臺灣化學教育

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：

歐洲化學會週期表與稀缺元素

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所

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n  摘要

本文主要介紹歐洲化學會（European Chemical Society）2019年出版的歐洲化學會週期表（EuChemS Periodic Table），並論及元素存量與人類過度使用而造成缺乏的危機議題，希望藉此引起社會大眾或學生對新興科技與化學元素的進一步認識，進而抱持正確使用新興科技的態度。

n  歐洲元素週期表

歐洲化學會在2019年一月公布了一張變形週期表（EuChemS, 2019；中英文版分別見圖一和圖二），這張週期表是以地球上存在的90種天然元素依照其存量取對數（Log）後所繪製的，所占面積越小代表其在自然界中的含量越少，藉此呼籲社會大眾應該更加重視有限的資源與再利用的概念。圖中除以面積來傳遞存量的概念外，顏色則代表存量瀕臨危機的程度：如紅色代表未來100年內面臨嚴重缺乏；橘色代表因使用日增而導致的缺乏威脅；黃色代表供應有限而未來有缺乏的風險；以及黑色代表來自衝突礦產；而白色的小方塊則代表手機。圖一顯示，手機至少含有31個元素，其中約有一半的元素因人類對於3C產品的依賴與日漸增，在不正確的觀念與濫用的情況下快速減少，因而面臨缺乏的威脅［如釔（Yttrium, Y）、銦（Indium, In）］。我們是否了解有些元素［如金、錫、鉭（Tantalum, Ta）、鎢］ 事實上是來自有爭議的礦產區，這些元素的來源是否合法，可能造成的後果為何呢？同時，我們是否理解且也已經準備好面對元素稀缺（endangered/scarcity）的困境？ 

圖一：英文版的歐洲化學會週期表（EChemS, 2019）

圖二：中文版的歐洲化學會週期表（EChemS, 2019） 

雖然宇宙中氦氣的含量僅次於氫氣，但在地球上氦氣卻是稀少的。根據圖一和圖二顯示，氦是未來百年內面臨高度缺乏的元素。或許大家對氦並不陌生，因為生日聚會或是慶典中都會以氣球表達歡樂與祝賀之意，氣球中便是以充滿氦氣為主。氫氣在空氣中散播出去後便不易回收。根據海德堡大學地球化學和宇宙化學家Trieloff教授指出，地球不像木星是氣體星球充滿氫氣和氦氣，地球本身是岩石行星，因重力之故，地球的重量不足以抓住這兩種氣體，但為何氫含量充足而氦卻面臨缺乏呢？Trieloff指出，因為氫氣存在於水中，而氦氣卻會在空氣中飄走（Schmidt, 2016）。根據圖三顯示，因使用氦氣施放各式氣球而消耗掉的氦氣含量佔14%；潛水員用的呼吸筒，以氧氣與氦氣混合避免純氧造成減壓症（6%）；這兩項即已佔20% (1/5)。除此之外，氦氣在電子業和半導體上的使用佔11%；在醫學上冷卻核磁共振造影 （MRI）機器所產生的高溫，約佔20%，前述這些使用氦氣的情形就已經佔約51%（APS, MRS, & ACS, 2016）。以此情況看來，氦似乎面臨稀缺的問題，因而價格在過去五年不斷升高，使得科學研究經費隨之上升。然而，一群在英國杜倫大學和牛津大學的科學家在Goldschmidt 會議上指出，根據他們針對美國和加拿大22個井中找到天然氣的樣本進行質譜儀分析發現，地下水與氦含量有高度相關，或許人們低估了氦在自然界的含量（Danabalan, 2015）。該研究團隊同時也指出黃石公園噴出的氣體中可能也有氦氣的存在，知道氦氣可能來自深層的地殼中，或許讓科學家可以思考何處才是去尋找氦的足跡。不僅如此，牛津大學地質學家與挪威礦業公司Helium One在2016年公布在非洲坦桑尼亞火山斷裂區發現大量的氦存量，據估計應有15億立方公尺的氦含量，大約等於全世界七年的年消耗量。同時，研究人員指出，以亞利桑那從天然氣中可以獲得約7%的氦氣，卡達（Qatar）則可以獲得比較經濟的方式0.1%的氦氣。可惜的是，坦桑尼亞雖然可以從火山的氣體中獲得4%的氦，但是剩下的96%氣體卻與天然氣不同，它們是無法再利用成為具有經濟價值的產品（Schmidt, 2016）。Collins（2019）則指出，阿爾及利亞和俄羅斯其實也擁有充沛的氦氣可以輸出，但是受限於政府的法令，而無法提供其他國家使用。可臆測的就是，如此的做法或許正是限制或左右其他國家在醫療或是科技上的發展與應用。氦氣是否真的面臨稀缺，的確是個值得科學家持續研究與關心的議題，無論如何，資源的開發與保存是脣齒相依，人們實在應該珍惜自然資源。

圖三：2015年時氦氣在各項使用需求量之百分比（APS, MRS, & ACS 2016, p.6）

又如，第五週期的第III族元素釔（Y，原子序39）和第XIII族的銦（In，原子序49）都是屬於即將面臨嚴重缺乏的元素，這兩個元素都是製作手機必要的元素。以銦為例，銦因為熔點低、沸點高、低電阻，可在常溫下與氧緩慢反應產生氧化膜，具有抗腐蝕性，其價格高昂且供應有限，除可製作手機觸控面板、太陽能電池等高科技產品外，也是國防軍事、航空業和現代資訊產業等高科技領域的重要元素（國家毒物中心，2019）。其他金屬如鎵、銀、鋅等都是手機裡所需的元素但也將是面臨高度缺乏的危機。全球每年有將近五億支的廢棄手機，其中中國大陸就佔約一億支，而回收的廢棄只佔1%。或許手機使用者可以審慎思考是否可以降低更換手機的頻率，以珍惜自然資源並確保擁有永續與友善的環境。

n   手機與稀缺元素

根據圖一和圖二顯示，自然界中的元素並非「用之不盡、取之不竭」，我們應該要思考是否有必要經常更換電子產品，使廢棄的產品造成環境汙染？我們是否已準備好面對資源匱乏時，所造成生活不便的困境呢？在圖一和圖二中指出，手機至少含有31種化學元素。另一項智慧型手機所含有化學元素的報告（Compound Interest, 2014；見圖四）則指出，智慧型手機包含不下41種元素，分別用在製作螢幕、電池、電路和外殼。如以螢幕而言，其含有銦錫鋁矽的氧化物；電池（如鋰、鈷、碳、鋁、氧）；線路則含有金、銀、銅、鎳、鉭等多種元素；最後是外殼，含鎂、溴，鎳等元素。

以下針對化學元素在手機中的元素與功能再進一步加以說明（Compound Interest, 2014）：

螢幕：包含有氧化銦錫（Indium Tin Oxide, ITO），這是氧化銦和氧化錫的混合物（通常質量比是90% In₂O₃和10% SnO₂）。主要用在電學傳導和光學透明的薄膜上。大部分智慧型手機用的是矽酸鋁（Al₂ SiO₃·SiO₂）玻璃，是一種氧化鋁和二氧化矽的混合物。此外，鉀離子可以起增強的作用。最後，稀土元素是用於手機螢幕上顏色的呈現，其中部分化合物可用來阻擋紫外線進入手機內。

電池：大部分智慧型手機使用鋰離子電池，以鈷酸鋰為正極，石墨為負極。部分電池會含有其它金屬元素，如以錳替代鈷。電池外殼為鋁。

線路：銅是手機線路主要原料，主流的微電子材料包括銅，金和銀。鉭是微電容的主要組分。鎳用於手機話筒。鐠（Praseodymium, Pr）、釓（Gadolinium, Gd）和釹（Neodymium, Nd）合金用於話筒和擴音器。釹、鋱（Terbium, Tb）和鏑（Dysprosium, Dy）用於振動單元。矽用於製造手機內的晶片。錫和鉛用於焊接手機內部電路。新型無鉛焊接使用的是錫，銅和銀的混合物。

外殼：部分外殼為鎂合金，大部分為塑料，塑料外殼含有阻燃成分，如溴、鎳可以用來減少電磁干擾。

圖四：智慧型手機所含有的化學元素

n   資源有限、慾望無限；開源節流、循環經濟

根據2018年日本經濟新聞（中文版）報導顯示，早稻田大學的科學家在日本最東端的南鳥島周邊海底發現蘊藏豐富的稀土資源，其含量超過1600萬噸，可供全球使用數百年，這些稀土礦物包括可用在混合動力車的鏑（730年）和可做雷射器的釔（780年），更重要的是該團隊已確立高效率的回收技術，這消息公布後讓世人相當振奮。

除了開源之外，如何讓資源可以循環再利用，更是科學家持續致力於其中的研究領域。最近日本公布2020年即將在日本舉辦的奧運獎牌，就是回收民眾廢棄的手機再提煉金屬而做成的。自2017年4月開始日本政府有計畫的對廢舊的3C產品進行回收，到2019年3月在將近8萬噸小型家電與621萬部舊手機中，提煉出32公斤黃金、3,500公斤白銀以及2,200公斤青銅。「東京2020獎牌計畫」以此重新打造出5,000枚金屬獎牌，讓人眼睛為之一亮，刮目相看（The Tokyo Organising Committee of the Olympic and Paralympic Games, 2019）。

n  結語

2019年適逢化學界兩大盛事，即IUPAC 100年以及國際化學元素週期表年（International Year of the Periodic Table of
Chemical Elements, IYPT），全球都在慶祝這兩件大事的同時，也正是人類應藉此反思自然資源與人類欲望之間如何尋找到平衡點，以免資源耗盡，人類將面臨回到原點的生活危機。循環經濟的呼籲豈能成為空泛的口號呢？！

n  參考資料

日本經濟新聞（2019）：日本發現大規模稀土礦，可供全球用幾百年。2019年10月15日，下載自：https://zh.cn.nikkei.com/industry/ienvironment/29997-2018-04-11-09-05-11.html。

國家毒物中心: 銦（Indium），2019年10月20，下載自：http://nehrc.nhri.org.tw/toxic/toxfaq_detail_en.php?id=200。

APS, MRS, & ACS(2016). Responding to the U.S. research community’s liquid helium crisis-AN action plan to preserve U.S. innovation. Retrieved from https://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/helium-crisis.cfm. 

Compound Interest (2014). Chemical elements of a smartphone. Cambridge, United Kingdom.

Collins, T. (2019). Tanzania could become top helium producer. African Business, Retrieved from https://africanbusinessmagazine.com/sectors/energy/tanzania-could-become-top-helium-producer/.

Danabalan, D., (2015). Press release: The unbearable lightness of helium may not be such a problem after all, Retrieved from http://www.eag.eu.com/about/media/lightness-of-helium/.

EuChemS (2019). Element scarcity – EuChemS Periodic Table. Retrieved from https://www.euchems.eu/euchems-periodic-table/.

Schmidt, F.(2016). Are our helium reserves coming to an end? Retrieved from https://www.dw.com/en/are-our-helium-reserves-coming-to-an-end/a-19371071.

The Tokyo Organising Committee of the Olympic and Paralympic Games (2019). Tokyo2020 Medal Project: Towards an innovative
future for all, Retrieved from https://tokyo2020.org/en/games/medals/project/.