在元素周期表上，金屬占據了118個元素中的94席。

這其中，既有金、銀、銅、鐵、錫等人盡皆知的金屬，也有像釕、銦、鉭這樣的罕見元素，還包括了諸如鋦、锘、 等一些人造元素。有著如此豐富的種類，金屬元素注定會在物質科學中書寫出濃重的一筆。

一個令人略有些意外的現象是，能夠被廣泛應用的金屬，通常都不是某種純粹的金屬，而是制成一種被稱為合金的物質。這種物質——合金就是由兩種或多種化學元素（其中至少一種是金屬）組成，如二元合金、三元合金和多元合金。它們同樣具有金屬的一些特性，卻能改變純金屬性能的局限性，成為滿足各種不同使用需求的優越性能的材料。

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很長時間以來，金屬影響了人類文明的發展。

一般而言，進入青銅時代就是步入文明的標志，如青銅被大量用于鑄造錢幣，進入鐵器時代的文明則開始走向成熟，至于影響深遠的工業革命，更是由鋼鐵支撐起來的。

到了晚期鐵器時代，世界各地多已進入有文字記載的文明時代，鐵器工具的使用排除了石器，并促進生產力快速的發展。這里所說的時代，通常指的是在考古學上的一個年代，如青銅時代一般指的是在考古學上繼紅銅時代后的一個時代。青銅就是紅銅與錫的合金，故亦稱錫青銅。

中國在商代時期（公元前 16 世紀—前 11 世紀）已是高度發達的青銅時代，建立了冶煉青銅的工業。早在公元前3000年，美索不達米亞和埃及等地就已進入青銅時代。我國秦、漢以后，除青銅外，還出現一些其他的銅合金。最早出現的銅鋅合金，即普通黃銅。黃銅就是銅鋅合金的總稱。后來又出現白銅，即銅鎳合金。

盡管現代社會已經不再用某個金屬來貼標簽，但這并不意味著金屬不再重要。相反，更多新型的金屬已經派上用場，鋁、鈦、鎂等元素交相輝映，成為生活中不可或缺的金屬材料，很難說到底是哪一種金屬定義了新的時代。

在金店里，我們可以找到高純度的黃金，其純度即成色，一般千分率表示。例如，“百足金”指的就是純度超過 990‰的黃金，雜質不超過 1%；“千足金”的純度（含金量）則超過 999‰，以此類推。

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實際上，冶煉中不可能使其達到 100%，因此，通常把純度 999.6‰以上的稱為足金或足赤。然而，這些高純度的黃金只是象征著財富，卻并非理想的首飾材料。一方面，純金只會顯示出金色，難免有些單調；另一方面，更為要緊的是，純金實在是太軟了。

在技藝高超的金匠手中，黃金首飾可以被打造成精美的鏤空形態，可是戴上這樣的首飾就得十分小心了，萬一磕了、碰了都有可能發生變形，自然也就不那么好看了。

因此，為了使用起來更加順手，黃金也常常會被制成合金。最初的分割熔合，可能只是為了降低每塊金子的價值，方便交易——畢竟，米粒兒大的一顆小金珠就能換一大袋米，要是讓它和其他普通金屬熔在一起增加體積，就不會那么容易丟了。

實際上，我們現在還會把純金叫做 24K金，就是這種方法的孑遺。古代進行黃金交易的人把金屬中不同的組分稱量出等重的24份，每一份都是一個 Karat（這個詞同樣也被用在了其他珠寶的交易中，成為寶石的質量計量單位，并且演變成“克拉”。1 克拉等于 200 毫克（1克拉等于205.3 毫克是1913年前的舊制），其輔助單位是分，1克拉等于100分。為了避免混淆，代表黃金純度的“karat”在英文中寫作“carat”），其中有多少份是黃金，那么它就是多少K的黃金。

24K金就是生活中的一般叫法，如18K的飾金就是純度為 18/24，即成色 750‰。如果飾金的成色以“成”表示時，900‰的飾金就叫做九成金。

顯然，這種辦法將黃金分成了24個不同的純度等級，數字越高則純度越高。盡管這種“稱金術”在如今早就不實用了，但是18K金或14K金卻依然常見，它們通常是黃金與白銀的合金。相比于純金，它們的硬度更大，顏色也更多變，雖然價值打了折扣，但是制成的首飾還是頗受歡迎。

黃金是人類使用的種貴金屬，世界很多地區都發現了早于當地文明誕生時期的黃金文物。這并非是一種巧合，只是源于物質的本性。

在太陽系形成之后的數十億年里，地球也經歷了無數次翻天覆地的變化。這里的“翻天覆地”并非是夸張——無論是氣候環境還是地質結構，在地球上都從未有過須臾的平靜，元素之間也在進行著激烈的碰撞。

太陽系來源于一顆死亡的巨大恒星，那顆恒星以超新星爆發的形式釋放出各式各樣的元素，其中的一部分構成了地球的主體。早期的地球比現在更燙，到處都是流動的熔巖，這就意味著，密度更大的部分會因為引力的原因沉入到底層。

通過現代技術對地球的結構進行探索，結果也的確如此：已經冷卻的巖石覆蓋在外表面，構成了地球的地殼，它雖然很薄，不足地球半徑的 1%，卻是我們賴以生存的地方；仍然保持灼熱的那些巖石形成了地幔，它們更像是一層受熱軟化的蠟燭，不停地蠕動，其中有一部分已經變成流動的巖漿，它也是地球主體的部分；科學家推測，至于鐵、鎳等更重的金屬元素，就組成了地核，深入高壓狀態下的地球內部。

地球洋蔥模型

形象地說，地球就是一顆巨大的雞蛋——薄薄的蛋殼，黏稠的蛋清，中間還有個雞蛋黃。當然，我們還可以采取更精細的分析模式，把地球切分成很多同心球，就像洋蔥那樣剝開一層又一層，每一層都起一個名字，這在地質學上很有必要。

但是在大多數時候，地殼、地幔、地核的劃分就已經足夠。再進一步的話，地核又可分為內核和外核兩部分，外核深度約為2900~5100千米，推測為液態；內核深度約5100千米以下至地心。

據報道，1970 年，蘇聯科學家超級鉆探工程小組在地球上鉆孔，垂直鉆孔到達了12262米深，成為地球上最深的鉆孔。黃金的密度比鐵大得多，它自然也會隨著地球內部的運動墮入地核之中——以我們當今的技術，根本無力開采這些沉睡在地球內核的黃金。

所幸的是，地幔之中的那些熔巖十分黏稠，它們延緩了黃金沉降的過程。與此同時，元素周期表上排在第 16 的硫元素，在高溫高壓的作用下及時地與黃金結合，以硫化物的形式成為巖石的一部分。灼熱的地幔不停地蠕動，尋找著地殼的薄弱點，就像快要出殼的小雞一樣頂著地殼。

倏忽之間，地球的某個地方山崩地裂，地震和火山紛至沓來，塵土沖上天空，巖漿滾落出來。正是在此過程中，黃金的硫化物也順著巖漿來到地表。地表的壓力驟降，黃金也與硫分離，成為游離態的金屬，與巖漿冷卻凝固后形成的巖石緊緊相抱。

經過漫長的地質演變，昔日里堅硬的石頭在雨雪風霜的摧殘下變得松動，各種微生物以及苔蘚野草也來湊熱鬧。最終，在這場被稱為“風化”的漫長過程之后，巖石碎裂滾入河谷，又繼續被磨成細小的砂石，夾雜在其中的黃金就這么留在了河灘之上。地球上主要的黃金產地大多位于河谷地帶，長江上游被稱為“金沙江”也并非是徒有虛名——這里的“金沙”的確很豐富。

大多數金屬都沒有黃金這么好的運氣。

比如銅，雖然也會和黃金一樣經歷從熔巖到地表的過程，但它和硫之間的結合力太強了，來到地表之后并沒有分離。甚至在經過漫長的風化之后，銅的硫化物也依然堅挺，需要通過一些手段才能轉化為金屬銅。所以直到今天，輝銅礦還都是冶煉銅的重要原料，它的主要成分是硫化亞銅（CuS）。

鐵和銅的經歷類似，那些有幸沒有落入地核的鐵也以各種方式留在了地表上。自然界中豐富的黃銅礦，其主要成分被稱作二硫化亞鐵銅（CuFeS），實際上就是鐵與銅的硫化物交織在一起。

不過，除了硫以外，鐵還有另一個好伙伴——氧元素。在風化過程中，空氣中的氧氣和鐵結合，形成了更穩定的氧化物。中國南方的土壤呈現磚紅色，正是因為土壤中含有大量的紅色氧化鐵（FeO）。

相比于黃金，銅和鐵都不能直接被人類利用，而是需要通過冶煉才能獲得游離的金屬。冶煉的原理并不復雜，只要將銅或鐵從各自的礦石中剝離即可。然而，這需要能量，同時還需要一些成分帶走礦石中諸如硫或氧這樣的雜質。

這樣一來，實際操作就變得很有難度。人類掌握用火的技巧已有數十萬年，但是煉銅的歷史只有六七千年，冶鐵的歷史更是只有 3000 多年。

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一般而言，冶鐵技術發明于原始社會的末期，它標志著冶金史上進入新階段。人類鍛造鐵器的歷史也就在公元前 1400 年左右，我國在春秋晚期（公元前 5 世紀），大部分地區已使用鐵器。

不過，和黃金相仿的是，為了提高銅和鐵的性能，人們通常也要把它們加工為成合金。

銅的合金品種很多，古人就已經發明出青銅和黃銅，它們分別是銅混合了錫（或鉛）和鋅的結果。古代中國人還發明出一種銅和鎳的合金，看起來就和銀子差不多，至今還被用來制造錢幣。

鐵最出名的合金就是鋼，它是由鐵和碳形成的，其中碳的質量分數在 0.025%～2.06% 之間。如果含碳量更高，它就被稱為生鐵。生鐵不容易變形，但容易開裂；如果含碳量更低，它又會被稱為熟鐵，實際上已接近于純鐵，質地軟得跟皮帶一樣。所以，鐵通常都會被加工成鋼再使用。而在現代技術的加持下，鋼的種類也越來越多，比如常用于機械的錳鋼，可以用作防彈甲板的鎢鋼，還有不容易生銹的不銹鋼，等等。還有更多的金屬元素呢？它們的命運甚至還不如鐵和銅這般順利。

比如鋁，它是地殼中含量最大的金屬元素，經過漫長的演變，這種元素絕大多數都和氧元素結合在一起，形成被稱為“鋁土”的礦物（AlO）。鋁和氧之間的結合力非常強，所以想要把鋁從礦石中提煉出來，萬分困難。古人用煉銅或煉鐵的方法，根本提煉不出鋁，直到電被發明出來并廣泛使用以后，才有了電解煉鋁的工藝。

即便如此，因為礦石超強的結合力，它的熔點實在太高，故而還需要在其中加入一種助熔劑——顧名思義，這就是為了幫助礦石熔化。這種助熔劑被稱為冰晶石，就因為它可以起到降低熔點的作用而得名，其主要成分是六氟合鋁酸鈉（NaAlF）。鋁也不是最難冶煉的金屬。

在元素周期表的下方，通常還會多出兩行，它們分別被稱作鑭系和錒系。它們本該排在元素周期表的第三列，但是這樣會讓表格顯得太長，故而一般的印刷版本都會將它們截到最下方。

錒系元素大多數是人造元素，在地球上的存量極低，只有為數不多具備開采價值的元素，例如釷和鈾，它們主要都被用在了核電廠中。

鑭系元素可不一樣，它所包含的 15 種元素，連同周期表上第三列已有的鈧和釔，合起來被稱為稀土金屬。這些金屬元素個個身懷絕技，可以被應用在很多高科技設備中。比如有一種叫釹的元素，它就可以被用來制造強磁鐵。所以，稀土元素也常被稱作“工業維生素”。

然而，冶煉稀土元素可不容易。它們不只是會像鋁那樣，其礦石具有很高的熔點，而且，這些元素的性質實在是太相似了，想要把它們分離出來，就好比從長得一樣的多胞胎中找出其中一個，那可是相當不容易。直到現在，能夠掌握全套分離技術的國家也寥寥無幾。

中國有一位科學家叫徐光憲（1920—2015），很早就看到了稀土元素的巨大價值，也正是在他的領導和呼吁下，中國的稀土提煉技術如今已經在全世界領先，有人把他譽為中國的“稀土之父”。

徐光憲

從黃金到稀土，人類花了好幾千年的時間，也還是沒能把金屬物質的世界研究透，大部分金屬，我們還都沒有找到它最合適的用途，這還有待于我們繼續努力開發。

文源：《給青少年講物質科學》

作者：孫亞飛

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編輯：冬眠愛好者