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 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw 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 […]