慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 第21期CASE探索基礎科學講座   陳竹亭 臺大化學系名譽教授／遠哲科學教育基金會董事長  陳竹亭 jtchen@ntu.edu.tw 1869年俄國的門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)（圖1）率先發表了第一個週期表。（圖2）週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列，總計有67個元素，其中有4個是預測了尚未發現的元素，到今年剛好是150週年。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)也正逢100週年，正好慶祝化學史上極重要的週期表150年(PT150)。聯合國科教文組織(UNESCO)也共同慶祝推廣週期表與化學教育，就訂定2019年為國際化學元素週期表年(International Year of Periodic Table of Chemical Elements)，簡稱為2019IYPT。 圖1、門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)  圖2、週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列 為紀念此國際盛事，中國化學會(Chemical Society Located in Taipei, CS和臺師大科教所聯合推動臺灣的慶祝推廣活動(2019IYPT in Taiwan)。臺大科學教育發展中心(CASE)決定共同響應，就邀請了臺灣大學化學系的陳竹亭、蔡蘊明名譽教授，和牟中原講座教授共同擔任顧問，來規劃2019年春季的第21期「探索基礎科學講座」。這一季的主題訂定為「元素週期表150週年―化學的革新和進化」。主旨在闡明週期表的發明帶給化學領域發展的革新和進化。從3月16日到6月15日共規劃了9個講座，分別紀錄於下。 【第一講】是由陳竹亭教授開啟序幕，題目是「發現元素新大陸」。早在西元前3世紀，亞里斯多德提出包括「土、水、氣、火」的四元素論，直到17世紀，波以耳認為元素是物質不可再分解的部分，且堅信元素具有粒子性質。18世紀的拉瓦節透過燃燒實驗，主張燃燒乃是物質與氧反應，水是氫與氧化合的產物。他用實驗釐清了元素與化合物的概念，在1790年出版了《化學基本原理》，推動化學革命，被譽為現代化學之父。 19世紀眾多化學家發現新元素。如戴維(Humphry Davy)是第一位用電解法分離出鹼金屬與鹼土金屬的化學家;伯齊里斯(Jöns Jacob Berzelius) 發現矽、鋁、鈹;本生(Robert Bunsen)和克許霍夫(Gustav Robert Kirshhoff)發明了本生燈與光譜分析儀，並且發現了銫和銣;拉姆齊(William Ramsay)與雷立爵士約翰·斯特拉特 (John Strutt, Lord Rayleigh)則在19世紀末發現惰性氣體。 稱為「原子之父」的道耳頓於1803年提出「原子論」，坎尼乍若(Stanislao Cannizzaro)在1860年的國際化學會議裡演講，釐清了混亂的原子量，啟發了當時在座的俄國年輕化學家門得列夫。門得列夫最顯著的成就便是於1869年發表「元素週期表」，他預測的鎵、鈧及鍺陸續被發現，成就了他化學先知的地位。瑪里居禮也發現了釙和鐳。20世紀，最後一種天然元素─錸和第一個實驗室裡合成的人造元素─鎝相繼問世。科學家們藉著認識原子結構，終於明白元素週期表正是原子中電子組態的外顯。時至今日，元素依原子序排列，我們熟知的元素週期表上已有118個元素。門得列夫的洞見及創作，也是歷史上眾多化學家們合作與傳承而開展的化學革新。 【第二講】是胡維平教授的「傳說到傳奇，原子真的存在嗎？」原子的概念從哲學觀點逐步變成人人確信的科學。西元前400多年，德莫克利特(Democritus)提出原子理論，認為物質是由無法再分割的粒子所組成。18世紀的法國化學家拉瓦節，做出了第一份現代元素表，徹底推翻四元素理論和燃素理論，說明燃燒反應就是物質和氧的化合。普魯斯特的定比定律、給呂薩克的氣體反應體積定律、道耳頓的倍比定律、亞佛加厥提出分子概念，門得列夫發表週期表，然而他們都不知原子的構造。 直到十九世紀末，倫琴在研究陰極射線管時發現X光。之後貝克勒發現鈾礦就算沒有照射陽光依然能讓底片感光。居禮夫婦發現鈾礦放射性的強度，只和鈾的量有關，和化學環境無關。他們認為放射性來自原子的內部，這也暗示原子不是最基本的粒子。發現X光的年代，湯姆森發現了電子。他建立梅子布丁原子模型。拉賽福在1908-1913年，用α粒子撞擊金箔片的實驗推翻布丁模型，證明了原子的質量集中在一個非常小帶正電的核心，而電子在核外環繞，於是提出行星原子模型。當人們知道原子裡面還有質子、中子，就衍伸出它們能否再繼續分割？後來發現質子、中子也不是最基本的粒子，而是由夸克構成。 宇宙生成30分鐘後，原子核僅含75％的氫和25％的氦。大約40萬年後，電子才與原子核形成中性的原子。2~3億年後，才有恆星產生。太陽內部進行核融合反應，4個質子融合成氦原子核、3個氦融合成碳原子核、碳和氦融合成氧原子核。質量大的恆星能形成鈉、鎂、矽、磷、硫、鈣、鐵、鎳等原子核，超新星爆炸才能產生比鐵重的元素；中子星之間的碰撞合併爆炸，則可以產生金、銀、鉑等等貴重元素。 【第三講】由于淑君教授主講之「從西伯利亞到聖彼得堡—門得列夫築夢週期表之路」。150年前排列出元素週期表的門得列夫，終其一生致力尋求科學在自然界中的規則與真理，使更多人能依循這份美麗的秩序而前進。門得列夫生於俄國西伯利亞，具有韃靼血統的母親帶著他與姊姊一路跋涉到莫斯科，再輾轉到聖彼得堡，讓門得列夫進入聖彼得堡大學中央教育學院就讀。取得碩士學位的門得列夫，步入教職及研究的工作，於1861年編寫了《有機化學》教科書，1868年發表《化學原理》第一卷。 這段期間，科學家們不斷透過實驗發現新元素並研究其性質。徳貝萊納(J. […]