2019國際元素週期表年(IYPT)：開啟化學與週期表的「萬應室之鑰」 陳竹亭 國立台灣大學化學系 jtchen@ntu.edu.tw (轉載自http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32889, 2017年3月16日) (摘錄自週期表的故事(Periodic Tales, The Curious Lives of the Elements)導讀序/八期文化) n   前言 在近代化學中，元素概念由拉瓦節(Antoine Lavoisier, 1743-1794)在1780年間引上正途之前，是一條曲折蜿延的長路。煉金術昌行的時代，術士們口說元素，卻不知何為真元素！瑞典的席勒(Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786)和英國的普利斯力(Joseph Priestley, 1733-1804)都較法國的拉瓦節(見圖一、圖二)更早發現而且分離了「氧氣」，卻都沒能正確述說氧氣的科學意義。17-18世紀，絕大部分的化學家都相信「燃素論」(phlogiston theory)2，甚至有的還沒放棄煉金術。 圖一、拉瓦節的實驗室1 所謂燃素就是可燃物在燃燒時釋出的物質，而週邊的物質就吸收燃素。這似是而非的道理碰到了精於會計和稅務平衡的拉瓦節(圖二)，偏偏他又是對實驗的質量變化極為謹慎，錙銖必較。金屬礦燃燒時，礦渣變輕；碳或硫燃燒時，產物變重。所以燃素該有多重呢?拉瓦節不僅懷疑歷時逾百年之燃素論的正確性，更重要的是他認為需要新的燃燒概念，好比牛頓在運動、力學、數學中一樣的發現和發明：要用簡單、合理的邏輯，有系統且一致、連貫的理論，涵蓋、說明所有物質組成及變化的發現或發明。                  圖二、拉瓦節1                            圖三、拉瓦節著的《化學基本原理》  n   近代化學之父–拉瓦節的貢獻 拉瓦節在1789年出版的第一本近代化學教科書—《化學基本原理》(Traitéélémentaire de chimie)中(見圖三)，根據當代能重複實驗之具體可靠的結果，整理出33個「元素」，就是不能再由化學反應分解出新物質的純物質，也包括替氧氣(oxygen)命名。還依照貝齊琉斯(Jöns Jacob Berzelius, 1779-1848)建議的英文元素符號，有系統命名了化合物，就是由兩種以上的元素結合的純物質。從此，要稱一個東西為純物質，就必須提出固定不變，且經得起檢驗的成分組成。(這就打斷了一群實驗混混的後路！)更重要的是他說明了「燃燒」—這從古至今迷幻、眩惑、震懾、驚恐…了多少人的神奇現象，就是物質和氧氣的化學反應，而且一切化學反應皆遵守質量守恆定律。 拉瓦節成為率先捨棄煉金術和燃素論，將化學整理在一個正確理論下的化學革命第一人，正是第一位企圖以系統科學了解化學的先知。他雖未正式提出「原子」，但自17世紀波以耳以降，化學家大多承襲世界是由微粒(Corpuscularianism)集合而成的機械哲學(mechanical philosophy)觀點。3,4拉瓦節雖未能如願的成為公認的氧氣發現者，事實上拉瓦節從未曾發現任何的新元素，但是拉瓦節追隨牛頓的腳步，終究是有集大成的化學洞見！他離世後未滿十年，道耳吞就發表了「原子說」(Atomic theory)。 n  元素週期表的發展簡史 今天的週期表是依「原子序」(atomic number)的正整數排列，週期表的終篇若是沒有莫斯利(Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1886-1915)發現原子序的故事就不夠完美。莫斯利曾經在英國曼徹斯特大學任教，由教齡略深的拉賽福(Ernest Rutherford, 1871-1937)督導。1912年，波爾(Niel Bohr, 1885-1962)也進入拉賽福的研究室擔任博士後研究員。拉賽福根據他指導的蓋格–馬斯登實驗(Geiger-Marsden experiment)，就是用高速a–粒子撞擊金屬箔。從大量的a–粒子穿透直行，而極少量的a–粒子以大角度的模式散射，他歸納提出了一個不同於湯木生(Joseph […]