但用锌制餐具和铜制餐具盛送芒果等酸性食物时，其金属味使芒果的酸甜味变得爽口。而增加勺子质量会让吃的食物味道更好、更甜、更有饱足感。

可见，材料科学除了研究金属的结构特点和性能外，研究金属如何影响食物的味道和口感也是一种全新的拓展。

图3 (a)铜，(b)锌，(c)金，(d)不锈钢(铁-铬)勺子

金属的毒

毒性是毒物的化学分子或化合物到达生物敏感部位引起机体损害的能力。金属材料对机体损害短期出现排异、红肿、疼痛等临床表现；长期则出现破坏免疫功能和摧毁人体器官生理功能，如致癌、致畸、致残等。

所有的金属对人体都会产生毒性，但大部分金属元素又是人体所必需的，关键是人体内所含金属元素的毒性剂量。不溶性的金属以及金属化合物形式往往表现出微不足道的毒性；重金属通常被认为是毒性金属的代名词；而放射性金属元素具有放射性毒性和化学毒性。

世界公认的六类对人体健康威胁最大的有害元素，分别是铅Pb、镉Cd、汞Hg、六价铬Cr6＋、多溴二苯醚PBDE、多溴联苯PBB。后两者为含毒有机物，其余的均为金属元素。表2中列出了欧盟制定的环境保护限制措施及材料相关条例(RoHS、PPW和ELV)，可见Pb, Cd, Hg, Cr (VI) 和Br的元素含量是需要严格控制的。为了使电子电气设备便于回收以及保证设备回收工作的可执行性，欧盟提出了WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment)，即废弃电气电子设备指令。WEEE指令声明生产商(包括进口商和经销商)对进入欧盟市场的废弃的电气电子产品，要负责回收和处理，并对新投放到欧盟市场的电气电子产品必须加贴回收标志。该指令涉及的回收对象包含大型及小型家用电器、信息技术和通讯设备、用户设备、电子和电气工具(大型固定工业工具除外)、玩具、休闲和运动设备、医用设备、监测和控制器械、自动售货机等9大项。据预计，从2016年起，产品在投入市场后的两年内，WEEE收集率至少将达到产品平均质量的65%。与我们生活相关的包装材料、电器产品、汽车零组件中铅、汞、镉、六价铬金属含量已被欧盟严格控制。

表2 欧盟制定的环境保护限制措施

金属铅容易在空气、土壤及水中发生化学反应，其表面会形成一层具有保护作用且不溶的无机铅化物，这些铅化物统归为有害物质，其毒性效应各有不同。铅常存在于橡胶生产、染料、印刷、陶瓷、铅玻璃、焊锡、电缆和铅管、生产废水和废弃物之中。另外，汽车尾气中的四乙基铅则是剧毒物质。铅在人体中会影响中枢神经系统及肾脏。血液中的铅浓度超过10 µg/dL时，机体就会产生敏感的生化反应，若长期曝露使血液铅浓度达到60～70 µg/dL时，就会造成人体临床铅中毒。

金属镉的毒性很低．但其化合物毒性很大。人体的镉中毒主要是通过消化道与呼吸道摄取被镉污染的水、食物、空气而引起的。镉在人体中有积蓄作用，其潜伏期可长达10～30年。据报道，当水中镉超过0.2 mg/L时，居民长期饮水和从食物中摄取的含镉物质，可引起“骨痛病”。实验研究表明，进入人体和温血动物体内的镉，主要累积在肝、肾、胰腺、甲状腺和骨骼中，致使肾脏器官等发生病变，可引起贫血、高血压、神经痛、骨质松软、肾炎和分泌失调等病症，并影响人的正常活动。1950—1960年日本发现镉不利人体健康的效应(痛痛病)之后，镉对人体健康及环境的影响开始得到了广泛地关注和讨论。工作者因工作环境而长期曝露于高浓度的含镉熏烟或悬浮微粒的灰尘中，会严重影响其肾脏及呼吸系统，甚至出现肾脏衰竭。

汞存在于电源设备和光源设备中，被归类为一种危险物质，是吸入性毒物且具有生物累积效应。对人体的效应主要是影响中枢神经及肾脏系统。中毒会导致记忆力明显减退、注意力不集中、全身乏力等。其在某些环境状况下具有转变成有机汞的潜在威胁，造成其毒性特质增强。汞有一个显著的潜能：生物累积及生物放大。这个结论已在各种不同生物之环境毒性效应中得到了证实。

铬是地壳中蕴藏着较丰富的金属之一，是非常坚硬的灰白色金属。铬用于不锈钢、电镀、制革、油漆颜料、染料、木材防腐处理、防锈处理、合金等。常见的装饰性镀铬包括设备器具、珠宝、塑料球形门柄、硬件、手工具及汽车零件。六价铬为吞入性毒物和吸入性极毒物，皮肤接触可能导致过敏，更可能造成遗传性基因缺陷致使胎儿智力发育不良，吸入可能致癌并诱发基因突变，对环境有持久危险性。六价铬化合物口服致死量约1.5 g左右，水中六价铬含量超过0.1 mg/L就会中毒。铬对人体的毒害作用类似于砷，其毒性随价态、含量、温度和被作用者不同而变化。但金属铬、三价或四价铬并不具有这些毒性。目前国内外汽车业推行三价铬替代六价铬，但三价铬配方昂贵且仍然含铬，所以替代只是暂时性的，未来发展应是完全不含铬的方式，如合金或复合电镀。

除铅、汞、镉、六价铬金属元素外，有毒的类金属三价砷As3+和过量的铝Al都对人体有害，甚至中毒身亡等。虾、蟹等软壳类食物含有大量浓度较高的五价砷的化合物即砷酸酐，亦称五氧化砷(As205)，五氧化砷本身对机体并无毒害作用。但在服用维生素C之后，由于发生氧化还原反应，使得原来无毒的五价砷转变为有毒的三价砷即亚砷酸酐，亦称三氧化二砷(As203)，即俗称的砒霜。所以：为慎重起见，在服用维生素C期间，应当忌食虾类。世界卫生组织规定人体每天的摄铝量应控制在0.004 g以下，铝在人体内是慢慢蓄积起来的，其引起的毒性缓慢、且不易察觉，然而，一旦发生代谢紊乱的毒性反应，则后果非常严重。因此，应避免使用铝制成的炊具。

张建斌 (1972—)，男，副教授，任职于兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃省有色金属材料省部共建国家重点实验室， 从事金属材 料组织性能和表面改性研究。E-mail：jbzhangjb@gmail.com。

余冬梅 (1986—)，女，兰州理工大学材料科学与工程学院，从事激光表面改性研究。E-mail:bjyudongmei@ gmail.com。

兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃省有色金属材料省部共建国家重点实验室，甘肃 兰州 730050

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.05