金属：原子与离子

前几天，看到某著名科普公众号上有一篇文章，说食用海蜇中的铝。文章是不错的，只是有一句话在表述中有一点小问题。文章说，明矾中“含有金属铝”，这个表述是有问题的。

明矾是十二水合硫酸铝钾，其中含有铝元素，也可以说其中含有铝离子，说含有金素元属铝也可，就是不能说含有金属铝。金属铝与铝离子是不同的两个概念，不可以混淆的。

金属是由金属元素的原子构成的。金属原子挨在一起，组成了金属。这些原子的最外层电子为所有的原子所共有，由此形成了金属键。由于存在金属键，使得金属原子都紧挨在一起，不能随便分离。由于原子聚在一起，就形成凝聚态，在室温下一般是固体。如果这些金属原子严格地有规律地排列，这就是晶体，这是绝大多数金属的情况。如果是无规律地挨着，那便是非晶体。当液态金属以极快的速度冷却，就有可能生成非晶体。

当金属的表面原子，遇到某些强氧化剂，这些原子会失去外层电子，形成金属离子。这些离子带正电荷，它们与带负电荷的非金属原子形成离子键，从而脱离金属体。在水溶液里，这些离子化合物，会被水分子拉扯开，分别形成正负离子。当然，实际上这些离子往往与水分子结合在一起，形成水合离子。

金属原子与金属离子的化学性质完全不同。由于金属离子是金属原子氧化的产物，从氧化反应的角度看，金属原子与金属离子的关系是反应物与产物的关系，两者当然不同。当然，从冶炼金属即把金属矿物还原为金属这个还原反应的角度看，金属离子为反应物，金属原子为产物，两者的关系同样是反应物与产物的关系。一般情况下，反应物与产物当然是不同的。

前几个月，看到另一个著名科普公众号上有一篇文章，也涉及金属的问题。该文是说微波炉的，其中说到不能直接放微波炉加热的食物有“生胡萝卜”。文章说美国某权威学术机构认为，把生胡萝卜放入微波炉会起火花，而起火花的原因据说可能是土壤中有金属。

首先，如果说只是把“生胡萝卜”放入微波炉，那我是很有“实践经验”的了。我把胡萝卜擦成丝，或切成块，放入微波炉加热做熟，次数没有数以百计也至少有大几十次吧。从来没有发生过危险，起过火花。

至于整个生胡萝卜不加处理直接放微波炉，我没有试过，也不想试。胡萝卜那么大，不加处理就放入微波炉干什么用？没有这个必要。其次，因为任何有外皮的食物和有层状结构的食物，都不要直接放微波炉。微波加热，能够穿透外皮，深入内部，内部的水气化，就会引起或大或小的“爆裂”，弄得不好甚至会炸坏微波炉。

所以，完整的鸡蛋，是决不能放微波炉加热的。去了蛋壳的熟鸡蛋，同样不能放微波炉加热，因为鸡蛋清同样是一个“壳”，放微波炉加热是会强烈“爆炸”的。

炸玉米粒，需要把玉米粒用结实的纸口袋包上，而且让纸口袋有多个出气孔。这样玉米粒在纸口袋里面炸裂，膨胀的空气也有“出口”。

泡发好的木耳，放微波炉加热，由于木耳的外皮很结实，也很快会爆裂。不过这种爆裂比较轻微，最多就把食物在微波炉腔内飞溅得一塌糊涂罢了，一般不会对微波炉产生危害。

胡萝卜的外皮是否结实，会不会由于胡萝卜具有一层层的结构而炸裂，我不知道。所以也不敢试，毕竟我家里的微波炉是花钱买来的，我不想做无谓的冒险。但是只要是把胡萝卜切碎了，就不要紧，大胆放微波炉加热好了，百分之百没有问题。

金属制品是不能放入微波炉的，因为那将起火花。但是胡萝卜里是不可能有金属的（除非人为地塞进去一块），即使土壤中有金属块，不论这些金属块多大多小，它们也绝不可能跑到胡萝卜里面去。

胡萝卜与其他植物一样，在土壤中用根系吸收土壤中的水分、无机盐等小分子化合物或离子。植物的根，是一种半透膜，只能透过一些小分子和离子。水分和氮磷钾等植物生长必要的成分都是通过这个半透膜进入植物内部的。

金属能不能进去呢？首先要说的是，金属离子是可以的。钾、钙、铁等离子都是这样进去的。但是，它们是离子，与金属不同，植物体内也不可能将金属离子还原成金属（如果能够，我们的冶金行业将大大改观）。

有人会问，金属原子可以进去吗？问题是，土壤中没有单个的金属原子。不但土壤中没有，在我们生活的环境中，哪里都没有。金属原子都聚集成了金属块，至少也是原子簇。原子与原子之间由金属键连着，非常不容易离开的。即使有极个别的原子离开了，它也极容易被氧化，而变成离子。

广而言之，所有的化学元素，除了惰性气体之外，单个的原子，都有很高的活性，容易发生化学反应。所以，在我们周围的环境中，正常的情况下，除了惰性气体之外，单个原子极少。只在空气中，存在极少量极少量的氧原子。在空气极其稀薄的高空，会存在一些原子，那是因为它遇上别的物质的机会很少。在固体、液体中，很容易与其他物体碰撞而反应，所以更没有什么单个的原子。这一点，在我们的化学教科书里好像没有什么人说起，大概化学家认为这是常识而不用写，略平庸一点的教师则可能没有意识这一点。

回到胡萝卜和微波炉的问题。胡萝卜里面决不会有金属，有的只是金属离子，如钾离子、钠离子等。因此，切碎了的生胡萝卜尽可放微波炉加热，不会起火花，不会炸裂。至于美国某权威机构，它们决不会说出土壤中有金属故而引起微波炉加热胡萝卜会起火花的，这道理就像中国科学院某研究所公众号上的某一篇文章中所说的话并不能代表该研究所，更不能说这是中国科学院说的。

植物和动物的身体内都有金属离子，而且是不可或缺的重要成分。其中含量最多的是碱金属离子钾钠和碱土金属离子钙镁。钾离子和钠离子是人体内保持体液平衡的重要离子。钙、镁离子则是人体骨骼的主要正离子成分，当然钙离子和镁离子也起到激活酶的作用以及协同维持神经肌肉的兴奋作程度。

金属离子铁、锌、铜等也是人体所必需的，由于需要量相对较少，所以被称为人体必需的微量元素。

人体内除了碱金属离子和碱土金属离子之外，其他金属离子大都是过渡金属离子。由于它们具有能用于成键的空d轨道，所以都很容易与各种配位体形成稳定的配位化合物。金属离子在人体内的作用，无论是有益的生物化学作用还是毒害作用，都与它们能够形成配合物有关。

例如，血红蛋白是血液中红细胞的主要蛋白，由四条肽链组成，每一条肽链有一个包含二价铁离子的环状血红素分子。在氧气浓度较高的肺部，血红蛋白上原来与铁离子配合的一个水分子能够被氧气分子所取代。在氧气浓度较低的人体组织，这个过程能够逆转以放出氧气。这就是血红蛋白运输氧气的过程。

过渡金属离子容易与巯基（有机化合物中由硫和氢组成的基团SH-）结合，形成比较牢固的配合物。人体中许多酶都含有巯基。如果人体中摄入了过多的过渡金属离子，这些金属离子就能够与这些酶中的巯基相结合，使得这些酶失去本来的催化作用，从而对人体造成伤害。

像汞、镉、铅等金属离子进入人体内之后，人体把它们排出体外的速度很慢，因而这些金属离子容易在人体内积累，对人体造成很大的伤害。因此，我们就必须保护好我们的环境，包括水环境、空气和土壤环境，避免造成这些重金属离子的污染。