元素訪談：蛇蝎美人——汞

趙勁一，劉睿，呂弋

1四川大學化學學院，成都610064

2四川大學分析測試中心，成都610064

元素家族，各顯神通！大家好，歡迎來到“走近元素家族”系列訪談！我是主持人霍曼(Human)。往期的節目里，我們邀請了外表華麗、內心沉穩的金先生，身姿輕盈、活潑開朗的氫妹妹，調皮搗蛋、喜歡電子的氟弟弟……今天我們的嘉賓是一位美麗動人的女士——咦？這位女士帶著面具出場了(圖1)。那么電視機前的你們先大膽地猜一猜她是誰吧！

圖1 汞小姐

1 揭開嘉賓的神秘面紗

“我是誰？我是希臘神話中塞壬誘惑船只的歌聲，人們對我趨之若鶩而又避之不及；我來自元素周期表IIB族，是唯一在常溫、常壓下以液態形式存在的金屬。沒錯，我就是大名鼎鼎的汞，小名水銀，又名神膠、流珠、子明[1]；在你們人類眼中，我是蛇蝎美人一樣的存在。”

霍曼驚嘆道：“汞小姐真是名副其實的美人！外表是漂亮的銀白色，閃爍著神秘的光芒……請問您有什么保持容貌的秘訣嗎？”

聞言，汞小姐高冷的臉上出現了一絲害羞。“這可真是不好意思……我的容貌還得歸功于相對論效應。受相對論的影響，我們住在元素周期表六樓的元素熔點變化很大。由于6s軌道收縮，能量下降，六樓居民們擁有6個價軌道，平均每位居民都有3個成鍵軌道和3個反鍵軌道，這些軌道具有高度的對稱性。我體內的電子填滿了成鍵軌道和反鍵軌道，能量升高，金屬鍵較弱，熔點很低。所以我的容貌不像別的金屬一樣硬邦邦的，反而像水一樣柔美[2]。”

“汞小姐認為自己的性格如何呢？”

“我算是沉得住氣的元素，不太容易被水的甜言蜜語騙走，也不被酸堿誘惑，但是和其他大多數金屬一樣，只要遇見無良的硝酸和熱濃硫酸，我還是得老老實實交出自己的電子。”

“相信汞小姐一定有許多朋友吧？”

“沒錯，我會擁抱溶解很多金屬朋友，形成‘汞齊’，比如，金先生，銀姐姐，鋅妹妹……不過鐵弟弟不怎么喜歡我。不少故事都在講述我和金屬的友誼，《天工開物》中曾說，‘水銀能消化金銀成泥，似鍍物也[3]。’還有點‘石成金’的成語——我們找到含金礦石中的金先生，形成金汞齊(Au2Hg)，再鍍金于石器或鐵器上[4]。我還有一位好閨蜜，叫做硫。我們相遇時，總是一拍即合，形成硫化汞(Hg2S)；有時候我闖了禍，撒漏在地上，硫也會及時趕來帶走我[5]。”

2 趨之若鶩？避之不及？

“您和硫的友誼聽上去真令人羨慕！話說，多年前，你們就經常在一起吧？朱砂，也就是硫化汞，不是從很早以前就作為顏料在使用嗎？因為你們在一起會展現出像花朵一樣艷麗的紅色。”

“是的。早在殷朝時期，甲骨文上就留下了我的痕跡。說到這里，不得不提到我們汞與你們人類已經認識了好多年。《史記秦始皇本記》中就寫道：‘秦始皇葬拾荒驪山……以水銀為百川……機相灌輸……’這說明，我們的關系可以追溯到公元前6世紀[6]。那時的人們已經掌握了水銀的提煉，并將其用于尸體防腐。”

“沒錯。您也說過，歷史上有一個時期人們對您‘趨之若鶩’，您可以詳細地講一講當時發生了什么嗎？”

“說來話長。戰國齊威王、齊宣王、燕昭王時，有大批齊、燕方士入海求蓬萊仙藥，著名的徐福也是為此東渡日本[7]。”

“您參與其中？”

“對，且聽我慢慢道來。古代皇帝為追求長生不老，沉迷煉丹之術，那所謂的‘丹’，便是由一些自然礦石或金屬煉制而成。古人相信，‘變化者，乃天地之自然’，故要‘假求外物以自堅固’；我們汞的形體圓轉流動，是煉丹的主要材料之一。為了得到較為純凈的汞，人們常常用簡單粗暴的加熱方式，把我和硫分開(HgS + O2= Hg + SO2)。然后，通常來說，要有一定配比的其他金屬和我們一起在煉丹爐里經歷千錘百煉(圖2)；譬如古人喜歡金先生，因為金先生有著良好的穩定性和抗腐蝕性，進入人體后，可以幫助堅固肉身，從而達到長生不老的目的[8]。”

圖2 煉丹爐

“可是據我所知，丹藥里所含的物質，很多不僅不能夠起到養生的作用，反而會毒害人體？”

“嗯，這源于古代人們對科學的了解遠遠不夠。盡管人們在追求長生不老的道路上遭遇到了必然的失敗，但是煉丹的過程可以視為最早的‘化學實驗’之一，涉及到了很多化合物，如氧化汞(HgO)、輕粉(Hg2Cl2)、水銀霜(HgCl2)，還有各種金屬的汞齊等。”

“或許正是因為科學的進步，人們了解到你并不是看上去那樣溫和無害，所以后來才對你‘避之不及’的吧？”

汞小姐露出了一個無奈的笑容：“是的。不過我早就想告訴人們了，我雖然沒有讓你們起死回生的本領，但也沒有傳聞中那樣可怕。我們汞微溶于水，不能被腸胃吸收，所以大多數少量吞食水銀的人沒有任何癥狀，我們不會搗亂，只會默默地穿過人體，伴隨著糞便排出。”

“看來人們對汞小姐的確誤會不小。那么，到底是什么使人們如此恐懼呢？”

“說起來不太好意思，有時即使身處常溫，我也會沒來由地發脾氣，那時我就不是優雅的汞小姐了，而是揮發成為可怕的汞蒸氣。汞蒸氣從呼吸道侵入人體，由肺泡吸收50%左右[9]。當穿過血腦屏障后，我們急著去找好朋友硫聊天；蛋白質和酶中的巰基和我們結合后，就疏忽了自己的本職工作；我們與體內蛋白結合后還可由半抗原成為抗原，引起變態反應……對于我發脾氣容易給你們帶來危險這件事，我很抱歉！”

3 以史為鑒，和平發展

“20世紀五六十年代，人類與汞爆發了一場戰爭。這場戰爭主要發生在日本熊本，汞中毒的人們平衡、步態和語言能力逐步退化，大量病人死亡。這場戰爭早已塵埃落地，請問汞小姐對于先輩們參與的這場戰爭有什么看法嗎？”

“首先，我需要澄清一件事。如果只有我們汞，這場戰爭是不會爆發的。汞可以與烷基、炔基、芳香基、一些有機酸根等結合生成有機汞化合物，有機汞的毒性遠遠高于無機汞；戰爭中我們受到了甲基的脅迫，與他們形成了具有神經毒性的甲基汞，這才是罪魁禍首。

我們知道新陳代謝的中心思想是要靠水帶走一些在人體內不守規矩的物質；甲基素來與水不和(甲基是疏水基團)，它怎么會乖乖跟著水離開？在人體內，親脂的甲基汞會去尋找各種組織并與他們結合。甲基汞會去哪里呢？他們不會在血液里呆得太久，因為血液里含有大量的水，并且人類派出的DMSA (二巰基丁二酸)巡警會去抓捕他們，DMSA的兩個巰基像鉗子一樣牢牢抓住汞(配位反應)，這樣甲基汞就不能到處亂竄了(圖3)；加上分子外層具有水溶性，可以通過腎臟排出。或許他們會去心臟？這也不是好的選擇，因為心臟的主要構成是肌肉組織[10]。”

圖3 螯合物

“難道他們選擇了大腦？據我所知，腦組織有60%由脂質構成。”

“沒錯，正是大腦。甲基汞來到大腦后立刻策反細胞內的抗氧化酶，讓他們不再為人體服務；抗氧化酶的罷工又引發了線粒體的恐慌，他們不能像平時一樣好好工作、正常合成ATP，反而會生產出大量的活性氧——這就是所謂的‘氧化應激’，最終導致神經細胞死亡，再也不能執行幫助人學習記憶的功能[11]。”

“甲基又是如何找上你們汞的呢？”

“其實，在自然條件下，一部分汞元素也會在微生物的作用下生成甲基汞和二甲基汞，前者先是進入水生生物的體內，富集后又通過食物鏈傳遞；后者易揮發，進入大氣擴散。但是，只要環境中的甲基汞在安全閾值之下，一般都可以和人類和平共處 。當年的戰爭，是因為甲基汞含量過高，已經超出了自然可以承受的范圍[12]。”

“似乎您還沒有回答我剛剛的問題？”

“是的。接下來就要進入正題了。人類的二戰結束后，日本加快了工業化進程。某些工廠生產氯乙烯和醋酸乙烯時，使用了含汞的催化劑，例如乙炔法制備氯乙烯，就是用乙烯和鹽酸，用氯化汞作為催化劑，通過親電反應制成[13]。簡而言之，這導致排向海洋的廢水中含有大量的汞，被水生生物食用后，我們汞就在生物體內被甲基抓住，生成了甲基汞，甲基汞比其他處于無機狀態的汞殺傷力要高得多。然后人類食用了這些水生生物，趁此機會甲基汞大量進入人體(圖4)。這，就是戰爭的開始。

圖4 汞的富集

所以你們明白究竟是什么引發了戰爭嗎？”

“答案是甲基汞。”

“您可以這樣認為。但在我看來，是人類對于經濟高速發展的貪欲為甲基汞的擴張提供了機會和途徑。”

“您說得對。不過，人類為了加強防御，近來發展出了多種手段監測環境中的有機汞。”

“沒錯。例如，一種檢出限小、干擾度低、準確度高的方法，就是用鹽酸巡警抓捕土壤中的甲基汞和乙基汞，再用巰基棉富集、四丙基硼化鈉衍生，最后送進氣相色譜-冷原子熒光光譜儀進行分析[14]。還有，微波輔助萃取可以精準找到總汞中的甲基汞，固相微萃取對環境友好且不受復雜基體干擾；也有多種檢測儀器齊心協力，氣相色譜和液相色譜都喜歡找質譜儀合作，靈敏度更高、檢出限更低的原子熒光也不甘示弱[15]。”

汞小姐的表情逐漸嚴肅起來。“但是我仍想提醒你們，歷史的悲劇似乎在重演[16]。在同一個國家，他們又一次選擇把廢水排入大海，這一次，是氚等放射性元素們，開始一輪又一輪的富集，最終是否會爆發新的戰爭，誰也說不清[17]。”

主持人霍曼沉默了。

汞小姐頓了頓，語氣變得溫柔，“我們元素的存在比人類早了太多，每一種元素都以自己能幫助人類創造更好的生活而自豪。對于汞齊，汞家族傳唱著這樣的歌謠：鈉還原，錫制鏡；鋅作電池金鑲牙；熒光燈亮多美麗，功勞還屬鈦汞齊。不僅如此，純汞把自己當做電極，幫助人類用電解法生成高純度的氯氣和燒堿(圖5)，我們還和朋友硫一起，參與顏料的制作，或者用于制作化妝品；在高新科技領域也不乏我們的身影：钚原子反應堆冷卻劑、鎘基軸承合金，這些都有我們汞的功勞[18]。”

圖5 汞電極電解食鹽水

4 尾聲

“好了，今天的節目到這里就要結束了。在節目的最后，汞小姐還有什么想要對觀眾朋友們說的嗎？”

汞小姐面向鏡頭，語重心長。

“是的。我可以幫助你們制造溫度計等各種儀器，可以制藥；也可以藏匿于各個角落、殺人于無形；大家喜歡叫我‘蛇蝎美人’，好像是因為我的存在才帶來了災難。但實際上，我是天使還是惡魔，完全取決于你們人類自己。說到底，對萬事萬物懷著一顆尊重和敬畏的心，才是我們和平相處的根本。”