鈉的自述| - 科技大觀園

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鈉的自述

97/05/07 32901

蘇明德｜嘉義大學應用化學系

我是化學周期表上第 11 號元素－－鈉，可說是地球的主要成員之一。整個地殼按重量而言，我占 2.4％，在已知的 108 個元素中名列第 6。如果單算金屬元素，我的含量僅次於鋁、鐵、鈣，而坐第 4 把交椅。我在地殼中分布的廣泛，也是許多元素所不及的，我不但有自己的豐富礦床，而且在土壤、水、甚至在高層大氣中，都可以找到我的蹤跡。

雖然我含量豐富，分布廣泛，可是說來奇怪，直到 1807 年，人類才第 1 次見到我的盧山真面目。而在這以前，許多含量比我少很多的金屬元素，早已為人們所熟知了。

發現我的功勞，應屬於英國化學家戴維（Humphry Davy, 1778 − 1829）。1807 年，年輕的戴維在利用電解的方法獲得鉀元素後，乘勝追擊，又電解氫氧化鈉，看看是不是也同樣能獲得金屬。戴維把一小塊氫氧化鈉放在一個鉑做的圓片上，並把鉑圓片連在電池的負極上。另外用一根白金絲，使它一端和電池的正極相聯，另一端和氫氧化鈉的表面接觸。通電以後，最初毫無動靜。可是當他加強電流後，氫氧化鈉就逐漸熔化，上層（正極）有氣體放出，下層（負極）則出現了和水銀一模一樣的「銀珠」。

這和他製得鉀的情況一模一樣，可是戴維很快就證實，這顆「銀珠」和幾天前獲得的鉀，絕不是同一種物質。因為鉀在生成時的氣溫下是液態的，把它投入水中立刻自燃，火焰是淡紫色。但是現在獲得的這顆「銀珠」，卻只在最初生成時是液態，冷卻後就變硬，把它投入水中一般不會著火，點燃時火焰是鮮黃色，戴維就把這個金屬命名為「鈉」。

在許多人的腦海裡，金屬都是沉甸甸的。可是銀白色的我，卻比水還輕，密度只有 0.97 g/cm³。我的熔點（攝氏 97.7 度）和沸點（攝氏 890 度）都很低，使得我具有某些有趣的用途。

自然界裡的我只有一種，原子量約為 23，叫做「鈉 23」。可是我卻有 2 個人造的「兄弟」，都是放射性元素。其中，「鈉 22」的壽命長些，半衰期是 3 年，而「鈉 24」的壽命比較短，半衰期只有 14.8 小時。

鈉的同位素「鈉 24」具有放射性，是生物學研究中常用的放射性元素，它的化學性質與普通鈉相同，可形成與普通鈉相同的化合物。例如可用「鈉 24」替代氯化鈉中的普通鈉，這種情況下，科學家稱氯化鈉分子用「鈉 24」做了標記。當這種標記的氯化鈉被人體攝入後，在人體內的運動軌跡可以用檢測器記錄下來。由於「鈉 24」的半衰期較短，會很快衰變掉，降低了對人體的輻射損害。

發現我之所以比較遲，和我活潑異常的「脾氣」有關。如果說我是一個十分頑皮和淘氣的傢伙，是不冤枉的。

大家都知道，把一塊金屬鐵或銅放進水裡半天、一天，什麼事情也不會發生。可是把我投進水裡，事情就熱鬧了。只見我會浮在水面上飛快旋轉，四周劇烈地放出氣泡。

原來水是由氫離子和氫氧離子組成的，我一遇到水，就立刻蠻橫地把氫離子和氫氧離子拆開，放出一個電子後，我就和氫氧離子結合成氫氧化鈉。氫離子無可奈何，只好撿起我放出的那個電子，一對對結合起來，變成氫氣逃之夭夭，並在水面製造一聲爆鳴。這是因為我和水作用時會放出大量的熱，如果我比較多，放出的熱量有時足以把氫氣點燃，而氫氣在空氣中燃燒會爆鳴是大家都知道的。

我是一種極為活潑的明亮銀白色金屬，很輕可以在水面上漂浮，也很軟可以用小刀切割。我的化學反應性極強，以至於無法在自然界找到純態元素的我。因此如何儲存也是一件很複雜的事情。

若把我放在空氣裡，也絕不會安分守己。因為空氣中也含有少量水蒸氣，而且空氣中的氧氣和我也是「情投意合」的好朋友，只要一見到它，就會和它親密地接觸起來變成氧化鈉。因此一塊銀光閃閃的金屬態的我，只要在空氣中待上一會兒，便會失去光澤，全身披上一件灰白色由氧化鈉和氫氧化鈉做成的「外衣」。為了防止我淘氣，人們只好把金屬態的我整天禁閉在石油中。不過即使這樣，時間久了，我仍舊會和偷偷溜進來的空氣及水汽作用而失去光澤。

取用我時的動作應力求迅速，殘餘的碎屑不能隨意亂丟，更不能投入水槽，而應該用火燒掉，或用酒精銷毀，以免發生意外事故。也是由於同樣的原因，一旦我著了火，切忌使用二氧化碳、四氯化碳或酸鹼泡沫滅火器，更不能用水，而需用砂子來撲滅。

在空氣和水裡到處都有我，即使在地下深處，也有我的縱跡，但是在自然界中，我總是和各種各樣的「朋友」結合在一起，「單身」的、金屬狀態的我在自然界是不存在的。最傷腦筋的是我一旦和這些「朋友」混在一起後，除了用十分強硬的手段外，很難使我和我的「朋友」分手。這就是為什麼許多我的化合物人們早就熟知並加以應用，而認識我卻比較晚的緣故。

柔軟的「身體」和活潑異常的「脾氣」，使得金屬態的我在機器製造業中沒有立足之地，我既不能製成各種零件，也無法充當導線。可是化學家對金屬態的我的「性格」卻十分賞識，每年生產出來的大量金屬鈉，多數用在化學工業界各部門為大家服務。

比如說利用金屬鈉很喜歡和水作用這個特點，化學工業上就把我當做脫水劑。當乙醚或者其他有機溶劑中含有的水分已經微乎其微時，一般的乾燥劑，如無水氯化鈣、無水硫酸銅等，都無能為力了。這時如果放進一些金屬鈉的薄片，立刻就會把躲在有機溶劑中的殘餘水分子一個個地「揪」出來與它化合，變成氫氧化鈉並放出氫氣。氫氧化鈉是非揮發性的，經過蒸餾後就可以獲得絕對無水的有機溶劑。

金屬鈉是一種很強的還原劑，在化學工業上廣泛應用且赫赫有名的還原劑鈉汞齊，就是由我和水銀做成的合金。水銀其實只是一個稀釋劑，目的是使我在還原別人時別過於「撒野」。

我的熔點是攝氏 97.7 度，比水的沸點還低，很容易液化。在運輸我時，通常直接把液體鈉泵入罐車，在罐車裡固化。到達目的地後，利用特殊的加熱盤管使我熔化並泵出。

金屬鈉本身以及由金屬鈉和乙醇（酒精）作用而成的乙醇鈉，經常以催化劑的角色出現在化學和製藥工業中。在這位「媒人」的熱情拉攏下，許多化學反應變得容易和加快了，有些原來要高溫高壓下才能作用的物質，在比較低的溫度和壓力下也可以進行了，我在這方面的功績是很大的。

金屬鈉也大量應用於合成橡膠工業，例如著名的丁鈉橡膠的生產，就非我不可。我在化學工業中的應用，真是多到一言難盡。

金屬鈉在科學研究單位的實驗室中，也有許多重要而有趣的應用。比如，當想知道一個有機化合物中是否含硫、氯、溴、碘、氮等元素時，不可能直接拿它們和一般的試劑作用，因為有機化合物中的各種元素並不是以離子狀態存在，而它們對無機試劑是不加理睬的。為了使它們以離子狀態存在，最方便的方法就是把它們和金屬鈉放在一起加熱，活潑透頂的金屬鈉立刻會把有機物破壞，並且分別和那些元素結合成相對應的鈉化合物，就可以很方便地用無機試劑檢驗它們是否存在了。

雖然金屬鈉主要在化學界「服務」，可是在別的部門中，我也同樣有不少重要的用途。我在燃燒時或者對鈉蒸氣通以放電電流時，會發出具有特徵的黃色光。其波長很精確，是許多儀器特意採用的單色光源，在很多實驗室裡也用來校定光譜儀及其他測光儀。

我也用在某些路燈中，因為耗電少，發光強。但公路工程師選擇鈉光燈主要基於兩個原因：鈉光燈發出的光在霧中不像其他顏色的光那樣容易散射，以及人的眼睛對黃色光很敏感。出於同樣的考慮，很多廠商在豪華汽車上也採用鈉光燈。

難得的是，金屬鈉能夠跟上時代，在許多尖端科學事業中做出重大的貢獻。比如在原子能發電廠中原子能以熱的形式釋放出來後，必須借助導熱劑傳導出來，再使它變成電能。水是最常用的導熱劑，然而水有一個很大的缺點，就是沸點很低，在常壓下，攝氏 100 度就已經汽化，在高溫下，水蒸氣壓力會變得很大，會給設備帶來許多問題。如果採用金屬鈉做為導熱劑，事情就方便得多，因為我要到攝氏 890 度才沸騰汽化，而且蒸氣的壓力不大，設備要求可以減少很多，使成本大幅地降低。

液態鈉的用途之一是做某些核反應器的中子減速劑，鈉原子核的特性之一，就是能保證原子反應爐的鏈式反應可以正常進行。儘管使用反應活性強的我有一定的化學危險，但在潛艇的核反應堆中用液態鈉做中子減速劑是很安全的。

在潛水艇、太空船及未來的月球「住宅」中，我也有奇妙的用途。大家知道，當人和外界大氣完全隔絕的情況下，氧氣供應是最重要的事情，有人會覺得這個問題很簡單，只要帶幾筒氣態氧，不就可以了嗎？可是實際上問題很多，因為鋼筒氧氣只能暫時提供氧氣，它不能使空氣中的二氧化碳減少。即使空氣中的氧含量很豐富，如果人人呼出的二氧化碳變得越來越多，最後還是會中毒、甚至死亡。

有一些方案可解決這個問題，如利用小球藻這一類的生物，就可以達到一方面吸收二氧化碳，另一方面放出氧氧的目的。當然也可以用化學的方法，而化學方案中有一個就是利用我來完成的。

原來我在加熱的情況下導入不含二氧化碳的空氣，我就會和氧化合成一種叫「過氧化鈉」（Na₂O₃）的固體物質，這是一個絕妙的「氧氣倉庫」。當需要使用氧氣時，只要把它暴露在空氣中就可以了。過氧化鈉一遇上空氣中的二氧化碳，就會反應生成碳酸鈉放出氧氣，空氣中二氧化碳越多，它就作用越快，放出的氧氣也越多。因此它是一種既方便又容易儲存的急救用的氧氣源，潛水員、礦工、太空飛行員只要戴上過氧化鈉面具，就可以得到充足的氧氣。

上面說的，只是金屬鈉的一些重要用途，至於鈉化合物的用途，更不能不提了。可以這麼說，含我的化合物是所有工業及家庭最常使用的物質。工業上直接、間接利用氫氧化鈉、碳酸鈉、氯化鈉（食鹽）等鈉化合物製成的產品，少說也有數千種以上，它們的用途絕不是三言兩語就能說完的。

做為鹼金屬的一員，我能進行很多化學反應，我的化合物已是地球上分布廣泛的眾多重要化合物的一部分。大家熟悉的鈉化合物為數不少，並具有很高的經濟價值。氯化鈉（NaCl）俗名「食鹽」，它的一個來源是儲藏量很大的天然礦，另一個來源是海水，每升海水中食鹽含量達 25 克。做為一種營養劑和調味劑，食鹽在古羅馬時代已進入貿易領域進行易貨貿易。「salary」（工資）這個詞由拉丁語「sal」衍生而出，意思是「鹽」，在羅馬時代部隊經常發給士兵一些鹽做為服役的報酬。

氫氧化鈉（NaOH）是鈉的重要工業用化合物之一，可通過電解氯化鈉的水溶液而得到。它是一種強鹼，在多數店鋪都能見到，俗名苛性鈉，常做為排水設備或鍋爐的除垢劑。由於氫氧化鈉能與脂肪反應，把脂肪轉化為水溶性的物質，因此氫氧化鈉可溶解脂肪，肥皂就是脂肪和氫氧化鈉的反應生成物。在生產肥皂時，氫氧化鈉使脂肪皂化，形成溶於水的脂肪鹽。由於氫氧化鈉能與脂肪起化學反應，它對皮膚危害性很大，使用時要格外謹慎。

我的另一個重要化合物是碳酸鈉（Na₂CO₃），是一種常用的清洗劑。它的商品名是蘇打，與砂石、石灰混合可製造玻璃。大量的碳酸鈉可採用蘇爾維（Solvay）法用氯化鈉和石灰石來製取，這兩種原料都很便宜。

我的另一個廣泛應用的化合物是碳酸氫鈉（NaHCO3），俗稱「小蘇打」，它可用做發泡劑，麵包、饅頭等常用小蘇打來發泡。碳酸氫鈉還能做為鹼幫助中和胃裡過多的胃酸，還可用於滅火器，與酸反應產生的二氧化碳泡沫能覆蓋火焰，起滅火作用。還有一種硫代硫酸鈉（Na₂S₂O₃），又叫大蘇打，是攝影的定影劑。

我還是人體不可缺少的一種化學元素，在人體內，我的含量約為 80 公克，其中 80％分布在細胞外的液體中。人的汗水、淚水帶有鹹味，就是與我有關。我對維持生命起著重要的作用，因為我能保持體內正常的滲透壓，調節體內的酸鹼度和神經、肌肉活動，維持心跳規律。

在正常情況下，人體攝入與排出的鈉總是能維持平衡，但在某些特殊情況下，會出現問題。比如，人患了急性腸胃炎，喝下去的水不能吸收，體內的水分卻仍然透過呼吸、汗液、尿液排出，結果造成脫水。這時，除了進行藥物治療外，還應喝些鹽水，嚴重的應該到醫院打點滴，補充鈉來維持水的代謝平衡。

又如在劇烈的體力勞動或高溫作業中，體內鹽分會隨汗液大量排出，人體長期處在這種狀況下，會出現心臟病，或噁心、暈眩、食欲不振、血壓下降、肌肉痙攣等症狀，因此應注意喝些含鹽飲料、吃些鹽冰棒維持體內的鈉平衡。

當然，人體內的鈉也不是越多越好。如果含鈉過多，人體就必須大量吸收水分，以維持滲透作用的平衡，整個血液的容量就要增多，形成高血壓，心臟負擔就會加重。血液循環系統如果長期處在這樣狀況下，就會不堪負重，從而引發心血管疾病。另外，水的大量攝入還會引起大量排尿，既加重腎的負擔，又會使腎對鈣、磷的吸收減少。為維持體液中鈣、磷的濃度，人體自身便會發生骨鹽的溶解，使骨鈣、骨磷進入血液，時間一長，就會發生骨骼的脫鈣、脫磷現象。「飲食過鹹會傷骨」說的就是這個道理。

可以想見，隨著科學技術的不斷發展，我為人類做出的貢獻也會越來越大。

資料來源

《科學發展》2008年5月，425期，54 ~ 59頁

碳酸鈉(6) 小蘇打(8) 科發月刊(5221)

鈉的自述

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