跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

鹽的故事:形形色色的鹽晶世界

95/06/07 瀏覽次數 28819
鹽,你可能只當它是毫不起眼的調味料,不過中國人的開門七件事:柴、米、油、鹽、醬、醋、茶,其中之一就是鹽,由此可知它在我們生活中的重要性,沒有了它,餐桌上將不再有美味。它對人類生活的重要性在西方世界也不例外,英文中「salary」的意思是「薪水」,它的來源就是古羅馬字的「salarium」,也就是「買鹽錢」的意思。

鹽的顏色

一般我們看到的鹽是海鹽,呈現白色,其實純鹽結晶是無色透明的,我們所看到的白色,是由於照在食鹽表面的光線沿著鹽粒晶體表面或裂隙面互相襯映反射所產生的錯覺。這種現象在顯微鏡下便消失了,而可清楚地看到結晶呈現透明無色。

除了海鹽之外,還有湖鹽、井鹽及天然形成的岩鹽等。這些鹽含泥質時呈灰色,含氫氧化鐵時呈黃色,含氧化鐵時呈紅色,含有機質時呈黑褐色,含其他礦物質時還會形成青色、藍色或紫色。另外還有經過染色的鹽,有的可用來做成色彩繽紛的鹽畫,有的可當做具有特殊功效的美味鹽,例如紫竹鹽。

鬼斧神工的鹽晶

在鹽結晶的過程中,由於鹵水內所含雜質的不同,以及水分蒸發速率、溫度、結晶速率等因素的影響,鹽的晶形、粒徑和外部形狀各異,呈現千姿百態。

例如在中國青藏高原北緣柴達木盆地的中心,由於古代的地質運動,把古海洋困在高原之上,形成巨大的天然曬鹽場,蒸發率遠遠超過美國大鹽湖和中東死海,規模以察爾汗鹽湖最為壯觀。鹽湖大部分地區都是由厚達幾米的「鹽蓋」(結晶鹽)覆蓋著的,表面呈魚鱗狀,遠看像是層層波浪。有的鹽因地形、地質的關係形成鹽柱,狀似成千上萬的兵馬俑豎立在鹽湖中。而鹵水在結晶過程中也會因濃度不同、時間長短不一、成分差異等原因,形成了形態各異鬼斧神工般的結晶,稱做「鹽花」。

在日曬海鹽的生產過程中,浮在鹵水表面上的晶體因為過飽和鹵水的快速供應,會優先成長而不下沉,長成漏斗形的晶體,或表面相互連接形成片狀。如果晶體沉在池底,晶體成長速率慢就會呈近似平行排列的梳櫛狀。如果受到風力的攪拌,鹽的晶體還會成為球狀。因此,在中國南方海鹽區的鹽是顆粒細緻的日曬細鹽,北方海鹽區的鹽則顆粒碩大,而在西北湖鹽區,有的鹽粒狀若珍珠,有的透明如鏡。

璀璨炫目的鹽晶

鹽的晶體屬等軸晶系,離子晶格呈立方體,邊長0.5627 nm,每個鈉離子被6個氯離子包圍,這兩種離子在結點上交替地排列著,組成了單一大型矩陣。根據艾列爾定律,完整的氯化鈉晶體是由6個晶面,8個角頂和12條晶稜構成的正方體。

由於這種立方體的每個原子的周圍都有6個帶相反電荷的原子與它形成離子鍵結合,因此這種晶體的晶格能量極大,反映出來的巨觀現象就是鹽的高熔點(攝氏801度)。這就好比一個正立方體的前、後、上、下、左、右都又黏上另一個正立方體,因此要把中間的正立方體取出是相當困難的。如果要把鈉離子和氯離子分開,也就是從固體的狀態變成能夠流動的狀態,就必須給予相當巨大的能量(每熔化1公克鹽需要1.68千卡,相當於能夠讓16立方公分的水由攝氏0度升到沸騰的熱量)。

但若真是這樣,我們把鹽巴吃進肚子裡,豈不是只能累積在肚子裡?而鹽神奇的地方就在這裡,鹽是一種由離子(氯離子及鈉離子)構成的晶體,當它在水中時,水分子能夠與個別的離子產生作用,這些作用所提供的能量能夠使離子穩定,因此便逐漸由晶體結構分離開來。不過由於晶格能的能量相當大,在逐漸溶解的過程中,溶液會慢慢吸收外界的熱量,鹽水溶液的溫度在鹽巴溶解過程中則會逐漸降低。

鹽巴獨特的晶體特性其實已經運用在許多領域,例如在比較寒冷的地方,冬天一旦路面積雪或結冰,要清除這些雪或冰是一件很麻煩的事。如果在路面上灑一些鹽巴,由於鹽的鈉離子及氯離子會與水分子結合,阻礙水分子形成冰晶,冰雪便會逐漸被溶入其中的氯化鈉所消解,路面便不容易積雪,而提高了車輛與行人的安全。

年輕人喜歡吃的霜淇淋,其實也是利用鹽巴的特性所製造出來的。因為水溶液一旦結冰會變硬,如果要讓冰形成但又希望它能鬆軟容易入口,似乎有點困難,這個問題其實中國人在很久以前就已經知道如何解決了。早在12世紀蒙古帝國時期,只有政府才能從事霜淇淋的製造,而且僅供皇室享用,現在工業化的大量生產一般仍利用類似的製法。做法是把混合好的霜淇淋液體注入置於浸在冰鹽混合物裡的模具中,冰鹽混合物在融化的過程中,會吸收大量的熱,就可以很方便地把已經配製好的液體冷凍成霜淇淋,而且鬆軟不硬。

雖然鹽的晶形是屬於正立方形,不過在自然界中因為常與水在一起,在晶體逐漸堆疊形成的過程中,不會完全依照正方體的堆疊模式成形,而會形成形狀各異的晶體,如雪花鹽等。這些鹽的晶體在顯微鏡下由於無數的堆疊晶體不斷地折射光線,看起來彷彿是晶瑩剔透、光彩奪目的鑽石。

鹽的應用

自古以來,鹽就與人們的生活息息相關,用途也是千變萬化。根據統計,鹽的用途非常多,包括生活、化學工業、農業、畜牧業。傳統上,鹽是化學工業中製造苛鹼、玻璃、PVC塑膠過程中不可或缺的原料,在製造過程中,或多或少都與「鹽」晶體能解離成離子的性質有關。這一特殊的性質在不同環境、介質中都會發揮出不同的效用,因而能夠應用在不同的領域。

例如在生化領域中,由於氯化鈉晶體在水中能夠解離成鈉離子及氯離子,而這些離子與水分子的作用力比較強,使原本溶在水中的蛋白質溶解度下降而析出、沉澱,因此它是經常用於沉澱蛋白質而加以收集的一種化合物。

相較於鹽在水溶液中的應用,固態的鹽是化學工業中最常用於製造金屬鈉的原料。固態的鹽是由鈉離子及氯離子構成,因此只要使它導電,便能用電解法從毫不起眼的鹽巴產生金屬鈉。而要讓氯化鈉導電,最簡單的方法(或許不是唯一的方法)是加熱讓它由固態變成液態(熔融態)。目前最常用的方法是把氯化鈉與氯化鈣混合,共同加熱熔融,如此熔點可以從純氯化鈉的熔點攝氏801度下降至580度左右,以節省加熱所需的能源。

最近,鹽的特性在熱門的奈米材料製造上也展露獨特的光芒。根據2005年7月21日物理期刊的報導,美國德州大學的物理學家埃金(Kevin Elkins)等人藉由在鐵-鉑合金奈米顆粒的製造過程中,加入了在餐桌上常見的精鹽後一起加熱,成功製造出直徑僅4~15奈米,且矯頑磁力超過3 Tesla的顆粒,這種奈米微粒未來可應用於磁性紀錄材料(例如電腦所使用的硬碟)或是生物醫學領域。

原本這項技術是在2000年由IBM的研究團隊率先發展出來的,但是由於當時還無法加熱以轉變顆粒結構,導致顆粒凝結,喪失其奈米結構,因而大大降低了其應用性。埃金等人認為在製造過程中加入氯化鈉的新方法會成功的理由是:即使達到鐵-鉑合金的退火溫度,鹽的化學特性仍相當穩定,因此能夠防止奈米顆粒燒結。而且在加熱製造完畢後,只要以水清洗就能輕鬆地把這些鹽洗去。這些特性大大簡化了這類奈米粒子的製造方法,也能夠大幅降低成本,因為只要使用超市買得到的精鹽就可以了。

這個例子正是「鹽巴」小兵立大功的最佳寫照。他們不僅利用了鹽巴晶體高熔點的特性,在高溫下能夠避免鐵-鉑合金燒結成大顆粒,而且在加熱過程之後,只要用水清洗就能讓堅固的鹽巴晶體化為繞指柔而清除掉,完全把鹽巴的特性發揮到極致。其實,這種現象在我們日常生活中也經常看得到。例如我們會把削好的蘋果浸過鹽水以避免變色,主要就是利用鹽水中的氯離子會與鐵產生錯離子,因而不會產生鐵銹的顏色。

鹽,在日常生活中隨處可見,這也顯現了它與我們生活密不可分的關係。這個小小的東西對我們有著莫大的影響,它不僅維繫著我們的生命,也為生活帶來了許多的便利與樂趣。傳說中的廚神之一「詹王」是隋文帝時的一位御廚,相傳有一次隋文帝問他天下最美味的東西是什麼,他的回答是「鹽」。如果你還認為它只是個微不足道的小東西,那麼就請你再仔細看看它美麗的身影吧。
OPEN
回頂部