慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示:「百變化學-元素週期表150週年」特展 ∕ 張鈞翔、鍾坤煒

星期六 , 9, 11 月 2019 Leave a comment

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

百變化學元素週期表150週年」特展

張鈞翔*、鍾坤煒

國立自然科學博物館

cch@nmns.edu.tw*

n  摘要

躬逢其盛、共襄盛舉!在2019國際化學元素週期表年,也是俄羅斯化學家門得列夫 (Dmitri I. Mendeleev) 提出元素週期表的150週年之際,位於臺中的國立自然科學博物館,特別與國立臺灣師範大學、中國化學會,共同推出『百變化學元素週期表150週年」特展(圖一),展期從2019820日起至2020223日,帶領大朋友與小朋友一起來探索化學科學的奇幻奧妙!

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圖一  國立自然科學博物館隆重開展

開展至今,已經吸引超過36,000人次來自全國各地的觀眾朋友,共同親身體驗與享受化學知識所帶來的樂趣!在展場中,饒富生趣的元素週期表的聲光投影,深深吸引了觀眾朋友的眼光。全新設計天文化學主題,以生動的圖文動畫,帶領觀眾探索宇宙空間,化學元素的起源。在精美的圖像中,元素週期表的研究發展歷史,以及週期表內容與規則一覽無遺。而化學元素無所不在,在我們生存的地球環境、在我們喜愛的礦物精品、在我們熟悉的詩詞文學、在我們的日常生活,處處充滿著化學元素,也洋溢著奧妙的化學變化。

為了盛大推出這項特展,國立自然科學博物館館藏精品礦物精銳盡出,特別推出「地殼中的化學元素礦物」主題單元(圖二),展出70件各類礦物標本,包括純金、純銀、純銅、純鐵,以及珍貴的鑽石、祖母綠,呈現礦物精品的元素特色與大自然的奧祕,也提供觀眾朋友們進一步認識化學元素與礦物之間的關係。

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圖二  「百變化學元素週期表150週年」特展礦物展區一隅

地球上的萬物都是由化學元素所組成的,人類到目前為止已經發現了118種元素,組成了約三千多萬種的物質。地殼乃是地球層圈構造的最外層,在地殼中元素的含量稱之為「地殼含量(註)」,通常以百分比來表示。含量最多者依序為氧、矽、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀和鎂,以上8種元素占了超過98%的地殼含量,而這些元素在地殼中多以礦物的形式存在。

n   氧和矽

氧和矽是地殼中含量最多的兩種元素,分別達48.6%26.3%,因此,地殼中含有氧和矽兩種元素的礦物種類也相當多。例如:氧和矽結合形成了常見的石英、水晶、玉髓、瑪瑙等石英家族的二氧化矽礦物(圖三),而由含矽的陰離子團與其它陽離子結合,便形成大量的矽酸鹽礦物,在自然界已知的礦物種類中,矽酸鹽礦物約占總數的四分之一,包含常見的長石、石英、雲母、輝石、角閃石、橄欖石、黏土礦物等造岩礦物。

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圖三  透明且晶形佳的石英稱為水晶,是地表最常見的礦物之一。

n      

鋁是地殼內蘊藏最豐富的金屬元素,地殼中的含量約為7.73%,在自然界通常以氧化物的形式存在。鋁主要賦存在鋁土礦,或稱為水礬土(Bauxite)內,這種礦物主要成分是含有雜質的水合氧化鋁(Al2O3·2H2O),一般供作煉鋁用的水礬土含有50~60%的氧化鋁,而氧化鋁不僅是製造鋁的來源,也是製造礬土水泥和耐火材料的重要原料。鋁具有質輕且不易生鏽的特性,不過質地較軟,須與其他金屬混合,以合金的型態被廣泛運用。在自然界中純的三氧化二鋁,稱為剛玉,硬度高,常被用來當做研磨材料;另外,結晶透明的剛玉可作為寶石,其中紅寶石(圖四)、藍寶石就是剛玉中有名的品種。

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圖四  紅寶石是結晶透明的剛玉因含鉻離子而呈紅色

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鐵在地殼中的含量約為4.75%,也是地球內核及外核的重要成份,堅硬而有延展性、且具有良好的可塑性和導熱性。自然界裡很少有純鐵,大多是和氧化合之後的狀態存在。一般提煉鐵的主要礦物有赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、菱鐵礦(FeCO3)、褐鐵礦(Fe2O3·nH2O),以及針鐵礦(FeO(OH))。現今世界上最重要的鐵礦來源為帶狀鐵礦層(Banded Iron Formations,簡稱BIF),此種帶狀鐵礦(圖五)是由大量且呈薄層的磁鐵礦或赤鐵礦等氧化鐵反覆堆疊,並常夾雜帶狀虎眼石、碧玉或燧石等所組成,主要在距今約三十多億至十多億年前的太古代(Archean)和元古代早期(early Proterozoic)所形成,是一種相當古老的沈積岩。

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圖五  帶狀鐵礦是目前世界上最重要的鐵礦來源

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鈣的英文calcium是來自拉丁文calx,意指生石灰,地殼中鈣的含量約為3.45%。鈣在自然界多以離子狀態或化合物形式存在,並無單質存在。地球上最常見的含鈣化合物為碳酸鈣(CaCO3),發現主要產於石灰岩和早期海洋生物的化石殘骸,廣泛用於塑料、橡膠、油墨、塗料等方面,也是製作水泥與玻璃的原料。自然界主要的含鈣礦物有方解石(圖六)、霰石(CaCO3)、白雲石(CaMg (CO3)2)、石膏(CaSO4·2H2O)、螢石(CaF2)、磷灰石(Ca5(PO4)3F)等。另外,在珍珠、貝殼、珊瑚、蛋殼及一些動物殼體的有機體中也都含有鈣。

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圖六  方解石是很重要的含鈣礦物

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鈉是最常見的鹼金屬元素,元素名稱來自拉丁文 Natrium,原意是天然鹼。在地殼中鈉的含量為2.74%,主要以鈉鹽的形式存在。鈉鹽是指有鈉離子和酸根離子化合而成的鹽類,如常見的氯化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、碳酸氫鈉等,其中由氯化鈉組成的礦物-石鹽(Halite, 圖七),除了可作為調味料和防腐劑,也是製作蘇打、鹽酸、金屬鈉等化工產品的重要原料,故有 「化學工業之母」 的稱號。其它常見的含鈉礦物有鈉長石(NaAlSi3O8)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、鈉硝石(NaNO3)等。

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圖七  石鹽的天然結晶呈正立方體

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鉀元素在自然界中以離子化合物形式存在,在地殼中的含量約佔2.47%。鉀金屬在工業上可作為一種較強的還原劑,而鉀的化合物在工業上用途很廣,例如鉀鹽可以用於製造化肥及肥皂。鉀對動物與植物的生長和發育相當重要,是植物生長的三大營養元素之一。可用來提取鉀的礦物有鉀鹽(KCl)、光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)和雜鹵石(K2Ca2Mg(SO4)4·2H2O)等,而地殼中分佈極廣的鉀長石(K(AlSi3O8))、雲母(KAl2(AlSi3O10)(O H)2)等矽酸鹽中也都富含鉀元素。

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鎂是一種銀白色金屬,很輕、具柔韌性,且化學性質活潑,在地殼中的含量約為2%。鎂在海水中的含量很多,也是人體的基本元素之一。鎂的英文名字magnesium,是由菱鎂礦(magnesite)的名字衍生而來。菱鎂礦的化學成份為碳酸鎂(MgCO3),是提煉鎂的主要來源,它還可用作耐火材料和製取鎂的化合物。另外,人們也開採白雲石(CaMg (CO3)2)做為鎂元素的原料之一。

「百變化學元素週期表150週年」特展,帶給了民眾與各級師生能充分了解化學元素週期表在建構過程中的科學發展史,以及化學週期表所帶來的學術研究意義與有趣的化學元素故事,更進一步了解日常生活中,無所不在的各種化學科學現象與實際生活體驗,展場中更有帶給大朋友、小朋友驚聲連連的化學魔術秀!(圖八、圖九、圖十)這項特展將持續展出至明(2020)年223日,喜愛科學與化學的朋友們千萬不要錯過!

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圖八  化學魔術演示秀 圖九 在展場中特闢化學魔術舞台

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圖十  帶給大小朋友驚奇的化學魔術秀

註:各元素的地殼含量以質量百分比為準。其中的數字是估計值,會隨著資料來源及估計方式不同而改變,本文所列各元素含量多寡,只能作大致上的參考。

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