2019國際元素週期表年(IYPT) 邱美虹 國立臺灣師範大學  科學教育研究所 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw   2019年為聯合國(UN)公佈之「國際化學元素週期表年」(International Year of Periodic Table of Chemical Elements, 簡稱為「國際週期表年」，簡寫為IYPT)，此源於紀念俄羅斯化學家門得列夫（Dmitri I. Mendeleev）於1869年所提出的元素週期表至今150週年，而2019年也恰好是國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)成立 100 周年，這歷史性的意義著實令人佩服科學家對人類文明的貢獻以及對宇宙探索不懈的努力。 IYPT雖是由國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)主動提出，但還有其他組織的全力支持[如國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)、歐洲化學和分子科學學會(EuCheMS)、國際科學理事會(ICSU)、國際天文學會(IAU)、國際科學和科技歷史和哲學聯合會(IUHPS)]，以及全世界50多個組織共同申請。這不僅是科學界的盛事，也是各國在化學教育上重視的一項活動，除藉此認識科學家們的志業以外，學生和普羅眾生也應該認識與了解生活周遭的化學元素與其應用，其對人類的生活品質提升的影響，而在這同時又將如何面對元素逐漸瀕臨稀缺金屬[endangered element，如鎵(Ga, 31)、銦(In, 49)、鉿(Ha, 72) 硒(Se, 34)]，這些元素要不是科技產品所需的元素，就是能源的來源。此時，IYPT的到來，是提供我們正視這些問題的良機 門得列夫因發現元素週期律而建立週期表至今已長達150年，它不僅找出元素之間系統性的關係，同時它也開啟科學研究的新頁，門得列夫的週期表雖然不是第一個以週期性來表示相似性質的元素之間的關係，但它的重要性就在於它充分展現其有助於科學家對物質型態和性質所能進行的強大預測力之價值。 本期專題以IYPT為主軸，內容包括有門得列夫與化學(蔡蘊明、陳竹亭、邱美虹)、元素的命名(李祐慈)、中文和日文在元素與化學名詞翻譯上的異同(林震煌)、化學元素與教學(周金城)、藝術與音樂(楊水平、蔡文潔和戴桓青、吉佛慈、李雁婷)、元素性質(連經憶、張榮耀、許之音)，合計13文章，無疑是在此時向偉大的門得列夫致敬，除緬懷門氏過去的成果，同時期待展望未來，展現化學元素對人類發展不可或缺的地位。

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 […]

2019國際元素週期表年(IYPT)：追尋元素週期表的歷史軌跡 蔡蘊明 國立臺灣大學化學系 ymtsai@ntu.edu.tw                                                    聯合國大會於2017年末宣佈2019年為“國際化學元素週期表年”，彰顯這個由蘇俄科學家門得列夫(Mendeleev, 1834-1907)在1869年的重大發現對全球文明進展的貢獻。這個化學元素週期性質的關鍵理論導致了更多新元素的發現，進一步醞釀了二十世紀初期量子力學的革命，不但催化了化學的進步，也間接地對生命科學、地球科學、醫藥、農業和能源等等領域的發展產生重大影響，也無怪乎化學元素週期表成為化學最重要的圖騰而為全人類所熟知。值此元素週期表發現的一百五十週年紀念時刻，讓我們回溯一下這個重要事件的發展軌跡(Brock, 1993; Hirota, 2016; Hudson, 1992)，藉而瞭解早期科學家對於這個複雜世界的摸索，如何成就了現在的發展。元素週期表的發現絕非偶然，而是眾多對未知的科學探討最終導致的結果，門得列夫的卓越洞察力，理出了大自然中奇妙的規律，經過了一百五十年，越發顯示其輝煌的成就。 n  1860年之前的掙扎 剛進入十九世紀之時，一項重大的化學理論同時開展，英國科學家道耳頓(Dalton, 1766-1844)於1805年提出了現代版的原子學說，即便是現今如此重要的學說，在當時以及之後的一百年卻一直不斷的受到質疑，最主要的困難在於原子是如此的渺小，這讓早期的科學家很難想像如何的觀察它以及取得一顆原子的質量。道耳頓的原子學說主張不同的元素具有不同的原子，整個物質的世界乃由各種不同的元素之原子所組合而成，在無法量度一顆原子質量的困難下，採用相對質量的做法逐漸成形。由於氧元素能與眾多元素生成氧化物，因此氧的原子量成為相對的標準。  另一阻擋了理論進展的絆腳石，反諷的在於當時極具影響力的道耳頓本人。他基於最簡原則，堅信氧氣是單原子的，連帶使得他強烈質疑給呂薩克(Gay-Lussac, 1778-1850)的氣體研究之準確度，使得給呂薩克提出的氣體反應的物種體積具有簡單整數比的實驗結果受到懷疑。雖然亞佛加厥(Avogadro, 1776-1856)的理論，亦即同溫同壓下同體積的氣體具有相同粒子數的假說，能夠解釋給呂薩克的實驗現象，但是那必須接受當時已知的氣體均為雙原子分子的革新想法，可惜未能獲得當時多數學者的支持。這些狀況導致相對原子量的數值遲遲無法得到共識，阻礙了結構理論的發展。例如在1860年之前，一個簡單的有機化合物醋酸，就存在十九種不同的分子式。見微知著，化合物分子式的不確定使得有機化學的發展受到阻礙。  所幸理論的遲滯並未影響實驗技術的進步，新元素仍然不斷的發現，在1790-1830的四十年之間就有26個新元素的發現。然而傳統的技術亦有極限，自1830年至1859年卻僅有五個新元素被發現，此時元素的總數已經超越了60。話說回來，遠自希臘哲人開始思考萬物組成之謎時，普遍認為世界是由簡單的幾個元素組合而成，因此存在了六十種以上的元素實在是大大違反簡單原則的信念，這也使得道耳頓的學說難以接受。當然後見之明告訴我們，這世界的確是簡單的，各種原子最終的確回歸到幾個相同的基本粒子，但這樣的認知乃是基於無數科學家在十九世紀的努力，終於在二十世紀所結的果實。  n  關鍵技術的發明 於1860年之前科學家們已經知道一些金屬鹽類燃燒時會有不同焰色，透過三菱鏡的分光，可以觀察到各金屬的焰色具有特定的譜線。德國科學家本生(Bunsen, 1811-1899)在海德堡大學的新實驗室剛開始使用燃氣的設備，他想透過焰色研究硬水中所含有的鹽類，可是當時所使用的燃燒器放出太多的光而影響觀察，因此他與助手克希何夫(Kirchhoff, 1824-1887)於1860年發明了本生燈以及相關的光譜儀，隨即於該年發現了銫 (cesium, Cs)。這個關鍵技術的發明，使得元素的發現又得到了新的動力，最終導致十九世紀末鈍氣元素的發現，此乃後話。  n  1860年開始的原子量共識 這1860年另有一重大發展，那發生於德國西南部的卡爾斯魯厄(Karlsruhe)這個城市所舉辦的第一屆國際化學會議(deMilt, 1951)。在此會議中，一位年輕的科學家坎尼乍若(Cannizaro, 1826-1910)給了眾人一個印象深刻的演講。他針對當時毫無共識的原子量議題，主張接受亞佛加厥的理論，並認為氫氣為雙原子分子，因為氫為最輕的元素，定其原子量為1，則氫氣的分子量為2，既然同體積的氣體具有相同粒子數，則其它化合物之蒸氣與相同體積的氫氣來比較質量(即氣體密度比)，可得到其它化合物相對的分子量。接著透過當時發表的眾多實驗數據來分析，得到一系列合理的原子量數值。 在此簡單的利用幾個碳化合物的質量百分組成來闡述坎尼乍若的分析(表一)(Cannizzaro, 1858)，表中的五個化合物的氣體，可透過與氫氣密度相比取得相對分子量，接著由元素分析所得到的含碳質量百分比求得該分子量中碳原子總和的質量。例如甲烷相對於氫的分子量為16，而元素分析實驗顯示甲烷分子中的碳含量為75%，代表其分子中含有的碳相對質量為12。很明顯的於表一中所呈現，這五個碳化合物分子中碳原子的相對總質量均為12的倍數，但不會小於12，最合理的解釋就是一個碳原子相對於氫，其質量為12。 表一、五個碳化合物的質量百分組成分析   相對分子量 % C 相對碳質量 甲烷 16 75 12 乙烷 30 80 24 丙烷 44 82 36 丁烷 58 83 48 […]

2019國際元素週期表年(IYPT)： 門得列夫化學元素週期表 最具突破性的研究報告是哪一篇? 邱美虹 國立臺灣師範大學  科學教育研究所mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw   n  前言 科學家進行研究時，是在不斷面對問題、不斷解題的過程中累積研究的能量與智慧，並在適當的時機下產生打破僵局的研究成果，使研究得以邁向另一個新的里程碑。然而科學家重大的研究成果，究竟應以同一主題下所發表的第一篇文章屬最具突破性呢?還是被引用的次數最多的呢?這是一個有趣且值得深入探討的問題。門得列夫找到元素的規律性而提出元素週期表的想法分別在1869年發表一本書，兩篇期刊論文、1871年發表兩篇和1872年發表一篇文章，本文即根據相關文獻對此作簡介，或許可以提供讀者對門得列夫的貢獻和科學成果的價值有進一步的認識。  n  化學突破獎的由來 2006年美國化學會(American Chemical Society, 簡稱ACS)化學史組 (Division of the History of Chemistry, HIST)首次設立化學突破引用獎[Citation for Chemical Breakthrough (CCB)Award]。該獎項旨在肯定ACS所有科學出版品中具突破性的論文、書籍、和專利。當年第一屆有一本書、三個專利、六篇論文獲獎。自2006年到2018年已頒發68個具突破性的科學成果獎項，其中最早的一篇是1787年由法國化學家德•莫法與拉瓦錫等人共同發表的文章(de Morveau, Lavoisier, Berthollet, & de Fourcroy, 1787)，該篇文章在2015年獲得肯定。有關這方面的資料可以在HIST的官網找到(如註一所示)。 所謂「突破性」文章就是指在化學上提出革命性的概念，拓展了化學領域的廣度以及有長期的影響力。獎項委員會的篩選過程其實很簡單，就是評審委員給從推薦名單中根據優先次序分別給予10, 9, 8依序下去，得分最高的就是該年度獲獎的作品，在這些獎項中最具挑戰性的就屬論文獎，每年獲獎個數取決於因子間投票的分布情形(Seeman, 2013)。一般而言，都是以特定主題下第一篇發表的論文為主，但也未必，因為還要考慮哪篇文章才對該科學社群比較重要、哪篇文章造成轟動、或是哪篇文章被注意到且造成後續的影響?若是如此，那獎項委員會就需要有專業知識而不是只懂化學史的人來擔任評審委員(Seeman, 2013)。 n  門得列夫的週期表 2012年ACS的HIST將化學突破引用獎頒給蘇俄的聖彼得堡大學，以表揚門得列夫的貢獻。門得列夫在1869年-1872年之間共發表有關週期表的教科書一本和五篇文章，如表一所示，本文是以當年擔任HIST主席的Lewis(2014)一文為主要討論的內容，再佐以其他相關文獻的評析(註2)。 表一   門得列夫在1869-1872年之間依序所發表的重要文章 排序 年 發表的書名或期刊 語言 重點內容 1 1869a Osnovy Khimi (Elements of […]

2019國際元素週期表年(IYPT)：中文和日文在元素與化學名詞翻譯上的異同 林震煌 國立台灣師範大學化學系 chenglin@ntnu.edu.tw n   前言 化學的歷史可以追溯到數千年前中國的鍊金術；chemistry一詞源自於古希臘語，意指金屬的融解與提煉。鍊金術經阿拉伯人在11世紀時引入歐洲，雖然讓當時的歐洲人迷戀於點石成金之術，但是因為一些不相干的宗教理由和迷信，加上當時所使用的種種符號混淆不清等原因，使得科學的發展，在鍊金術時代(4-14世紀)並無長足進步。1789年法國化學家拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794)出版了一本「化學命名法」的書，闡述了物質間重量關係的重要性。這是首次把化學專用術語系統化的書籍。1810年道耳吞提出原子量的觀念，這使得當時一大堆文獻裏的化學分析數據、化學式的解釋，突然變得合情合理。1869年俄國人門得列夫(Дми́трийИва́новичМенделе́ев, 1834-1907)發表了最早期的週期表，至今150年。1869年是清朝同治八年，在日本則是明治元年。           1.      中國傳到日本的元素名稱 中國跟世界各古文明國家一樣，自古就已知金銀銅鐵錫鉛汞七大金屬，還有非金屬類的碳及硫磺等這些元素。這些元素的漢字傳到日本以後，也幾乎一直沿用至今。表1列舉了一些中國輸出到日本的元素名稱。其中，錫這個字也是從中國傳到日本沿用至今。人類使用錫的歷史大概從六千多前開始，在地中海諸國、印度等地也很早就開始使用錫。但是錫這個字在日本不是常用漢字，現在一般都使用片假名「スズ」來表示，因為這樣比較好唸。鉛很容易從礦石中提煉出來，印度和中國在紀元前一千年左右才開始使用，歐洲人使用鉛的歷史則晚到紀元前六世紀才有記載。直到中世紀有一段很長的期間，人類對鉛與錫是兩者不分的。日本至今仍然沿用「鉛」這個漢字。古代的中國與印度都知道使用水銀，埃及的古墓中可以發現紀元前一千年左右的水銀。日文中的「水銀」一詞也是由中國傳入沿用至今。但是中文基於一個元素對應一個字的原則，在週期表上用了「汞」這個字。  表1中國輸出到日本的元素名稱 中文 金 銀 銅 鐵 錫 鉛 汞 碳 硫 日文(古) 金 銀 銅 鉄 錫 鉛 水銀(汞) 碳 硫黄 日文(今) 金 銀 銅 鉄 スズ 鉛 水銀　 炭素 硫黄 漢字從中國傳到日本以後，影響日本文化非常深遠。但是明治維新時期，中國由盛轉衰，加上漢字無法表達許多西方的新奇事物，因此日本人自然而然轉向使用片假名。片假名是日語中「表音符號」的一種，1908年章太炎曾經模仿片假名，以「簡化偏旁」的方法，利用漢字小篆的結構，創造一套記音字母，就是今天ㄅㄆㄇㄈ注音符號的前身。只是片假名在日本已經是生活的一部份了，但是注音符號還停留在學習中文的過渡階段才使用。 明治維新時期，週期表傳到日本以後，日本人將歐洲的語言，藉由漢字來表達成週期表的各個元素。表2 列舉了一些受到漢字的影響而被日本人造出來的新詞沿用至今，包括水素（水的主要元素：氫）、酸素（導致變酸的元素：氧）、窒素（會導致窒息的元素）。 表2 和製漢語中的氫氧氮 中文 氫 氧 氮 日文 […]

2019國際元素週期表年(IYPT)：鉻不叫Chromium，也是五彩繽紛！ ­元素名稱字源趣談 李祐慈 國立臺灣師範大學化學系 eliseytli@gmail.com 　　對化學家來說，Chromium不只是Google瀏覽器的名稱，更是鉻元素最貼切的名字。鉻化合物有多種顏色，其礦石常用於油畫等顏料。1797年，藥劑師兼化學家沃克蘭（Nicholas Louis Vauquelin ）分離出鉻（Cr, chromium）元素時，就以希臘文中表示顏色、顏料的字根chrome，加上金屬元素常見的字尾-ium命名。和英文當中的chroma（彩度）、polychrome（多彩，指印刷等）、chromatography（色層分析法），chromosome（染色體）等，是同樣的字根來源。 　　週期表上的元素按原子序排序，秩序井然。但名稱卻五花八門，饒有趣味。2017年，IUPAC正式頒佈了週期表第七列上第113號鉨（Nh，nihomium）、115鏌（Mc，moscovium）、117（Ts，tennessine）和118（Og，oganesson）號元素的符號與命名。這對化學家來說，就像是每個元素都被賦予了獨特的性格和歷史，從此以後再也不用面對冷冰冰又念不出來的Uup、Uuo等符號了[1]！細究各元素名稱由來，正是一部化學發展史的微小縮影，值得我們細細玩味！ n   氫生水、氧生酸、氮生硝 　　傳統的週期表形式，將元素按照原子序排列，而名稱則隱含了個別元素的化學性質。許多元素的名稱來自於其化學特性或化學反應（參照表一）。如與人類生存最息息相關的氣體元素：氫（H, hydrogen）、氧（O, oxygen）和氮（N, nitrogen），名稱分別來自於希臘字根的hydro（水）、oxys（酸）、nitron（或nitre，硝石，指硝酸鉀）與gen（產生、創造）字根結合，名稱中即說明了它們具代表性的化學反應或化合物。又如鹵素（halogen）可與金屬生成鹽類，名稱源於希臘字根hals（鹽）與gen（產生、創造），「鹵」正是中文對鹽類的古稱。 　　hydro（水）加上dynamis（力量），就成為hydrodynamics（流體力學）。既oxys（尖酸）又moros（愚蠢）的描述，叫做oxymoron（矛盾修飾法）。而化學家研究物質的生滅，也在探索生命的根源，就如同人類以科學的角度，研究gene（基因）和genetics（遺傳學），或是以神學的角度，寫下Genesis（舊約創世紀）。 n   氟會流、氯很綠、溴好臭 有特殊顏色、氣味，或其他物理性質的元素，也常得到相對應的名稱。氟（F, fluorine）的名稱源於拉丁字根fluere（流動），與fluid（液體）、fluent（流利）這些常見字彙同源。據說是因為從前冶金常以螢石（fluorite, CaF2）作為助熔劑（flux）。氯（Cl, chlorine）就如中文名稱所暗示的，來自於希臘字根khloros（綠色），當然和chlorophyll（葉綠素）、chloroplast（葉綠體）一樣，都是綠色的！溴（Br, bromine）的蒸氣相當刺鼻，是讓人難以忍受的bromos（希臘字根：惡臭），真是名符其實的「臭水」了。  n   多采多姿的週期表 週期表中，有不少元素是以顏色命名（參見表二）。但本身具有顏色的元素其實不多。除了氯（Cl, chlorine）、碘（I, iodine）理所當然的得到相對應的名稱，最幸運的大概就是鋯（Zr, zirconium）了。在眾多銀白閃亮的金屬元素中，只有鋯和鋯石（zicron）得到了來自阿拉伯字根zargun（金色）的「金光閃閃」的名字。 莎士比亞說過，玫瑰不叫玫瑰，還是一樣芬芳，但玫瑰如果不叫rose，銠（Rh, rhodium）也不叫rhodium啦！銠的一種氯化物會呈現美麗的玫瑰紅色，因此以希臘字根rhodon（玫瑰）命名。 有些元素的名稱來源，不是因為元素本身或是化合物的顏色，而是原子光譜中的代表譜線。如銫（Cs, cesium）、銦（In, indium）、銣（Rb, rubidium）、光譜中會出現強烈的caesius（天藍色）、indicum （靛藍色）、rubidus（深紅色）特徵譜線，當然可讓人連結到indigo（靛藍）、ruby（紅寶石）等常用字了。而銫元素以字源來說，甚至可能牽連到Caesar（凱撒）、德國的Kaiser（君王），和俄國的Tsar（沙皇）呢！  n   眾神的國度 　　許多元素的化合物，特別是過度金屬的錯合物，具有五彩繽紛的顏色。例如銥（Ir, iridium）的名稱得自拉丁字根iris（彩虹）。Iris也是希臘的虹彩女神，或可指眼睛的虹膜，而銥的鹽類具有多種顏色，真是iridescent（色彩斑斕的）無誤。 　　虹彩女神並不孤單，週期表中還有不少元素是以神話中的人物命名（參見表三）。鉭（Ta, Tantalum）和 同族的鈮（Nb, Niobium）性質相似，在礦物中經常共生，好比「有其父必有其女」的坦塔洛斯（Tantalus）和尼俄比（Niobe）。希臘神話中，塔坦洛斯和尼俄比都因過於驕傲，觸怒眾神，受到嚴厲處罰。塔坦洛斯被處罰終生站在河中，卻喝不到水；眼前果樹結實累累，卻吃不到果實。如此tantalizing（誘人），有如近在咫尺，卻又遠在天邊的煎熬，正是當初分離鉭元素過程的寫照，故以此命名。 鉕（Pm, Promethium）是鑭系中唯一的放射元素。放射性元素隱藏了無比威力，取決於人類是否有足夠的智慧駕馭與正確的使用，就如勇敢盜火的普羅米修斯（Prometheus）送給人類的禮物。北歐的神祇也不甘寂寞，釩（V, Vanadium）與釷（Th, Thorium），名稱分別來自北歐神話的愛神凡納迪斯（Vanadis）和雷神索爾（Thor），都是由瑞典化學家所命名。  n   古老的元素 　　化學家熱愛規則與形式，當早期化學家為新發現的元素命名時，即已努力將其系統化。週期表中最明顯的系統，就是字尾規則，例如金屬（-ium）、鹵素（-ine）、非金屬（-on）等（見圖一）。 但週期表中，有 17個元素名稱沒有任何可分辨的字尾形式。這17個元素是在1784年就已發現並命名的錳（Mn, manganese）、鐵（Fe, […]

2019國際元素週期表年(IYPT)： 煉金術經濟學──從商業活動來看現代化學的誕生 蔡文潔1、戴桓青2  福建農林大學傳媒系／實踐大學管理學院創意產業博士班1 國立台灣大學化學系2* hctai@ntu.edu.tw2 中世紀歐洲的煉金術，其實就是現代化學的前身。在16-17世紀，鍊金術逐漸催生出現代化學。可惜的是，鍊金術在數百年來長期被污名化，連帶煉金術士這類化學從業人員也被誤解。假如我們從商業活動的角度去還原煉金術士的職業性質，會發現他們其實主要是藥劑師與藥房主人，是當時有限科技水平下的實業家，不只是江湖術士。從這樣的觀點出發，我們才能客觀地了解鍊金術的價值與成就。 　　化學的起源，來自於古代文明對於物質本質的思考。古代中國人認為有金木水火土五類元素。古代希臘人則認為土、空氣、水與火是基本元素。到了十六世紀，瑞士人帕拉塞爾蘇斯(Paracelsus, 1493–1541)認為，基本的元素有三類：硫、汞與鹽。物質的本質到底是什麼，一直都是科學與自然哲學中最基本的核心問題。 　　人類所接觸到的第一個元素，應該是碳。自從人類在一百萬年前懂得用火之後，就有能力焚燒木材製造木炭。木炭的燃燒溫度遠高於木材，達到攝氏1100度，因此有助於各項冶金技術，也造就了煉金術的開端。而人類用化學方法所製造出的第一個元素則是磷。在1669年，德國煉金術士亨尼格·布蘭德(Hennig Brand)利用曲頸玻璃瓶將尿液加熱濃縮，最後竟然得到了白磷。白磷接觸氧氣會發出微弱的冷光，也很容易自燃。如此神秘的元素竟然來自動物體液，開啟了人類研究生物體的化學組成的興趣。當化學實驗技術進步到足以發現新元素的時候，也是注重實證主義的現代化學觀念開始發展之際。 　　一般認為，現代化學起源於英國人勞勃•波以耳(Robert Boyle, 1627-1691)所出版的《懷疑的化學家》(The Sceptical Chymist, 1661)。他所質疑的是中世紀化學那些偏向神祕主義的理論、隱晦的密碼符號與缺乏重現性的秘方。波以耳提倡的是可重現的實驗方法與邏輯辯論(Sutton, 2011)。在那之前的古代化學，被稱為alchemy，中文翻譯為「煉金術」。從十七世紀開始，煉金術漸漸過渡到現代化學，到了十九世紀初，英國人道耳頓所提出的原子說與測得的原子量被科學界接受之後，現代化學正式開展，煉金術也就消失無蹤了。 　　對於今日的科學家來說，alchemy代表一種神祕、過時、錯誤的歷史遺跡，被視為一個”dirty word”。但筆者認為，不論是alchemy還是煉金術，這些名詞本身都長期被科學家與大眾誤解。 　　英文的alchemy（中古拉丁文的alkymia）來自於阿拉伯文al-kimiya，其中”al-“是定冠詞，例如”al jazera”代表”the island”。阿拉伯文kimiya來自希臘文khemia，是冶煉金屬的技術，也是化學的代名詞。英文chemist的字源也是中古拉丁文的alchimista。因此alchemy與chemistry的字源是完全一致的，都是古希臘的化學。用alchemy來貶低十七世紀以前的古代化學，卻用chemistry來表揚波以耳乃至道耳頓以後的近代化學，這種二分法本身就是不科學也不符合歷史的。其實alchemy就是化學，而且中世紀化學家的許多貢獻是不可抹滅的，其觀念就算不正確也有部份是有趣的。 　　中世紀歐洲煉金術最為人詬病的地方，就是在尋找賢者之石(philosopher’s stone)，而提煉賢者之石的密方又用隱晦的密碼編寫，無人能懂也無人複製成功。傳說中的賢者之石，可以將便宜的金屬變成貴重金屬，也可以變出治百病抗老化的神藥。賢者之石固然不存在，但今日的科學家不也試圖將便宜的石墨轉換為高價值的鑽石、碳六十（1996年諾貝爾獎）與石墨烯（2010年諾貝爾獎），並且不斷地提出尋找抗老化藥物的研究計畫（儘管從未有成功案例）？在中世紀不了解化學基本原理的情況下，化學家就已經知道化學知識的應用層面在於材料科學與藥物開發。化學的原理在十七世紀到二十世紀，有了爆炸性的發展，但是二十一世紀的化學逐漸在基本原理上難以取得太多突破，於是化學界重新將研究重點放在材料科學與生物醫藥的應用，不是又回到了歷史的原點？這也證明古代化學家的真知灼見。 　　在煉金術的觀點中，最純粹的金屬是黃金，而其他的金屬都是黃金摻雜了各種雜質所形成的。只要經過適當的純化，縱使步驟複雜，最後都可以回收部分的黃金。以現代的化學元素觀點當然知道這是錯誤的。但是大部分的金屬在自然界也不以元素態存在，需要純化才能獲得，因此純化的邏輯觀念本身並沒有錯。而且阿拉伯的煉金術士也在十三世紀發明了能溶解黃金的王水，至今仍被應用於極高純度黃金的純化。 　　事實上，帕拉塞爾蘇斯(Paracelsus)早在16世紀初，已經提出人體的本質是一種化學系統。他認為煉金術的真正目的並非冶煉黃金，而是要製造有益人體健康的醫藥品。他認為藥物皆有毒，重點是劑量，因此被視為藥物化學與毒理學之父。當時具備化學專業的人士(alchemist)，較少在從事冶金工作，更多是藥劑師（pharmacist或druggist，也常被稱為apothecary）。若要真正了解煉金術的本質，我們必須了解藥劑師(apothecary)這個職業在做什麼。可惜的是，很少科學史著作對於藥劑師(apothecary)的職業本質與商業經營有充分的描述，使得大眾對於這些古代的化學從業人員產生了錯誤印象。 　　Alchemy這個字被汙名化，可以從牛頓(1642-1736)的經歷看出。牛頓曾在劍橋大學擔任盧卡遜(Lucasian)講座(1669-1696)，講授數學與物理，但是也私下研究煉金術，希望能用粒子碰撞的力學來解釋化學反應。之後他遷居倫敦，利用化學專業擔任真正與冶金技術有關的皇家造幣廠的管理人與局長職位(1696-1727)。由此看來，牛頓從事化學專業的時間比物理教授還久，但是卻鮮少人提起牛頓也是化學家，可見煉金術被汙名化的嚴重程度。事實上，牛頓在皇家造幣局提交了非常重要的化學檢驗報告，揭露了各國金幣的實際黃金純度（如圖一），免得英國商人與外國交易時被蒙騙，是了解十八世紀國際貨幣價值的權威文獻(Newman, 1975; Newton 1896)。此外，他還偽裝成顧客，到酒吧裡去蒐集黑市流通的偽幣證據，親自起訴鑄造偽幣的人，樂於扮演化學柯南偵探。　 圖一、牛頓對於各國金幣所提出的檢驗報告 (Newton, 1896)（由Google Books數位化） 　　如果回到十六與十七世紀，一個非學院派、以藥劑師為業的化學家，到底平日如何謀生呢？而筆者為何又會在科研項目裡接觸這個問題呢？這都要從義大利的巴洛克名琴說起（見圖二）。 圖二、左為阿馬悌(Andrea Amati)1570年小提琴，右為史特拉底瓦里(Antonio Stradivari) 1722年小提琴（圖片來源：奇美博物館）。 　　如果說有那一項東西，是幾百年前的古代人做得比現在好，而現代人還得每天使用古董來發揮實用效果，做不出更好的替代品，那肯定就是義大利的古董小提琴了。三百年前在義大利克里蒙納(Cremona)小鎮，住了兩位天才製琴師：安東尼奧•史特拉底瓦里(Antonio Stradivari, 1644-1737)與耶穌•瓜奈里(Giuseppe Guarneri “del Gesù”, 1698-1744)。時至今日，大部分的世界頂尖的小提琴家仍每天使用這兩位老大師的名琴來練習與演奏，生怕失去手中的名琴就失去自己的藝術靈魂，無法在現代提琴中找到替代品。 　　史特拉底瓦里小提琴的塗漆美麗得無與倫比，音色又甜美明亮，三百年來無人能複製。他到底有什麼秘密，在歐美已經辯論了兩百多年，是文化史上一大謎團。美國德州農工大學的Joseph Nagyvary教授首先提出，史特拉底瓦里的塗漆與木材，都藏有化學秘密，是與當地的藥劑師合作的結果(Nagyvary 1978)。那麼，克里蒙納小鎮上的藥劑師（煉金術士兼化學家），又是怎樣的一種職業？ 　　　Apothecary這個字，源自於希臘文的apothēkē，原意是顧店的人，通常指的是藥房與藥房的主人。想要了解藥房的生意，首先需做市場調查。在臺灣與日本的城市裡，滿街可見便利商店，其密度是每兩千居民有一家。在十六世紀下半葉，克里蒙納的居民是四萬，卻有三十七家藥房（義大利文speziali），比便利商店的密度還高，可見生意很好。藥房的老闆，主要是具備化學知識的藥劑師。Apothecary賣的不只是藥物，還有化妝品、香料、油漆、顏料、糖果等等加工製品。於是醫師在裡面給人看病當場抓藥，理髮師也在裡面攬客理髮做美容，畫家要選顏料，工人要找油漆，小孩要買糖果，全都聚在店裡，連街頭巷尾的八卦議論也少不了，自然是生意興隆。這樣的商業模式不只有零售（見圖三），還兼批發與製造，有自己的倉庫與工作坊（見圖四）。 圖三(左)、1500年左右的歐洲藥房(An apothecary’s shop, Castello […]

2019國際元素週期表年(IYPT)：同位素之簡介及應用 廖文昌1、連經憶2* 1長庚科技大學謢理系 2國立嘉義大學應用化學系 2kelly@mail.ncyu.edu.tw   「化學」是研究物質變化的一門科學，追根究底，所有對人類有重要貢獻的物質都是由原子所構成的，相同或不同原子間的結合，創造了成千上萬數不完的化合物，原子的組成十分單純，都有質子、中子、及電子，但因電子的數目及排列方式不同，造就了週期表上118種元素，這個數目不代表核種(nuclide)的數量僅有118種，核種是質子及中子的組合1，總數可達7000種，約有3000是已知的核種，包含常見且對人類生活有重要影響的同位素(isotope)。同位素是什麼？當提及同位素時很多人都會立即刻聯想到「放射性」，同位素真的都具有放射性嗎？答案是否定的，同位素指的是具有相同質子數、但中子數不同的核種，換言之，同位素是相同的元素，只是原子的質量不同，例如大家較為熟悉的「碳」元素，包含了碳12 (12C)、碳13 (13C)、及碳14(14C)三種同位素(圖一)，三者皆有6個質子，但中子的數目分別為6、7、及8個，其中只有14C具放射性，被稱為放射性同位素(Radioisotope)，12C及13C不具放射性，被稱為穩定性同位素(Stable Isotope)。 圖一、碳12 (12C)、碳13 (23C)、及碳14(14C)三種同位素示意圖。   一、同位素之發現         同位素出現的歷史要從具放射性物質說起，第一個被發現的同位素是具有放射性的。1896年貝克勒(Antoine Henri Becquerel)將鈾鹽放在用厚紙蓋住的照相底板上而發現了源自於238U的放射線1。在當時的年代，科學家還不了解其中的原委，就已經利用放射線的型式及能量來區分不同的物質，因而發現了許多的「放射性元素(Radioactive-element)」，也就是現在所知同位素的前身。雖然當時發現了許多同位素，如氡、釙、鉛等，但直到1913年，索迪(Frederick Soddy)終於了解「有些物質具有相同的性質，不同的原子量」2，同年12月索迪提出了「isotope(同位素)」這個名詞，這個名詞是源自於希臘字「iso」及「tope」，「iso」是相同的意思，「tope」是地方，同位素在週期表上是在相同的位置。         1913年當湯姆森(Joseph John Thomson)在研究氖(Neon)時發現，同一種元素可能有二種不同質量的原子，20Ne及22Ne。湯姆森使用放電管(Electric Discharge Tube)讓氖氣離子化，當通過電場及磁場時，這些離子會受質量及速度影響而偏離了原來的路徑，最後在照相底板形成抛物線，有相同質量及電核的離子形成相同的抛物線，因此照相底板可以看出對應20Ne及22Ne的二條亮帶(圖二)，這是第一個發現穩定性同位素的例子，但發現氖有二種同位素的功勞最終給了湯姆森的助理–阿斯頓(Francis Aston)。二人一同進行實驗，湯姆森並未聯想到索迪提出的同位素概念，將22Ne誤認為H2Ne，阿斯頓分析純度非常高的氣體，證實了20Ne及22Ne的存在。雖然如此，湯姆森利用質量區分同位素的做法為日後分析穩定性同位素時所用的儀器–質譜儀(Mass Spectrometer)立下了基礎，在1917到1939年間，德姆斯(Arthur Jeffrey Dempster)及阿斯頓利用質量攝譜儀(Mass Spectrograph)發現了許多穩定的同位素。(表一)   圖二、湯姆森實驗結果照片(截取自維基百科)3，下方圈起來的地方可以看到對應20Ne及22Ne之亮帶。  表一、阿斯頓及德姆斯在1917 ~ 1939間利用質量攝譜儀發現的穩定性同位素1。 阿斯頓發現的同位素(1917 ~ 1939) 德姆斯發現的同位素(1919 ~ 1924) 1H, 16O, 23N, 39K; 24Mg, 25Mg, 26Mg; 40Ca, 44Ca, 64Zn, 66Zn, 68Zn, 70Zn […]