阴差阳错的发现——镉

背景

“有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”，生活中的意外之喜让这个世界更加丰富。在化学的世界中，有一种化学元素便是意外之喜的产物——元素镉。镉是在一场药物检验的纠纷事件中偶然发现的。

图1 镉元素的示意图（图片来源于网络）

✦1、镉元素的发现

德国革丁根大学教授斯特罗迈厄曾担任药品视察专员，是专门对药物的合格性做出判断的一份工作。有一次在视察药品的过程中，他发现有些药商将配置药品氧化锌换成了碳酸锌，这显然是不符合法律要求的。斯特罗迈厄对药厂的这一行为也深感困惑不解，因为将碳酸锌焙烧成氧化锌是很简单的事。在交涉干预的过程中，斯特罗迈厄多方走访，直到询问了药厂负责人后，他才发现事出有因：该厂的氧化锌出现了问题！正常的氧化锌煅烧后呈现淡黄色，而这个药厂“不合格”的氧化锌煅烧后颜色先变为黄色，继而又变成橘红色。无奈之下，药厂只能出此下策，以保证盈利。

在后续的调查过程中，斯特罗迈厄将实验样品交给马格得堡州的医药顾问罗洛夫进行更正规的检验。罗洛夫先将样品溶解，再通入硫化氢气体，这时神秘的鲜黄色沉淀出现了。罗洛夫初步怀疑产品中含有剧毒物质硫化砷。药厂主人紧张坏了，如果真是这样的话，他们的“伪劣”碳酸锌产品将全部销毁，等待他的就只剩下破产的结局。

万般无奈之下，药厂厂长向斯特罗迈厄求救。重复罗洛夫的试验后，黄色沉淀再次出现。加入盐酸后，黄色沉淀竟然溶解了，要知道硫化砷是不会溶解在盐酸中的。由此斯特罗迈厄断定此种沉淀并非硫化砷。警报解除，药厂厂主松了口气。但是对于斯特罗迈厄来说，事情才刚刚开始。好奇心驱使他想弄清楚这种物质到底是什么？

他将黄色沉淀焙烧，得到了一种褐色粉末，又将这种粉末与烟炱（一种从烟囱壁分离下来的煤烟团，主要成分是碳）混合后放在曲颈瓶中加热[1]。一系列的实验后，一种从未见过的蓝灰色粉末静静的躺在瓶底。经过周密的实验，反复的推敲，斯特罗迈厄确认这是一种新元素，由于这种元素藏身于锌矿中，他就以锌菱矿的名称Calamine命名它为Cadmium，元素符号定为Cd（如图1），命名为镉。从现代化学的角度看，自然界中的镉主要以CdS和CdCO3的形式存在于菱锌矿中[2]，与木炭共热后，镉就被还原出来了。镉是银白色有光泽的过渡金属，熔点320.9℃，沸点765℃，质地柔软、有延性和展性。在潮湿的空气中，镉缓慢氧化，逐渐失去金属光泽，加热时表面形成棕色的氧化物层。它可以溶于酸，但不溶于碱。

图2 金属镉（图片来源于网络）

✦2、镉对人体的危害

众所周知，镉是重金属“五毒”元素之一。它分解周期长、移动性大、毒性高、难降解。镉是人体非必需的微量元素，具有较强的致癌、致畸及致突变作用。食物、香烟、环境污染是人体吸收镉的3个主要途径。通过呼吸系统和消化系统进入人体的镉，其浓度到达一定阈值时，镉中毒便发生了。正常人体内含镉量仅有30～40mg，其中33%在肾脏，14%在肝内，2%在肺内，0.13%在胰内[3]。镉损害肺部，刺激肠胃，更有甚者对骨骼、肝脏、免疫系统等造成严重的胁迫，容易发生骨疼痛病（如图3）、肾衰竭、尿路结石、动脉粥样硬化等疾病并诱发多种癌症[4]。镉在人体内进行着若干个生物毒性（化学）反应。其作用机制如下[3]：（1）镉-蛋白质的相互作用。镉与含羟基(—OH)、氨基(—NH)、巯基(—SH)的蛋白质分子结合，生成镉-蛋白质，这种蛋白质抑制了酶的活性，从而破坏肾、肝等器官中酶系统正常的生理功能，引发疾病。（2）镉-钙的相互作用。镉可以占据钙离子通道并进入细胞内，使细胞内钙稳态失衡，干扰细胞钙代谢。

图3 疼痛病患者（图片来自于网络）

✦ 3、如何才能避免镉危害呢？

镉对人体的毒害作用是多方面且复杂的，应对也有以下几个方面。

都说病从口入，我们在日常生活方面一定要预防着镉的摄入。首先严禁吸烟，香烟燃烧的烟雾中近一半的镉会被人体吸收，每抽一包烟，至少会有2微克的镉进入体内[2]。其次要均衡饮食。当人体内钙、锌、铁以及蛋白质缺乏时，镉的吸收会增加[5]。我们可以多摄入海带、瘦肉、蛋、粗粮、花生等富含钙和锌的食物。食物的多样性也可以降低某些元素的毒害。最后，我们要通过正规渠道购买食物，万不可贪图便宜购买来路不明的食物，避免出现误食“镉米”（如图4）的情况[6]。

图4 含镉元素的毒大米（图片来源于网络）