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鉀的自述

人們很喜歡拿「鉀」元素和「鈉」元素做比較, 看了本文,您就知道兩個元素到底有什麼不同。
 
 
鉀鹽
▲鉀鹽
 
一說起豆腐,大家首先想到的是它的柔軟。但你是否知道,有一種金屬─我「鉀」─也像豆腐那樣柔軟?
 
一提起金屬,人們就會想到常見的銀、銅、鐵、錫……都是硬梆梆的,卻很少聽過金屬還有軟的,因此對於我可能很陌生。實際上,人類的祖先在遠古時代就已應用我的化合物做為肥料,如鉀灰(又名草木灰或草鹼),然而卻是到18世紀初才真正得到我這種金屬元素。
 
根據科學家的統計,我是分布最廣的元素之一。我的氧化物與水作用後會生成強鹼,因此人們通常稱我是典型的鹼金屬元素之一。化學元素周期表的第1族元素就通稱為鹼金屬元素,這族的元素包括鋰、鈉、銣、銫、鍅。和它們一樣,我的反應活性很強,喜歡和其他元素結合在一起,因此在自然界至今從未發現我以純元素狀態存在。地殼裡以我為主的礦物高達一百多種,另外有好幾百種礦物裡也含有少量的我。
 
鹼金屬元素的原子間吸力較小,結合較鬆散。因此,第1族元素有比重小、硬度低,沸點低、導電性強等特性。正因如此,我可以浮在水面上,與水作用時會放出氫氣,並有銀白色的金屬光澤。正因為我的性質十分活潑,在常溫下就能與空氣中的氧結合而生成氧化物。當我被切開後,銀白色的斷層面會很快發黑,這是因為表面上生成了一層薄薄的氧化物。也因為遇熱時我在空氣中會燃燒,因此必須保存在乾燥的煤油裡,且在取用我時動作必須迅速,以免我和空氣中的氧結合,導致我被氧化。
 
鉀常貯存在煤油中(圖片來源:種子發)
▲鉀常貯存在煤油中(圖片來源:種子發)
 
在探索我的旅途中,曾使許多化學家傷過腦筋。像是1702年時,曾有化學家根據幾種鉀鹽的結晶形狀不同,分類出草鹼和礦物鹼二種。1736年時,又有化學家用實驗證明這兩種鹼其實是二種不同性質的鹼性物質。1754年和1761年先後又有人用實驗證明草鹼和礦物鹼的不同。當時一般人都猜想這些鹼性物質是否能再分離成更單純的東西(即元素)。
 
在18世紀時,草鹼和礦物鹼的真正性質還是難分難解,甚至著名的法國化學家拉瓦錫(Antoine– Laurent de Lavoisier, 1743 –1794)也只能推測「其中可能有氮元素存在」,因為當時只知道氮是鹼的主要成分。後來才知道來草鹼的主要成分是碳酸鉀(K2CO3),而礦物鹼的主要成分是碳酸鈉(Na2CO3)。必須指出,這二種鹼性物質都曾當做清潔用品,二者之間的主要區別是依據它們的來源做為判斷標準。
 
話說1786年的某一天,義大利的解剖學教授伽爾伐尼(Luigi Aloisio Galvani, 1737 –1798)在做解剖青蛙的實驗時,無意間發現掛在窗前鐵柵欄上的死青蛙的大腿肌肉收縮了一下。這一意外的發現傳到了義大利物理學家伏特(Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, 1745 –1827)的耳中,引起他很大的興趣。經過無數次試驗,伏特終於在1799年製成了世界上第一個可產生穩定電流的電池─伏特電池。
 
伏特電池的發明為化學界帶來了一場革命。以前,化學家們從礦石中提取金屬的手段幾乎全部依靠碳還原,儘管碳是一種很強的還原劑,但強中自有強中手,當碰到那些與氧結合比起碳與氧更為牢固的金屬時,便無能為力了。而電卻能幫助人們解決這一難題,一直到1807年,英國科學家戴維(Humphry Davy, 1778 –1829)用電解方法才真正獲得元素狀態的我。
 
19世紀初,化學界普遍認為苛性鉀(又稱氫氧化鉀,KOH)(含有我的一種化合物)是一種氧化物,戴維一直對此表示懷疑,他想用電試試看苛性鉀到底是什麼東西?
 
1807年,戴維開始了實驗,他與助手製作了一個龐大的電池組,希望隱藏在苛性鉀中的物質經由電的作用跑出來。他們起先試圖電解苛性鉀的飽和溶液,但失敗了,因為結果與電解水沒有什麼區別。
 
後來他們改變了實驗方法,把苛性鉀先在空氣中暴露數分鐘,使其表面略微潮溼成為導電體,然後放置在一個絕緣的白金盤上,讓電池的陽極與白金相連接,做為陽極的導線插入潮溼的苛性鉀中。果然,電流接通後,我在電流的作用下熔化,後來分離,接著在陽極上出現了水銀滴般的顆粒。它們就像水銀珠子一樣帶著銀白色的光澤,但一滾出來就啪的一聲炸開了,並呈現出美麗的淡紫色火舌。
 
戴維看到那望眼欲穿的小金屬珠出現時,難以壓抑的歡喜之情瞬間爆發,盡情地跳起舞,任憑實驗室架子上的玻璃器皿被撞得粉碎。他老半天才平靜下來,拿起桌上的鵝毛筆寫下了實驗紀錄,並在空白處寫下幾個大字:一個出色的實驗!
 
後來,戴維又分析了實驗過程中產生的這種金屬,確認是一種新的金屬。戴維對這個新元素的命名是取用「鉀灰」(pot-ash:pot「鍋」,ash「灰燼」)的字意,換言之,我的英文字potassium就是由英文「鉀灰」(potash)演變而來的。我的拉丁文(kalium)含意是「鹼性」的意思,這也完全符合我的本性。
 
我是化學史上第一個用電解法發現的元素。有了捕捉我的經驗後,戴維隨即用同樣的方法加大電流,從苛性鈉(氫氧化鈉,NaOH)中電解出了另一種金屬─鈉。
 
我的沸點是攝氏770度,密度是0.862公克∕cm3,熔點是攝氏63度,正因為我的熔點不到攝氏100度,通常碰到蠟燭火焰就會融化。
 
我燃燒時可使火焰呈紫紅色狀,這往往成為區別我的一個重要特徵。附帶一提的是,煙火之所以有紫色光芒,就是因為煙火藥材裡有我的存在。
 
我是熱和電的良好導體,本身質量很輕,放到水裡並不下沉,而是發出滋滋聲在水面上亂竄,金屬的我甚至會燃燒,爆發出淡紫色火焰,這是因為我與水發生了反應。當溫度升到攝氏63度時,我便會熔化成液體。我和金屬「鈉」製成的合金在常溫下是液體,且這種合金具有很好的導電性能,因此常用做原子反應爐的導熱劑。
 
在化學元素周期表裡,我排在鈉的正下方,因此我和鈉的化學性質非常相似,且在自然界中的含量幾乎相等。我在地球的元素中含量豐度排第8名,估計約為2.0至2.5%間,比起鈉的豐度略少一些。這兩種元素都存在於矽酸鹽礦物和海水中,有趣的是,在海水中我的含量也比鈉含量少一些。必須指出的是,我是植物生長所必需的元素之一,鈉則不然。因此礦物中的我溶於水而進入土壤中後,在經過河流和溪水流入海洋之前,通常植物會吸收其中大部分的我。
 
我是植物生命的基礎,在植物體內的作用是多方面的。我和植物體中碳水化合物的合成與運轉關係很密切,榖類作物若缺乏我,不但籽粒變少,籽粒的澱粉含量也降低。
 
通常我是以離子狀態(K)被植物吸收。我在植物體內大部分集中在幼嫩的細胞組織及器官中,植物幼苗若缺我,就會影響碳水化合物的生成,致使植物的組織發育不良,植物會因太柔軟而易倒下,抵抗蟲害的侵襲力也大幅減小。此外,會使葉片在行光合作用時所積累的糖分運轉困難,因而大大阻礙了光合作用的進行。
 
反之,當我的數量足夠時,進入植物體內的氮就會變多,形成的蛋白質也較多。例如把一個豌豆培養在無「鉀」的條件下,蛋白質的含氮量是50%,倘若培養在有我的條件下,蛋白質的含「氮」量就增高到71%。研究指出,植物體中的鉀與蛋白質的分布是一致的,在生長點形成層的分布也是一致的,在生長點形成蛋白質的地方,同時有許多鉀離子存在。豆科植物種子中的我含量比禾木科植物種子高,這些現象都說明我和蛋白質的轉化關係很密切。
 
我還與植物的氧化還原系統有關,當植物缺乏我時,植物體內的鐵會被過分氧化成為不溶解狀態,不能被利用。比如說,水稻缺少我時,葉片減短,葉幅變狹,整株水稻軟弱下垂,甚至葉面出現褐色斑點。
 
我的重要化合物也與人們的生活息息相關,如氯化鉀(KCl)、硫酸鉀(K2SO4)、碳酸鉀(K2CO3)這三者並稱肥料三大要件,因為它們都是農作物生長不可缺少的肥料。一般人們常說的化學肥料,主要成分就是上述3種含有我的化合物。其實,或許可以這麼說,我對人類最大的貢獻就是做為肥料。
 
開採出來的氯化鉀幾乎都用來製作植物生長用的肥料,事實上,早期人類就已使用植物和樹木本身做為我的主要來源。在古代,人們把木材或植物放在鍋裡燒成灰,這種灰稱為草鹼(即鉀灰或草木灰),其主要成分就是「碳酸鉀」。
 
草木灰
▲草木灰
 
鉀灰在美國殖民地時期是個廣泛使用的材料,當時人們常拿它做肥皂、玻璃和其他幾十種產品,這是因為那時的鉀灰很容易取得,只要燒幾十棵或幾百棵樹,就可以在灰燼中收集鉀灰。在18世紀時,美國境內到處樹木林立,沒有人關心環境保護的問題,認為一旦燒光樹木,沒有鉀灰可取時,大不了再搬到更遠的美國西部去括荒。想想看,如果大家一直都這麼做,可以料想所有樹木總有一天被燒光,會馬上出現嚴重的生存問題。
 
幸好在1780年代,有個法國科學家勒布朗(Nicolas LeBlans,1742 –1806),把3種常見物:氯化鈉(NaCl)、石灰石(又叫碳酸鈣,CaCO3)和煤(純碳)混合後製成純鹼,這種純鹼又叫人造肥料。從此以後,美國人不再燃燒大量樹木製取鉀灰做為肥料。不知不覺間,人造肥料或化學肥料的發明救了地球上的綠色資源。
 
我也是人體不可缺少的化學元素之一,據估計我在人體內約有150公克,其中98%藏在細胞中,並且是以鉀離子型態存在於細胞內,另外2%則存在於細胞外。必須指出的是:鈉和我正好相反,幾乎所有的鈉都以鈉離子(Na)的型態存在於細胞外。
 
形成這種現象是因為隨著人體內生化分子(鈉∕鉀離子三磷酸腺苷酶)的作用,可把鉀離子送進細胞內,並把鈉離子排出細胞外,藉此傳遞神經刺激以及保持細胞內的滲透壓。因此,我對維持生命起了相當重要的作用。簡而言之,我能保持體內正常的滲透壓,調節體內的酸鹼度和神經、肌肉活動正常,維持穩定心跳規律。
 
在身體的各部位都可以發現我,紅血球中含量最多,接著是肌肉和腦組織。我主要是以電解質的型式存在於身體各細胞之間的流體,因而最重要的功能就是操控人們的神經系統。我和鈉離子進出神經細胞膜的各個通道,但有些通道只允許「鉀」離子通過。所有這些活動造成的結果,就像是電流沿著神經纖維流動。
 
由此可見,我是人體不可或缺的元素之一,有些食物中我的含量特別豐富,像是植物種子和果核。除了蔬菜油和奶油之外,幾乎所有的食物都含有我。在日常生活中,香蕉和橘子都是屬於鉀含量較高的水果,因此這些水果是提供我的最佳來源。
 
醫學研究指出,鉀離子太多或太少對人體都不好,因為太多會引起心律不整或心房顫動,甚至致死,但鉀離子太少會造成呼吸麻痺。
 
在正常情況下,人體攝入與排出的鉀量總是維持平衡,但在某些特殊情況下,還是會出現問題。比如人們患了急性腸胃炎,喝下去的水不能吸收,而體內的水分仍然經由呼吸、汗液、尿液排出體內,結果會造成整個身體脫水。這時除了進行藥物治療外,還應喝些含鹽類的水,嚴重的應該去醫院打點滴,補充我、鈉來維持全身水的代謝平衡。人體缺乏我時,會導致虛弱、失眠,甚至心律不整,每天吃一根香蕉或二個橘子可以補充天然「鉀」質。
曼巴蛇
▲曼巴蛇
 
非洲一種棲息於樹上的黑綠色毒蛇「曼巴蛇」(mamba snake),它的毒液可以阻塞通道使脈衝無法在神經系統中流動,因此被牠咬到的獵物會痙攣然後死亡。曼巴蛇的毒液曾用來研究人腦中鉀通道的分布情形,方法是把經過輻射處理的微量曼巴蛇毒液注射到自願者體內,然後記錄它的流動途徑。這項研究發現,這種通道最密集的位置就在腦中的海馬區(hippocampus region),這是很重要的學習區。
 
某些情況會造成我的匱乏,像是飢餓、腎功能不好,以及服用某些利尿劑(可以增加排尿的藥物)。人體必須維持我這種重要元素的穩定供應,才能使細胞組織順利活動,使腎臟正常運作。如果人體無法攝取到足夠的我,肌肉就會變得軟弱,這會對心肌產生不利影響,造成心跳不規律,甚至心跳停止。長期缺乏我會導致心情沮喪與困惑。
 
有些醫療方法需要病人補充我,有些藥物需要用到大量的我,像是利尿劑。但是,很少出現因為缺乏我而造成健康不佳的情況,因為所吃的食物中幾乎不可能缺乏我,尤其是蔬菜和水果,所有的植物都從泥土中吸收到大量的我。啤酒喝太多的人可能會攝取到過量的我,這些人通常又特別喜歡吃鹽漬食品,這可能是他們的身體企圖維持鈉-鉀電解質平衡的一種方法。
 
人體內我的含量長期過高,會壓抑中樞神經系統。如果一次吞下幾克的高劑量氯化鉀,會使中樞神經系統癱瘓,造成痙攣、腹瀉、腎衰竭,甚至引發心臟病。破壞體內我濃度平衡的另一種方法,就是注射氯化鉀(KCl)溶液,這是會致命的。如果神經細胞外面的我太多,原本在細胞內的我會無法跑出來,它們應該傳送的電脈衝也因此消逝,身體的所有功能會受到影響。但影響最大的莫過於心臟,因為心肌會停止跳動。
 
很多人把「鈉」視為討厭的化學物質,想盡辦法少吸收一些,但對於同是金屬元素的我卻抱著完全不同的看法,甚至還會積極去找尋含量很高的食品來吃,因為他們認為攝取我越多就越健康。這種想法並沒有錯,因為人們飲食中需要攝取我會多過鈉,事實上,人們體內的「鉀」含量比鈉多百分之四十。一個成年人體內平均含有150公克的「鉀」,但只有100公克的鈉。以這種比例來換算,這兩種元素的成年人建議攝取量是每天至多約3.5公克的鉀和1.5公克的鈉。
 
一般而言,醫生會建議少吃鹹的食物(因為含「鈉」量過高),而多吃富含我的食品(像是香蕉、橘子等),這是由於前者會造成高血壓病變,而後者可以減緩高血壓症狀。造成高血壓的成因有很多,像是血管孔徑較小、或是血管壁較硬等,都會造成人體的高血壓。但若就「鉀」和「鈉」二元素而言,鈉離子的帶水量比鉀離子高,當水分子數目越多,衝撞血管壁的力量就越大,所以說,多吃「鈉」(鹹的食品)比多吃「鉀」更容易導致高血壓。也就是,多吃富含「鉀」的食物可以排除人體內的鈉離子,避免高血壓,但也因人體內富含鉀離子,而造成尿液多。
 
我在空氣中燃燒可生成超氧化鉀,化學式是KO2,這化合物很有趣,與水和二氧化碳都能反應產生氧氣。利用「超氧化鉀」這種性能可製造自給自足式的呼吸儀器。在呼吸儀器中裝有「超氧化鉀」,它與潛水員呼出的二氧化碳反應產生氧氣,使潛水員不用暴露於外界空氣中就可自然地呼吸。
 
我有幾種化合物都有商業應用價值,像是氫氧化鉀是非常易溶於水的強鹼,它主要用作某些蓄電池的電解質溶液,以及用於液體肥皂的生產。
 
硝酸鉀是我另一種重要的化合物,人們熟知它已有幾個世紀了,它的俗名是硝石(saltpeter),意思是「石頭鹽」,這個名字由希臘文「petra」(意思是「石頭」)衍生而來。或許硝酸鉀最引人注目的用途是做炸藥,當受熱時,硝酸鉀會分解放出大量氮氣。子彈裡含有硝酸鉀、木炭和硫磺,當子彈受熱時會產生大量的二氧化碳和氮氣,這些氣體的瞬間擴張可推進發射子彈。另外,還有個有趣的物質叫碳酸氫鉀(KHCO3),它可以做為一般汽水飲料原料之一,也可以用於滅火器的添加劑。
 
碳酸氫鉀可以做為一般汽水飲料及滅火器的添加劑(圖片來源:種子發)
▲碳酸氫鉀可以做為一般汽水飲料及滅火器的添加劑(圖片來源:種子發)
 
但是含有我的氰化鉀(KCN)卻是個劇毒分子。因為當氰化鉀進入人體後,會立刻和血紅素的血基質鐵分子結合,原本血基質鐵是負責運送氧氣至人體全身,一旦它們結合後,會大大阻礙體內的氧氣供應,最終導致死亡。
全世界的鉀生產量大約4千萬噸,主要來自英國、德國、加拿大、智利,以及死海的海水。智利生產的是硝酸鉀(KNO3,即硝石),其他地區生產的則是氯化鉀,同時還夾雜一些氯化鈉、氯化鎂等。英國有一處氯化鉀礦區,深達一公里多,每年生產將近100萬噸的桃紅色的鉀鹽石。提煉時,必須把礦石敲碎,然後用氯化鈉濃液把氯化鉀和其他礦物分離開來,氯化鈉的成分要很正確,才不會把氯化鉀溶解掉。
 
氯化鉀大部分用來製造肥料,其餘的則製成各種化學品,像是氫氧化鉀,這是液態肥皂和洗滌劑的主要成分,以及碳酸鉀,用來製造供電視機使用的特殊玻璃。少量的氯化鉀則用來製成藥劑,像是醫院用的生理食鹽水。
 
氯化鉀還有一種相當特殊的用途,就是用來製造人造雨,在乾旱地區增加降雨量。在正常狀況下,雲只會釋出其約三分之一的溼氣成為雨水,如果在雲中撒進很細的化學粒子,降雨量就可能增加。在某些地區,即使只增加百分之十的降雨量,對農人來說,已經是天大的好消息了。南非的馬瑟(Graeme K. Mather, 1934 –1997)發明一種新的人造雨方法,就是在飛機機翼上裝置釋放器,然後讓飛機在雲層下方飛行,同時釋放出「氯化鉀」煙霧,煙霧便會往上飄進雲中─不久就會降下大雨。
 
我的一個天然放射性同位素「鉀-40」存在於很多岩石中,半衰期長達12.5億年,它廣泛用於確定岩石的年代。這項技術的基本思路是:當鉀-40衰變時,會變成惰性氣體氬,確定了岩石中的氬含量,也就確定出了岩石的年代。用這種方法曾確定地球上最古老岩石的壽命長達38億年之久。
 
前面說過,每個人體內約有150公克的我遍布全身各處。由於鉀-40在自然界的豐度約為0.012%,人們體內或多或少都含有這種放射性同位素,但因為鉀-40在人體內的含量實在太少了,所以自然存在於人體中的鉀-40不會造成身體傷害。
 
很多人很喜歡拿我和鈉元素相比。基本上,我們二者的化學和物理性質都很相似。最明顯的不同處,除了我的原子半徑較大、鈉的原子半徑較小外,對人體而言,攝取我比攝取鈉來得健康些。當然,這也並非完全如此,吸收我的量太少,易得高血壓;吸收我的量太多,又易得腎臟病。因此不管我是吃多還是吃少,都是挺麻煩的問題。究竟攝取量多少才算健康,恐怕還是因人而異。
 
這就像人世間有很多事情也是如此,取或捨、進或退,要或不要,都叫人傷透腦筋。或許也正因如此,才會有這麼多的煩惱吧!
 
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