臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan從科學史來認識科學本質—以燃素說為例
范賢娟
中國寧德師範學院教育與藝術學院
■前言
科學教育不只重視知識的傳遞，還要讓學生了解科學方法，並且了解科學本質。但這說來容易，如何讓學生有深刻體會呢？化學史上對燃燒的看法，從直觀的「燃素說」，轉變為科學的「氧化反應」便是一個很好的例子，讓我們一起來重溫這段歷史。
■燃素說被提出
普通的燃燒現象會釋放出許多煙，這似乎顯示有物質被釋放進入空氣中，這是什麼？一名德國醫生史塔爾（Georg Stahl,
1659-1734），他在醫學上有很好的成就，後來還去擔任普魯士國王的御醫，深受社會肯定。閒暇之時他去做許多基礎化學實驗，並整合之前有關燃燒的學說而產生「燃素說」。這是認定可以燃燒的物質內部含有「燃素」，燃燒時，燃素被釋放出來，這些立刻為周圍的空氣所吸收，我們所看到的煙就是很好的說明。
而物質燃燒後剩下的灰燼因為已經沒有燃素了，所以無法再燃燒。有的物質燃燒過後幾乎沒有留下灰燼，可見得那就幾乎都是由燃素所組成，例如硫磺。史塔爾還觀察到動植物的燃燒情況，他提出的解釋認為植物能從空氣中吸收燃素，而動物又可從植物中獲得燃素，所以動植物都富含燃素，可以燃燒。史塔爾的研究知道如果把動物關在密閉容器中，過了一陣子動物就會死掉，他認為這是因為容器中的空氣已經充滿了燃素到了飽和的程度，因此無法再吸收更多燃素。同樣的道理也可用在蠟燭於密閉容器中燃燒一段時間後就熄滅。
我們以「後見之明」來看會發現，呼吸與燃燒的實際情況，剛好與這個理論相反，呼吸和燃燒並不是把燃素排到空氣中，而是從空氣中吸取氧氣。但是如果從直觀現象而言，燃燒釋放出大量的煙，密閉容器上面還會觀察到水蒸氣，這些都如煙霧彈一樣讓人搞不清楚到底這過程是有物質釋放出去還是被吸收進來。
■燃素說面對挑戰
不過其實在更早前，波以耳（Robert Boyle,1627-1691）就已經發現燃燒後物質的重量會增加，這該怎麼解釋呢？堅信燃素論的學者對這方面有的斥之為無稽之談，或者說那是這些人的實驗方法不夠嚴謹，還有一種是主張燃素這種物質具有「負」的重量。
這些不甚高明的說法居然可以屹立超過半個世紀，一直到法國科學家拉瓦節（Antoine-Laurent de
Lavoisier, 1743-1794）開始認真投入燃燒實驗，才露出一絲曙光。拉瓦節注意到之前的理論似乎只能解釋片段的現象，串聯不起一個完整的知識架構，他親自重新做實驗，思索物質的轉換。這得要跳脫直觀的障眼煙霧，而是去量測反應前後物體的重量。
拉瓦節燃燒磷，這是當時其他許多學者眼中認為富含燃素的物質，收集燃燒後的產物，這需要蒐集氣體的能力，但這對拉瓦節而言並非難事，他很認真地去做量測與記錄，結果發現產物的重量大於反應物，這顯示燃燒的過程磷從空氣中吸收了某種物質。這個思考方向與當時主流理論背道而馳，因此拉瓦節不能急著發表，而是要進行更多的測試，確定他人可以重複這樣的實驗過程，得到相同的結果。
他換用不同的物質，包括硫、鉛等物來觀察燃燒前後重量的變化與產物的性質，他還把鉛的氧化物跟木炭作用，還原出金屬鉛。拉瓦節越來越確定燃燒是從空氣中吸取部分的物質，那大概佔空氣的六分之一到五分之一，因此他斷言空氣是種混合物，只有部分的空氣參與燃燒。
■發現去燃素的空氣
但那種物質到底是什麼？
此時來自英國的普利斯特利（Joseph Priestley,1733-1804）恰巧跟著他的贊助人一起來到法國巴黎旅行，他在跟拉瓦節相聚的一次餐會上分享自己的發現：他用一個放大鏡讓太陽光聚焦於容器中的氧化汞上，結果發現所產生的氣體可以讓燭火更加燦爛、讓老鼠更加有活力，而普利斯特利自己也去聞看看，雖然沒有特別味道，但是卻讓他吸入後覺得精神抖擻。
雖然這是個重要的發現，但是對普利斯特利而言只是感到新鮮，他的觀察偏向質性描述，解釋方式則用燃素論，稱那種氣體為「去燃素的空氣」，因為該氣體對燃素如此缺乏，所以急於從可燃物當中汲取燃素，才導致燃燒更加旺盛。
拉瓦節則深感震驚，意識到這物質可能就是他所要找的，燃燒時從空氣中吸取的物質。他在宴會隔天就趕快回到實驗室重複普利斯特利的實驗，然後用這種氣體觀察各種燃燒過程，迅速發表結果，公開揚棄燃素論。
而回到普利斯特利，他對於自己的分享導致拉瓦節的研究大突破感到很不高興，除了他是燃素論的信徒沒辦法接受燃素論被推翻之外，更主要的原因在於拉瓦節在論文中完全沒有提到他的貢獻，這讓他覺得自己的想法被剽竊。但什麼才是普利斯特利的想法？認為那是「去燃素的空氣」嗎？
■推翻燃素說
拉瓦節完全不用這種稱呼方式，他稱那為「酸素」，是一種具有自己特性的物質，當時他以為許多物質燃燒時吸收這物質會產生酸，因此而有此命名方式，雖然這從現在的「後見之明」來看並非如此，但這已經是概念上的一大進步。
燃素論讓西方科學有數十年的時間都在打迷糊仗，雖然有許多人有些特殊的發現，但卻無法正確理解，例如1739年就有人發現動物呼吸、發酵，以及某些物體燃燒會產生一種「固定空氣」。然而那時候的人還不了解空氣是種混合物，因此對於這種固定空氣會讓動物吸入太多而死亡，但其他空氣又是動物生存不可或缺的物質感到困惑。
■改變理論也改變觀察結果
當時的學者從燃素說的角度來看，可能會視之為「充滿燃素的飽和空氣」，但從拉瓦節的理論來看，這是碳燃燒時跟酸素結合所產生的物質（也就是二氧化碳）。
普利斯特利一直沉溺於自己的想法被剽竊，自己的信仰被推翻而不高興，但拉瓦節則吸引了一批科學家在學術上持續往前，大家需要新的化學命名方式來看待這些物質，包含了純物質與化合物。
從這裡可以讓學生了解眼見未必為憑，科學還需要更仔細的測量，量化的概念，同時也理解理論對引導思考、設計實驗、解釋實驗的重要。
綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查／ 廖旭茂、王玉睿、梁書銘
星期六 , 2, 3 月 2019 第三十期/2019年03月, 綠色化學實驗 在〈綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查／ 廖旭茂、王玉睿、梁書銘〉中留言功能已關閉
綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查
廖旭茂*、王玉睿、梁書銘
台中市立大甲高級中等學校
教育部高中化學學科中心
*[email protected]
n 影片觀賞
本實驗影片由大甲高中提供，綠色交聯成品的體驗過程介紹。
影片網址：https://youtu.be/jyNZPxNz6NM,
YouTube.
n 簡介
在中小學的實驗課堂裡或科學社團活動中常利用透明PVA膠水(Polyvinyl alcohol，簡稱PVA, 聚乙烯醇)或白膠(Polyvinyl acetate，簡稱PVAc，聚醋酸乙烯酯)，跟不等量的硼砂產生交聯作用，可以製作黏彈性不一的異形(putty，另稱橡皮泥)或QQ球1；或在其中加入四氧化三鐵粉末(Fe3O4)，製作可被磁鐵所吸引，逗趣的磁力異形2，但這個熱門又耳熟能響的科學玩具卻隱含著一個被輕忽的風險–硼砂。2017年就曾經報導過，新竹有學童就誤食了同學私下買來製作「史萊姆」的食用級硼砂，而緊急住院的案例3。
硼砂(Na2B4O7·10H2O)，生活中廣泛地被使用在食品防腐、眼科醫藥、肥料，以及蟑螂的餌劑中；成人若攝入用1~3
公克硼砂即可能中毒，15~20 公克有致命危險；孩童則因為代謝效率較慢，食用5 公克可能造成死亡4。鑒於硼砂潛在的風險，本文將探討比較小蘇打(NaHCO3)、三偏磷酸鈉Na3(PO3)3與硼砂和膠水與白膠的交聯作用，並描述利用小蘇打取代硼砂，製作史萊姆異形、磁力異形、感溫變色異形的製作方法外，也提供其成品有趣的演示影片，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念。
期盼透過本實驗文章的分享，能拋磚引玉，推前瞻化學教育素養–「綠色思維與風險意識」，讓中小學的化學實驗能真正達到趣味性、動機性、安全性，符合綠色化學原則，落實永續教育的經營目標。
n 器材與藥品
一、器材：
250毫升燒杯、10毫升量筒、成型模具(自製)、智慧型手機、數位拉力計-5Kg、電子天平、數位硬度計、密封袋#6
等。
圖1：由左而右依序為成型模具、拉伸力測量機台、簡易數位硬度計
二、藥品：
透明膠水(聚乙烯醇)、白膠(聚醋酸乙烯酯)、硼砂Na2B4O7、三偏磷酸鈉Na3P3O9、碳酸氫鈉NaHCO3、四氧化三鐵Fe3O4(s)、感溫藍31度、黃色絹印油墨。
下圖為各分子的結構式。
圖2：由左而右依序為白膠(聚醋酸乙烯酯)、透明膠水(聚乙烯醇)、硼酸根(硼砂水解物)
n 硼砂可以被取代嗎？利用小蘇打、三偏磷酸鈉取代硼砂，與高分子作用，在不同條件下，依序調查聚合物的重量變化、硬度、單位長度拉伸力等物性變化。
一、交聯劑與透明膠水(聚乙烯醇，PVA)的作用調查
1. 交聯時間的不同：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.08M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、硬度測試。重複前面實驗，將靜置時間分別提高至1小時、1天、1星期。依序進行重量測量、硬度測試。
2. 承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。下圖為拉力測試。
圖3：高分子的拉力測試過程
3. 交聯劑的濃度：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.01M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、以及硬度測試。重複前面實驗，將硼砂的濃度分別提高至0.02M、0.04M、0.08M，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。進行單位長度拉力測試。
4. 承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。
二、交聯劑與白膠(聚醋酸乙烯酯，PVAc)的作用調查
1. 交聯時間的不同：將透明膠水換成白膠，重複上述1~2實驗，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同反應時間下，重量、以及硬度測試下的變化。
2. 交聯劑的濃度：重複上述3~4實驗步驟，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同濃度下，單位長度拉力測試的差異。
三、綠色交聯作用在科學玩具上的開發：史萊姆、磁力異形、感溫變色異形的等科學玩具的製作。
1. 綠色史萊姆異形的製作：取50克透明膠水，一邊以攪拌棒攪拌，一邊緩慢滴入飽和小蘇打溶液，約加入20
毫升的小蘇打溶液後，即可取出，並在手中搓揉均勻，備用。隨後將聚合物壓平略呈四方形，可與另一位同學一人兩手，緩慢自四方形的四個角落往外拉伸成薄膜，測量薄膜最大展開的面積是多少？
圖4：綠色史萊姆異形的測試
2. 綠色磁力異形的製作：取3克的四氧化三鐵粉與15克白膠，攪拌均勻後，緩慢滴入小蘇打後，不斷地攪拌白膠至均勻狀，最後約加入6毫升的飽和小蘇打溶液，靜置約30~40分鐘，帶磁力異形逐漸成形後，備用。隨後取一塊強力磁鐵，緩緩靠近黑色的磁力異形，觀察異形的移動現象2。下圖為兩種磁力異型的比較。
圖5：圖左為加了硼砂的磁力異形，圖右為加了小蘇打的磁力異形
3. 綠色感溫變色異形的製作：取50克的白膠與4克的黃色絹印油墨，以及8克的藍色感溫油墨，攪拌均勻後，緩慢滴入小蘇打後，不斷地攪拌白膠，最後約加入18毫升的飽和小蘇打溶液，靜置約40~60分鐘後，備用7。取一個100毫升的燒杯，裝約6分滿的熱水，將感溫變色異形搓成棒裝，置入熱水中，觀察異形的顏色變化？下圖為製作過程。
圖6：感溫變色異形的製作與熱水中的測試
n 結果與討論
一、硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者加聚乙烯醇(透明膠水)在不同條件下交聯效果比較
1. 硬度VS.時間的變化
分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過不同時間觀察其硬度差異(單位:HA)。結果顯示：硬度：小蘇打>三偏磷酸鈉>硼砂，小蘇打與聚乙烯醇有較大的吸引力，交聯密度較高。以下為數據匯整之折線圖。
圖7：硬度對時間的關係圖比較
2. 重量VS.時間的變化
分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過30分鐘、1小時、1天、1星期觀察其重量差異(單位:g)。結果顯示：因脫水造成的重量減少的比例：小蘇打與三偏磷酸鈉相近，兩者皆大於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖8：重量減損與時間的關係比較
3. 單位長度拉伸力VS.濃度的變化
聚乙烯醇添加硼砂水溶液時，硬度較軟，低於設備量測值，且無法固定於拉伸平台上，因此量測值為ND；單位長度的拉伸力小蘇打與三偏磷酸鈉之數據接近，均高於硼砂。
圖9：單位長度拉伸力與濃度的關係比較
4. 綜合以上結果：比較硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與聚乙烯醇發現反應時間越長，硬度越高，硬度中以小蘇打最大，代表小蘇打與膠水中的聚乙烯醇分子間的引力(交聯作用)越強，硼砂最軟代表硼砂與透明膠水中的引力最小。靜置經歷的時間越長三者交聯的聚合物重量皆減少，其中以三偏磷酸鈉與小蘇打最多，這可能交聯過程中的縮合脫水或蒸發現象所造成。因此推斷小蘇打、三偏磷酸鈉可取代硼砂。
二、硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與聚醋酸乙烯酯(白膠)在不同條件下交聯效果比較
1. 硬度VS.時間的變化
分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過不同時間觀察其硬 度差異(單位:HA)。結果顯示：硬度：小蘇打>三偏磷酸鈉>硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖10：硬度與時間的關係圖比較
2. 重量VS.時間的變化
分別比較聚醋酸乙烯酯添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過30分鐘、1小時、1天、1星期觀察其重量差異(單位:g)。結果顯示：因脫水造成的重量減少的比例：小蘇打與三偏磷酸鈉相近，兩者皆大於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖11：重量減損與時間的關係比較
3. 單位長度拉伸力VS.濃度的變化
聚醋酸乙烯酯添加硼砂水溶液時，硬度較軟，低於設備量測值且無法固定於拉伸平台上，因此量測值為ND單位長度的拉伸力小蘇打與三偏磷酸鈉之數據接近，均高於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖12：單位長度拉伸力與濃度的關係比較
4. 綜合以上結果：比較硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與白膠在不同條件下交聯效果，由硬度與測試結果發現，時間越長，硬度越高，硬度中以小蘇打與三偏磷酸鈉相近最大，硼砂交聯的聚合物硬度最低；據此推論小蘇打或三偏磷酸鈉與白膠具醋酸乙烯酯分子間的交聯作用較強。靜置經歷的時間越長三者交聯的聚合物重量皆減少，其中以三偏磷酸鈉與小蘇打最多，這可能交聯過程中的脫水或蒸發現象所造成。交聯劑的濃亦會影響交聯作用，濃度越高交聯作用越明顯。
三、在製作史萊姆異形，發現添加小蘇打取代硼砂當交聯劑時，50g的透明膠水加入20毫升飽和小蘇打水溶液製成的異形，薄膜拉伸的大小長約45公分、寬約40公分。在製作磁力異形時，成品較為軟Q，易受磁鐵吸引操控。
四、在感溫異形製作時，發現添加飽和小蘇打為添加劑時，因感溫水乳液含水量太高，交聯反應成形時間較長，但保存於封口袋約三天後，硼砂製的異形溶出大量的感溫油墨，而小蘇打製的異形卻無此現象。顯示小蘇打的交聯效果較好。下圖為兩種感溫異形的比較。
圖13：圖左為硼砂製的感溫異形，圖右為小蘇打製的感溫異形
n 原理與概念
交聯作用(cross-link)分為化學性的交聯與物理性的交聯。一般化學性的交聯指的是兩條高分子鏈藉由小分子交聯劑，藉由真實的化學鍵，比如說共價鍵，鏈結接在一起，最常見的例子是橡膠分子中加硫；而物理性的交聯，通常是透過較弱的分子間作用力進行的，比如說氫鍵，這部分的反應也是可逆的，最常見的例子是硼砂與聚乙烯醇的反應，製作科學玩具史萊姆異形5，硼砂溶於水可產生硼酸B(OH)3與硼酸鹽B(OH)4–，可透過氫鍵連結兩條高分子鏈；交聯作用的發生可降低單一高分子鏈的移動的能力，高密度的交聯作用可提高聚合物的彈性與硬度，若進行縮合，高分子會脫水，重量減少。下圖是聚乙烯醇與硼砂可能交聯的示意圖。
圖14：氫鍵將兩條高分子鏈交聯連結一起
小蘇打溶於水呈鹼性，分子結構與硼砂溶於水的產物B(OH)4–類似，一樣具有高極性的氧離子、氫氧端(-OH)，但卻更有安全；三偏磷酸鈉Na3P3O9，結構中亦具有高極性的氫氧端(-OH)，常用於食品業用作澱粉改質劑，是衛福部建議製作鹼粽時取代硼砂的合法添加物5。兩者跟硼砂一樣都可做為高分子的交聯劑。下圖是三偏磷酸鈉的結構式。
圖15：三偏磷酸鈉的環形結構式，圖片來自維基百科6
實驗顯示，聚乙烯醇PVA無論小蘇打或三偏磷酸鈉都比硼砂的交聯作用來得強，這部分可能與結構有關；與聚乙烯醇PVA交聯時，推論可能是小蘇打的平面結構可能比立體的硼酸根B(OH)4– 擁有更強的引力，或更高密度的交聯密度7。下圖是小蘇打與聚乙烯醇PVA可能交聯的示意圖。
圖16：小蘇打透過氫鍵交聯兩條PVA高分子鏈
白膠是聚醋酸乙烯酯PVAc、水、聚乙烯醇的乳化產品，包覆在微包的外圍，作用在保護並穩定整個膠體，是一種適合黏著多孔性的材料。因外層包覆聚乙烯醇，同樣的可以透過硼砂、小蘇打等交聯劑形成Q彈的聚合物8。
有關磁性異形2以及感溫變色異形的製作方法9及相關原理之前已經談過，不再重述，有興趣的朋友可自文獻連結科學研習月刊網站下載參考。
n 安全注意及廢棄物處理
l 實驗後，反應所產生的廢棄物，依規定回收處理。有關硼砂的危害物質危害數據資料可參考以下化學品全球調和系統網站https://ppt.cc/fKbOIx
n 參考文獻
1. 楊水平(2011)，「變態的膠水─聚乙烯醇與硼砂的交聯作用」，中學化學示範實驗Chemical Demonstrations (http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26876)。
2. 廖旭茂，化學教室：自製磁性異形。科學研習月刊，2013，卷52，期06，頁26~31。
3. 洪美秀(民106年5月19日)。國小學童好奇嘻鬧
誤食硼砂送醫。自由時報。取自https://news.ltn.com.tw/news/society/breakingnews/2072509
4. 李忠勳(106年12月14日)。硼砂：讓食物變得QQ的月石。環保署毒物及化學物質局評估管理組。取自https://www.tcsb.gov.tw/fp-263-2728-ae3cb-1.html
5. 行政院衛生福利部(民106年5月25日)。端午飄香粽
食安來把關。取自食品藥物管理署，https://www.mohw.gov.tw/fp-2772-18316-1.html
6. Sodium trimetaphosphate，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_trimetaphosphate
7. Cross-link，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Cross-link
8. Polyvinyl acetate，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_acetate
9. 廖旭茂，化學教室：自製感溫和感光變色異形。科學研習月刊，2013，卷52，期07，頁36~41。
利用手機App及雷切技術開發 高中化學探究與實作課程— 水中結晶紫的吸附去除與濃度測定 ／ 劉燕孝、廖家榮、趙君傑
星期五 , 1, 3 月 2019 化學課程與教材, 第三十期/2019年03月 在〈利用手機App及雷切技術開發 高中化學探究與實作課程— 水中結晶紫的吸附去除與濃度測定 ／ 劉燕孝、廖家榮、趙君傑〉中留言功能已關閉利用手機App及雷切技術開發
高中化學探究與實作課程—
水中結晶紫的吸附去除與濃度測定
劉燕孝、廖家榮、趙君傑
臺北市立建國高級中學
[email protected]
一、結合水汙染議題，將課本比色法實驗應用於解決生活問題
高中課綱中的比色法實驗，屬於基礎化學(三)化學平衡一章的範疇，利用鐵(Ⅲ)離子(Fe3+)和硫氰根離子反應生成血紅色的硫氰化鐵(Ⅲ)錯離子(FeSCN2+)，而溶液中鐵離子在低濃度時呈淡黃色，硫氰根離子為無色，但反應所生成的硫氰化鐵(Ⅲ)離子，莫耳吸收度高，血紅色極深，色深隨管內溶液的高度與濃度而改變。比色時，兩溶液濃度不同，須調整溶液的深度至兩溶液的顏色深淺相同為止。
而隨著「快速時尚」風潮席捲全球，文獻指出，全球17至20％的工業廢水汙染來自紡織染整業，染整業的廢水包含約72種有毒化學物質，其中有30種無法去除2；因此，我們希望以染料廢水為議題，引導學生利用課本比色法實驗切入染料所造成的汙染檢測。
二、發揮創客精神，應用雷射切割技術，自行設計製作比色裝置
然而，高中生的實作能力訓練較少，大多是在學理探討。我們希望藉由此模組能有助於高中學生更容易跨進「自造」領域，向生活科技科及網路創客學習AI(Adobe Illustrator)等設計軟體，經不斷摸索、反覆討論與修正，設計並產出自製的比色裝置，構造簡單，組裝容易，操作簡便，產製原料本成低，易於推廣，預留寬廣的設計發展空間，將來可結合更多的課本實驗。設計完畢後，使用校內生活科技教室的雷射切割機，輸入所設計的AI設計檔案，產製迅速，可依學生人數需求而隨時大量製造。
三、生活裝置應用於科學，利用手機及Apps偵測
利用感測元件軟硬體(如：分光光度計)可將人為判斷色度的主觀誤差因素降到最低，但一般市售分光光度計價格高，對於欲進行獨立研究或探討議題的高中生而言，恐無法負擔，為解決此問題，本模組的發展，醞釀而出。由於手機普及，學生又往往偏好其娛樂性，所以，我們引導學生善用身邊易取得又不離身的手機，除了運用其LED提供比色法的光源外，並將顏色與濃度的關係轉變為量化的數據，進行科學研究。我們先篩選數種符合功能需求的應用軟體，引導學生自行選擇，比較各種Apps的功能，熟悉其使用方法，引領學生將手機用於科學的學習用途上。
本團隊採用手機為硬體，搭配易於下載取得的免費應用程式(Apps)，搭配雷射切割製作的輔助裝置，將原本的「肉眼觀測」，改為利用手機及Apps的「偵測」，偵測待測溶液的RGB值或lux值(單位面積的光通量)，有效而穩定地提供量化數值，偵測簡便，再現性高，有利於數值分析與進一步的探討與研究。
四、應用手機或電腦軟體量化分析，培養學生數據處理的能力
本課程設計中，包含了利用手機或電腦軟體分析處理實驗數據的教學，經由作圖分析，了解各種活性炭的吸附特性等。我們在課程中也介紹了一些手機中方便好用的Apps，可供同學現場進行數據的紀錄及作圖，找出圖中的趨勢線，進而以Apps求出數據間的相關係數，可讓同學更懂得如何善用手機的強大運算能力，也讓同學能在實驗的空檔，更容易利用時間迅速而精確地處理數據。
較複雜的數據關係分析，如：濃度與lux值或像素的R、G、B值等關係的探究，也可以回到使用手機Apps或電腦的excel程式，同學須觀察原始數據，思考可能的數學關係，進行不同的數據轉換，如：取倒數、取log等，才能取得較佳的回歸關係。在這個過程中，學生也實際參與了科學性質的發現，了解課堂上的知識與定律，是如何透過實驗數據分析歸納而得。
一、應用雷射切割技術，設計、產製並組裝自製的比色裝置。
二、改變攪拌時間，利用市售活性炭，對結晶紫溶液，進行吸附實驗。
三、以手機、Apps及自製比色裝置，代替傳統肉眼觀察(傳統方法)，測量結晶紫溶液的顏色深度，並製作迴歸曲線。
四、以利用手機、Apps及自製比色裝置，代替傳統肉眼觀察(傳統方法)，測量經活性炭吸附後的結晶紫溶液之濃度
結晶紫（crystal violet）或稱龍膽紫（gentian violet），也稱「甲基紫10B」，是一種三苯甲烷系染料，結構如圖1。
圖1. 結晶紫結構
活性炭主要是由木頭、木屑、水果殼或煤炭等物質經高溫（600℃ ~ 800℃）乾餾後，使其分解形成低分子量的碳氫化合物和多孔性的碳殘留物，再通以熱空氣或水蒸氣加以活性化。活性炭表面具有許多的毛細孔，這些毛細孔洞內表面及顆粒表面即是吸附作用之所在，這些表面的面積相當大，使得活性炭的比表面積(即總表面積/質量)非常大。
經由比較或測量有色物質溶液的顏色深度，可確定待測成分含量的方法，稱為比色法(colorimetry)。以比色法測定有色未知物的濃度時，是由二比色管的管口上方，向下俯視，觀察二溶液的顏色深淺，調整某管溶液的液深，直到二溶液的顏色深淺由上方俯視看起來相同為止，此時二溶液的濃度（C1與C2）與液深（h1與h2）成反比。
[1]
式[1]只能測出此二溶液的濃度比，欲求得溶液的確實濃度，必須選擇一已知濃度的標準溶液與其比色，即可依式[1]求得未知溶液的濃度。
比色法其原理為比爾–朗伯定律（Beer–Lambert law）5，是光穿透溶液時被吸收的基本定律，適用於所有波長的光，適用於所有會吸光的物質，如：固體、液體、氣體和水溶液。
以水溶液為例，一束單波長的光，在通過一定厚度的水溶液後，水溶液中的吸光介質吸收了一部分此單波長光的光能，會使透射光的強度較入射光弱。水溶液中吸光介質的濃度愈高，厚度愈厚，透射光強度的減弱愈顯著，其數學關係式為：
其中，A是吸光度(Absorbance)；It是透射光的強度；I0是入射光的強度；T是透射比或穿透度(Transmittance)；a是莫耳吸收係數(L‧mol-1‧cm-1)；b是光穿過水溶液的路徑長(cm)；C是水溶液中吸光介質的濃度(mol/L)。
當一束相互平行的單色光，垂直穿透含吸光物質的水溶液時，其吸光度(A) 與光穿過水溶液的路徑長(b)及水溶液中吸光物質的濃度(C)成正比。因此，二溶液的濃度（C1與C2）與其高度（h1與h2）成反比。
而目前飲用水色度檢測，是採用環保署所公告之「鉑鈷視覺比色法NIEA W201.52B」6。其原理為視覺比色法，將水樣和一系列不同色度之鉑鈷標準溶液進行視覺比對，測出水樣之色度，比對方式亦可以使用附有校正證明之玻璃製標準色盤進行。一個色度單位，係指1 mg鉑以氯鉑酸根離子（Chloroplatinate ion）態存在於1 L水溶液中時所產生之色度。在某些特殊情況下，可改變鉑和鈷之比例，以接近水樣之色調。
一、實驗目的：
(一) 模擬環保署公告之飲用水色度檢驗方法，以比色法及自製比色裝置，探討活性炭對有色物質結晶紫的吸附效果，模擬水汙染的防治與測量污水處理的效果。
(二) 以手機、Apps及自製比色裝置，偵測溶液lux值或中間像素的R、G、B值，代替肉眼觀察的比色法，探討活性炭對有色物質結晶紫的吸附效果，模擬測量污水處理的效果。
二、器材與藥品
(一) 每組的器材
|
50 mL量筒 |
1個 |
|
100mL燒杯 |
2個 |
|
25mL分度吸量管 |
1支 |
|
安全吸球、50mL容量瓶 |
1個 |
|
20 mL比色管 |
6支 |
|
滴管 |
1支 |
|
攪拌子 |
1個 |
|
濾袋 |
1個 |
|
電子天平 |
全班3台 |
|
電磁攪拌器 |
1台 |
|
自製比色裝置組 |
1組 |
(二) 各組的藥品
|
5×10-4 M 結晶紫溶液(A1) |
200 mL |
|
市售活性炭(附公用刮勺) |
1.0克 |
三、實驗前準備
(一) 影像分析軟體的裝載與操作：
1. 在手機中，免費裝載行動應用程式(mobile application，簡稱APP)，例如：ColorAnalyzer、ColorMeter等，以讀取影像的RGB數值。
2. 啟用該APP，開啟一張照片或影像，選取該影像中任一像素，讀取該像素的資訊，如： R值、G值、B值等。以ColorAnalyzer為例，執行後，出現圖2.畫面I，接著出現畫面II。此時，若點選「Real Time」，可讀取攝像鏡頭中某像素的R、G、B值。
3. 若點選「Existing Image」，會出現圖2.畫面III，點選該畫面左下方的「Image」，可讀取該手機中已存在的數位影像檔，手機螢幕下方即是白方框游標正中間像素的R、G、B值，以圖2.畫面IV為例，R =54、G =58、B =93。
畫面I 畫面II 畫面III 畫面IV
圖2.ColorAnalyzer的操作畫面
(二) 照度量測軟體的裝載與操作：
1. 在手機中，免費裝載APP，例如：Light Meter-Free(一般手機Android 系統用)、LuxLightMeter(蘋果手機的iOS系統用)，以量測前鏡頭或後鏡頭的勒克斯(Lux)數值。
2. 以Android系統Light Meter-Free為例，搜尋時，手機畫面會如圖3.畫面I所示，安裝執行後，手機畫面如圖3.畫面II，先點選右下角「Preferences」後，手機畫面如圖3.畫面III，將「Display FC and lux」設為勾選，並按退出鍵，使手機畫面回到圖3.畫面II。
3. 若要用後鏡頭(手機相機，觸控板反面)的感光器，則當手機畫面如圖3.畫面II時，觸碰左上角的「Camera Meter」使手機畫面如圖3.畫面V，其中，下半部左邊的紅點拉把可調鏡頭的遠近，上半部右下角的藍色方格中，會顯示ev、fc、lux三數值，其中最下方為lux值。以圖3.畫面IV為例，在ev值6.0、fc值15、lux值165，當後鏡頭呈現該影像時，後鏡頭的感光器所測得的勒克斯值即為165。
4. 若要用前鏡頭(自拍鏡頭，與觸控面板同面)旁的感光器，則當手機畫面如圖3.畫面II時，觸碰右上角的「Sensor Meter」，手機畫面如圖3.畫面IV，其中，上半部右下角的藍色方格中會顯示ev、fc、lux三數值，其中最下方為lux值，即是前鏡頭旁的感光器所測得的勒克斯值，以圖3.畫面V為例，ev值3.9、fc值3、lux值38，38即前鏡頭旁感光器所測得的勒克斯值。
畫面I 畫面II 畫面III 畫面IV 畫面V
圖3. Light Meter-Free的操作畫面
(三) 檢量線迴歸方程式軟體的裝載與操作練習：
|
1. 搜尋程式
|
2. 下載
|
3. 進入迴歸選項
|
|
4. 進入線性回歸
|
5. 輸入行與列各2
|
6. 開啟數據表單
|
|
7. 輸入數據
|
8. 顯示迴歸直線方程式
|
求得迴歸線方程式為：y = 1057.7x + 0.0556 |
(四) 組裝自製比色裝置：
|
1. 裝置平面圖
|
2. 組裝頂蓋及一側邊
|
|
3. 組裝內部比色管固定座
|
4. 組裝壓克力底板與上蓋
|
|
5. 將手機光源置於手機架下
|
AI設計圖
|
四、實驗步驟
(一) 活性炭對結晶紫溶液的吸附實驗：
1. 以秤量紙秤取約1.0克(0.09~1.10克,記錄至0.001克)活性炭，裝入濾袋，濾袋以木夾夾住，置入100 mL燒杯內。
2. 以50 mL量筒量取5.00×10-4M 結晶紫溶液(A1) 50 mL，傾入步驟1的100 mL燒杯中，濾袋靠邊放置，以磁攪拌器及攪拌子，定速攪拌溶液1分鐘。
3. 經此攪拌吸附後的溶液訂為Ax液，以25.0mL分度吸量管量取20mL Ax液於20mL比色管中。
(二) 經由稀釋配製不同濃度(A2~A5)的結晶紫溶液：
1. 以25.0mL的分度吸量管及安全吸球，吸取5.00×10-4M的結晶紫溶液(A1) 25 mL，加入50.0 mL的容量瓶中。
2. 於容量瓶中加R.O水稀釋至50.0 mL刻度線處，均勻混合後得2.50×10-4 M結晶紫溶液(A2)，倒入100.0 mL燒杯中後，將容量瓶以R.O.水潤洗兩次。
3. 以25.0mL的分度吸量管及安全吸球，吸取20mL A2溶液於20mL比色管中。將步驟1中的A1溶液依序改為A2、A3及A4溶液，重複步驟1~3，可得溶液A3 、A4及A5。
(三) 利用不同濃度的結晶紫溶液，製作檢量線：
1. 填寫手機、Apps及比色裝置成品組裝紀錄圖表：
表1. 手機、Apps及比色裝置成品組裝紀錄表
2. 依序攝取不同濃度的結晶紫溶液A1、A2、A3、A4、A5、Ax同條件下的影像各三幅，或依序量取其照度值(Lux值)各三個。
3. 用手機的Apps，讀取各影像的R、G、B值或照度值，分別以數值R、 G、B或照度值為緃軸，以溶液濃度為橫軸，作圖，並以軟體取趨勢迴歸，畫出檢量線，記錄迴歸後R2數值及其數學方程式，推測待測液Ax中結晶紫的濃度。
表2. 結晶紫標準溶液濃度
|
|
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
|
濃 度 (M) |
5.00×10-4 |
2.50×10-4 |
1.25×10-4 |
6.25×10-5 |
3.125×10-5 |
五、實驗結果
(一) 繪製檢量線並推測未知液的濃度：
1. 結果：
圖5.A1、A2、A3、A4、A5溶液濃度與G值關係圖
2. 趨勢線預測迴歸分析：
指數：Y=179.89e -1648X，R2=0.8672；
線性：Y=-14274X + 173.94，R2=0.7452。
對數：Y = -57.47ln(X) – 359.77，R2=0.9379。
二次式：Y=3*108X2 -484452X + 221.27，R2=0.9544。
乘冪：Y=1.1673X-0.539，R2=0.9654。
(二) 代入上述檢量線，求出經活性炭吸附後待測液Ax中結晶紫的濃度：
|
函數 |
迴歸方程式 |
Ax中結晶紫的濃度(M) |
|
指數 |
Y=179.89e -1648X， R2=0.8672 |
Y=82.9，X=4.7×10– 4M |
|
線性 |
Y=-14274X + 173.94, R2=0.7452 |
Y=82.9，X=6.4×10– 3M |
|
對數 |
Y = -57.47ln(X) – 359.77, R2=0.9379 |
Y=82.9，X=3.0×10– 4M |
|
二次式 |
Y=3*108X2 -484452X + 221.27, R2=0.9544 |
Y=82.9，X=3.7×10– 4M |
|
乘冪 |
Y=1.1673X-0.539， R2=0.9654 |
Y=82.9，X=3.7×10– 4M |
圖6. 比色裝置學生實作照片
一、學生回饋
由所收集學生回饋單可發現(圖7)，他們覺得這樣的設計與以往有很大的不同，除了富有創意與改進了實驗的精確度之外，也有許多在裝置操作上的便利性。此外，學生們也提供了許多設計上需要再改進的地方，如光源與感光元件不易對準，光源亮度不足等問題。然而，許多組也發現了許多原本並非原設計所使用的方式，恰可克服一些其他組所遭遇的困難，總結而言，學生們相當肯定這份課程設計。原本課本實驗的觀測較主觀而換算方法較制式，在本課程模組中，透過動手做的創客精神，我們希望藉由此模組能有助於高中學生更容易跨進「自造」領域，不論裝置、測量方法、甚至數據處理方式，皆具有探究精神，同時結合水污染的議題，具有跨學科的知識整合，也結合創客教育(Maker Education)的動手實作。
圖7. 學生的課程回饋單
二、教學心得
(一)本課程以「水污染」為議題出發，除開發測量活性炭降低污染程度的工具外，更可將本技術應用於改良高中比色法實驗，將其導入探究與實作精神，測量方法由肉眼判斷進階為科學數據的量測，結合焦點討論法(ORID)啟發學生四學習興趣，學生普遍認為，提昇了科學研究的能力。
(二)進行傳統以肉眼觀察的比色法實驗時，最常聽到學生問：「老師，這兩個誰的顏色比較深？我看不出來啊！」若改以手機提供光源及偵測的感光元件等硬體，學生普遍認為可以降低人為判斷的誤差，因此降低無法正確判斷的挫折感；當然，Apps有許多的選擇，各有特色，且不同手機的感光元件有差異，偵測RGB值或勒克斯值的極限及靈敏度有所不同，故同一組宜固定使用同一台手機操作。
本課程從課本實驗「以比色法測定推算平衡常數」出發，我們引導學生認識成衣界快速時尚造成染料汙染的問題，並透過測量顏色的深淺，將水溶液中的有色物質定量，以測定經活性炭處理過後的汙水，觀測到污染降低的效果。
本課程中的偵測法，值得深入探討，讓學生思考有不同的選擇，可以引領學生發揮無限的想像，透過實驗的設計與變因的控制，鼓勵同學繼續探討其中各種值得探究的議題。例如：
一、 汙染物吸附物的選擇方面：可以將各種植物原料自製為活性炭時，何者效果較佳？
二、 吸附條件方面：活性炭效果是否受到溫度、攪拌方式或攪拌時間的影響？
三、 汙染濃度偵測方法的探討：選用比色法、RGB值還是lux值效果較好？原因為何？
四、 手機裝置偵測效果的比較：又可分為硬體(手機感光元件)，及軟體(Apps)程式的效果比較，如何選擇？
五、 汙染偵測比色裝置的改良：何種比色管效果較佳？光源位置如何調整以降低干擾？更可以引導學生學習AI等軟體後，根據實驗需求自行設計改良裝置，並實際以雷射切割製造並應用。
六、 數據分析方法及原理的探討：何種數學關係式的相關係數最高？數據是否須考慮對照組(純水或鐵離子溶液)？是否與比爾–朗伯定律結果相同？
以上為可深入進行探究與實作的議題實例，學生可以由本議題與技術裝置出發，真正實踐一個探究的科學活動。
1：葉名倉等(2018)。基礎化學(三)。台南市:南一書局。
2：Kant, R. (2012) Textile dyeing industry an environmental hazard. Natural Science, 4, 22-26. doi: 10.4236/ns.2012.41004.
3：維基百科(2019/2/7) https://zh.wikipedia.org/wiki/結晶紫
4：維基百科(2019/2/7) https://zh.wikipedia.org/wiki/活性炭
5：維基百科(2019/2/7) https://zh.wikipedia.org/wiki/比爾–朗伯定律
6：中華民國96年6月22日環署檢字第0960046607A號公告，自中華民國96年10月15日起實施。水中色度檢測法－鉑鈷視覺比色法 (NIEA W201.52B)
《臺灣化學教育》第二十九期（2019年1月）
目 錄
n 主編的話
u 第二十九期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／邱美虹】
u 2019國際元素週期表年(IYPT)／邱美虹〔HTML｜PDF〕
u 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 〔HTML｜PDF〕
u 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〔HTML｜PDF〕
u 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〔HTML｜PDF〕
u 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〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：鉻不叫Chromium，也是五彩繽紛！／李祐慈〔HTML｜PDF〕
u 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、戴桓青〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：同位素之簡介及應用／廖文昌、連經憶〔HTML｜PDF〕
2019國際元素週期表年(IYPT)：化學學習與元素週期表／周金城 [ HTML｜PDF ]
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：現代藝術家與門得列夫的時空交會／楊水平〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：讓藝術腦撈過界～跨腦學週期表／吉佛慈〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：微量元素，人體中的有感元素！／張榮耀〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：鹵素歷史及生活運用–榮譽、戰爭、醫學／許之音〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：美學與化學的邂逅：元素週期表巧拼創作／李雁婷〔HTML｜PDF〕
n 新知報導／化學教育新知【專欄編輯／邱美虹】
u 2018年諾貝爾化學獎／蔡蘊明譯〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】
u 綠色化學實驗模組的設計與應用-2：金屬取代模組／廖旭茂〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／楊水平】
u 利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡／方舜雨、蔡家興、楊水平〔HTML｜PDF｜學生手冊〕
n 新知報導／化學教育新知【專欄編輯／李賢哲】
u 化學安全的教育視角／李賢哲〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／周金城】
u 跨領域的科學活動／潘俊宏〔HTML｜PDF〕
n 新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／林靜雯】
u 國內外化學教育交流(第二十九期)／林靜雯〔HTML｜PDF〕
第二十九期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected]
國際化學元素週期表年(The International Year of Periodic Table of Chemical Elements, IYPT)巴黎開幕式我來了! 收到聯合國教科文組織(UNESCO)的邀請函後，就期待能到巴黎參加1月29日在UNESCO總部的開幕式，除能以IYPT Management Committee委員身分踏進UNESCO是令人興奮外，更令人興奮的是以臺灣這個不是UN會員國的身分進入UNESCO，個人是感動莫名。
凡是上過科學課程的人，沒有不知道元素週期表的。門得列夫在1869年發現元素之間的關係後正式提出元素的規律性進而建立週期表，同時他大膽地對尚未發現的元素進行預測，這一步使得他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表具更具前瞻性，也奠定他在科學史上的崇高地位。
IYPT就是為了慶祝門得列夫發表元素週期表150年所訂的。負責IYPT活動的主要是IUPAC的成員，包括前理事長Natalia Tarasova和無機委員會主任委員Jan Reedijk，和四位管理委員會委員(Chris Brett, Chris Ober, Lars Ohrstrom, 和我)，其他是UNESCO代表和各科學委員會代表[如純粹物理與應用物理聯盟(IUPAP)、國際科學理事會(ISC)、國際天文學會(IAU)、歐洲化學學會(EuChemS)等]國際科學組織。臺灣的化學會也未缺席，是IYPT活動的贊助單位之一，共襄盛舉。此次開幕式嘉賓包括有UNESCO司長(Andrey Azoulay)、俄國科學和高等教育部部長(Mikhail Kotyukov)、法國科學院院長(Pierre Corvol)、還有相當知名的PhosAgro(Andrey Guryev)公司執行長，其他還有來自世界各國將近700位代表出席，這些科學社群與業界的支持，使得這次的活動更彰顯化學的歷史地位與對社會的影響力。一整天的開幕的活動從早到晚，從小朋友的實驗活動(1001 Inventions: Journeys from Alchemy to Chemistry，這讓我很訝異，誰說小朋友不能教化學元素的!!!)、到中學和大學動手做化學實驗、各種週期表海報展、以及大師論壇等，內容多元與豐富。其中大會的兩個特別演講分別是2016年諾貝爾化學獎得主班．福瑞吉(Ben Feridge，下圖左)的Periodic Table for Society and the Future，演講內容從門得列夫的歷史道起，再以深入淺出的方式介紹元素在食衣住行醫學等的影響；另外一位嘉賓是發現元素118的尤里．奧格奈西恩(Yuri Oganessian，下圖右)，以其化學研究與元素發現為主題(New comers in the Periodic Table)。兩位國際重量級大師為當天的活動帶來高潮。其他演講大都圍繞在週期表以及化學元素在各科學領域的應用與研究突破的角色。此外，IYPT今年針對週期表各元素向全世界徵求傑出年輕學者代表特定元素，因此當天有來自五大洲的獲獎的年輕化學家代表致詞，這種傳承的精神讓人可預見化學更長遠的未來。
Ben Feridge，2016年諾貝爾化學獎得主 Yuri Oganessian發現元素118
這一期的臺灣化學教育專刊主要是以國際元素週期表年為主題，共13篇文章分別從元素週期表對人類科學發展、週期表的發展史到週期表在中學化學教育和在音樂美術上的影響，展現化學的面面觀，希望這些文章能對讀者在認識化學發展史、週期表的發展史、學校化學教育的目標、取向、及延伸有更深入與更多元的認識與啟發。除此之外，常除此之外，常態性文章有每年諾貝爾化學獎公布後都為文介紹該年得獎的研究成果的蔡蘊明教授的「2018年諾貝爾化學獎」、對飛機癡迷的李賢哲教授的「當代無人機在精密農業上的應用」、長期投入教具改良的廖旭茂老師的「綠色化學實驗模組的設計與應用」、以及潘俊宏的「跨領域科學活動設計」和林靜雯教授的活動介紹。此期內容豐富，讀者可以利用寒假慢慢欣賞閱讀。預祝讀者們新年快樂，萬事如意!
感謝化學會推薦和中研院補助此行。
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
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
星期五 , 18, 1 月 2019 本期專題, 第29期/2018年01月 在〈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〉中留言功能已關閉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
[email protected]
(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 John Thomson, 1856-1940)梅果布丁模型的行星繞日原子模型。就是原子的構造是又小又重、帶正電的原子核在中心，更小且帶負電的電子在核外，猶如行星繞日。
1913年波爾在曼徹斯特開始了獨立的研究。28歲的波爾提出電子能量「量子化」(quantized)的假設，用簡單漂亮的理論導出了「波爾氫原子模型」，証明了1888年發現的氫原子放射線光譜(emission line spectrum)的雷德堡數學關係式(Rydberg equation)。5又是數學！方程式中光譜的頻率可對應到原子核外電子能階之間的能量差，恰與原子序的平方成正比。只是氫原子的原子序剛好是1。
原子序是原子中的第一個上帝數字，代表各種元素原子其原子核中的質子數目。質子帶正電荷，當然電中性的原子中，原子核外就有同樣數目帶負電的電子。換句話說，原子核中的質子數等於核外的電子總數，決定了該原子屬於何種元素。所以原子序就是上帝決定的原子身分證明！
圖四、莫斯利圖五電子撞擊過渡金屬所放出的X光譜
1913年，27歲的莫斯利進行高速電子撞擊過渡金屬(transition metal)靶的實驗，測量金屬放出的X光。他發現了週期表中同列的金屬，測得其放出的X光頻率神奇的與特定「正整數」數列的平方值之間有簡單的正比關係(見圖四和圖五)6。為什麼實驗觀察到X光的物理現象會與自然整數有數學關係呢?莫斯利究竟洞悉了上帝的何種奧密呢?莫斯利正是第一個用實驗證明了波爾的氫原子能階理論在過渡金屬中也適用。他發現的數學方程式現在稱為「莫斯利定律」，而各金屬靶對應到的正整數正是該金屬的原子序。莫斯利的英年早逝與諾貝爾獎擦身而過，莫非洞燭上帝機先的真會折損天年?
早在1871年，門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)發表第一個週期表時，依當時公認的原子量共列出了70個元素，其中的順序有鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)。有趣的它們的原子量是：Fe = 56 Co = 59 Ni = 59 Cu = 63。為什麼門得列夫會把鈷置於鎳之前呢?而莫斯利定律獲得的原子序是：Fe/26、Co/27、Ni/28、Cu/29，恰恰再次證明了門得列夫週期表排序的先知灼見(見圖六)7。
原子序才是週期表中元素有序的真正原因！今年(2016)最熱門的科學消息之一，就是發現的新元素剛好填滿了週期表第七列的週期。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)為四個新的元素命名，就是原子序113、115、117、118的元素分別命名為nihonium (Nh)、moscovium (Mc)、tennessine (Ts)及oganesson (Og)(見圖七)8。Og應該是目前所知最重的氣體。
圖六、門得列夫週期表圖七四個最新的元素命名
n 結語
概念有時似乎很簡單，證明卻不容易！資訊不會自動的累積變成知識，因為知識總是有結構和序理，需要洞見問題和答案之間的系統性關聯，才能掌握知識的萬應室(the room of requirement)9之鑰。這正是當今世界、媒體中資訊橫流，知識卻淺薄的原因所在。
在科學上，科學家不願屈就於五感直覺認識的世界與理性的矛盾或衝突，堅持找到方法看透萬物繽紛表象背後一致的道理。文化何嘗不應如此?能發明或發現革命性的創見，或是集大成的知識，才算得是大智大慧，可長可久。
拉瓦節因曾擁有稅收公司，1794年法國大革命時期遭人構陷，命喪斷頭台，得年51。莫斯利在1915年參加第一次世界大戰，在土耳其的加里波里(Gallipoli)戰役中遭遇狙擊手身亡，得年僅29。
n 參考資料
1 https://en.wikipedia.org/wiki/Antoine_Lavoisier
2 https://en.wikipedia.org/wiki/Phlogiston_theory
3 https://en.wikipedia.org/wiki/Corpuscularianism
4 https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_philosophy
5 https://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_formula
6 https://en.wikipedia.org/wiki/Moseley%27s_law
7 https://en.wikipedia.org/wiki/Dmitri_Mendeleev
8 https://chronicleflask.com/2016/06/09/no-element-octarine-but-nanny-will-be-pleased/
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
[email protected]
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 |
|
二氧化碳 |
44 |
27 |
12 |
眾多的實驗結果分析並非立刻即能理解，坎尼乍若顯然是有備而來的，他事先將兩年前發表的論文印出(Cannizzaro, 1858)，發給離去的聽眾以便回去慢慢檢閱。在他的聽眾中包括了年輕的門得列夫，在若干年之後門得列夫於1889年得到英國皇家學會授予的法拉第奬時，在所給的演講中回憶提及(Mendeleev, 1889)：
“我清楚的記得他的演講帶給我的印象，可說是在闡述確實的真理而無懈可擊，而這些真理是基於亞佛加厥、蓋哈特(Gerhardt, 1816-1856)以及雷諾(Regnault, 1810-1878)等在當時幾乎完全不被認同的觀念。雖然真正的共識在當時尚未能達成，但是這個會議的目的卻達到了，因為在數年之後，坎氏的想法證實為唯一能通過檢驗的理論，也代表原子為分子或化合物組成的最小部分。唯有如此真實的原子量，而非過去的各種數值，才能成為一切理論的基礎”
n 神奇的規律性
人類的好奇心是沒有侷限的，科學家們不斷的在大自然中尋找規律。不意外的，在道耳頓的原子學說提出後沒多久，就有人企圖尋找元素性質與原子量之間的關係。例如早在1816年徳貝萊納(Döbereiner, 1780-1849)就注意到，鍶(strontium, Sr)的原子量剛好是鈣(Ca)與鋇(Ba)的平均，這類具有相似性質的三種元素甚至被稱為三元組(triad)。其它各種在原子量數值上的數學推想在此不多陳述，但可以理解的，在原子量的數值尚無共識的年代，很難看出真正的玄機。
在1860年之後，各元素的原子量慢慢得到共識，新的想法開始出現。值得一提的是英國科學家紐蘭茲(Newlands, 1837-1898)，他在1863-1864年發表的論文中指出，若按照原子量大小來排列元素，每第八個元素的性質會與第一個相似，就好像音律中的八音度一般，更因此稱之為“八度律”(law of octaves)。紐蘭茲於1866年在一個化學學會的會議中發表相關的演講，席中有位學者福斯特(Foster)半嘲諷式的問道：若按照元素名稱字首的字母順序排列，是否也能尋找到規則呢？這突顯了當時學界大多數人對於這類元素與音樂間看似毫無根據的歸納之態度。然而隨後門得列夫所發表的元素週期定律逐漸得到認同，並於1882年獲得英國皇家學會頒發的戴維獎，紐蘭茲憤懣的在1884年將他過去發表過的相關論文集成一書，最終英國皇家學會亦於1887年將戴維獎頒給了紐蘭茲。
在此簡單的介紹一下門得列夫(Mendeleev, 1834-1907)，他出生於西伯利亞，是十四個兄弟姊妹中最小的。門得列夫的母親深知兒子的才華，在門得列夫十五歲時父親過逝後，其母帶他長途跋涉遠赴莫斯科，希望能在那兒讓門得列夫接受科學教育未果，最後進入了聖彼得堡的一個教育學院。畢業之後教了一年書又回到聖彼得堡大學攻讀博士學位，最後門得列夫於1866年得到聖彼得堡大學的教職。他於1859年得到一個出國遊學的獎學金，有機會到巴黎及德國海德堡學習，也就是在回程中參與了上述重要的的卡爾斯魯厄國際化學會議。
圖一、門得列夫於1869年提出的元素週期表，其中有原子量但無元素代號者為預測的新元素，原子量後面帶問號者代表其原子量可能有誤。
門得列夫已於1861年寫就了一本有機化學的教課書，他在寫這本教材時就對有機化合物具有的一些規則印象深刻，例如甲烷、乙烷、丙烷…等等一系列分子量相差14的同系物(homologs)，性質相似，這可能影響了他後來的思維。門得列夫於1867年開始寫另一本名為“化學原理”的教課書時，如何安排當時所知的元素成為一個課題。他將各元素的性質寫在一張張的卡片上，在許多漫長的火車旅途中嘗試著各種排列來尋找規則。
終於在1869年，門得列夫發表了他的理論，他的論文摘要被收錄在德國的期刊化學學報(Mendeleev, 1869)之中，但未受到重視。在論文中除了列出一個元素週期表(圖一)外，他還提出了八點陳述，指出元素若按照後卡爾斯魯厄會議的原子量排列時，存在一個元素性質的週期性。其中他大膽的預測了幾個尚未被發現的元素存在，例如應該有一個與鋁(Al)相似的元素，具有68的原子量(圖一)，門得列夫稱之為擬鋁(eka-aluminium)；另預測一個與矽(Si)相似的元素存在，具有70的原子量(圖一)，他稱之為擬矽(eka-silicon)。他另指出有些元素的原子量有誤，需要修正。
圖二、門得列夫於1871年於俄國期刊提出的元素週期表，在此表中改將原子量的遞增以橫向排列，也是現行的週期表排序方式。
經過一些修正後，門得列夫又在1871年發表了更新的元素週期表(圖二)(Mendeleev, 1871)，在此表中改將原子量的遞增以橫向排列，具有類似性質的元素縱列成族，現代週期表的雛型隱然成形。在此新表中，他進一步預測應該有一個原子量為44的元素，位於鈣(Ca)與鈦(Ti)之間，其性質會與硼(B)相似，稱之為擬硼(eka-boron)。在這篇論文中，他正式提出“週期”(periodic)定律一詞。
圖三、麥爾於1870年的論文中發表的原圖，其縱座標為原子體積(原子量乘以密度的倒數)，橫坐標為原子量。圖中曲線的五個頂點由左而右依序為 Li、Na、K、Rb和 Cs。(本圖取自https://web.lemoyne.edu/giunta/meyer.html)
在卡爾斯魯厄會議中，另一位年輕的德國科學家麥爾(Myer, 1830-1895)也受到了坎尼乍若的影響。麥爾是一位傑出的老師，為了教學，於1864年出版了“現代化學原理”一書，極受歡迎，其中使用了坎尼乍若的原子量。與門得列夫相似的，麥爾也在寫書的過程發現了元素按照原子量排列出現的週期性。麥爾的週期表於1872年發表於前述教課書的第二版中，但是他在1870年於德國期刊Annalen上預告的書摘(Meyer, 1870)，引述了門得列夫在1869年發表的論文，這使得門得列夫的理論受到廣泛的注意。在上述麥爾的論文中(圖三)，他繪製了一個元素的原子體積(原子量乘以密度的倒數)相對於原子量的圖，其中的曲線可非常明顯的看出週期性的變化，更成為支持門得列夫週期律的證據。在此順帶指出，因為當時俄國較為封閉，門得列夫在推導出其重要理論時，並未聽過或看過在歐洲的這些學者之想法。
雖然紐蘭茲與麥爾同樣的提出了週期表，然而與門得列夫相較，前二者較著重在數值關係上，不若門得列夫進一步提出週期律。麥爾自己承認，他沒有如門得列夫那般大膽的敢預測新元素之存在。當然麥爾對元素週期律的貢獻是不容忽視的，上述提及門得列夫在1882年得到英國皇家學會頒發的戴維獎，其實也同時頒給了麥爾。
n 令人驚嘆的預測
實際上在週期表提出之初，學界並未特別重視，但是在六年之後，一位法國科學家狄波柏桐(de Boisbaudran, 1838-1912) 於1875年發現了鎵(Ga)，原子量的實驗值為69.9，與門得列夫於1869年預測擬鋁的68相差不多。狄波柏桐當時並不知道門得列夫的週期表，他是在研究閃鋅礦(zinc blende)時，在其焰色光譜中發現新的物質，進而從四噸的閃鋅礦中分離出75克的鎵。門得列夫看到他的發表之後，指出這個元素應該就是他預測的擬鋁，但有趣的是狄波柏桐誤以為門得列夫想要來搶奪他先發現的功勞，極為生氣。狄波柏桐宣稱他發現的元素與門得列夫的擬鋁是完全不同的，例如他實驗所得的密度為4.7，與門得列夫預測的5.94差異很大，然而進一步重測發現實為5.96，證實門得列夫的預測精準的驚人。
再隔四年，尼爾森(Nilson, 1840-1899)於1879年發現了鈧(Sc)，也就是門得列夫預測的擬硼；溫克勒(Winkler, 1838-1904) 於1886年發現了鍺(Ge)，與預測的擬矽相同。門得列夫對這些新元素的許多性質預測都非常準確，因此這些新元素的發現，更直接提供了強力的證據支持週期律的存在。即便如此，並非門得列夫所有的預測都是正確的，他對於一些已知元素的原子量所提出的質疑有許多是錯誤的，歷史的發展告訴我們，在當時尚不知同位素的存在，那些錯誤的出現是可以理解的。
n 稀土元素的挑戰
從歷史的角度來看，門得列夫其實是有些幸運的，因為在1869年之前只有六個已知的稀土元素，這使得他反而容易歸納出週期律，並將那六個元素分別歸屬於不同族群，麥爾則是乾脆將它們放在週期表之外。拜光譜分析方法出現之賜，於1879年之後發現了許多新的稀土元素，這些元素的原子量相近，性質亦非常相似而很難純化，這些現象再再的對化學元素週期表提出挑戰。這個困擾一直要等到進入二十世紀，波爾(Bohr, 1885-1962)的原子模型出現，加上莫斯利(Moseley, 1887-1915)透過x-射線光譜清楚的指出有14個稀土元素存在，這才於1913年將稀土元素從週期表中獨立出來，成為現今的樣貌。
n 隱身的最後一列
讓我們暫時回溯至1783年，英國科學家卡文迪西(Cavendish, 1785)研究空氣中的氮氣與氧氣的反應，發現氮氣會被氧化成二氧化氮並溶於水中成硝酸。為了決定空氣中有多少氮氣，他通入適量氧氣讓空氣中所有的氮氣都能確定氧化，並用氫氧化鈉溶液將硝酸移除，最終以硫化鉀溶液將過量的氧氣完全吸收，發現還剩下約不到原先空氣1/120體積的氣體，這個氣體的謎團一直等到一百多年以後才被解開。
時間回到1892年，英國物理學家瑞利爵士(Rayleigh, 1842-1919)在決定氮氣的密度時(Rayleigh, 1892)，發現空氣中得到的氮氣之密度，比由氨氣用銅還原所製備出的氮氣為高。起初瑞利爵士懷疑是因為大氣中的氮氣含有類似臭氧結構般的N3，然而進一步的實驗顯示並非如此。瑞利爵士發表了這個奇怪的結果，並公開徵求意見。
另一位英國化學家拉姆賽(Ramsay, 1852-1916)在看到瑞利爵士的論文後表達了興趣，在瑞利爵士的同意下，開始研究大氣的氮氣中是否含有新的物質。他將由空氣取得之氮氣通過灼熱的鎂金屬，使氮氣完全反應成氮化鎂，剩下的氣體以光譜分析，發現了新的譜線。在此同時，瑞利爵士重複了卡文迪西的實驗，得到的那一個完全不會被氧化的氣體，具有與拉姆賽所取得的氣體相同之放射光譜。
此時二人相信這應該是一個新的物質，決定分工合作，由瑞利爵士研究此氣體的物理性質，拉姆賽負責探討其化學性質。這個氣體的化學行為奇特，完全不會與其它的化學物質反應，因此二人將之命名為argon (氬，Ar)，此字源自希臘，有懶惰的意思。透過擴散速率的量測可得知此氣體的密度是氫氣的19.9倍；利用熱力學的理論，由其比熱判斷此氣體以單原子形式存在，因此它的原子量應該為40。有趣的是，在這十九世紀的末端，觀念反轉，單原子的氣體反而成為難以接受的想法。此元素的原子量是另一問題，其數值與鉀(K)的39和鈣(Ca)的40相近，加上其特異的化學性質，那麼在週期表中應該放在甚麼位置呢？
他們在1894年報告初步的結果時受到強烈的抨擊(Rayleigh, 1895)，有些人認為那氣體是氮氣的同素異形體，更質疑他們實驗的準確性。問題的答案在1895年出現曙光，拉姆賽加熱稀土鈾礦(cleveite；主要組成為氧化鈾)時得到一個氣體。實際上在1868年，天文學家羅凱(Lockyer, 1866-1920)從所得到的太陽光譜中，確認了一個新元素的光譜，這個元素被稱為helium (氦)，其希臘字源意指太陽。拉姆賽得到的氣體之光譜與氦完全吻合，代表這個元素也存在於地球。氦的原子量為4，與氬同樣的也是以單原子形態存在。此時應該可以確立一個新的氣體元素族群亦存在於週期表中，所有的懷疑都慢慢消失，更代表了值得追尋在此族元素中尚未現身的成員。
現在機會掌握在拉姆賽的手中，他決定從液態空氣著手，企圖從中分餾出可能存在的極少量氣體。製造液態空氣在當時為很尖端的新技術，到了1898年，他和助手垂弗斯(Travers, 1872-1961)已經成功的得到了氖(Ne)、氪(Kr)和氙(Xe)。另一個惰性氣體元素氡(Rn)，在1903年由索迪(Soddy, 1877-1956)從鐳(Ra)所放射出的物質中發現，這族元素的六個成員至此已經完全現身。
拉姆賽與垂弗斯於1900年建議將此族元素放入元素週期表，而一直到1905年門得列夫才同意以第零族的方式放入，並放棄氬為N3的想法，但他仍然堅持氬的原子量為38，認為這樣才能合理的將之置於氯和鉀元素之間。拉姆賽於1904年因為上述的傑出成就得到諾貝爾化學獎，是第一個得到諾貝爾獎的英國化學家。至於瑞利爵士則是因為對氬氣的研究，獲得同年的諾貝爾物理獎。
n 門得列夫的最終定位
不可否認的，門得列夫的元素週期表成為化學發展的一塊重要基石，以此成就理應戴上諾貝爾獎的桂冠，然而他晚年雖然被提名數次，卻因受到1903年諾貝爾化學獎得主，瑞典科學家阿瑞尼斯(Arrhenius, 1859-1927)的強烈反對而受阻，未多久門得列夫已於1907年過逝，堪稱憾事。
美國科學家西柏格(Seaborg, 1912-1999)乃是1951年諾貝爾化學獎得主，於1955年發現了原子序為101的新元素。因為發現人具有元素的命名權，西柏格決定將此元素命名為mendelevium (鍆，Md)，藉以紀念門得列夫。但這背後還有個有趣的故事，因為當時正值美俄冷戰時期，一個美國科學家竟然將一個新元素用俄國人為名，實在敏感。不過西柏格為此特別徵詢過美國政府，得到認可之後成就了此一美事。
從現在的眼光來看，西柏格的無私作為實在值得高度的讚賞，101這個數字在美國具有基礎的涵意，許多領域的最基礎課程均以這個數字為編號，因此賦予門得列夫這個原子序號，正是實至名歸的做法。即便門得列夫未能得到諾貝爾獎，然而望向元素週期表，離我們最近的那最閃耀的一排(圖四)，諾貝爾赫然坐在門得列夫旁邊102的位置，另一邊則依序坐著偉大的物理學家費米和愛因斯坦，試問還有比這個更尊榮，且更能表達我們敬意的方式嗎？
圖四、門得列夫在元素週期表上最終的位置
n 結語與展望
化學元素週期表其實見證了整個現代化學的發展，座落於其上的每一個元素都期待著訴說它們的故事，背後逝去不知多少有名無名的科學志士。道耳頓的原子學說開啟了新的紀元，但我們不能忘記坎尼乍若的大數據分析造成的原子量共識，那才有門得列夫洞察的規律出現，在卡爾斯魯厄會議之後二十年，於1880年代，化學元素週期表已經成為新的標準。這個表格激發了科學家在二十世紀初興起的量子革命，使得人類終於理解了這個大自然萬物存在的秘密。
許多科學的領域都會有一個最著名的圖騰，但是化學元素週期表這個化學最重要的標記獨具一格，它是一個不斷在增長的活圖騰。根據週期表及量子理論，科學家們不斷的向前邁進，追求新的元素。國際純粹及應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）與國際純粹及應用物理聯合會（International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP）在2015年末正式宣佈化學元素週期表的第七週期已經填滿(圖五，蔡蘊明, 2016)，接下來萬眾矚目的是第八週期將會由哪個新元素拔得頭籌。就如同過去的努力，對新元素的追求在於更深入的理解它們生成之秘，化學元素週期表會帶領我們航向何處？只有耐心能夠給我們回答。
圖五 IUPAC在2016年公佈的化學元素週期表，第七週期宣告填滿
（圖片來源：https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/）
週期表中現在雖然只有118個元素，但是化學家的智慧已經能將它們轉換成為無數的物質，供人使用。然而我們也付出了慘痛的代價，環境受到汙染，氣候劇烈變遷，物種的生存受到極大威脅，對能量的索求更造成各種衝突。聯合國定出“國際化學元素週期表年”的意義不僅僅在宣揚和提振化學的重要性，更重要的是讓我們體認化學終將是解決問題的關鍵；人類必須共同努力，把方法從週期表中挖掘出來，共同捍衛地球永續的未來。
n 參考資料
1. Brock, W. H. (1993).The Norton History Of Chemistry. New York: W. W. Norton & Company.
2. Cannizzaro, S. (1858).Sketch of a course of chemical philosophy.Il NuovoCimento,V. vii, 321-366.原始論文網路來源：https://books.google.com.tw/books?id=eAQAAAAAMAAJ&pg=PA321&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false.英文翻譯版本網路來源：http://www.chemteam.info/Chem-History/Cannizzaro.html.
3. Cavendish, H. (1785). Experiments on air.Philosophical Transactions, LXXV, 372-384. 原始論文網路來源：https://books.google.com.tw/books?id=_JxbAAAAQAAJ&pg=PA372&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
4. deMilt, C. (1951). The congress at Karlsruhe.Journal of Chemical Education, 28(8), 421-425.
5. Hirota, N. (2016).A History of Modern Chemistry.Kyoto University Press.
6. Hudson, J.(1992).The History of Chemistry. New York: Chapman & Hill.
7. Mendeleev, D. (1869).On the Relationshipof the Properties of the Elements to their AtomicWeights.ZeitschriftfürChemie, 12, 405-406.英文翻譯版網路來源：http://newconcepts.club/uploads/Original_Paper_of_Mendeleev_1869.pdf.
8. Mendeleev, D. (1871).The Law of Periodic Regularity of the Chemical Elements.Annalen der Chemie und Pharmacie, Supplementband 8, 133-229.
9. Mendeleev, D. (1889). Mendeleev’s Faraday Lecture: The Periodic Classification of the Chemical Elements.原文網路來源：https://www.ias.ac.in/article/fulltext/reso/005/05/0104-0108.
10. Meyer, L. (1870).The nature of the chemical elements as a function of their atomic weights.Annalen der Chemieund Pharmacie, Supplementband7, 354-364.原文網路來源：https://books.google.com.tw/books?id=KdHyAAAAMAAJ&pg=PA354&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false.
11. Rayleigh (1892).Density of nitrogen.Nature, 46(1196), 512-513.
12. Rayleigh (1895).Argon.Royal Institution Proceedings, 14, 524-538. 原文網路來源：https://books.google.com.tw/books?id=a3IJ8poUW5cC&pg=PA524&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false.
13. 蔡蘊明(2016). 化學的填字遊戲？台灣化學教育, 11, 一月號.
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
星期四 , 17, 1 月 2019 本期專題, 第29期/2018年01月 在〈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〉中留言功能已關閉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
[email protected]
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 Chemistry) |
俄文 |
週期的排序 |
|
2 |
1869b |
Zhurnal Russkago Fiziko-Khimicheskago Obshchestva (註1) |
俄文 |
內容與1869a Osnovy Khimi這本教科書大致相同。文中預測三個尚未發現的元素並進行勘誤。 |
|
3 |
1869c |
Zeitschrift fÜr Chemie |
德文 |
Osnovy Khimi德文摘要(2頁) |
|
4 |
1871a |
Zhurnal |
俄文 |
|
|
5 |
1871b |
Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft |
德文 |
回應其他化學家(如德國化學家尤利烏斯·洛塔爾·梅爾 (Julius Lothar Meyer)提出的問題 |
|
6 |
1872 |
Liebigs Annalen der Chemie補充資料處 |
德文 |
翻譯1871年以俄文發表的文章長達92頁。 |
門得列夫於1863年獲得聖彼得堡大學的教授一職，1866年擔任該校化學系系主任。他最為人熟知的成就當然就是建立週期表。許多人大概都知道週期表是門得列夫1869年提出的，但是可能很多人並不知道，其實在1869年這一年裡，門得列夫一共發表了三份週期表的文件，各自都有不同時在之後的兩三年內又陸續發表一篇俄文(1871a)和兩篇德文的文章(1871b, 1872)同的貢獻。接下來讓我們來看看這些文章的內容為何。
門得列夫的第一部作品是教科書，以俄文發表。第二篇文章是在1869年在Zhurnal期刊以俄文發表，文中所呈現的週期表基本上與1869a Osnovy Khimi(1868a)這本教科書大致相同，只是花了更多篇幅去說明元素系統的邏輯關係(見圖一)。在這張圖中以兩個重要的發現可以用來說明週期系統。首先是三個尚未被發現元素的可能原子量，即(1)預測原子量為45的鈧(Sc，原子序21)、(2) 預測原子量為68的鎵(Ga，原子序31)、(3) 預測原子量為70的鍺(Ge，原子序32)，還有一個常被遺忘的是預測的原子量為180的鉿(Hf，原子序72)，這些原子量與後來的數值相當接近。其次是根據元素化學性質來放置位置，如碲(Te，原子序52)和碘(I，原子序53)放在他們應在的位置，但是當時門得列夫其實預測錯了碲的原子量。不僅如此，這張週期表還有其他一些錯誤，但所幸後來都被校正了。譬如，根據物質常見的氧化態為基準，金(III)的氧化態Au(III)比Au(II)常見，所以門得列夫將金放在8A族，而鉛二價Pb(II)又較四價Pb(IV)常見，所以將鉛置於7A族；同理，則將鉈置於1A族，這些元素的位置現在都已被後來發現的放射性物質取代，還有一些元素的原子量也不同，如鈾(是116不是238)、釷(是118不是232)、銦(是75.6不是114.8)。所以當時周期表並不完全正確，但他精準的預測某些元素，更彰顯週期表的價值。
當年門得列夫預測三個元素的原子量和性質，門得列夫用類硼(eka- boron), 類鋁(eka-aluminum) and 類矽(eka-silicon)來命名這三個元素，eka在梵文中代表<在…之下>或是超越(beyond)，同時也代表”1”的意思(dev代表2，treeni代表3)。換句話說，若以eka-aluminum為例，就代表在原子序13的鋁下方一格，也就是現在原子序31的鎵(gallium, Ga)的位置。這些元素後來分別在1875年(gallium, Ga, 鎵)、1879年(Scandium, Sc, 鈧)、和1886年(germanium, Ge, 鍺)被證實是存在的，且性質和位置都準確無誤。除此之外，門得列夫還對之前的文章進行勘誤。
很明顯的這一篇發表在Zhurnal期刊的文章是週期系統的心臟與靈魂的作品，但是它是以俄文發表，受限於寫作的語言所致，在當時並未受到科學社群應有的重視。
反倒是第三篇1869年以德文在Zeitschrift期刊所發表的兩頁精簡摘要廣泛的受到更多西歐科學家的注意，因為當時大部分的科學家都能讀能寫德文，但卻不懂俄文，這一點是值得關注的。
第五篇文章是1871年在Berichte發表的文章，主要是回覆當時其他科學家對他的質疑，門得列夫在文章他開宗明義的說: 因為有幾位科學家對於我所提出的元素系統有所意見，請讓我多做一些說明。他在註解裡面也提及此句話，並列出他有關元素週期系統的編年史。事實上，門得列夫的宣稱已獲得了許多德國化學家讀者的高度關注，當然也就為他在Zeitschrift所發表的文章成為突破性文章有更多的支持與和可信度。除此之外，這篇文章本身沒有包含新的資訊，主要是在為他自己的宣稱去做辯駁 尤其是針對歐德林(Odling) and 麥爾(Meyer)的批判。
剩下兩篇是第四篇1871年在Zhurnal發表的俄文文章和第六篇1872年以德文撰寫的文章(翻譯1871年的文章)， 這兩篇文章都較先前1869年的文章要來得更大量的內容(1872年一文計有96頁!)，它詳細的說明週期表原理的概念發展過程，同時也很明確的說明潛藏在所預測的三個元素的性質背後的週期性原理，彷彿這三個元素都已經被發現了似的。這篇文章中門得列夫以一種非常高度的邏輯方式將他的論證說明得相當清楚且具說服力。在這同時，原文中的許多錯誤也都被修正了。這個現象當然也發生在其他的元素上，如將原來預測的鉿以鑭系來取代。
文章走筆至此要去決定哪一篇文章才是突破性的文章變成非常主觀了。三篇以俄文撰寫都比對應的德文版要早，若只是以時間序來做決定的因子，那麼無庸置疑1869年的文章當然應該是最具突破性的，但是在18-19世紀時，德文在科學上是最具權威性的語言，幾乎所有各國化學家都能讀能寫德文和法文，除門得列夫是特例外，很多人都精通英文。反之，很少的歐洲化學家能夠讀俄文，即使到今日仍是如此。 雖然第一篇發表的文章說明了週期律，但門得列夫以俄文撰寫，除了俄國，在其他地方的影響力相對來講是較低的，使得第一篇文章未必是具突破性或成為具有影響力的文章。
無庸置疑的，門得列夫的週期表的起源可以追溯到他1869年的那本教科書，在他的寫作中很明顯的他認為所觀察到的這個週期性，事實上是有用的而且是千真萬確的。不僅如此，門得列夫也相信那些在週期表中預留位置的元素，只需假以時日就會被發現，果如預期，對於他所做的預測事實上後來也的確都逐一的被證實、被發現，使得他的預測與其他的學者非常不同，更加鞏固他的理論的歷史地位。但是因為門得列夫的教科書是以俄文撰寫，勢必減少它被視為是具突破性的論文。同理，1869年在另一個期刊(Zhurnal)所發表的俄文文章也有相同的命運，不足以展現它的影響力，根據Gordin (2004，引自lewis, 2014))指出，事實上在當時門得列夫尚未完全掌握他劃時代的發現，因為他請他的朋友將這篇文章送到俄國物理化學學會，而他自己卻在莫斯科外的一家起司工廠巡視。當然我們也可以說，門得列夫已充分的了解他的週期系統的重要性，因而選擇讓他的朋友盡快將該文章送達該學會，以免因他個人的私事而耽誤文章的發表(Lewis, 2014)。
1871年門得列夫在Zhurnal所發表的文章擁有所有具突破性文章的特質，他清楚的定義科學的基礎、校正先前的錯誤，而且對元素進行預測並被證實其在週期表中的適當位置，使得它成為現代科學最被廣泛認可的文章。但是再一次面臨語言的問題，這一篇文章仍是以俄文撰寫，當然也就暗示著他在西歐被廣為流傳的機會是有限的。發表論文所使用的語言，自然成為這篇文章無法成為突破性文章的理由。
經過審查委員謹慎地討論與分析後，只剩下兩篇以德文發表的文章有可能成為該委員會所認定的最具突破性的作品，這其中有一篇是精簡的兩頁摘要，這是在1869年在Zeitschrift所發表的。根據Lewis (2014)的觀點，1871年那篇德文的文章，門得列夫回應了西方化學家對他的週期表的質疑，無庸置疑的正是宣稱1869年那篇德文摘要就是突破性的文章，因為很明顯的它吸引19世紀中葉，大部分科學家的注意，且大都已肯定該文章的價值，尤其是門得列夫所提出的週期表的預測力是其他科學家所不可比擬的。門得列夫的對手麥爾(Meyer)在一年後也提出可信的週期表，但他在文章中也肯定門得列夫於他之前在週期表上的貢獻。
不知您推出來門得列夫的哪一篇文章是最具突破性的文章了嗎? HIST在2014年將當年的獎項頒給了門得列夫1869c年的文章(見圖3)，它雖然不是第一篇文章，但卻是HIST認為最具有代表性且影響科學界最深的一篇。看官認為呢?若是西歐的科學家來評選，也會是這一篇以德文撰寫的文章嗎?若當年期刊有影響因子(Impact factor)或是計算引用次數，或許這問題就好解多了
n 後語
2019年是門得列夫提出元素週期表的第150週年，許多國家都以辦理各種不同形式的元素週期表活動來緬懷這位偉大的科學家，由於他發現的元素週期律以及該週期表所展現的強大預測力，使得科學能夠在混沌中露出曙光，開創嶄新的一頁，這位終身未獲得諾貝爾獎的科學家，對科學界的貢獻不可言喻。
n 註解
註1: Mendelejeff, D. (1869c)由門得列夫的朋友Nikolai Aleksandrovich Menshutkin代為將第一篇文章Osnovy重要的部分做了報告
註2: Lewis (2014)在p.1六篇文章的排序及內容與後來的討論略有出入，本文作者重新調整並製表以利討論。
註3: http://acshist.scs.illinois.edu/awards/citations_chem-breakthroughs.php
n 參考文獻
1. Guyton de Morveau, L. B., Lavoisier, A. L., Berthollet, C-L., & de Fourcroy, A. F. (1787). Méthode de Nomenclature Chimique, chez Cuchet (sous le Privilège de l’Académie des Nomenclature Chimique), Paris, France.
2. Lewis, D. E. (2014). Citation for chemical breakthrough award: Mendeleev’s periodic system of the elements. Bulletin for the History of Chemist, 39(1), 1-6.
3. Mendeleev, D. I. (1869a). Osnovy Khimii [Elements of Chemistry], St. Petersburg.
4. Mendelejeff, D. (1869b). Üeber die Beziehungen der Eigeschaften zu den Atomgewichten der Elemente (On the Relationship of the Properties of the Elements to their Atomic Weights), Zeitschrift für Chemie (in German), 12, 405-406. (Abstract translated into German from Zhur. Russ. Fiz. Khim. Obshch. I, 60-77.
5. Mendeleev, D. I. (1869c). Sootnoshenie svoistv s atomnym vesom elementov (The correlation of properties with the atomic weights of the elements), Zh. Russ. Fiz.-Khim. O-va, 1, 60-77.
6. Mendeleev, D. (1871a). Estestvennaya sistema elementov I primenenie ee k ukazaniyu svoistv nekotorykh elementov (The natural system of the elements and it application in the prediction of the properties of certain elements), Zh. Russ. Fiz.-Khim. O-va., 3, 25-56.
7. Mendeleejeff, D. (1872). Die periodische Gesetzmässigkeit der chemischen Elemente (The Law of Periodic Regularity of the Chemical Elements), Annalen der Chemie und Pharmacie, Suppl. 8, 133-229.
8. Mendelejeff, D. (1871b). Zur Frage über das System der Elemente, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, 4, 348-352.
9. Seeman, J. I. (2013). Hist’s citation for chemical breakthrough awards: The first paper or the “breakthrough” paper? Bulletin for the History of Chemist, 38(1), 4-6.
10. Stewart, P. J. (2018). Mendeleev’s predictions: success and failure. Foundation of Chemistry, https://doi.org/10.1007/s10698-018-9312-0.
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
星期三 , 16, 1 月 2019 本期專題, 第29期/2018年01月 在〈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〉中留言功能已關閉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 |
水素 |
酸素 |
窒素 |
當時的中國處於清末多事之秋，沒有太多能力來引進及翻譯這些近代科學用語，再傳去給日本人使用。反而許多中國的現代用都來自於日本，所謂「和製漢語」就是指現代漢語中從日語借用的新詞。19世紀末起，大量源自日語的漢語詞流入中國，成為漢語中的外來詞。這類詞彙的來源可分為被日本人賦予新意的中國古籍裏的舊詞以及日本人原創的新詞；前者如「洋行、社會、經濟」等，後者有「抽象、哲學、教授、人氣、達人、上手」等。另外，中國人與在華外國人合作翻譯的詞則被稱為「華製新漢語」。日本為了吸收西洋文明也會引進中文書刊和辭書，這些新詞也會被日語吸收。例如，明治初期日本將「化学」一詞稱之為「舎密」，這是來自荷蘭語Chemie，就是「科学」的音譯。真正使用「化学」這一個名詞是1861年在川本幸民的著書『化学新書』裡面，隨後被明治政府正式採用。這可以稱是「和製漢語」。但是也有另一說法在1857年墨海書館發行的月刊『六合叢談』中，就已經提到了這一名詞。所以，「化学」應該是「華製新漢語」。不過，一般比較相信這是徐壽在1871年在翻譯『化学鑑原』一書時，首創了「化學」這一個名詞。
表3 和製漢語中的鹵素
|
中文 |
氟 |
氯 |
溴 |
碘 |
砈 |
|
日文(古) |
弗素 |
塩素 |
臭素 |
沃素 |
— |
|
日文(今) |
フッ素 |
塩素 |
臭素 |
ヨウ素 |
アスタチン |
表3是和製漢語中鹵素的名稱，這些也是深受漢字的影響。英文fluorine的語源是來自名為fluorite (蛍石)的鉱石而來的。「弗素」這個日文單字是fluor的音譯，現在日本則使用片假名「フッ素」。中文則參考「弗素」而另外造字，將弗放在气之下，成為「氟」。「氯」在日本是意譯成「塩素」（鹽的主要元素）。中文最先是命名為「綠氣」，後來才另造新字。1826年法國科學家安托萬·熱羅姆·巴拉爾(Antoine JeroneBalard)向巴黎科學院提出發現新元素的報告。他起初是調查濕地植物的鹽分，用了不同的化學藥品最後得到褐色溶液。該溶液加入含氯的水和澱粉後分為兩層。上層為赤褐色，下層為藍色。他認為下層的藍色澱粉液中含有新的元素。委員會經調查後承認並以希臘文bromos (惡臭)為之命名。日文採用意譯因而命名為「臭素」，中文則另造新字「溴」。1811年法國的伯納德·庫爾圖瓦(Courtois)為了分解海草灰中的硫磺化合物，因此加入了硫酸。突然之間冒出難聞催淚紫色的煙（碘）。更驚訝的是，紫色蒸氣並不凝結成滴，反而以黑色金屬光澤的形態結晶堆積下來。後來約瑟夫·路易·給呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac）以希臘語iodes (紫色)為名。日文採用德文iod音譯而命名為「沃素」，現在則使用「ヨウ素」。中文則取英文名稱的最後一個音節（Iodine →典），加上代表固體非金屬元素的「石」字部首，命名為「碘」。砈（Astatine）是一種放射性化學元素，發現的年代也比較晚，科學家對這一元素所知甚少。日文採用音譯而命名為「アスタチン」，中文則命名為「砈」。
表4 和製漢語中的矽砷磷硼
|
中文 |
矽 |
砷 |
磷 |
硼 |
|
日文(古) |
珪 |
砒素 |
燐 |
硼砂 |
|
日文(今) |
ケイ素 |
ヒ素 |
リン |
ホウ素 |
表4列舉了一些受到漢字的影響造出來的非金屬元素的名稱。1787年拉瓦節首次將將「矽」命名為“silex”、“silicis”，意為拉丁語中的“kaishi”，意為“堅硬之石“。日本人最初用的是「珪」（kei），這是來自於荷蘭語“keiaarde”的音譯。這在荷蘭語中是表示用於點火的燧石。明治維新以後基本上外來語都比較不用漢字。原因之一是珪素的漢字發音困難，後來乾脆就寫成ケイ素。中文則是採用silicon的第一音節而造了新字「矽」。砒霜在日本稱之為方砒素華，是漢方藥的一個藥方。砒素的「砒」字也不是常用漢字，後來乾脆就寫成ヒ素（砒的主要元素）。磷（燐）也是同樣的道理，使用片假名「リン」。幾千年前人類就已經知道硼化合物的存在，西藏是世界上盛產硼砂的地方之一。10世紀時中國古書「日華本草」內有記載「蓬砂」一詞，音譯自波斯語。硼的拉丁文名稱為boracium，來自阿拉伯文buraq或波斯文burah；兩者皆為硼砂之意。據掌禹錫（北宋）考據，該書收載的藥物600多味。原書雖已散佚，但內容還可從《證類本草》、《本草綱目》中略窺一二。西元300年左右，在中國硼砂就已被用作釉料。14世紀傳到日本，稱之為「硼砂」。現在則使用片假名「ホウ素」（硼的主要元素）。
2. 中文的化學元素及名詞的命名原則
有系統制定化學元素及名詞的中文翻譯標準是從徐壽(1818—1884)開始。1868年徐壽在江南機器製造總局內設立了翻譯館。他招聘英國人傅蘭雅（John Fryer）等西方學者參與翻譯的工作。他親自與John Fryer合譯《化學鑑原》一書。當時大多是根據西方來的較新版本，將書中原意用口述的方式後寫下來。徐壽理解口述的內容後，再用適當的中文表達出來。但是中西方的文字在拼音或造字原則上極不相同。除了金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞、硫、碳這些古代已知的元素以外，絕大多數的化學元素名稱及化學術語，在中文裡沒有現成的名稱。徐壽花費了不少心血加以翻譯，包括創造了養氣（氧）、輕氣（氫）、綠氣（氯）、淡氣（氮）等元素名詞。“淡氣“的意思是將養氣（氧）沖淡的氣體，但後來又自行造字，將“淡氣”合併為一個新字「氮」。對於其它元素，徐壽採用西文第一音節而造新字的原則來命名，例如鈉 (Natrium)、鉀 (Kalium)、鈣 (Calcium)、鎳 (Nickel) …等24個元素即為他們所命名。他採用的這種命名方法一直沿用至今，可謂是中國近代化學的啟蒙者。值得一提的是，江南製造局翻譯館在那個時候，很多字都還是音譯的。清末著名學者虞和欽曾發表的《化學周期律》一文，這是中國最早介紹元素周期律的一篇重要文章。1907年他出版了《有機化學命名草案》，改音譯為結合漢字特點的系統命名法，定下了一些術語：以“一二三四”代表碳原子數量，以“甲乙丙丁”代替α、β等位置，也定下了“醇”等術語的名字。但是他制定的術語，有些名字長而不規律，讓人很難記憶。1921 年科學名詞審查會在這個基礎上，對術語進行了很多改進，確定了烷、烯、炔等，仍然用“一二三四”代表碳原子數量。1932年國立編譯館成立了化學譯名審查委員會，由教育部聘鄭貞文負責起草化學譯名草案。他採用中國文字的特點，有些則另創新字。他以徐壽所定的部分命名為基礎，在他的專著《無機化學命名草案》中提到金屬元素名加金字旁，對非金屬氣態元素加上氣字頭，對於液態非金屬元素加上三點水，對於固態非金屬元素加上石字旁等原則。對於有機物，他不以音譯的方式，而是自創新字為原則。選的部首，如「艹」、「火」、「酉」、「月」等。這在當時是非常成功的改革，而且沿用至今。但是這種方法雖然可以拼成許多種有機化合物所用的化學名詞，還是難以涵蓋所有的有機化合物。但無可厚非的是，當時的確不可能知道有機化合物會變成今天這個樣子！
表5鈍性氣體的中英日文對照表
|
中文 |
氦 |
氖 |
氬 |
氪 |
氙 |
氡 |
|
英文 |
Helium |
Neon |
Argon |
Krypton |
Xenon |
Radon |
|
日文(今) |
ヘリウム |
ネオン |
アルゴン |
クリプトン |
キセノン |
ラドン |
表5是鈍性氣體的中英日文對照表。這些氣體發現得較晚，日文就全部音譯採用片假名了。1868年8月18日法國天文學家皮埃爾讓森（Pierre Jules César Janssen）在印度觀測日全食時，發現了波長為587.49 nm的譜線。英國人洛克耶（J. N. Lockyer）和弗蘭克蘭（E. F. Frankland）認為這種物質在地球上還沒有發現，因此定名為「氦」（英文為Helium），源自希臘語意為「太陽」。氦氣在中文裡，當時由傳教士創辦的益智書會就譯作「氜」（讀作「日」），以表示從太陽光中發現的氣態元素。1915年根據教育部頒布的《無機化學命名草案》採用發音與英文更為一致的「氦」並沿用至今。「氖」也是取第一音節造字，雖然舊譯作氝。氬、氪、氙、氡也都是取第一音節造字。這裏可以發現，氬的音應該讀作「亞」，但是英文的第一音節明明是讀作「啊」！這可能是古音和今音差別。如果用閩南語讀「亞」，其實發音是「啊」沒錯。至於氡，是取第二音節「don」去造字的。每個元素的標準讀音，在國立編譯館出版的化學命名原則第四版中都有詳細標示。這也可以上網連接到國家教育研究院的網站中下載。網址如下：http://terms.naer.edu.tw/download/220/
3. 近代發現的元素命名原則
1735-1830年約100年間, 從天然物及礦物中以分析化學的方法發現了約30多種元素。包括了鈷 Co、鎳 Ni、錳 Mn、鋇 Ba、鉬 Mo、鎢 W、碲 Te、鍶 Sr、鋯 Zr、鈾 U、鈦 Ti、鉻 Cr、鈹 Be、鈮 Nb、鉭Ta、鉑 Pt、鈀 Pd、銠 Rh、鋨 Os、銥Ir、釕 Ru、氟 F、氯 Cl、碘 I、溴 Br、硼 B、鎘 Cd、鋰 Li、硒 Se、矽 Si、鋁 Al、釷 Th、釩 V。這些元素的中文命名原則都是取第一或第二音節造字，「左形右音」的形聲方式命名。日文則是音譯採用片假名。
古代埃及已經使用藍色含鈷玻璃及顏料，考古學者也從法拉王的墓發現製造中的藍色含鈷玻璃及顏料。鈷的英文名稱「Cobalt」來自於德文的Kobold，意為壞精靈，因為鈷礦有毒，礦工、冶煉者常在工作時染病，這些在過去都被看作精靈的惡作劇。中文取第一音節命名為「鈷」。日文則取英文的音譯，命名為「コバルト」。 鎳與鈷經常在隕石中被大量發現。1814年德國化學家喬治·勃蘭特（Georg Brandt）首先發現在隕石中含有鈷之後，他的學生阿克塞爾·弗雷德里克·克龍斯泰特(Axel Fredrik Cronstedt)在同一顆隕石中又發現了鎳。鎳一語的起源與鈷類似，德語的Kupfernickel的意思是“銅的惡魔“。瑞典的礦物學家將鎳的礦石誤以為銅礦，怎麼樣都提煉不出銅，認為是惡魔的惡作劇，因此得名。 事實上，鎳的使用可追溯到紀元前3世紀。當時的中國人已經使用銅鎳鋅的合金。亞洲西南部的古國大夏甚至以此合金為貨幣，至今尚有一枚收藏於倫敦大英博物館。鎳的英文名稱為Nickel，中文取第一音節命名為「鎳」，日文則取音譯命名為「ニッケル」。鋅雖然也是自古以來熟知的元素之一，在高溫之下比銅鐵鉛等金屬更容易被碳還原成為金屬狀態的鋅。但是金屬的沸點低且揮發性高，所以比上述各種金屬更晚被發現。 鋅可由黃銅礦中提煉而得，希臘、羅馬、印度、中國都知道使用黃銅。印加遺跡中曾發現黃銅的雕像。日本在江戸時代中期傳說有一位名叫寺島良安的中醫生，因為鋅的外表像鉛，因此將鋅稱之為亞鉛。日本國內開始提煉金屬鋅是在1889年開始。鋅與銅可以用不同的比例(33-67%)製成不同性質的黃銅。含鋅量超過20%的鋅銅合金，一般俗稱黄銅（日文稱為真鍮）。銅加入鎳（10～20%）與鋅（15～25%）而成的銀灰色合金，日文稱為洋銀。這合金在江戶時代末期到明治初期流入日本並進入近代中國的外國銀幣。合金比例不同的銅鎳合金，有時又稱為白銅。古代時鉛與銻混淆的情形甚多，一直到拉瓦節才有較明確的記載銻及銻化合物的用途。銻(Sb)的拉丁語為Stibium，中文取第一音節命名。日文則取德文的Antimon的音譯，命名為「アンチモン」。鉍 經常與銻、鉛、錫等金屬混淆在一起。以化學的觀點而言，這些元素在週期表上位置接近性質相仿，實在不容易被區分。鉍的英文是Bismuth，中文取第一音節命名。日文則取英文的音譯，命名為「ビスマス」。銻和鉍常被用作為鑄造鉛版活字的材料。
4. 比較中文與日文中化學名詞的命名原則
週期表中還可以發現許多看起來像新造的字：
釕釹鉕釤鈁銪釓鋱鏑鈥鉺銩鐿鎦鉿鉭鎢錸鋨銥鉑鉈釙砹鍅鐳錒釷鏷鈾錼鋂鋦鉳鉲鑀鐨鍆鍩鐒鑪䥑鐽錀鎶鈇鏌鉝鉨…
這些字看起來只知道跟金屬有關，但是究竟是什麼東西，一般人其實什麼也都說不上來。這些像是新造的字裡，其實釕釤鈀鈁鉍這些字在古書中可以找到，而且有自己原來的意義。「釕」在古代的意思是金飾器、「釤」是大鏟、「鈀」是箭簇、「鈁」是量具、「鉍」是矛柄。但是現在它們已經失去原有的意義，反而作為化學元素用的新字。今後如果再發現新元素又要造字的機會應該不多。118號之後未命名的元素漢語常稱為「某號元素」，如「119號元素」，就不再另造新字了。新造的字並不是用電腦Word都可以打得出來，這經常也是一種困擾。
雖然從拉丁語言系統向其他語言轉換是一項不容易的工作，尤其是轉到以象形形聲為主體的漢字上。僅依照單一音節的發音就造一個對應的新字，其實喪失了該元素原本賦予的字根或字尾的意義。日本人學習並使用漢字，但是造字並不是他們的專長，對於西方外來的事物，乾脆一概以片假名來表示。對於新的元素的命名，就採用了片假名系統。日本人使用片假名的感覺，跟歐洲人使用拉丁語的感覺，其實並沒什麼區別，因為都是拼音的詞語。他們記憶片假名的能力，超乎我們的想像，就好像是在看美國人背單字一樣，對他們而言這是一件很平常的事。片假平可以說是已經完全融入日本的文化之中了。因此拉丁語Natrium就很自然的寫成「ナトリウム」、拉丁語Kalium就成了「カリウム」…。週期表內除了中國傳來的漢字依舊沿用以外，新的名詞就都用片假名了。
日本理化學研究所森田浩介（現任九州大學教授）帶領的研究小組，發現113號元素。IUPAC宣布計劃根據理化學研究所的建議命名為「Nihonium」，符號為Nh，此名稱於2016年11月28日正式獲得認可。日本人在新聞就直接發表了Nihonium的日文名稱為「ニホニウム」。相對於此，這在中文裡就麻煩很多了，因為我們必須又要造字。至於Nihonium該如何造字呢？起初有造出「鉨」？後來也有「鈮」？。在中國方面，2017年1月15日中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會聯合國家語言文字工作委員會組織化學、物理學、語言學界專家召開了113號元素的中文定名會，通過了將此元素命名為簡體字的「鉨」。該方案還需經上報他們的教育部批准後才正式公布。在台灣方面，2017年4月5日中華民國國家教育研究院的化學名詞審譯委員會審譯修正通過之「化學元素一覽表」將此元素命名為繁體字「鉨」，音同「你」。最後「鉨」字還必須有電腦編碼，才能收錄在漢字基本碼之中，用電腦才打得出來。這些事情前後做起來，在速度上比使用片假名的日本落後了許多。所以日本的大學生可以不需要原文書，因為他們在科學領域上的專有名詞都使用片假名。把benzene寫成「ベンゼン」，或是反過來把「ベンゼン」寫成benzene都不是問題。同樣的道理，把dichlorodiphenyltrichloroethane寫成「ジクロロジフェニルトリクロロエタン」，官能基的屬性和位置跟英文表示的一樣也是清清楚楚。日本學生看著這串片假名，就足以把結構式畫出來。話雖如此，對於一個沒有化學背景的人，這一串片假名聽起來也是不知所云。相對於此，中文的化學術語名詞裡無論是元素名稱、有機化合物、有機金屬、天然物…的命名，雖然不是像片假名可以反應迅速，但是自有一套邏輯。由中文的字面就可以非常清楚的知道這些是什麼屬性的化學名詞？我們使用的這套《化學命名原則》是以IUPAC命名法為基礎，1932年制定後，於1944年再版發行，並經數次修訂再版，現行版為2017年版。雖然有時候教育部公告的新的化學名詞名詞和維基百科寫的不一樣，往往令人無所適從。所幸現在有國家教育院的雙語詞彙學術名詞暨辭書資訊網可以查詢，解決了不少困擾。化學名詞審議委員會也定期召開會議，至今修定了許多學術專名詞，包括化學命名原則、化學術語、化學名詞用字之讀音、有機化合物、兩岸化學名詞、常見萜類及結構式、兩岸化學工程名詞、兩岸中小學教科書名詞、常見生物鹼及結構式、不飽和雜環化合物及結構式、硼化合物…等。網址如下：http://terms.naer.edu.tw/download/。在此藉機感謝化學名詞審議委員們！
n 結語
日本人很成功的使用片假名，直接音譯許多西方的科技名詞（包括週期表上大多數的元素名稱），並且將這些片假名溶入現代日本文化之中，讓他們可以快速吸收外來知識。中文的《化學命名原則》是前人的智慧結晶。拜網路之便，對於學術名詞有疑慮之處，可以隨時上網查詢。唯一美中不足的是目前還缺少化學名詞中某些「電腦字型」。若能及早建立所有造字的「電腦字型」，並提供給大眾使用的話，今後將更容易推廣。
n 參考資料
1. 化學命名原則第四版（國立編譯館, 2009, ISBN-9410098034220）
2. Chemical Elements: How They Were Discovered (ISBN-13: 978-0828530033)