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, 一月 2019 Leave a comment

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, 2017316)


(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)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。clip_image003

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。

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             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)(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!

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    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/26Co/27Ni/28Cu/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113115117118的元素分別命名為nihonium (Nh)moscovium (Mc)tennessine (Ts)oganesson (Og)(見圖七)8Og應該是目前所知最重的氣體。

 

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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/

9            http://harrypotter.wikia.com/wiki/Room_of_Requirement

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