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天天喊補鈣,你知道「鈣」讓他費盡了多少心血


- 2018年11月22日08時53分
- 科學文摘 / 蝌蚪五線譜

蝌蚪五線譜

補鈣補鈣,可知道當初化學大咖為發現它費盡心思,還生了一場病。

鈣是人體不可或缺的元素,被稱為「生命中的鋼筋混凝土」,可以提高身體的抵抗力。人體的牙齒、骨骼中,鈣元素約占99%。

補鈣,健康的必備。(網絡圖)


其實,鈣元素是大科學家戴維費盡心思發現的。發現鈣元素的過程中有什麼有趣的故事?鈣元素都有哪些用途?……要找到這些問題的答案,得從200多年前的一個春天說起。

難題困擾二十年

1808年3月,倫敦的春天,處處生機盎然。給人新的希望,新的理想。英國皇家研究所的實驗室里,時任英國皇家學會秘書的漢弗里·戴維也期望從面前的一堆「土」里找到新的希望。

這堆「土」不是一般的土,而是前輩化學家安東尼·拉瓦錫提過的鹼土,他現在要做的就是從鹼土中提取新元素。去年年底,他用電解法從草木灰中發現鉀元素,從蘇打中發現鈉元素。鉀、鈉現形,讓他名氣大增。加之他經常在皇家學院主講化學,所以深受政府和皇家學院重視,很快成為英國的上流人物。現在,這位已身名顯赫的青年決定再接再厲,攻克這個困擾歐洲科學界二十年的難題。

元素髮現是化學研究史上的大事。元素髮現過程中,科學家們或困惑、憂慮,或相互爭論,或親密合作,佳話不斷。1789年,「化學之父」拉瓦錫經過反覆研究,完成了一篇關於化學元素的論文。文中將元素歸為氣體、金屬、非金屬及鹼土四類。經過科學家們十多年的努力,前三類都或多或少被發現,但鹼土類遲遲未現形。戴維發現鉀、鈉元素後,認為拉瓦錫制訂的元素表上,苛性鉀(鉀的化合物)和苛性鈉(鈉的化合物)兩種物質的表格鄰近記有幾種鹼土化合物,分別是石灰、苦土、重晶石和碳酸某礦。

拉瓦錫製作的元素表,摘自《皇家科學院回憶錄》。(網絡圖)


之所以叫鹼土,一是因為很多土塊里都含有它們,它們就像土一樣,不怕火燒,不易溶於水;二是它們與酸發生中和反應,會生成鹽。

「先分解石灰吧,這東西比較常見。但願它能帶給我新的希望,得到新的元素。」戴維告訴自己。

成功製得鹼金屬

戴維最先想到的是煅燒法分解石灰,煅燒法也是當時提取新元素最常用的方法。可是他失敗了。火溫低了,石灰不變樣;火溫調到2000攝氏度,石灰分解出來的物質很快燃燒掉了,無法保存。

看來還是強力電解法吧,這方法攝取出了鉀、鈉元素呢。可是,當他把那500對電極組成的龐大電池組用來做電解石灰試驗的時候,居然什麼也沒得到!

戴維製作的強大電池組。(網絡圖)

接下來一個多月,戴維用鉀還原法、石灰與氧化物混合電解法等進行試驗,都沒有得到滿意的答案。這讓他感到有些煩躁,甚至有些想放棄。因為一年一度的貝開爾會議要到了,那是他展示口才獲得民望的最好機會。隨著年齡的增長,戴維心裡的名利慾也開始滋長了。他開始對皇家學院裡簡陋的宿舍,收入菲薄的教授年薪產生不滿,他也希望像平素交往的權貴一樣過上富裕的生活。只是他知道自己還要付出很多。

一邊是沒有進展的石灰電解試驗,一邊是準備論文演講,間或有空還要參加應酬,戴維忙得不可開交。這種情況下,他終於病倒了。住院前,他讓助手把研究石灰的事兒告訴了一些同行或朋友。

當年5月,戴維剛病癒,就收到一封來自瑞典科學家貝采里烏斯的信件。信中說,瑞典皇家醫生蓬丁在一次醫學試驗中,用石灰和水銀的混合物進行電解,分離出未知金屬,這個消息或許對你病癒有用處。

當時戴維用的電解裝置。(網絡圖)

「太有用了!」戴維興奮地朝實驗室跑去。經過多次試驗,他終於找到了正確分離石灰的方法。他先將濕石灰與氧化汞(水銀的氧化物)按3:1進行混合,加熱到約300攝氏度後得到熔化物;再電解此熔化物,得到未知元素和水銀構成的化合物;加熱此化合物,蒸發掉水銀後得到一種白色的金屬單質。他確定這是一種新元素。

「如何為這種新東西命名呢?」為新元素命名是戴維最自豪的事兒,因為這些名字將出現在很多很多後人的口中或筆下。他想,石灰的拉丁文是calx,何不把它變成calc,再加上名詞後綴(–iun),成為一個新名詞Calcium(意為從石灰中得到的金屬)。很快,他把此詞寫入論文中,並將此元素的化學符號定為「Ca」。若干年後西學東漸,清末科學家翻譯西方國家的化學元素周期表,將Ca譯成「鈣」,沿用至今。


鈣顆粒與塊狀鈣。(網絡圖)

多個領域用途廣

話說戴維發現鈣元素並為其命名後,一鼓作氣,又發現了鎂(源於苦土)、鋇(源於重晶石)和鍶(碳酸某礦)三種鹼土元素;同年還發現了矽、硼元素。加上之前發現的鉀、鈉元素,一共八種。作為發現元素數量最多的科學家,他為化學發展做出了重要貢獻。

戴維去世以後,科學家們經過努力,研究得出鈣元素的諸多用途。當然,用途最大的還是工業、建築領域的石灰。他在試驗中所用的石灰,又叫生石灰,其實是鈣的氧化物(CaO),來源於一種叫石灰石(CaCO3)的礦物。山里開採的石灰石經高溫煅燒生成生石灰,正所謂「千錘萬鑿出深山,烈火焚燒若等閒」(明于謙《石灰吟》)。塊狀的生石灰與水反應,生成粉狀的熟石灰Ca(OH)2。熟石灰與水的混合物刷上牆後,與空氣中的二氧化碳化學反應生成堅硬而潔白的碳酸鈣。這就是用石灰粉刷的房間牆壁特別白的化學原理。

煅燒石灰。(網絡圖)

隨著社會的發展,科學家們進一步研究得知,鈣元素在生物學、醫學等領域也有重要的用途。作為人體中最普遍的元素之一,鈣元素占了總體重的1.5%-2.0%,被稱為「生命元素」。人體中鈣不足或過量都會影響生長發育和身體健康,尤其是嬰幼兒(0-3歲),體內更是需要適量的鈣。可以通過牛奶或奶製品、動物骨油、蔬菜等途徑給他們補鈣。
所以

,我們每一個人都要感謝當年想盡方法讓鈣元素現形的化學大咖戴維先生!

作者:魏德勇

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