鎂的自述

 
2018/02/06 蘇明德 | 嘉義大學應用化學系     1,856

我「鎂」是一種銀白色金屬,很輕,具柔韌性,中等硬度,化學性質活潑。我「鎂」英文名字叫magnesium,是由「菱鎂礦」(magnesite)的名字衍生而來。菱鎂礦是源自古希臘的馬格尼西亞(Magnesia)地名而來的,這種礦含有白色的碳酸鎂(MgCO3)。另外人們也開採白雲石做為我「鎂」元素的來源之一,白雲石含有碳酸鈣鎂(CaMg (CO3)2),在歐洲國家用作建築材料已好幾個世紀。我「鎂」及其化合物的研究始於18世紀中葉,英國蘇格蘭醫生布萊克(Joseph Black, 1728-1799)曾進行了一些對我「鎂」化合物最早的實驗。在公元1800年前,化學家只知道我是一種元素,但是沒有人能夠製備出純「鎂」金屬。我很容易和其他元素緊密結合,在當時沒有人能找到一種方法單獨分離出我「鎂」元素。直到1808年,英國化學家戴維(Humphry Davy, 1778-1829)用電解法從氧化鎂中分離出純質的「鎂」。 我在地殼中金屬的含量排第六位(僅次於鋁、鉀、鐵、鈣和鈉),而我「鎂」元素之所以在地球上存量豐富,是因為我在海水中的含量很大。據估計,我在海水中的含量約每立方公尺多達4公斤。照這推算,我在全世界海洋中的總含量約6 × 10 16噸以上,正因如此,海水成為我取之不盡的來源。

 

另外,人們採用道氏製鎂法直接從海水中提取我。道氏製鎂法是一種重要的製「鎂」法,在這方法中,先把牡蠣殼粉或貝殼粉(主要成分是氧化鈣)加入海水中,形成的浮液是氫氧化鎂。氫氧化鎂與鹽酸反應生成氯化鎂,電解氯化鎂就得到純淨的我–「鎂」金屬。熔化的金屬「鎂」可鑄成固體棒以便運輸。

 

平常食用的食鹽一般都是海鹽,也就是從海水中提取的,而海水在含有大量鈉離子和氯離子的同時,也含有頗多的鎂離子。粗鹽未加精製,裡面當然會混入不少的氯化鎂。而氯化鎂是一種無色、味苦、溶於水的晶體,極易吸收空氣的水分,因此粗鹽較精鹽易潮解。

 

目前,我已成為一種重要的結構材料,主要在於我很輕。我是所有金屬元素中質量最輕的,密度只有1.74公克∕(公分)3。可以比較一下,水的密度是1公克∕(公分)3,「鎂」的密度大約僅是鐵的1∕5、鋁的2∕3。

 

我「鎂」通常也和這些金屬形成合金。所謂合金是經由熔化或混合兩種或多種金屬製成,其性質不同於個別金屬。例如:我與「鋁」形成的「鋁鎂合金」比純「鋁」更輕,強度更大,更耐腐蝕,因此,在許多家庭裡都用鋁鎂合金製成的梯子。由於鋁鎂合金重量輕,已成為製造汽車零件、飛機配件、動力工具、建築物、橋梁、割草機殼和運動器材的理想材料。

 

與塑膠材料相比,鎂合金重量輕、強度高、減震性好、不易老化,又有良好的導熱性、電磁屏蔽能力強,以及非常好的壓鑄工藝性能,尤其是具有易於回收等的優點,是替代鋼鐵和工程塑膠材料的新一代高性能結構材料。為適應電子、通訊器件高度集中化和輕薄短小的發展趨勢,鎂合金是交通、電子、通訊、計算機、手提工具、電機、紡織、核動力裝置等產品外殼的理想材料。

 

發達國家非常重視鎂合金的開發與應用,尤其在汽車零件、筆記型電腦等便於攜帶的電子產品上的應用,全世界每年至少以20%的速度增長,非常引人注目,發展趨勢驚人。

 

我「鎂」是很容易製造和組裝的,所謂容易製造和組裝是說我易被塑造、模型化、彎曲、切割,以及和其他金屬混合成「合金」。在歷史上,我就是因為有上述特性,在第二次世界大戰中,德國把我和其他金屬混合為合金,製造了許多武器及設備,因此也有人稱我是「德國金屬」。

 

在美國生產的我「鎂」化合物約有70%用於耐火材料的製造。耐火材料是一種能夠忍受非常高溫度的材料,經常用於保持高溫的烤爐。另外的30%鎂化合物運用在農業、建築、工業和化學上。在商業上,我「鎂」也用於皮革鞣製和纖維整理,以使其更易於著色。

 

我「鎂」暴露在空氣中會很快在表面上形成一層氧化物,這層氧化物(稱為氧化鎂)宛如堅固的盔甲,保護著我使我免受進一步腐蝕。我的粉末或微粒在空氣中燃燒時可發出強烈的白光。在閃光燈泡中通常充有氧氣,其中裝有一根細鎂絲,當電池給鎂絲通電後,鎂絲會迅速燃燒且發出強烈的白光,可把景物照得雪亮,因此人們早期常用我做為閃光燈,但由於實用上較為麻煩,現在的照相技術多半改採電子閃光燈。

正因我「鎂」金屬很容易燃燒且放出明亮的光,所以在第二世界大戰時,英國、德國和日本的城市曾被敵人的轟炸機投下數以百萬計的鎂燃燒彈,使得這些城市陷入一片火海。我的熔點僅攝氏650度,但在平常情況下,很難使我熔化,因為我在空氣中加熱到攝氏473度時才會燃燒,並發出眩目、耀眼的白色火焰。前面曾提到過,這一特點使我成為製造焰火、照明燈、信號火箭的上等原料,因此又有「焰火金屬」的俗稱,讀者看到閃亮的煙火其實就是我「鎂」燃燒產生的。

 

我燃燒時,還會釋放出大量紫外線和熱量,幾克的我就能燒開滿滿的一杯冰水。如果把我「鎂」條放在開蓋的罐頭食品外,引燃我後只需2~3分鐘,罐頭中的菜餚就會熱氣騰騰。有趣的是,我在二氧化碳中仍然可以燃燒,因此用二氧化碳泡沫的滅火器不能撲滅我燃燒造成的大火。必須指出的是:雖然我容易燃燒,但我的金屬塊並不易燃燒,因此鎂條和鎂管可以安全焊接。

 

我「鎂」的一個重要應用是做「鋁熱反應」的引發劑。先來看一個實驗:在氯酸鉀、氧化鐵和鋁粉的混合物中插入一條我「鎂」條,然後把我點燃,這時就能看到我劇烈燃燒並放出熱量,使氧化鐵粉末和鋁粉在高溫下劇烈反應,放出大量的熱並有液態鐵生成。這個反應就是「鋁熱反應」,反應中的溫度可達到攝氏3,100度以上。

 

「鋁熱反應」在生產上有廣泛的應用。比如焊接鋼軌,往鋁熱劑中加入一定量的鐵合金和鐵釘屑,把這種混合物放到特製的坩堝中,用我「鎂」條點燃後立即劇烈反應,產生高溫的鋼水和熔渣。隨即把高溫鋼水澆入扣在兩根鐵軌縫上的砂型孔中,就可把兩根鐵軌焊接起來。這種焊接不用外接電源,而且速度快,設備簡單,非常適合野外作業,在鋪設鐵路的無縫接軌上具有重要的意義。此外,在工業上,也可用鋁熱劑的方法焊接大截面的鋼材零件。

 

1990年,在法國自由車大賽中,荷蘭代表隊隊長安德森(Phil Anderson)騎的是一輛純「鎂」製車架的自由車。這種車子比鐵製車架更堅固也更輕,後者的重量約是前者的5倍,即使是鋁製車架也比鎂製車架重1.5倍。鎂製車架可以一體成型,免掉焊接的麻煩,也使車身的重量減到最輕,而堅固程度則提升到最高。

 

我「鎂」可以用來製造行李架、磁碟機轉盤和照相機零件,因為這些東西都很講究輕巧堅固。像我這樣的金屬,在本世紀年產量可望達到50萬噸,汽車製造商會發現:用我製成車體,不但更輕,而且更堅固耐用,是最佳的環保車體。德國的賓士汽車已經用我製造汽車座椅,保時捷則用我製造輪圈。汽車重量更輕,也可以更省油,萬一發生撞擊意外,危險性也會隨之降低。

 

在某些天然水源中,我的含量會較高。我「鎂」使水硬度增大,含我「鎂」的溶液與肥皂混合時,我會與肥皂反應生成渣狀沉澱。硬水中的我通常經由軟化處理去除,在軟化過程中,不溶性的我被可溶性的鈉取代。

 

人們對我「鎂」和人體健康影響的研究,是從研究班圖族人(Bantu)開始的。班圖族是非洲的一個黑人民族,這一民族中的男女老幼幾乎沒人患過動脈硬化症。這一情況引起了科學家們的極大關注,經研究發現,其中的原因就在於班圖族人對我「鎂」元素攝取量大大超過其他民族。

 

我「鎂」是所有生物不可或缺的元素之一,簡單地說,因為我是幾種人體內部的生物「酶」(又稱「酵素」)發揮正常作用的基礎。酶是活生物體的「催化劑」,因為酶可以加快某些發生在生物體內的化學變化。有了我「鎂」的存在,酶在活細胞裡才能正常工作。

 

我也存在於葉綠素中,因為「鎂」是葉綠素的組成成分之一。葉綠素是光合作用的關鍵物質,因此我「鎂」對地球上綠色植物的生長必不可少。植物需要葉綠素取得陽光中的能量,以便製造糖和澱粉。地球之所以呈現青綠色,是因為「鎂」和葉綠素會吸收陽光中的紅色和藍色,而只反射綠色的光。

 

植物從土壤中吸收我「鎂」,人們則從所吃的植物中直接攝取我,或者從吃植物的動物肉類間接攝取。植物沒有得到足夠的「鎂」,就不能製造足夠的葉綠素,葉脈雖仍是綠色,但葉脈之間變黃,有時呈紅紫色。若我「鎂」缺得嚴重,則形成褐斑色,甚至壞死。

 

我「鎂」主要存在於人體器官和組織中,正常成人身體中的「鎂」總含量約25公克,其中60~65%存在於骨、齒,27%分布於軟組織。至於植物成熟時,「鎂」則集中於種子。我「鎂」離子在植物的「光合作用」和呼吸過程中,可以活化各種磷酸酶。我「鎂」也可以活化DNA和RNA的合成。

 

我「鎂」離子是生物有機體中含量偏多的一種正離子,僅次於鈣、鈉、鉀而居第四位;又我「鎂」離子在細胞內的含量僅次於鉀離子而居第二位。在鈣、維生素C、磷、鈉、鉀等的代謝上,我是必要的物質,在神經肌肉機能的正常運作、血糖轉化等過程中扮演著重要角色。

 

鎂離子又有著「天然鎮定劑」的別稱。當人的身體缺乏「鎂」的時候,肌肉就容易不穩定,甚至會發生抽筋,且情緒容易起起伏伏,甚至出現容易疲勞、失眠的狀況。解決之道是建議可以每周吃兩次深海魚(如鮭魚、鯖魚或鮪魚)或者吃南瓜籽、燕麥、黃豆或黑豆等。

 

我「鎂」也是一種參與生物體正常生命活動及新陳代謝過程不可少的元素。我影響細胞的多種生物功能:影響鉀離子和鈣離子的轉運,調控信號的傳遞,參與能量代謝、蛋白質和核酸的合成;可以通過負電荷基團,尤其核苷酸中的磷酸基團,維持人體的結構和功能,催化酶的激化和抑制,以及對細胞周期、增殖及分化的調控。

 

整顆的種子、未經碾磨的穀物、青葉蔬菜、豆類和堅果是我「鎂」最為豐富的來源;魚、肉、奶和水果中我的含量較低;經過加工的食物,在加工過程中我幾乎全部損失。營養專家建議一個人對我的標準攝取量是每日300到400毫克(mg)。我「鎂」也常加入飼料中,提供動物必要的「鎂」攝取量。附帶一提的是,實驗研究指出:我可以有效減緩女人的經痛。因此當月經來臨時,醫師常會建議多吃深綠色蔬菜及全穀類,用以降低經期的痛楚。

 

可以這麼說,我會在人們身體內分散,但大部分進入骨骼內,因此骨骼成為「鎂」的儲存處。

 

我「鎂」是構成骨骼的主要成分,是人體不可缺少的礦物質元素之一,能輔助鈣和鉀的吸收。在此,我有3種功能:透過薄膜調節身體動作;我的一部分可幫助從食物中釋放能量;我也用來製造蛋白質。「鎂」具有預防心臟病、糖尿病、夜尿症、降低膽固醇的作用,缺乏「鎂」會使神經受到干擾,引致暴躁及緊張,並且會使肌肉震顫及絞痛、心律不整、心悸、低血糖,甚至出現睡眠障礙或癲癇。

我「鎂」可幫助肌肉神經的穩定及大腦正常的運作,甚至有醫學文獻報導:我和失智症的發生有關聯性。「鎂」也可保護人體骨骼及平衡人體的血糖。每天若飲酒過量或常吃精緻的甜食、澱粉類,因為酒精跟醣類都需要靠我來代謝,吃進去的我不多,但人體內部的我消耗又多的同時,就容易缺乏我「鎂」。

 

人體內的我「鎂」含量幾乎是鐵的十倍。進一步的研究發現,我「鎂」元素是人體內合成卵磷酯的催化劑。假如人體內的我「鎂」量不足,合成卵磷酯的工作就會受到抑制,這樣人體對膽固醇的代謝會發生障礙,膽固醇在血液中的含量就會上升,進而引發動脈硬化。根據心肌梗塞死者的心臟解剖統計數字就可以看出:這些死者心臟所含的「鎂」量比正常人少40%。

 

法國生物學家還發現,我「鎂」有助於一種嚴重疾病―疲勞病的治療。經研究發現,疲勞病人的血液中,含「鎂」量比正常人少,而且人在發怒時,人體中所含的鎂會燃燒。因此愛發脾氣的人往往較容易疲勞,且心血管功能都不太好,這時吃一些含「鎂」的食物,會有助於脾氣改善及減緩疲勞。當人體本身感覺缺少「鎂」時,就會不自覺地想吃富含「鎂」的食物,而巧克力是個富含「鎂」的食物之一。當你特別、異常地想吃巧克力時,可能暗示著你身體正缺乏我。

 

除此之外,我還與人體的血壓關係密切。美國醫學研究發現:經由老鼠試驗得出缺「鎂」會得高血壓症的結論。由此推論,美國人目前高血壓患者之所以與日俱增,與飲食中「鎂」攝取量的多寡密不可分。比如說:據統計,1900年的美國人平均每日攝入「鎂」量475毫克, 2015年則降為245毫克。

 

缺少我「鎂」為何會患高血壓症呢?科學研究發現,人體內血管收縮的程度是鈉、鎂、鈣三種元素相互影響的結果。一般的情況是若血液中鎂含量降低,而鈉含量同時升高,這時人體內的調節機制就會失效,鈣離子便增加,促使血管收縮,進而導致血壓上升。

 

人們最初是從母乳開始攝取我「鎂」,而且每天都要攝取這種金屬才能永保健康,平時的飲食中不可缺乏我。1991年,坎貝爾博士(Dr. Mike Campell)在著名醫學雜誌《柳葉刀》(The Lancet)裡發表文章,建議用我治療長期疲勞症狀,這種神祕的病症稱作肌痛腦脊髓炎,有的人則戲稱它為雅痞流行性感冒。

 

坎貝爾報導說,接受「鎂」治療的病人報告指出:他們覺得較有精神,心情更好,而且比較能夠忍受疼痛。缺乏我是不是造成肌痛腦脊髓炎病症的原因之一,目前還不確定,但不管如何,我「鎂」缺乏的情況是極其罕見的。

 

前面說過,人們每天需要攝取300~400毫克的「鎂」這種金屬,但人們的身體對我的處理非常有效率,如果可以,就直接從平時所吃的食物中攝取,如果不行,就由已經儲存在體內的我拿出來循環使用。人們每天攝取的我約在350到500毫克之間,多餘的我不容易被身體吸收,而且如果太多,還會造成輕微腹瀉。因此瀉鹽(硫酸鎂,MgSO4)和鎂乳(氫氧化鎂,Mg (OH)2)常當做通便劑。

 

市面上常見含「鎂」元素的就是非處方藥的瀉鹽,即水合硫酸鎂,其醫學用途早在17世紀早期就已廣為人知,至今水合硫酸鎂仍是一種治療皮膚疹的補助用藥。水合硫酸鎂的硫酸鎂分子上結合了幾個水分子,首次發現於1618年英格蘭Epsom市的一個礦井裡,當時該市正鬧大乾旱,有個農民帶著他的牛到市中心中央公園的水孔喝水,但他的牛喝了幾口後就不願再喝了。

 

這農民很驚訝,因為他知道牛很渴,於是他自己嘗了後,發現真的很難喝,因為這個水帶有強烈苦味。後來,人們了解到浸泡在含有瀉鹽的天然水池裡可使身體感覺更好,這些鹽似乎具有安慰身體的屬性。沒過多久,浸泡在這種含瀉鹽的水池變得非常流行。

 

今天,瀉鹽已用在洗澡水裡,現在了解到:瀉鹽可以放鬆肌肉、消除酸痛和使皮膚光滑。也有一些園丁相信灑瀉鹽的花園有助於花卉和蔬菜成長!

 

其實,我「鎂」早就常拿來做為藥品,像是:潤腸通便用的碳酸鎂、防腐劑殺死細菌用的硼酸鎂,以及鎮靜劑用的溴化鎂。還有鎂乳是氫氧化鎂的水懸浮液,是乳狀,呈鹼性,可中和胃中多餘的酸,用做「抗酸劑」。

 

正常的飲食就可以提供超過需要量的我「鎂」,大部分食物都含有我,但烈酒、不含酒精的飲料、糖和脂肪則完全不含我。菠菜會阻止我「鎂」被人體吸收,因為菠菜所含的草酸會形成一種人體無法消化的化合物。但如果你很喜歡吃菠菜,也不用太擔心,因為菠菜不會是你飲食中「鎂」的唯一來源。

 

烹調不會影響我「鎂」,但如果你把煮青菜的水倒掉,那你等於倒掉一半的我。有些食物的含「鎂」量很高,像是杏仁、腰果、黃豆、黑豆、南瓜籽、巧克力、可可和深綠色蔬菜。他們的含「鎂」量都很高,每100公克中含有200毫克(等於百分之0.2)。

 

崔姆博士(Dr. Eric Trimmer)在他的著作《神奇的鎂》(The Magic of Magnesium)中指出,現代飲食若增加磷酸鹽的攝取量,會妨礙人們對我「鎂」的攝取。這兩種化學物結合成的磷酸鎂,不容易溶於水。令人感到意外的是,他的書中也強調,「鎂」可以紓解月經來臨前的不適症狀,並能預防骨質疏鬆症。該書建議,如果想增加「鎂」的攝取量,可以多吃麥片和巧克力,因為這些食物的含「鎂」量都在百分之0.4以上。

 

愛喝酒會使得人體的腸胃對電解質的吸收出現障礙,因此易有低血鎂的現象發生,這會造成心臟亂跳、心悸,進而容易猝死。酗酒的人和在貧窮國家的兒童會缺乏我「鎂」,「鎂」的缺乏會導致一個人變得容易煩躁或過於激進。可是另一方面,過量的攝取「鎂」也會發生鎂中毒。例如:吸入鎂粉末可產生咽喉和眼睛的刺激,進而發熱。在大劑量下,我會造成肌肉和神經的損害,最終可以導致感覺和麻痺損失,以致不能順利移動身體。當然,這樣的情況很罕見,多半只在必須長期與我金屬「鎂」接觸的工作環境才發生。

 

由上文可知,我「鎂」在人體裡屬於微量元素之一。所謂微量元素是指元素在人體內的含量很微少,但卻是絕對不可缺少,因為是影響人體健康的關鍵因素。隨著我「鎂」的大量開採,價格降低,和我「鎂」相關的合金有了新發明,其用途也有了新發現。可以想見,我「鎂」在未來21世紀的應用會是不可限量的。