铅在建筑陶瓷坯体釉料及微晶玻璃中的作用与影响

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银,第47号元素,位于元素周期表第1副族。这一副族中的元素非常容易记忆,除去人工合成的放射性元素,铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)在历史中都曾用于货币铸造,堪称元素周期表中的“钱族”。

撰文 | 李研责编 | 李珊珊

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明亮而美丽的金属

银的发现时间可以上溯到5000年前。是谁最早发现的纯银已经无从考证,但史料中一般认为小亚细亚山区(现在的土耳其)是白银开采的发源地。自然界中的银矿藏,很少有单质存在,绝大部分是以银化合物的形式存在于矿石中。新近抛光的纯银特别明亮,闪着冷艳的白色光泽,最早生产出银的小亚细亚的吕底亚王国称之为"白色的金子"。银的化学符号Ag来自拉丁文Argentum,本意也是“浅色、明亮”的意思,体现了银极高的光反射率。

化学元素周期表中的“土豪”元素

挪威孔斯贝格(kongsberg)出产的银矿石(拍摄于哈佛自然历史博物馆)

中国是世界上较早发现和使用银的国家之一。汉字中的“银”,本义为仅次于黄金的金属,体现了银的稀有和贵重。我国考古学者从春秋时代的青铜器中就发现了镶嵌在器具表面的银丝,在战国和汉朝的墓葬中更出土了不少银项圈、银器和银针等随葬品。

银很早就用于装饰品和器具中,得益于银极佳的延展性。1克重的银粒就可以拉成约两公里长的细丝,非常容易锻造加工。从古至今,人们利用白银打造出了许多精美而富有寓意的装饰品,而传统的手工银饰制作在中国一些地区也成为一门薪火相传的艺术。

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清代银累丝双龙戏珠纹葵瓣式盒,图源:故宫博物院官网

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成都的银花丝制作工艺。图源:中国国家地理官网

在历史长河中,这种散发着洁白之光的珍贵材料不仅给人带来恒久的美感,更为人类社会的繁荣和发展起到了重要的推动作用。

“货币天然是金银”

提及银,我们首先想到的可能并非是化学概念中的“银”,而是“钱”。古代贪官被抄家时缴获的银两,近代八国联军侵华后的庚子赔款,乃至现代社会中的“银行“一词,无不体现了银与财富的密切关系。

银与财富之间的紧密联系,源于它曾广泛被当作货币使用。金属银化学性质稳定、容易携带、没有毒性,又较为稀贵,是众多化学元素中不可多得的适合用作交易媒介的物质。

最早开采出银的吕底亚王国,也是最早使用贵金属货币的地区。古希腊和罗马帝国时期,银币在西亚和地中海地区被广泛发行和使用,对后世钱币体系的影响非常深刻。比如,现在有很多国家的货币单位是“第纳尔”, 其名称即是来自罗马帝国时一种被称为第纳里乌斯(denarius)的银币。

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一枚古希腊时期的银币,银币正面的头像为雅典娜。图源:wikipedia

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古罗马时期流行的一枚银币(第纳里乌斯),银币正面的头像是古罗马帝国皇帝图密善的母亲。图源:wikipedia

古代提到财富,金常与银并称,因为它们都是贵金属货币的代表。黄金在地壳中的丰度约是银的15分之一,比银更稀有。然而,金绝大部分是以单质状态存在于自然界中,而古代从银化合物的矿石中提炼纯银需要复杂工艺,所以在世界各个地区,白银并不总比黄金的价格低,在很长时间里也是十分稀有的金属。

白银生产的重要分水岭是哥伦布发现新大陆。1526年,西班牙的一支探险队来到南美洲,他们从一条不知名的河流进入了阿根廷,看到沿途土著居民佩带着许多银质饰品,因此推测当地盛产白银,于是将这条河流取名为“拉普拉塔” ,西班牙语意为“白银之河”。其实,阿根廷虽然出产白银,但产量还不算最多。1600-1800年间,仅玻利维亚、秘鲁和墨西哥几个美洲国家的白银生产,就占据了世界总产量的85% 。 另外,几乎与新大陆发现同时,从矿砂中提炼白银的方法也得到重大改进。由此白银的产量增长突飞猛进,16世纪中叶后的若干年内,每年由美洲流入欧洲的白银有约50万磅(同期的流入黄金只有约1万磅)。

这些白银为世界各地日益活跃的贸易活动提供了保障,并最终奠定了其作为通用货币的基础。包括明清时期中国在内的世界各国,无论如何“闭关锁国”,也通过白银贸易与世界发生了前所未有的密切联系。可以说,白银作为通用货币开启了经济全球化的时代。

华丽转身

19世纪中期后,“金本位“的货币制度开始在世界各国广泛确立。黄金逐渐取代白银成为财富储藏的最主要载体。然而,白银在退出通用货币的舞台之后,实现了从交易媒介到战略资源的“华丽转身”,多一半的银资源被用于工业生产。如今,虽然金比银更受人瞩目,价格也比银更高,但在一系列与我们生活息息相关的技术应用中,银却远胜黄金一筹。

  • 摄影

银的卤化物(如AgCl和AgBr)具有高感光度,是非常重要的一种感光材料。在银卤化物中,光激发的电子能够在微晶中与带正电的银离子结合,生成稳定明亮的银团簇,这一过程在胶片摄影中被称为“曝光“,化学反应式如下:

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传统的摄影就是让外界的光线通过镜头,进入密闭的照相机中使胶片曝光。之后再经过显影和定影等步骤,最终使图像显现出来。即使是后来出现的彩色胶片,原始乳剂层仍然是银盐,所以,在数码技术发明之前,人们正是借助银盐的感光特性才留存了大量历史影像,从而让我们可以更加真切生动地回味过去。

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数码摄影发明之前,传统的胶卷和底片相机。图源:pixabay

由于数字化成像技术的飞速发展,胶卷相机已逐渐从我们的生活中消失,但卤化银感光材料在电子显微术和医用X-光拍照等方面的仍有广泛的应用。有报道指出,经过长时间的累积,仅美国各大医院保存的X光胶片中,占用的银量就高达3000~4000吨。如何回收废胶片中的银资源,近来也受到人们的关注。

  • 制镜

镜子是人类不可或缺的日常工具,而银的反光率极佳,是制作镜子的最佳材料。1843年,德国科学家发明了用化学镀银的工艺制作玻璃镜子的方法,开创了制镜业的新时代。制镜的基本原理即是高中化学中就介绍过的“银镜反应”:把硝酸银的氨溶液与葡萄糖溶液倒在一起,葡萄糖是一种还原剂,它能把硝酸银中的银还原成金属银,沉淀在玻璃上,于是便制成了银光闪闪的镜子。现在制镜工厂有时也用甲醛、氯化亚铁等作还原剂,但基本原理仍是基于“银镜反应”。

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以葡萄糖为还原剂,通过“银镜反应”在玻璃瓶中制作的银镜及其反应方程式。图源:http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem2/B7/3.html

  • 核心材料

摄影与制镜,还只是传统工业中银的两项重要应用。由于银拥有所有金属中最高的导电率和导热率,所以在新兴的电子工业和半导体行业中同样扮演着举足轻重的角色。

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含银的印刷电路板。图源:Pixabay

各种自动化装置、火箭、潜水艇、计算机、核装置以及通讯系统中都有大量的接触点。在使用期间,每个接触点可能要工作上百万次。为了能承受这样严格的工作要求,接触点必须耐磨,性能可靠,还必须能满足许多特殊的技术要求。这些接触点一般需要使用导电性和化学稳定性都极好的银合金制造。

伴随着智能电子商品的迅猛发展,可折叠屏幕已成为人们关注的热点。要实现这一技术,人们需要寻求一种新的柔性透明导电薄膜来替代传统的氧化铟锡(ITO)薄膜。纳米银线薄膜由于具有高载流子浓度、高变形伸长率和耐氧化的特点,有望适应市场出现的“曲面”、“超大尺寸”的产品需求,是制作新型透明导电薄膜的理想材料。

银与太阳能电池板的关系也非常密切。目前,每块太阳能电池板中约有20克银,约占每个单元建造总成本的6.1%。以至于研究人员发现,当太阳能电池板的需求上升时,也会带动白银的价格上涨。为了降低成本,科学家正在寻找可以替代银的材料用于太阳能电池板。不过,由于使用铝或铜这类替代材料制备的电池板质量较差,预计在短期内银仍会是太阳能电池板中的一个核心元素。

杀菌利器

近来严峻的疫情促使大家格外重视消毒这件事。然而在久远的古代,卫生条件普遍恶劣,又没有消毒液,人们如何应对来自病菌的侵扰?实际上,早在人们认识微生物之前,银作为一种神奇的杀菌材料就已经在悄悄守护着人们的健康。两千多年前,古埃及人已经发现把银片覆盖在伤口上,可以加速创伤愈合。古代很多地区的人们也都注意到用银器存放食物,不易腐败,可以延长食物的保存时间。

古代人从生活实践中发现银具有消毒的功效,而人们通过现代科学逐渐揭示了其杀菌作用的机理。目前科学界普遍认为,银器表面溶出的金属离子在杀菌过程中扮演中重要角色。银离子能破坏细菌细胞膜并与细菌酶蛋白中的巯基迅速结合,此反应造成蛋白质凝固,合成酶的活性遭到破坏,最终使微生物丧失分裂增殖能力而死亡。与此同时,银离子还可以从已经死亡的细菌中进一步游离出来,继续发挥杀菌的作用。这也是为什么银的杀菌活性非常高。据测定,银离子浓度达到0.01 mg/L时,就能完全杀死水中的大肠杆菌,达到净水的效果。

银离子的抗菌活性不只针对细菌,还包括病毒、真菌等在内的多种有害微生物。甚至有一些初步研究发现,银离子对SARS冠状病毒和流感病毒都有一定的快速灭活作用。【注1】

实际上,具有较强的杀菌能力的金属离子不止银一种,但问题是铅、汞和镉等许多重金属也会损害人体细胞的正常机能,导致中毒反应。而银离子的奇妙之处在于,它的活性似乎可以刚好满足杀灭诸如细菌、病毒一类的微生物,却不对复杂组织的细胞造成损伤。因此,银在具有出色杀菌能力的同时,却几乎人畜无害(对纳米银的健康风险尚有争议)。

在古代,由于银器价格昂贵,银神奇的抗菌活性主要还只是惠及那些"含着银勺出生"的贵族阶层,而如今银元素已经广泛应用于像抗菌口罩和消毒湿巾这样的日常生活用品中。

虽然黄金比白银更稀有,但因为银应用广泛,欧洲联合化学会和美国化学学会,都将银元素选为近百年内很可能发生供给困难的资源,其稀缺程度反而比金还要高。这既是提示人们要节约使用银,同时也是对银作为一种重要战略资源价值的肯定。可以说,如果我们失去了银,后果要远比没有金严重的多。

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美国化学会(ACS)制作的显示各种元素稀缺程度的周期表。

银,艳艳生辉而美感十足。它伴随人类走过了上千年,见证了文明的兴衰和时代的变迁。在几个世纪的时间里,它曾作为通用货币和财富的象征,让众人为之倾倒膜拜。而科技的进步,使银成为一种“颜值”与实用价值俱佳的金属元素。即便走下了通用货币的神坛,依旧魅力不减,历久弥新。

【注1】目前流行的新型冠状病毒虽然与SARS病毒有很高的结构相似性,但尚未证实银离子对新型冠状病毒有确切的杀灭效果。

参考资料:

[1]Silver (Wikipedia):https://en.wikipedia.org/wiki/Silver

[2]Silver Mining in History:https://www.silverinstitute.org/silver-mining-history/

[3](美)R.R.帕尔默(R.R.Palmer) (何兆武 孙福生等译). 现代世界史. 北京: 世界图书出版公司. 2009-4: 90–91.

[4]Y. Xia, Chem. Eur. J. 2019, 25, 4244.

[5]银镜反应(Wikipedia):

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%B6%E9%95%9C%E5%8F%8D%E5%BA%94

[6]Apergis, I. & Apergis, N. Environ Sci Pollut Res , 2019, 26, 8525.

[7]纯银(百度百科):

https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%AF%E9%93%B6

[8]张铭阳, 后触控显示时代 「纳米银+」如何实现赋予显示新“定义:http://science.china.com.cn/2019-11/27/content_40975595.htm

[9]银抗菌是什么原理?抗菌效果如何:

https://www.zhihu.com/question/24548124

[10]银离子抗菌材料对SARS病毒和H1N1流感病毒的效果:https://www.zdtextech.com/yinlizduibingdudezuoy.html

原标题:银元素:经典永流传

来源:赛先生

编辑:他和猫

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