臺灣化學教育
Chemistry Education in TaiwanBlog Archives
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 […]
2018年諾貝爾化學獎 ∕蔡蘊明譯
Wednesday , 9, January 2019 化學教育新知, 第29期/2018年01月 Comments Off on 2018年諾貝爾化學獎 ∕蔡蘊明譯2018年諾貝爾化學獎 蔡蘊明譯 國立臺灣大學化學系轉載自https://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2018.html n 化學的(革命性)進化 演化的力量是透過生命來顯示的。2018年的化學諾貝爾桂冠頒給Frances H. Arnold (阿諾)、George P. Smith (史密斯) 和 Gregory P. Winter (溫特)爵士，表彰她/他們透過演化的控制為人類謀取了最大的福祉。運用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素，現在已被用來生產包括生質燃料和藥物等等的物質。抗體的演化可以透過一種噬菌體顯示(phage display)的方法來對抗自體免疫的疾病，以及在某些特定的例子中治癒轉移性癌症。 我們活在一個由強大的力量：演化，所主導的星球。在頭一批生命的種子於37億年前出現時，幾乎地球上的每一個裂縫都充滿了能適應身處環境的生物體：生長在光禿禿山脈的地衣、於溫泉茂盛生長的古菌、能存活於乾燥沙漠的多鱗爬蟲類以及能在黑暗深海中發光的水母。 學校裡我們在生物課學習到這些生物，但讓我們戴上一副化學家的眼鏡並換個視角來觀察，地球上的生物之所以能夠存在，是因為演化解決了無數複雜的化學難題，所有的生物都有能力從其環境的利基取得材料和能量，並用來建立它們的組成所特有之化學創造品。魚能在極地海洋中悠遊是歸因於其血液中的抗凍蛋白質，貽貝能攀附在岩石上乃因它們發展出了能在水中運作的分子黏膠，而這只是眾多例子中的幾個而已。 生命化學精彩的地方在於它被設計在基因的程式碼中，並讓它能被遺傳且不斷進化。一個小小的基因隨機變化就能改變其化學，有時這導致產生較弱的生物體，但也有可能產生一個很強壯的個體。新的化學慢慢的發展，而地球上的生命隨之變得愈來愈複雜。 這個過程現在已經演化出了三個非常複雜的人類個體，具有能掌控演化的能力，2018年的諾貝爾化學獎之所以頒給這三位科學家，乃因為她/他們透過定向演化革新了化學以及新藥物的發展(圖一)。讓我們先從酵素工程的明星：Frances H. Arnold (阿諾)開始介紹。 圖一 2018的諾貝爾化學獎得主們能控制演化並進一步的在她/他們的實驗室中向前開拓 n 酵素 ─ 生命的化學工具中之利器 即便在1979年，身為一位剛取得機械與航太工程學位的新鮮人，阿諾就已經具有了一個憧憬：透過新科技的發展以謀求人類的福祉。美國已經決定在2000年要有20% 的能量是來自於再生能源，而她剛好在研究太陽能，不過這個產業的未來前景於1981年的總統大選後，產生了巨大的改變，因此她將眼光改為投注於新興的DNA (去氧核糖核酸)科技，她自述”很明顯的，對於我們每日生活上所需要的材料和化學品，可以利用改寫生命密碼的能力來創造新的製造方法。” 用傳統方式製造藥物、塑膠和其它化學品需要強力的溶劑、重金屬和腐蝕性的酸，她的想法是捨棄這些方法而改用生命的化學工具：酵素，它們催化在地球生物體中發生的化學反應，如果她能掌握設計新酵素的方法，就可從根本改造化學。 n 人的思考是有限的 最初就如同在1980年代末期的許多其他學者一般，阿諾企圖使用推理的策略來重塑酵素，讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子，它們是由20種不同的結構單元 – 胺基酸 – 以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的，一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸，它們連結成長鏈的型態，進一步摺疊成三維的立體結構，其中用來催化特定化學反應的局部結構，是建立在整體結構的內部。 運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整，以賦予其新的功能，即便是運用現在的知識以及電腦能力來看，亦是非常困難的。在1990年代初期，謙卑的折服在大自然的優越能力之下，阿諾決定放棄上述她所謂“有些傲慢”的策略，取而代之，她獲取的靈感來自於使用大自然優化化學的方法：演化。 n 阿諾開始操弄演化 有好些年，她試圖改變一個稱為”枯草桿菌蛋白酶”的酵素，讓它不是在水溶液中催化化學反應，而能在一個有機溶劑：二甲基甲醯胺(簡稱DMF)中運作。此時她刻意在酵素的基因密碼中製造隨機的變化 – 突變 – 然後將這些突變的基因引入細菌中，並產出數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變體。 在這之後的挑戰是如何從如此眾多的變體中，找出在該有機溶劑中運作效率最高的那些酵素。在演化學中我們說的是適者生存；在定向演化學中，這個階段稱為”選汰”。 阿諾利用枯草桿菌蛋白酶能切割一種牛奶蛋白質 – 酪蛋白 […]
化學的填字遊戲？ 蔡蘊明 國立臺灣大學化學系ymtsai@ntu.edu.tw n 前言 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）在去年（2015）末宣佈，已經成功的證實四個原子序數為113，115，117，和118的新元素之存在，因此化學元素週期表的第七行（或第七週期）正式宣告填滿，如圖一所示。 圖一：化學元素週期表第七週期宣告填滿 （圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transuranium_element） 週期表向來是與化學緊密連結的圖騰，此消息一出，讓化學難得的在各大報章上博取了不少的版面，但激情過後，我們要問，這對化學到底有何影響？化學追求的會是一個像填字一般的遊戲嗎？這種淪落於膚淺的認知不是化學的專利，君不見民眾對生物的認知好像也只是基因密碼的破解，對物理的認知好像只是基本粒子的追求，何其一般。因此，站在一個化學人的立場，讓我們來探索一下這個領域真正在追求的是什麼。 n 簡介 為了方便理解本文，先對核化學的常見表達方式做簡單的說明。化學家會在元素符號的左下角註明其原子序，亦即該元素核內質子的數目，符號的左上角則註明其核內質子與中子合計的數目，稱為質量數。例如：紀念科學家波爾的元素bohrium（Bh, ），以Bh為其元素符號，Bh的一個同位素可用 表示，意指其原子序數為107，核中除了107個質子外，還有155個中子（同位素係指二核種具有相同的質子數但不同的中子數），質子與中子數目之合就是質量數。另請注意，在討論核的變化時，通常不會註明核外的電子數目以及是何種化學型態（化合物）。 n 融合 通常在鈾元素（原子序數為92）之後的元素，稱為超鈾元素，大都是透過人工合成的，為不穩定的並具放射性，會衰變成其它核種，每一個特定的核種會具有其獨特的衰變方式，一步步衰變至一個穩定的元素，這一系列的衰變稱為衰變鏈（decay chain）。 第一個超鈾元素是在1940年在美國加州大學柏克萊分校的兩位物理學家Edwin Mattison McMillan與Philip Hauge Abelson所製造的，他們以中子（）撞擊氧化鈾（鈾238）得到鈾-239，如式[1]所示，而鈾239接著衰變成為錼（neptunium-239）並釋放出beta-射線（），如式[2]所示。 + à [1] à + [2] 在錼衰變的過程中，核內中子釋放出帶負電的電子而轉變成帶正電的質子，因此原子序數增一而質量數不變。 以上的合成方法是透過不帶電的中子撞擊核，這種融合較為容易，而許多超鈾元素是經過核融合來製備的，也就是以一個核去撞擊另一個核，但由於質子帶正電，因此核具正電，使得核融合因為正電的相斥而非常困難，需要非常高的能量，基本上是透過線性加速器或環形加速器將某離子加速，以極高的能量撞擊塗佈另一核種的靶來引發核融合。例如原子序為114的鈇（flerovium；元素符號為Fl），是在1999年透過鈣-48（）撞擊鈽-244和242（, ）的靶所得到的，其中質量數289的同位素（）最穩定，其半衰期為2.7秒。在此核反應中，鈣的原子序（20）加上鈽的原子序（94）就等於鈇的原子序（114）。 若是以較輕的核種為加速的離子去撞擊重核種的靶，得到的核融合產物會以較高的能量狀態存在，這稱為熱融合（hot fusion）。因為融合產物處於高能狀態，很容易進行核分裂產生原子序小的核種，因此使得熱融合只能合成到原子序106者為止。但後來發現若用較重之核種的離子作為撞擊者（例如鈣），撞出的融合產物會處於較低的能量狀態，被稱為冷融合（cold fusion）。 這屬於高能物理的研究領域，概念上好像很簡單，而喜歡看科幻電影的讀者可能注意到「鋼鐵人」影片中，主角天才科學家史塔克為了尋找強大能源，認為需要一種新的元素，是而一天之內架起一套加速器，三兩下就製造出了一個了不得的新元素，放在胸前以供駕馭那套鋼鐵服裝。但在現實的層次，要建立一部加速器是需要億級以上的經費（這當然難不倒史塔克），更要花上數年的時間來建造，每年至少上千萬的經費來維護，能夠運轉之後必須耐心的打靶，撞個十天半月才能得到數“顆”新的核種並不令人意外，但要確認是否撞出新的元素還需要很漫長的時間去解讀分析收集所得的資料，整個過程絕非科幻電影所描述的那般神奇，科學家需具有的耐心和毅力在這個領域彰顯無疑，更不用說這些超鈾元素都是具有放射性的，處理時要極度的小心，要能放在心窩還能在天空飛翔戰鬥，根本是神話了！ 實際上，現今有財力和能力執行核融合實驗的地方屈指可數，其中最著名者包括位於蘇俄Dubna（杜布納）的Joint Institute […]