分省院第四届科普征文大赛一等奖作品 作者 江鸿
我们从春秋战国说起。
这两个时期的过渡，据说是个“礼崩乐坏”的过程。春秋时期给人的印象，主要是诸侯争霸和百家争鸣；而战国时期，给人第一感觉应该是铁与血、尔虞我诈——白起坑屠赵降卒、张仪耍弄楚怀王。从春秋到战国，以前的历史课本教给我们的是中国由“奴隶制社会”过渡到了“封建社会”；由生产力决定生产关系，同时“青铜时代”过渡到了“铁器时代”。这两个时代的用于制造工具的主要金属，无疑是“铜”和“铁”。那么，为什么一定是青铜时代在前，铁器时代在后，而不是反过来？为什么换了种金属，时代风气就恶化了呢？
图1 中学课本中的金属活性顺序表
越靠前的金属越活泼，其单质越容易被氧化，也就越难从矿物提炼出来。最惰性的金属铂和金，在自然界仅以单质形式存在，被人类祖先最先发现，光泽好看又物以稀为贵，价值很高，直到现在仍然为人们所珍视。金属银也很稀少且易变形（就像做电工实习的焊锡，用镊子稍用力按压就会变形），不能用作工具，汞就更不用说了。这个顺序下来，人类首先提炼并批量使用的金属是铜（除了金、铂等少量非常惰性的金属外，其它金属元素在地球表面几乎都不会以单质的形式长期存在。因为自然界中的各种元素，经过漫长的时间，总是能转化成最稳定的形式。一般的金属就算曾经有大量的单质，但暴露于空气，风吹雨打，迟早会被氧化、风化、矿化）。
纯铜用作工具，硬度强度还是不够好。铜之前的锡、铅，也是人类早期常用的金属。因地壳丰度较低，只能用作合金配料来降低冶炼难度、提高产品性能。如锡与铜合金青铜，熔点只有约800℃，而铜的熔点是1083℃。这样青铜比纯铜更容易实现浇铸，制成特定形状的祭祀用品；青铜的强度也比纯铜好，不易变形、扛造，更适合做工具或武器。比较有名的青铜器有司母戊鼎、马踏飞燕等；青铜剑是那个时期较常见的武器。
图2 “马踏飞燕”，虽然是东汉时期的，但它是可以与“司母戊鼎”齐名的中国青铜器代表
图3 青铜剑
但铜在地壳中含量并不太多，限制了它作为生产工具的产量。一种元素在地壳中的质量占比，称为它在地壳的丰度。地壳中丰度最高的5种元素是“氧、硅、铝、铁、钙”，里面有人类常用的铝和铁，没有铜的事情。查阅这些元素的丰度，如表：
*表中“氧硅铝铁钙”引自《视觉之旅·神奇的化学元素》，其它含量少的元素引自《地球化学》，地质出版社2012年版。
前文说从“青铜时代”进入“铁器时代”是战国时期生产力进步的标志。由表中可见，铁的丰度是铜的2500倍，且在金属元素中排第二，这个名次已经很可以了。而它金属性比铜强，较难提炼，冶炼出来的时间只能在铜之后。但百分之几的丰度，让它在冶炼技术成熟后可大量产出，打造出来的工具也有不错的强度，这样铁就可以突破铜产量太低束缚农业发展的瓶颈。
也因此，铁制农具的普及度远高于铜制农具，可大规模提高农耕效率，进而增加粮食产量。与此同时，原有的土地可以滋养更多的人口。这些为诸侯争霸提供了粮食和兵源。物力人力有了质的转变，诸侯争霸的形式也发生变化，就是变成了“兼并”：周边小国你不兼并，别人就会兼并，人家变大后就能来兼并你……(“争霸”和“兼并”的区别，仅凭这两个词不好直观理解，但可以这么说：左冷禅做了五岳剑派的盟主，算是他“争霸”成功，但他要吞并其它四派建五岳派，就是“兼并”行为了)这给了他们“被逼扩张”的山大压力，“全天下”都弥漫着明争暗斗、尔虞我诈的气息，历史的车轮在此进入战国时代。之后利用铁带来生产技术和战争经验，秦并六国、汉通西域，奠定了之后2000年的中华帝国的基本版图，华夏从此进入帝国时代。
图4 早期冶铁情景
图5 汉代铁制农具
在欧亚大陆的另一端，铁成就了亚历山大和凯撒两位大帝。他们指挥铁器农耕给养的、操持铁制武器的强大军队，征服了广袤的土地，建立了庞大的帝国。造成大量人口死亡的同时，也让世界过去没有往来的地方的文化得到交流。在大交流的基础上，文明有了质的发展。为纪念他们的历史功绩，人们让他们上了扑克牌，分别是草花K和方块K（图6）。可以这么说，铁，让人类历史进入帝国时代。
图6 草花K亚历山大大帝与方块K凯撒大帝，他们对欧洲的历史功绩很类似与中国的秦始皇和汉武帝，都是铁器和战争造就的。黑桃K和红桃K是谁读者可自行百度，笔者认为他们在欧洲的历史功绩，在中国可对应周文王和唐太宗。
说了第二，总是让人好奇那个还没讲的第一。地壳中含量第一高的是铝，主要以铝硅酸盐、铝土矿的形式在地壳存在（图7），化学成分为氧化铝（Al2O3）。但氧化铝非常稳定，将其提炼出来等到工业时代了（主要通过电解法提炼）。19世纪中叶法国皇帝拿破仑三世将刚冶炼出来的铝看得很金贵。中学时看到过一个故事，说拿破仑三世和大臣一起吃饭时，自己用铝制餐具，大臣用银制餐具，以体现他的地位至尊。鉴于铝在地壳中含量极高，这之后只过了一百年，铝制餐具走进了平民百姓的千家万户。以现在铝制品的不值钱来看，说拿破仑三世当时以国家元首的身份为新工业技术代言，应该算比较合适的。
图7 铝土矿石，看似和普通的石头没什么区别
铝有铁无可比拟的优点是，它质轻。铁的密度为7.9 g/cm3，铝仅2.7 g/cm3，是铁的三分之一。这样铝很便于物流运输，也适合做航空飞行材料。飞机的发明是促进全球化的关键要素，铝在其中是功不可没的。
图8 现代工厂的铝成品车间
图9 几十年前的铝饭盒
说了这么多，让我们用花过的硬币，梳理一下铜铁铝的关系。5角硬币的材质，开始是以铜为主的铜锌合金。随着通货膨胀，5角的购买力下降，国家不得不降低5角的造币成本。铜地壳丰度低，产量少、价格高，必须得改变材料。但为保持5角的颜色，在流通中便于和1元1角区分（1元1角虽然颜色一样，但仅用大小和分量就能明显区分），就改成了钢芯镀铜，里边是地壳丰度高的、成本较低的铁，外边镀上一层薄薄的铜。再后来5角的购买力更低了，不再使用镀铜，而改用镀镍，变成银白色（图10，镍在地壳的丰度比铜高一些。因为它比铜活泼难于提炼，且丰度较低，故在古代未得到广泛应用。现实中镍的用途比铜少，可拿出来镀硬币防锈，1元硬币也是镀镍的）。
图10 5角硬币因材质成本问题而改版
铝的丰度更高，用于造币成本更低。于是用它与镁合金做更小面额的分币和1角硬币（图11）。1角硬币改小以后，因为它的材质是适合做航空材料的铝，太轻了，装口袋感觉没分量、容易丢（小的铝壹角流通的那几年笔者真实体会），就改成了有点分量、成本不太高的不锈钢。
图11 铝制分币、1角硬币和钢制1角硬币（右下角的那枚）
古代没有铝制硬币，这是因为铝的金属性较强，只能用近现代工业技术提炼，再加上铝对航空技术及全球化的贡献，我想铝应该可以代言工业时代（前文的铁可以代言帝国时代）。而“氧硅铝铁钙”序列中，铝前边的硅，好像很巧，它代言了信息时代。电脑、手机核心器件的半导体材料，关键元素就是硅（图12）。再回头看，地壳丰度紧接着铁后边排第5位的“钙”，则关联了人类另外一个历史时代——石器时代。
制造和使用工具，使人类从一般的物种中脱颖而出。最初用的工具材料是骨骼和石头。钙支撑了骨骼的发育与硬度，碳酸钙也是很多种岩石的重要组分；地壳丰度第二高的硅，则是普通石头中除氧外含量最高的元素。可以这么说，硅与钙共同代言了石器时代。那么，由钙支撑起骨架的人类，在进入硅代言的信息时代后，能否如硅与钙曾经代言的石器时代那样，再与自然相和谐呢？
图12 集成电路，信息时代的象征，硅为其中的关键元素
图13 石器时代的骨器与石器，关键元素是钙与硅
(部分图片来自网络）
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