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鈉與氯,幾億年的愛戀

鈉原子如何最終來到了你的淚水中?這個故事可以帶著你的思緒,從火熱的岩漿飛躍高聳的山巒,從幽深的礦井飛過閃著水晶般光芒的曬場,或是從動物、植物飛到你的餐桌上。不過順著這個思路想下去,你身體中大多數鈉離子都已經在海洋中遊蕩了數百萬年之久。

直到美國南北戰爭之後不久,全美幾乎所有的市售食鹽都來自紐約州中部的一個地區,那裡曾經是一片淺海。在5億到4億年前,在如今的雪城(Syracuse)附近,陸地的塌陷讓一灣海水填了進來。數百萬年過後,這片「地中海」早已乾涸,在泥濘之間留下一片廣闊的鹽層,向西一直延伸到了今天的俄亥俄州。再次經歷滄海桑田之後,一部分鹽溶解到地下水中,又向上鑽過數百英尺的沉積岩層以滷水的形式噴到地表。近幾個世紀以來,奧內達加湖沿岸的原住民將這些沼澤泉流出的水收集起來,用煮或曬的工藝生產食鹽。

到了19世紀,雪城地區的鹽礦和鹽泉被大規模開發利用,當地也因此獲得「鹽城」的稱號,而全美國最古老的蒸氣加工廠就在附近的銀泉市,為莫頓鹽業公司(Morton Salt Company)所擁有,目前仍然在運行之中。莫頓食鹽因為在下雨天仍能傾倒而聞名(這還需要歸功於一種保持鹽粒不粘連的惰性粉末),如果你家餐桌上也擺著這一品牌的食鹽,那麼這些微小的立方晶體,很可能就來自銀泉市地下的古生代海洋沉積物。不過,最初它們在那個古老的海洋做什麼呢?

當海水蒸發成岩鹽時,鈉就會和氯結合,但是在海洋中相會之前,這兩種元素卻有著很多形形色色的來源。你體內的大多數氯原子都來自火山灰以及超高溫的熔岩,而你的鈉最初則是從凝固的岩漿或熔岩風化而來。

當雨水和地下水沖蝕岩石的時候,它們會從中萃取出鈉離子並帶著它們一路傾瀉,最終抵達海洋,或是匯聚到封閉盆地中,比如以色列的死海和猶他州的大鹽湖。它們很樂意踏上征途,主要也是因為水分子覺得它們很有吸引力。如果你能縮小體型,小到足以觀察某顆玄武岩的原子,當它在暴雨的洗禮下輕微碎裂時,你就會看到,一隊鈉原子新軍轟轟烈烈地開始了旅行——你的淚水、汗水和血液中的那些鈉原子也曾經歷過同樣的旅程。好了,既然你成了微縮版的你,那麼何不乾脆穿越到4億年前,看看一座如今坐落於紐約州北部的山坡上的風化面?看完之後,你就可以精確地知道,你的很多鈉是從何而來了。

水分子撕扯著礦物表面,長石顆粒的構架不斷被削弱,其中的每一顆鈉原子都在這樣的桎梏中振動不已,彷彿迫切想加入水分子大軍。水分子具有弱極性,一對氫原子位於同側,帶有微弱正電荷,處於中間的氧原子則帶有微弱負電荷。由於溶液中的鈉離子攜帶正電荷,根據異性電荷相吸的原理,水分子中顯負性的一端就會將它們從礦物晶格中「誘騙」出來。如同遇到解放軍的農奴一樣,你的鈉原子在被關押了幾百萬年後終於重獲自由了!

每個鈉離子都被六個水分子用負電荷端緊緊抵住。在這「第一層水合膜」之外,還有第二層水分子團,這使得陽離子的有效尺寸可以膨脹到原始體積的好幾倍。鈉離子與水分子構成的分子團簇翻滾到流水中,在身邊是其他剛從同一塊岩石表面上被釋放出來的「翻身農奴」。

它們匯進一條小溪,一路向西注入溫暖的淺海中,每個鈉離子依舊保持在一大群水分子的中心位置,在遠古的鯊魚和三葉蟲之間遊蕩,而這些生物的化石還依舊被埋在岩石之中。然而,陽離子身邊的這些水分子護衛並不是很靠得住,任何一個水分子都可能會跳開,留出空缺讓另一個水分子頂替。但如果頂替的水分子不再充足,鈉離子就會發現它被遺棄了。緩慢的地殼運動將古生代的紐約州從大洋中隔離之後,陸地中央的海水逐漸乾涸,也就發生了上述過程。

鹽水的濃度不斷上升,隨著陪護分子的蒸發,其他溶解於水中的物質也同樣遭遇了遺棄。在這其中,數量最多的莫過於氯離子了,對於日益孤立的鈉離子來說,它們的吸引力也與日俱增。與鈉離子一樣,氯離子在溶液中也跟明星一樣,身邊圍繞了很多水分子「粉絲」,只不過這次水分子調了方向,將正電性的一端指向了它們。我們可以想像,相比鈉而言,氯如此受歡迎令人更為吃驚,因為在礦物顆粒中,氯原子比鈉更不合群,很難與其他原子緊密結合。

大多數礦物中,氯離子都很難被鎖定在晶格中,這與鈉離子不同。儘管你也能在火成岩礦石——比如玄武岩或花崗岩——中找到它的一絲蹤跡,但它通常會存在於被岩石困住的液泡或是礦物顆粒之間。正是這個原因,對於碧璽這類看似不透水的寶石,地質學家會採用將其水煮再將煮過的液體蒸發的辦法來測量它的氯含量。

氯原子通常會以氯化氫的形式從熔岩中逃逸(氯化氫是與你胃裡面的胃酸相同的一種物質),它們多數會隨著一縷縷火山灰飄浮在空中,而地質學家估算,每年火山都會向大氣中釋放數百萬噸氯化氫。隨後它們會溶解到雨滴中,並最終匯入大海。

根據美國地質調查局研究員赫伯特·斯文森(Herbert Swenson)的報告,每立方英尺(28升)的海水中含有2.2磅(1千克)鹽,比一般湖水中的含鹽量要高200倍以上,其中85%的可溶物都是鈉離子與氯離子,剩餘成分則主要是鎂離子與硫酸根離子。儘管每年河流都會向海洋中注入40億噸這樣的溶液,但全球海洋的平均鹽度依舊保持穩定,因為幾乎等量的鹽會被海床沉積物所掩埋。

目前,全球海洋中的含鹽量大約有5億億噸,如果將它們全部提取出來,足以在所有陸地表面下一場500英尺(150米)厚的「鹽雪」。類似的事情其實也曾小規模地真實發生過,地點就是4億年前的紐約州中部。

海面逐漸萎縮,在越來越濃的礦物質滷水中,鈉離子和氯離子也在慢慢靠近。當最後一滴水也被蒸發之後,氯化鈉晶體便堆砌成一層層岩鹽,足有幾十英尺厚。很多年過去後,鹽床被上千英尺厚的頁岩、石灰石還有其他一些沉積岩所覆蓋。這些經歷過海枯石爛的難民,如今又逃到莫頓鹽業公司的蒸發室中,最終被擺上了你的餐桌。

所以當你下次搖著鹽瓶往食物中撒鹽時,可以想想你要拆散的是一份海枯石爛的感情。在經歷了多年的分離之後,電荷相反的兩種離子在瀕死的海洋中牽起了手;而在你的體內,它們又會重新變回溶液狀態,推來搡去的水分子會將它們再次分開,並不會為這些古老的情侶離子流下一滴眼淚。它們即將書寫一生中最華麗的篇章,在一片生機盎然的原子海洋之中——也就是你的身體之中。