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杂说生活中的铜

铜是最早被人类使用的金属元素之一。

商周的青铜器离我们远了,我们只能到博物馆去瞻仰那些精美的青铜礼器,聆听撞击古乐器发出叮叮当当的古代音乐声。

从先秦到清末使用了两千多年的铜钱,虽然在民国已经不用了,可是直到50年代初期,我们对它还是很熟悉的。那有着大龙图案的大而重的“光绪通宝”铜板,在平整的地上可以滚很远,小伙伴们就拿来作游戏,比谁的铜板滚得更远。把一小段鹅毛管的一头劈开塞进铜钱的孔中,用两个小铜钱把劈开的部分夹住,外面用布紧紧缝上,再往鹅毛管中插进几根鸡毛,那就是一个很好的毽子。

那时候,各家各户的铜器都很多:烧水的水壶是铜吊,灶台上炒菜的铲刀是铜铲,舀水的勺子是铜勺,洗脸的是铜盆,吐痰的是铜盂。冬天脚下踩着取暖的铜脚炉,手里捧着的是铜手炉,夜里被窝里是铜汤婆子。门上的把手是铜把手,橱柜的合页是铜合页,拉手是铜拉手。箱子的锁是长长的旧式铜锁。祭祀祖先所用的有铜香炉和蜡扦。

铜器的最大好处是耐用,不容易生锈。江南的天气潮湿,铁制品容易生锈。大概在50年代中后期开始,这些铜器就大多逐渐消失,被动员让有关部门收购了。家用的各种铜制品被铁器、铝制品、搪瓷制品等以及后来的塑料制品代替。

当然,有一些铜器消失得略迟一点。大街上定时响起的当啷当啷的铜铃声招呼着居民们把垃圾都拿出来倒在垃圾车上,而同样的铃声却是小学生上课和下课的信号。

有一些民用的铜制品则没有也不大可能被别的材料所取代的,那就是乐器,如大锣、小锣这样的响器和大号、小号这样的铜管乐器。在乐器领域,好像没有什么材料能够动摇铜的地位。

这些实用的铜器,绝大多数是黄铜的,也有一少部分是白铜的。黄铜是铜锌合金,白铜是铜镍合金。古代的青铜器则大多是铜锡合金,也含有一些铅。用比较纯粹的铜,即所谓紫铜做各种家用器皿的较少。

为什么家用器皿多用铜合金而较少用纯铜呢?

这是因为纯铜太软而铜合金就硬多了。铜的固体是由铜原子堆积起来的晶体。铜原子紧挨在一起,外层能量高的电子形成自由电子为晶体所共有,这样金属离子与自由电子共同形成了金属键。当固体受到一定的外力作用时,金属离子能够出现一定程度的滑动,由于所有的离子都是一样的,这时金属键的个数与强度都不会发生变化。所以,金属都具有一定的可塑性。

如果在这种金属固体中夹杂着其他原子和原子团(离子和离子团),与原来的金属形成合金,由于夹杂进去的原子或离子与原来的金属离子大小不一,性质也不同,这些原子和原子团(离子天)就会阻碍原来金属离子的滑动。这样,合金的可塑性就比纯金属差,而抵抗外力的能力也就是其硬度却提高了。这是所有合金都具有的性质。

一般情况下,掺杂进去的原子与铜原子的大小、性质相差越大,其合金的硬度也就越大,但是,也就可能比较脆,韧性较差。锡(及铅)与铜原子大小相差较大,而锌原子的大小则与铜相差较小。这样,由锌、铜组成的黄铜就比锡(及铅)与铜组成的青铜更加韧一些,而青铜则更硬而脆。

我们现在很多日用的铜制品,大多用黄铜来制作。比如我们每天都在使用的钥匙,有许多就是黄铜的,它不但需要耐磨而且需要有韧性。如果钥匙不耐磨,磨损后就会打不开锁,所以钥匙一定要硬而耐磨。但是如果硬而脆也不行,钥匙总断在锁孔里可不是一件好玩的事情。黄铜就比较耐磨而且有韧性,又不容易锈蚀,所以我们用它来做钥匙。

晶体一般是固体,而且有着周期性排列,性质是均匀的。随着温度不断升高,能量被分布到每一个键,使得组成晶体的原子的振动能不断增加。当能量大到足以使组成晶体的“键”断裂的时候,固体就变成了液体。这个温度就是这个晶体的熔点。铜的熔点是1084.6°C.

对于合金,由于组成合金的原子性质不同,排列也不会非常均匀,两种原子或原子团之间的作用力也并不均匀。两种不同的原子团之间的作用能也差于均一的原子间的晶格能。这样,当温度尚未达到某一种晶体的熔点时,合金就会软化了。所以,合金一般没有固定的熔点,而它成为熔融体的温度一般也都低于组分金属的熔点。不很严格地说,合金的熔点低于组分金属的熔点。

也正因为如此,我们能够理解古人为什么先开发应用的并不是熔点较高的纯的铜,而是熔点较低的铜锡(铅)合金的青铜以及铜锌合金的黄铜。对于古人,达到高温并不是一件很容易的事情。

当然,古人并不是把两种纯金属合起来制成了合金,而是用来冶炼的矿石就是含有两种或几种金属元素的化合物(如铜锌矿、铜铅矿等),或者把两种或几种矿石放在一起来冶炼。

由于组成合金的金属不像单纯的金属那样均一,自由电子运动受到的阻碍会比纯金属大,所以,一般而言,合金的电阻率会大于纯金属,导热率也比纯金属差。

这样,我们就可以知道,为什么过去家里的烧木炭的火锅(暖锅)往往用紫铜也就是比较纯的铜来做。因为它更为耐热,传热性能也更好。

这样,我们也就知道,为什么现在家里的电线,里面导电的都是很纯的铜丝。铜丝越纯,导电性能越好,也越不容易发生事故。

在历史上,铜是常常被称为金的。我们看古代小说中说打仗,打到紧要关头一方“鸣金收兵”了。这里的鸣金无非就是敲锣。打鼓是进攻,敲铜锣就回来。

《尚书·禹贡》说到扬州,“厥贡惟金三品”(它的贡品是三种金),注解说这三品是“金、银、铜也”。《汉书·食货志》说:“金有三等,黄金为上,白金为中,赤金为下”。东汉学者孟康这样注释:“白金,银也。赤金,丹阳铜也。”丹阳铜就是如今安徽铜陵的铜。铜陵因此得名。当然,语言是变化的,后来赤金也有好的黄金的意思,有金无足赤一类的词语,这是需要说明的。

金银铜,在古人那里都被称为金。因为赤金为下,所以写为铜。铜,同金也。大概这也是铜字的来历。只有下等的,才企图与上等的等同。过去科举考试进士的三个等级是,一甲进士及第、二甲进士出身、三甲同进士出身。

古人把铜银金放在一起说,这是一件很有意思的事情。大家知道,在元素周期表中,铜银金是同一个族的元素,第一副族。它们有相似的化学和物理性质。在发明元素周期表以前两千年的时候,人们就把铜银金放在一起说,这是一个非常有趣的巧合。

虽然古人有时候把一切金属都称为金,但是在很多情况下,古书上所说的金是铜。古书上的送给什么人“千金”的说法,在绝大多数情况下都应当理解为送一千斤铜。有了这些铜,人们可以拿去铸造各种礼器、兵器等。

贾谊《过秦论》中说秦国统一天下后,“收天下之兵,聚之咸阳,销锋镝,铸以为金人十二”。这里的十二个金人,毫无疑问是铜人了。

在古书上看到金,不见得是金,往往是铜。同样,看到古代说的铜,也不见得都是铜。

有一款中药名自然铜,据说具有散瘀止痛,续筋接骨的功效,可用于跌打损伤,筋骨折伤,瘀肿疼痛。《本草纲目》说:“自然铜接骨之功,与铜屑同,不可诬也。但接骨之后,不可常服,即便理气活血可尔。”看来,古人认为铜屑也是有这样的功效的。是啊,铜头铁臂是指人的勇猛强悍。古人真是希望自己的骨头都如铜铁般坚强。

然而,自然铜却并不是自然生成的铜,虽然它确实是自然生成的矿物,可是其成分却完全不是铜,而是黄铁矿,即二硫化亚铁(FeS2)。黄铁矿金光闪闪的,确实很像黄铜,又不需要人工冶炼,自然可得,所以称之为自然铜。古人的化学知识很有限,弄错也可以理解。

有意思的是,同样是黄铁矿,在西方,被称为fool’s gold,比较文雅的翻译就是愚人金。这个西方的成语词组意思是:看上去像金子而实际上没有什么价值的矿物,引申为误认为会令人愉快或大获成功而实则并非如此。大概就像吴方言里面的所谓“空心汤团”。

铜的无机化合物容易析出铜离子,重金属离子一般都有使蛋白质变性从而杀灭微生物或细胞的作用,也就是说,它们一般都是有毒性的。例如硫酸铜溶液对于因病毒引起的多种植物病害有疗效,其原因就是铜离子杀灭了病毒。但是,硫酸铜溶液是酸性的,喷洒在植物上,对植株有过大的伤害,于是需要在溶液中加入生石灰以中和其酸性。最早在法国波尔多地区被用于葡萄的病害(波尔多地区的葡萄酒很是闻名),所以硫酸铜石灰水被称为波尔多液。

对于人类来说,虽然铜的化合物大多有毒性,但是毒性总是与物质的量有关的,铜仍然是人体必要的微量元素。微量的铜离子在人体中主要存在于一些酶中,对于血红蛋白的形成、维持神经系统的正常功能和增强身体的免疫功能都是必要的。动物性食物和干果、粗粮中的微量铜元素能够满足人对铜元素的摄入,因此一般情况下,正常饮食的人并不容易缺铜。

本文来自:冯大诚科学网博客

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