地壳元素“丰度”与人类历史单质金属金属性

分省院第四届科普征文大赛一等奖作品作者江鸿

我们从春秋战国说起。

这两个时期的过渡,据说是个“礼崩乐坏”的过程。春秋时期给人的印象,主要是诸侯争霸和百家争鸣;而战国时期,给人第一感觉应该是铁与血、尔虞我诈——白起坑屠赵降卒、张仪耍弄楚怀王。从春秋到战国,以前的历史课本教给我们的是中国由“奴隶制社会”过渡到了“封建社会”;由生产力决定生产关系,同时“青铜时代”过渡到了“铁器时代”。这两个时代的用于制造工具的主要金属,无疑是“铜”和“铁”。那么,为什么一定是青铜时代在前,铁器时代在后,而不是反过来?为什么换了种金属,时代风气就恶化了呢?

图1中学课本中的金属活性顺序表

纯铜用作工具,硬度强度还是不够好。铜之前的锡、铅,也是人类早期常用的金属。因地壳丰度较低,只能用作合金配料来降低冶炼难度、提高产品性能。如锡与铜合金青铜,熔点只有约800℃,而铜的熔点是1083℃。这样青铜比纯铜更容易实现浇铸,制成特定形状的祭祀用品;青铜的强度也比纯铜好,不易变形、扛造,更适合做工具或武器。比较有名的青铜器有司母戊鼎、马踏飞燕等;青铜剑是那个时期较常见的武器。

图2“马踏飞燕”,虽然是东汉时期的,但它是可以与“司母戊鼎”齐名的中国青铜器代表

图3青铜剑

但铜在地壳中含量并不太多,限制了它作为生产工具的产量。一种元素在地壳中的质量占比,称为它在地壳的丰度。地壳中丰度最高的5种元素是“氧、硅、铝、铁、钙”,里面有人类常用的铝和铁,没有铜的事情。查阅这些元素的丰度,如表:

*表中“氧硅铝铁钙”引自《视觉之旅·神奇的化学元素》,其它含量少的元素引自《地球化学》,地质出版社2012年版。

也因此,铁制农具的普及度远高于铜制农具,可大规模提高农耕效率,进而增加粮食产量。与此同时,原有的土地可以滋养更多的人口。这些为诸侯争霸提供了粮食和兵源。物力人力有了质的转变,诸侯争霸的形式也发生变化,就是变成了“兼并”:周边小国你不兼并,别人就会兼并,人家变大后就能来兼并你……(“争霸”和“兼并”的区别,仅凭这两个词不好直观理解,但可以这么说:左冷禅做了五岳剑派的盟主,算是他“争霸”成功,但他要吞并其它四派建五岳派,就是“兼并”行为了)这给了他们“被逼扩张”的山大压力,“全天下”都弥漫着明争暗斗、尔虞我诈的气息,历史的车轮在此进入战国时代。之后利用铁带来生产技术和战争经验,秦并六国、汉通西域,奠定了之后2000年的中华帝国的基本版图,华夏从此进入帝国时代。

图4早期冶铁情景

图5汉代铁制农具

在欧亚大陆的另一端,铁成就了亚历山大和凯撒两位大帝。他们指挥铁器农耕给养的、操持铁制武器的强大军队,征服了广袤的土地,建立了庞大的帝国。造成大量人口死亡的同时,也让世界过去没有往来的地方的文化得到交流。在大交流的基础上,文明有了质的发展。为纪念他们的历史功绩,人们让他们上了扑克牌,分别是草花K和方块K(图6)。可以这么说,铁,让人类历史进入帝国时代。

图6草花K亚历山大大帝与方块K凯撒大帝,他们对欧洲的历史功绩很类似与中国的秦始皇和汉武帝,都是铁器和战争造就的。黑桃K和红桃K是谁读者可自行百度,笔者认为他们在欧洲的历史功绩,在中国可对应周文王和唐太宗。

说了第二,总是让人好奇那个还没讲的第一。地壳中含量第一高的是铝,主要以铝硅酸盐、铝土矿的形式在地壳存在(图7),化学成分为氧化铝(Al2O3)。但氧化铝非常稳定,将其提炼出来等到工业时代了(主要通过电解法提炼)。19世纪中叶法国皇帝拿破仑三世将刚冶炼出来的铝看得很金贵。中学时看到过一个故事,说拿破仑三世和大臣一起吃饭时,自己用铝制餐具,大臣用银制餐具,以体现他的地位至尊。鉴于铝在地壳中含量极高,这之后只过了一百年,铝制餐具走进了平民百姓的千家万户。以现在铝制品的不值钱来看,说拿破仑三世当时以国家元首的身份为新工业技术代言,应该算比较合适的。

图7铝土矿石,看似和普通的石头没什么区别

铝有铁无可比拟的优点是,它质轻。铁的密度为7.9g/cm3,铝仅2.7g/cm3,是铁的三分之一。这样铝很便于物流运输,也适合做航空飞行材料。飞机的发明是促进全球化的关键要素,铝在其中是功不可没的。

图8现代工厂的铝成品车间

图9几十年前的铝饭盒

说了这么多,让我们用花过的硬币,梳理一下铜铁铝的关系。5角硬币的材质,开始是以铜为主的铜锌合金。随着通货膨胀,5角的购买力下降,国家不得不降低5角的造币成本。铜地壳丰度低,产量少、价格高,必须得改变材料。但为保持5角的颜色,在流通中便于和1元1角区分(1元1角虽然颜色一样,但仅用大小和分量就能明显区分),就改成了钢芯镀铜,里边是地壳丰度高的、成本较低的铁,外边镀上一层薄薄的铜。再后来5角的购买力更低了,不再使用镀铜,而改用镀镍,变成银白色(图10,镍在地壳的丰度比铜高一些。因为它比铜活泼难于提炼,且丰度较低,故在古代未得到广泛应用。现实中镍的用途比铜少,可拿出来镀硬币防锈,1元硬币也是镀镍的)。

图105角硬币因材质成本问题而改版

铝的丰度更高,用于造币成本更低。于是用它与镁合金做更小面额的分币和1角硬币(图11)。1角硬币改小以后,因为它的材质是适合做航空材料的铝,太轻了,装口袋感觉没分量、容易丢(小的铝壹角流通的那几年笔者真实体会),就改成了有点分量、成本不太高的不锈钢。

图11铝制分币、1角硬币和钢制1角硬币(右下角的那枚)

古代没有铝制硬币,这是因为铝的金属性较强,只能用近现代工业技术提炼,再加上铝对航空技术及全球化的贡献,我想铝应该可以代言工业时代(前文的铁可以代言帝国时代)。而“氧硅铝铁钙”序列中,铝前边的硅,好像很巧,它代言了信息时代。电脑、手机核心器件的半导体材料,关键元素就是硅(图12)。再回头看,地壳丰度紧接着铁后边排第5位的“钙”,则关联了人类另外一个历史时代——石器时代。

制造和使用工具,使人类从一般的物种中脱颖而出。最初用的工具材料是骨骼和石头。钙支撑了骨骼的发育与硬度,碳酸钙也是很多种岩石的重要组分;地壳丰度第二高的硅,则是普通石头中除氧外含量最高的元素。可以这么说,硅与钙共同代言了石器时代。那么,由钙支撑起骨架的人类,在进入硅代言的信息时代后,能否如硅与钙曾经代言的石器时代那样,再与自然相和谐呢?

THE END
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