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第四章 傍晚 4 1 晚餐（第1页）

第四章傍晚4。1晚餐

●　锅与金属

身体疲乏，略微跛脚，你就这样回到家中。洗了个澡让你精神清爽，同时还回想起今天早上学到的关于肥皂和清洁剂的知识。当你从浴室出来时，你有非常好的食欲，毫无疑问，这肯定是因为一天的工作和在公园里跑步消耗了你大量的精力。妻子和儿子还没有回家，你决定给他们一个惊喜，准备一顿美味的晚餐。你喜欢做饭，乐在其中。走进厨房，你开始从橱柜里拿出必要的锅和其他厨具。现在的厨房用具可以由许多材料制成，这要归功于化学。我们接下来就从制作锅的金属（钢、铝，有时还有铜，比如祖母给你的那口老锅）讲起。

虽然你并未在意，但冶金学的历史确实在很大程度上与人类的历史相吻合。历史学家将人类史前史划分为4个时期：石器时代、铜器时代、青铜时代和铁器时代。每个时期与人们所使用的工具材料都密切相关，其中有3个时期是关于金属的，这并不是巧合。金属对人类的重要性不言而喻：最早的铁匠略施小计，便能够利用火来提取和加工金属，他们还成立了僧侣学院来传承他们的技艺和技法。这种情况在今天的一些非洲部落中仍然存在。此外，希腊神话中的一些神灵也被想象成铁匠——冶金艺术领域的专家。

在所谓的铜器时代（前4000—前3000），人类认识了第一批金属，这些金属当然就是金、银和铜，我们在自然界中可以找到天然状态下的它们。人类将发现的金属通过简单的锤打和冷加工，制造成珠宝、装饰品和权力的象征。发现的随机性、制造物的尺寸有限性以及机械强度的缺乏，使金属无法实质性地改变这一时期我们祖先的生活条件。对他们来说，石头仍然是最主要的材料。当人类学会了从矿石中提取铜和锡，并发现将这两种金属熔合在一起，可以得到一种机械性能比铜好得多的合金时，情况发生了本质变化：青铜时代（前3000—约前900）由此启程。从矿石中提取金属是一种氧化还原反应（见第三章第1节）。金属化合物中的金属实际上已经失去了电子，要想获得自由状态下的金属，我们必须得使它们重新获得失去的电子。第一种被人们使用的还原剂（可能完全是偶然的情况下）是来自木材燃烧后生成的碳。就像在发现新材料和新技术时经常发生的那样，青铜最初被应用于战争。剑和盾牌主要由青铜制成，而铜和石头在一段时间内仍被用于制造其他工具。由于铜和锡的矿藏很少靠近彼此，因此青铜冶炼催生了物流基础设施的搭建，促进了商业和文化交流，这深深地改变了当时的社会组织。

人类第一次认识铁，可能是因为偶然发现了含有这种金属的陨石或陨石碎片。但随着时间的推移，人类学会了从含铁矿石中提取铁，这类矿石通常比含铜和含锡的矿石更易得。此外，铁这种初来乍到的新金属，特性比青铜要好得多，因此铁器时代（约公元前900年起的历史时期）拉开序幕。从中东到近东，从古埃及到希腊，从罗马到中国，几个世纪以来，过去的各种文明都对新冶金技术的发展做出了贡献。1556年，德国学者乔治·鲍尔（GeBauer，1494—1555）[其名字拉丁化为格奥尔格乌斯·阿格里科拉（Gericola）]的遗作《论矿冶》（Deremetallica）印刷出版。这本书对当时采矿和金属加工的知识与技术进行了充分的总结。因此，我们尊称阿格里科拉为“矿物学和冶金学之父”。

“金属”一词来源于希腊语μ?ταλλον（métallon），意为“矿山”“采石场”。我们目前了解的有大约90种金属元素（约占所有现有元素的34），以及大量合金和金属间化合物。在常温常压下，金属几乎都呈固态。唯一例外的是汞（Hg），它是**。有些金属在很低的温度下会熔化，比如镓（Ga）的熔点就只有29。7℃。用镓制成的勺子看起来就像普通的钢制勺子一样，但如果你把它放在一杯热咖啡中，它就会熔化消失，这会让那些不了解这一特性的人感到惊讶[61]。另外，也有一些金属要在非常高的温度下才能熔化，比如钨（W）的熔点为3410℃（这就是为什么它被用于制造白炽灯的灯丝）。除了这些差异，金属还具有许多共同的特点。从化学性质上来看，它们往往容易失去电子（被氧化），从而产生正离子。而在物理性质上，它们还有其他重要的特性：通常来说它们有很高的密度，是电和热的优良导体，具有延展性和可锻性，它们的表面还可以反射光线。这种性质的相似性源于它们在微观结构层面的相似性。

在20世纪初，德国物理学家保罗·卡尔·路德维希·德鲁德（PaulKarlLudwigDrude，1863—1906）提出了第一个解释金属特性的理论模型。德鲁德将金属晶体想象成由正离子按照一定的几何形状有规律地排列组成的晶格。离子是由原子失去一个或多个外部电子后形成的（这与金属的氧化趋势一致）。原子失去的电子仍然被限制在晶格内，但可以在晶格内自由移动，形成一种电子气（德鲁德模型，也被称为自由电子模型）。同时，这种紧密的结构还可以解释金属的高密度。在没有外部电场的情况下，电子会由于热力学影响而随机移动，就像气体分子一样。但如果被施加了一个电势差，它们就会被吸引到正极（要记住电子是带负电荷的），并开始有序地移动。而电流就是电子的有序流动，这就解释了金属的导电性。电子气也能促进热传导。如果金属被加热，最接近热源的电子会获得动能，并开始加速移动，通过撞击附近的电子，它们自身的部分能量被传递，为热传导做出第一个贡献。第二个贡献则是由晶格里的离子提供的。那些最接近热源的离子会开始围绕其平衡位置快速振动，这种振动会在晶格内传播，从而有助于能量以热的形式传递。金属变形的难易程度也可以用德鲁德模型来解释。施加在金属晶体上的力实际上可以引起离子层（晶格面）的滑移，但电子气的存在可使整个结构保持稳定（这种情况反而不会发生在离子晶体中，因为如果我们试图使其变形，离子晶体中晶格面的滑移会使带有相同电荷的离子相互排斥的同时又相互靠近，这会导致晶体的破裂）。自由电子模型也可以解释为什么金属表面会反射光线（就连普通的镜子也利用了这一点，虽然镜子是由玻璃制成的，但实际上，它们表面覆盖了一层薄薄的金属膜）。我们记得光是一种电磁波（见第三章第1节）。当一束光照射在金属上时，它的振**电场激发了金属的表面电子，驱动这些电子自由移动，并开始以与入射光相同的频率振**。物理学告诉我们，一个振**的电荷会发出电磁波。因此，金属会发出与入射光完全相等的光辐射，这就解释了为什么金属看起来很有光泽。

德鲁德的理论在定性的层面上非常有效。但如果我们试图定量计算某些值（电导率和热导率、热容量等），就会发现它的局限性。1927年，德国物理学家阿诺德·索末菲（ArnoldSommerfeld，1868—1951）对德鲁德模型进行了改进。我们在第一章第1节中提到的电子能带理论，成功地揭示了金属以及绝缘体和半导体的特性。

●　特氟隆

由金属铝制成的锅，是你准备用来炒洋葱的锅，你要用炒洋葱来制作意大利面的番茄酱。这是一口不粘锅，其中的原理也非常有意思。不粘锅通常涂有高分子材料——特氟隆。特氟隆由杜邦公司于1938年首次合成，并于1946年上市。从化学的角度来看，它是一种氟化聚合物，其专业名称是聚四氟乙烯（PTFE）。

1938年，美国化学家罗伊·普朗克特（RoyPlu，1910—1994）偶然发现了聚四氟乙烯。一个气瓶中储存着气态的四氟乙烯（TFE），但过了一段时间后，气瓶里的气体竟然消失无踪，取而代之的是一种具有优异的耐热性和化学稳定性的白色粉末。人们发现，在气瓶内的高压条件下，四氟乙烯在铁的催化下发生了聚合反应。

实际上特氟隆的反应性是非常弱的，因此它经常被用来生产用于化学试剂或工业管道的惰性容器。它的熔点在260～327℃。另外，这种材料的摩擦系数非常小，附着力很差，没有任何黏合剂能够黏合它。这就是为什么它会被当作涂层用于不粘锅。

几年前，一些消费者权益保护协会和新闻机构提出了特氟隆的危险问题。根据他们的说法，高温会引发特氟隆的分解反应，产生有毒物质。实际上，特氟隆在加热至高温时确实可以分解并释放出有毒气体和烟雾[62]，但只有当温度达到260℃时才会发生这种情况，并且只有在350℃左右才会发生明显的分解。而通常用于烹饪的油和黄油在200℃左右（通常油炸时会达到的温度）就会开始分解，并释放出有毒物质。因此，与油炸等一些烹饪技术（只要不滥用，风险也相当低）的固有风险相比，使用不粘锅的风险似乎可以忽略不计。

即使意外摄入锅壁上脱落的特氟隆碎片，也是安全无恙的。正如美国食品药品监督管理局（FAdministration，FDA）指出的那样，特氟隆的化学惰性使它在被摄入时可以从机体内代谢出去。

人们恐慌特氟隆的背后，只是因为一些混淆的概念和错误的资讯。这种误解就在于人们对聚四氟乙烯和用于其生产的一种物质——全氟辛酸（PFOA）的认知。

美国环境保护局（Eecy，EPA）污染防治与毒物办公室（OfficeofPollutioionandToxics，OPPT）等机构怀疑全氟辛酸具有致癌性，尽管有关该假设的结论不完全一致[63]。不管怎样，不粘锅上涂有的特氟隆中通常都不存在全氟辛酸，即使存在，每平方米的锅中也不超过千万分之一克。在后一种情况下，我们以一个10千克重的儿童为例，要达到生物实验中测试出来的全氟辛酸的最小毒性剂量，他必须摄入200000个面积为0。5平方米的平底锅中的全氟辛酸[64]。

●　切洋葱

此时你拿起了洋葱，并将它剥皮、切片。痛苦就从这里开始了。几秒钟后，你就哭得稀里哗啦。切洋葱催泪这是众所周知的，但很少有人知道这是为什么。

洋葱（Alliumcepa）是一种球茎植物，属于植物学上的葱属（allium）。厨房里大家熟知的其他品种，如大蒜、韭葱和火葱也属于葱属。这些植物的球茎都有一种特殊的香气，主要是因为一种叫作烯丙基（allyl，这个名称显然来源于这些植物）的有机基团，其结构如图31所示。

图31　烯丙基的结构

两个烯丙基可以通过单硫键结合在一起（图32）。这样得到的化合物被称为二烯丙基硫醚（Allylsulfide）。如果我们简单地用R来表示烯丙基，我们就有了R—S—R。硫原子也可以是2个（R—S—S—R）、3个（R—S—S—S—R）或更多，之后我们会讲到二硫化物、三硫化物等。葱属鳞茎植物特有的气味正是来自这些分子。

图32　二烯丙基硫醚的结构

而洋葱催泪的性质则来源于切开鳞茎时产生的挥发性化合物。在洋葱的鳞茎细胞中存在一种特殊的化合物（S-1-丙烯基-L-半胱氨酸亚砜，S-1-propenyl-L-esulfoxide），其分子中有一个丙烯基，一个亚硫酰基（S=O）和一个氨基酸（半胱氨酸）。当洋葱被切开时，洋葱细胞的细胞壁被破坏，一种特殊的酶——蒜氨酸酶（allinase）会水解这种化合物，形成丙烯基次磺酸（propenylsulfenicacid，CH3-CH2-CH2-S-OH）。第二种酶——催泪因子合成酶（LacrimathoryFathase）会将丙烯基次磺酸转化为丙烷硫醛亚砜（propahialsulfoxide，CH3-CH2-CH=S=O）。图33所示为切洋葱时发生的反应。

图33　切洋葱时发生的反应

正是极易挥发的丙烷硫醛亚砜对眼睛产生了刺激，当它与角膜上的水液接触时，会与水反应，释放出硫酸。而眼睛这时就会增加泪水的分泌来防御。但泪水分泌的增加只会将更多的丙烷硫醛亚砜转化为硫酸，在这种连锁反应中进而使眼睛产生更多的灼烧感。不过，这样产生的是极低浓度的硫酸，除了有灼烧感，它不会对眼睛造成实质性伤害。

丙烷硫醛亚砜极易溶于水。因此，如果在流动的水中切洋葱，它就会被洗掉，催泪作用就会消失（但是，在流水中切洋葱还是比较困难的）。

最后，我们观察到，烯丙基和硫也存在于另一种具有特征香气的化合物中，也就是芥末的气味，这是由异硫氰酸烯丙酯（Allylisothioate，R-N=C=S）造成的。

●　番茄酱

结束了痛苦的切洋葱之后，你就开始在锅里倒油炒洋葱。你还记得中午吃饭时学到的知识，所以就在锅中加入了一撮小苏打，这可以促进美拉德反应的发生（你还记得吗）。几分钟后，洋葱就呈现出奶油般的稠度和金黄色的外表，而且闻起来的味道也非常好。

此时，由于你没有太多的时间来准备番茄酱汁，所以就直接将现成的番茄酱倒入了锅中。

番茄肉里含有多种化合物。它的酸味来自羧酸，特别是柠檬酸和苹果酸（malicacid）。番茄中还有大量的维生素C，但这种化合物不耐热，所以你不会在制成的番茄酱中发现它的身影。还有B族维生素（B1、B2和B6）和以β-胡萝卜素形式存在的维生素A原，β-胡萝卜素赋予番茄红色的外观。番茄里还含有许多多酚类物质。多酚是一类含有多个酚环的物质，包括羟化的二苯基乙烯（hydroxylatestilbene）、类黄酮（flavonoid）、单宁（tannin）、酚酸（phenolicacid）和许多其他化合物，它们对机体起着各种作用。

除β-胡萝卜素外，番茄肉中还含有其他具有类似分子结构的化合物，它们被称为类胡萝卜素（oids）。其中含量最高的一种是番茄红素（lye），它是使番茄呈现红色的主要成分。番茄红素是一种不饱和的脂肪族碳氢化合物。它的分子链结构中含有13个碳碳双键，其中有11个是碳碳共轭双键，并呈线性排列（图34）。

图34　番茄红素的分子结构