明矾的穿越奇旅

金羽涵 ，郭今心

1山东大学基础医学院，济南250012

2 山东大学化学化工学院，济南250100

大家好！我是明矾。早餐时间要到了，我的主人——一位化学家老爷爷正在厨房里调配面糊，他准备为小孙女聪聪炸油条。老爷爷把盛有我的小罐子从柜里取出来，舀出少量明矾溶解在清水里，加入面粉和其他配料，揉出了一个光滑的面团。一旁的聪聪手指着躺在小罐子里的我，问道：“爷爷，您往面团里加了冰糖吗？”

“我才不是冰糖呢!”我大叫道，把爷孙俩吓了一跳，“我是明矾，又叫白矾，化学名称是十二水硫酸铝钾[KAl(SO4)2·12H2O]。”老爷爷笑着说：“明矾长得有点像冰糖，是无色透明、味道酸涩的晶体，一种含有结晶水的硫酸钾和硫酸铝的复盐。”

聪聪脸红了，小声对我说：“不好意思，我还从来不认识你呢，也不知道你能用来炸油条。”

老爷爷把揉好的面团拉成许多长条，炸至金黄酥脆。油条出锅后，聪聪迫不及待地品尝起来：“真香啊！爷爷，油条里为什么有这么多孔呢？”

“做油条时，要把明矾、食碱(碳酸钠)、食盐等加入面粉里揉成面团，明矾和碳酸钠发生化学反应，产生二氧化碳气体和氢氧化铝(图1)，面和氢氧化铝形成的薄膜裹住气体，油炸时气体遇热膨胀，就形成了油条里的孔，”老爷爷补充道，“咱们平时吃的凉拌海蜇里也有明矾呢。古代傍海而居的劳动人民早已发现新鲜海蜇虽然鲜美，却不能立即食用，这是因为新鲜海蜇的刺丝囊内含有毒液，被蜇伤者皮肤伤处可能出现条带状红斑，甚至全身出现强烈的过敏反应。鲜海蜇需要通过明矾和食盐腌制脱去其中的水和毒性粘蛋白，直到呈现浅红或浅黄色，才可食用[1]。”

图1 明矾与碳酸钠的反应

我惊叹道：“老爷爷，您真是太了解我了！”

“你的应用远比我说的广泛！”老爷爷对我说。聪聪吃饱了，缠着爷爷再多讲几个明矾的用处。老爷爷把盛着我的小罐子塞进口袋，从书房里取出一本纸页泛黄的古书，打开第一页，神秘地说：“闭上眼睛，让历史书带咱们穿越回古代，去看看古人是怎么利用明矾的……”

1 画家好帮手

第一站，我们潜入了南唐的宫廷画院。画桌前，画家顾闳中正在绘制著名的《韩熙载夜宴图》(图2)。他用狼毫小笔细细勾勒出人物的轮廓，再用其他色彩小心填涂，把人物的一颦一笑和着装的细节都描绘得栩栩如生。

图2 韩熙载夜宴图(局部)

聪聪注意到，画家用的宣纸有些特别。画家告诉聪聪，他用的是熟宣纸。工笔画注重细节，要求纸张不易渗水，色块不易大面积晕染，而只有熟宣纸才能满足上述要求。

我小声告诉爷孙俩：“传统的手工制作熟宣纸的方法是将明矾与骨胶按一定比例混合，将混合液均匀刷在生宣纸上，使生纸变成熟纸。由于我与纸纤维紧密结合，填充了纸张原有的微小孔隙，水就不易浸润纸张，同时也提高了纸张的光泽度和强度[2]。此外骨胶也可以增加纸的韧性。”

“这是什么呀？”当他们走进画院的另一个房间，聪聪指着桌子上的一桶乳白色胶状液体问爷爷。“这是裱画用的浆糊呀，”爷爷微笑着回答，“作品完成后，画师需要把画作交给装裱师。书画界有‘三分画七分裱’一说，裱画是否成功主要取决于浆糊(装裱用的粘合剂)的质量，它的制作方法还是比较复杂的：花椒熬汤取汁放冷，将白面轻轻撒上，使其慢慢下沉，次日清晨搅匀。滤去原来的花椒汁，加入白矾用新水调和搅匀至不结块，小火加热凝固，再加入花椒汁，煮至成黏性强的浆糊。”

聪聪疑惑地看看爷爷：“浆糊里为什么要加入明矾呢？”还没等老爷爷开口，我就抢着说：“因为我水解形成氢氧化铝胶体后，可促进浆糊里的淀粉沉淀，避免接缝开裂，还具有干燥吸湿、防腐抗菌等作用[3]，让画作‘容颜永驻’。”

“没错，”老爷爷点点头，停顿了一下，“另外，花椒果实中含有香茅醛(图3)、水芹烯(图4)，它们的强烈辛辣气味也能驱赶蠹虫[4]。”

图3 香茅醛的分子结构

图4 水芹烯的分子结构

2 净水小能手

第二站，我们穿越到宋代的一座小村庄。这里的空气清新而湿润，村边的小溪涨满了浑浊的水，几个村民正在用木桶担水。

聪聪走到他们身边，好奇地问道：“乡亲们，河水这么浑浊，怎么用来洗衣做饭呢？”

一个小伙子放下扁担说：“平日里，这是一条小清河，家家户户从河里汲水煮茶、洗衣、做饭，只是今天雨水把溪水搅浑了。不过，没关系，我们担水回家，把水倒进水缸里以后，只要投进去一块明矾。片刻之后，原本浑浊的水就变得清澈见底了。”

“原来明矾是净水小能手啊！”聪聪赞叹道。

老爷爷点点头：“宋朝赵希鹄在《调燮类编》里写道‘井水沸起者勿食，屋漏勿食，浊水未经杏仁泥或明矾渟清者勿食’[5]，这说明在宋代甚至宋代以前，明矾已经被用于家庭净水了。明矾之所以成为净水小能手，是因为它能水解生成氢氧化铝(图5)，氢氧化铝胶粒带正电荷，对水中带负电荷的杂质有很强的吸附能力，原本分散在水里的杂质纷纷聚在胶粒身边形成大颗粒，最后沉入水底。”

图5 氢氧化铝的生成反应

我得意地告诉爷孙俩：“我不仅在家庭中被派上了大用场，还早早被应用于工业净水。1883年，上海杨树浦水厂用硫酸铝做净水药剂，1935年《东方杂志(第19期)》中由朱顺麟拍摄的一座精美的矾亭(图6)证明了我在近代水厂的广泛应用。安全洁净的自来水经过我的处理进入千家万户，极大地改善了人们的生活[6]。”

图6 矾亭(朱顺麟摄)

3 神奇媒染剂

雨过天晴，阳光照耀下，村里一簇簇朱红的凤仙花更鲜艳了。花丛里传来一对母女的声音：“娘，给我染指甲嘛。”“好好好，回家就捣花泥给你染指甲。”

聪聪循着声音跑到母女身边，问：“请问这种花可以用来染指甲吗？”

正在采摘花瓣的母亲回头望向聪聪，回答道：“是呀！”

“太好了，我也要染指甲！”聪聪边说边摘下花瓣，揉碎了，在指甲上反复涂抹。

“小姑娘，这样不行的，”女孩的妈妈笑着告诉聪聪，“凤仙花瓣需要加入明矾捣成红泥，再敷在指甲上，用花叶裹好，一天后取下，指甲才能变成漂亮的红色。”

一旁手挎花篮的女儿发现聪聪一脸不解的表情，急忙补充道：“直接用凤仙花泥染色，很容易褪色，只有加入明矾，指甲上的红色才能保持得更久。”

聪聪自言自语道：“原来古代的‘指甲油’含有明矾呀！”

我告诉她，我能让指甲上的红色更鲜艳持久，是因为凤仙花瓣中的色素分子与我含有的铝离子络合后变得更稳定。

老爷爷带我们走进一家染坊，这里晾晒着五颜六色的布匹。那么，明矾对印染有什么帮助呢？老爷爷说：“古人用植物中提取的天然色素染布，但有的色素和布料的亲和度不强，需要以媒染剂作为载体，才能紧紧附着在织物上。例如，从苏木的树干中心提取的色素——苏木素一直被用作天然染色剂。苏木素被氧化后，拥有高度共轭的醌式结构(图7)。在苏木素染液中，苏木素提供孤对电子，媒染剂明矾电离出的铝离子提供空轨道，形成配合物或螯合物[7]。明矾能显著改善苏木素的染色效果，而且，苏木素在不同的媒染剂如二氧化铁、氧化铬作用下会变换不同的颜色。”

图7 苏木素的氧化

4 治病老专家

下一站，我们前去拜访明代的名医李时珍。他在著作《本草纲目》中记载我有4种作用：首先，因为我味道酸苦，有化解积痰的功效；第二，我有收敛之力，能治疗淤血疼痛、直肠脱垂、阴挺等疾病[8]；第三，我可以调理脾、肺、肾功能；第四，外用我可以解毒杀虫、燥湿止痒[9]。

“你的功效可真不少！”聪聪不禁夸奖我。

“嘿嘿，除了亲自上阵治疗人们的疾病，我也乐于帮助其他中药减轻它们的毒副作用，”我害羞地笑笑，“比如我的好朋友半夏，它的干燥块茎具有去湿化痰、治疗呕吐等功效，但未经处理的半夏毒性较大，误服会出现粘膜及皮肤刺激，口舌肿胀，呼吸缓慢甚至窒息死亡。我能帮助它降低毒性，发挥它的最大功效，扬长避短。”

老爷爷解释道：“现代研究发现，明矾能够降低半夏毒性的主要原因是：一定浓度下，白矾溶液中的铝离子可以与组成毒针晶的草酸钙中的草酸根络合(图8)，使其分解破坏；同时，白矾溶液呈弱酸性，可以使毒针晶中的凝集素蛋白水解乃至溶解[10]。”

图8 铝离子与草酸钙的反应方程式

5 建筑美容师

最后一站，我们来到了清代紫禁城的修缮现场。我告诉爷孙俩：“能工巧匠在修筑北京故宫的过程中用到了我，增强了建筑的稳定性和耐久性[11]。”

这时，一位主管官员向我们走来，指向身后的台基介绍说：“紫禁城建筑的台基、栏板等的建造方法可以概括为石材铺墁、白矾溜缝(图9)。《工程做法》规定石材宽一尺长一丈，接缝处用的灰浆的配比为生石灰六十斤、糯米三合、白矾六两[11]。”

图9 紫禁城古建筑的台基、栏板和望柱

老爷爷说：“咱们家装修时，请工人在地面、墙面的瓷砖缝里涂了美缝剂，而明矾就像古代建筑中的‘美缝剂’，使石材紧密粘合，密不透风，不仅使建筑物更加稳固防水，还使之更加整齐美观，就像美容师一样，为建筑物美颜……”

6 我的利与弊

话音未落，一道强光闪过老爷爷和聪聪的眼睛。老爷爷揉揉眼，眼前是家里那张熟悉的餐桌，桌上盘子里还躺着早餐剩下的几根油条，古书的最后一页刚刚合上。“爷爷，咱们从历史书里出来，回到家了！”聪聪喊道，“多奇妙的穿越之旅啊！咱们的祖先真是充满了智慧，让明矾在生活里的方方面面施展才华。”

“是啊，随着化学学科的飞速发展，明矾也在灭火、科研等领域大显身手，”老爷爷轻轻地把我从口袋里取出来，“首先，泡沫灭火器内盛有约1 mol·L−1的明矾溶液和约1 mol·L−1的碳酸氢钠(小苏打)溶液，其中明矾是过量的，这是为了使灭火器内的小苏打充分反应，释放出足量的二氧化碳，以达到灭火的目的(图10)。另外，明矾在实验室中为染色剂做助手。显微镜下，为了便于观察生物组织微细结构，有时需要染色。常用的Harris氏铝苏木素溶液就是由苏木素、明矾以及无水乙醇等物质按一定比例配制而成。明矾作为媒染剂，与苏木素一起形成不溶的蓝色复合物，把细胞中的酸性物质(如核酸、酸性酶类)染成浅蓝色。”

图10 明矾与小苏打的反应

我不好意思地挠挠头，轻声说道：“谢谢你们的夸奖，我虽然有许多闪光点，但也有‘不光彩’的一面。我曾被大量用于食品添加剂(如含铝泡打粉)中，可是我含有的铝会使人记忆力减退，抑制免疫功能，阻碍神经传导，影响骨骼和神经系统的健康，而且铝从人体内排出速度很慢。也有研究指出铝与老年性痴呆症有密切关系[12]。因此，为了健康，大家应该少吃含铝的食物啊！”

聪聪望望桌上的油条，吃惊地张大嘴巴说：“啊？不会吧——”

“别担心，别担心！”我急忙安慰她：“在规定范围内少量食用我对身体没有危害，我在消化道内生成的氢氧化铝还可以中和胃酸(主要成分为HCl)，保护胃黏膜呢！”

老爷爷查阅了相关资料，得知世界卫生组织于1989年正式将铝确定为食品污染物，国际上要求面制食品中铝含量必须控制在100 mg·kg−1以下[13]。“所以，我们要在食物中严格控制明矾的使用。以后再给聪聪炸油条时，我要用无铝泡打粉代替明矾啦！”

回顾这次奇妙的穿越之旅，我收获了丰富的化学知识，也信心倍增，从小姑娘聪聪眼中的“小透明”变成了她心目中的“全能选手”。

最后，开诚布公地说，虽然我给大家的生活带来了诸多的便利——传统食品里有我的影子；工业净水离不开我；坚固的建筑、古朴的书画里隐藏着我；中药铺和传统染坊也需要我……但是，请大家也一定要注意防范我对人们健康的危害。这样，我才能永远维持自己的正面形象，为人类服务。我叫明矾，请大家记住我！