益智化學續編

主編 劉廣定
臺灣大學化學系畢業。美國普渡大學博士。曾任臺灣大學化學系教授、國科會自然科學發展處處長，現為臺灣大學名譽教授。

曾獲教育部理科學術獎，中國化學會學術獎章，中山學術著作獎。並膺選英國皇家化學會會士(FRSC)，中國科學院自然科學史研究所「竺可楨科學史講席教授」。曾發表化學論文百餘篇，文史、教育、科技政策等其他論著約兩百篇。已出版《中國科學史論集》（2002年），《化外談紅》（2006年）等。

什麼是「元素」？
劉廣定

科學中「元素」一詞乃自element譯成。台灣的中學化學教科書通常將「元素」定義為「純物質的一種〔註一〕，由一種原子所組成，不能再以任何化學方法將其分解成其他物質。」但這實於「原子」的定義相似。又有「同素異形體（allotrope）」表示「由相同元素原子構成，但性質、結構有差異者。」這樣的定義對初學者，或非化學相關專業者是容易造成混淆的。例如氧氣（O2）常簡稱氧，和臭氧（O3）是「同素異形體」，依定義，兩者都屬於「元素」。然而，臭氧易因光分解成氧原子（O ．）和氧氣（O2），氧原子（O．）與另一臭氧（O3）反應生成兩個O2。即：
2 O3→3 O2，而與定義不合。

按照國際純粹及應用化學聯合會（IUPAC）對「化學元素（chemical element）」的定義有二：

1.原子的一種，其所有原子的原子核中的質子數皆相同。
2.一種由原子核中的質子數皆相同的原子所組成的純化學物質。有時稱為「elementary substance」以與前一定義區別。化學元素的這兩個概念是經常並用的。

大陸的「中國化學會」1980年將elementary substance 譯為「單質」以與「化學元素」定義1有所區別。並說明：

「單質名稱一般均與元素相同。通常為氣態的單質元素可稱為某氣，例如氫氣。金屬單質可在元素名稱前冠以金屬二字，例如金屬鈉。非金屬固體元素的後面可以加一素字，例如碘素。此外，在行文中也可以適當地採用一些慣用的雙音單質俗名如黃金，硫磺…等。」

拙見以為改用「單質」表示只含單一元素的純物質不易造成混淆，利於學生學習。建議今後中學教科書予以採用。

[註一]另一種純物質為化合物。

認識化學名辭的正確意義—以「原子量」為例
劉廣定

科學家創用新的科學名辭時，必會賦與一定的意義，這就是此一新名辭的定義。但在科學發展的過程中，不同的科學家可能對於同一名辭給與不同的定義，也可能對於同一定義使用不同的名辭。

約自二十世紀開始，許多國際性的學會陸續成立，例如1911 年成立的國際純粹及應用化學聯合會（簡稱IUPAC）。其目的之一即是討論、協調，謀求科學名辭及其定義的統一，以利溝通與了解。經過不同國家代表組成相關委員會通過後，即可視為該學科國際共同認定者。IUPAC 編有《化學辭彙》（IUPAC Compendium of Chemical Terminology），隨時補充、更新〔註一〕。該會制定的化學名辭，名義上雖僅是「推薦（recommendation）」而無強制性，實際上幾乎是世界各國一致遵照採用的。

然而近來筆者發覺有些中學化學教科書〔註二〕對於某些化學名辭的定義或解釋，與IUPAC 推薦的不一致，將有礙學生日後之進階學習。本文先說明「原子量」一辭之正確意義以及其最近發展，以供讀者參考。

從國中化學介紹原子開始，教科書就講到原子量。原子量的英文是atomic weight ，但實際上與「重量」（weight）無關。這是因為1808年道耳吞出版他的《化學哲學新體系》第一部分時就用「原子量」來表達原子以氫為1的相對重量（relative weight），而沿用至今。1961年IUPAC通過以一個碳–12同位素原子的1/12 為原子質量單位（u）〔註三〕。其他的元素，如氟的穩定同位素只有氟–19，它每個原子的質量為18.9984032u ，故原子量為18.998（5 位有效數字）或19.00（4 位有效數字）。其他有不只一個穩定同位素的元素原子量即以其各種穩定的同位素，依天然組成比例與u 比較而得。例如銅有銅–63（69.174％）和銅–65（30.826％）兩種穩定同位素，原子質量分為62.930u 和64.928u ，因此銅元素的原子量為：
69.174％ × 62.930
＋ 30.826％ × 64.928
＝ 63.546 （5 位有效數字）
或63.55 （取4 位有效數字）

依定義，原子量乃一相對值，是沒有單位的。有些中學教科書說某元素的原子量為若干u，或若干amu，都是錯誤的表達法，甚至可謂畫蛇添足。

然而，這種定義和表示法都會造成學習上的困惑。就名辭本身而言，既是weight 怎麼沒有單位？在化學計量上，1莫耳銅的質量為63.546公克，這個單位又是怎麼出現的？初學者都不易了解。過去IUPAC 曾幾度組成特別委員會，討論原子量的定義和用法，但都未得到結論。反對修改者所持之一理由是「所有化學家都了解它的意義」。可是，學生並非化學家，故近年來有些美國的教科書已經不用「原子量」這個名辭而改用「相對原子質量」或「原子質量」，以利教學。實際上， IUPAC 在1961 年的辭彙已用：元素的相對原子質量（也稱為「原子量」）。定義是：相對於碳–12原子質量的1/12為某元素原子的平均質量〔註四〕。我們的中學教科書課程綱要卻仍規定用「原子量」這個不適於教學的名辭，教科書的編者也未加特別說明，實應有所改進。

IUPAC 每隔一年會經特定的委員會討論後提出新的「原子量」表，也稱為「標準原子量」表，約一年後通過後公布。最近的一次是2009年提出，2010年12月通過後在網路上公布，並於2011 年2 月出版的《純粹和應用化學》期刊（Pure and Applied Chemistry）刊出，爾後又有補充說明。其中有兩項重要改變：
一、由於近年發現在不同地區有些元素的同位素分布並不一致，現已確定的有氫、鋰、鈹、碳、氮、氧、鎂、矽、硫、氯、溴、鉈十二種。故這十種元素的原子量並非定值，如表一。

(表一：原子量非定值的十二種元素)

原子序 元素名 符號 2013 原子量範圍
1 氫 H 1.007 84 -- 1.008 11
3 鋰 Li 6.938 -- 6.997
5 鈹 B 10.806 -- 10.821
6 碳 C 12.0096 -- 12.0116
7 氮 N 14.006 43 -- 14.007 28
8 氧 O 15.999 03 -- 15.999 77
12 鎂 Mg 24.30 -- 24.31
14 矽 Si 28.084 -- 28.086
16 硫 S 32.059 -- 32.076
17 氯 Cl 35.446 -- 35.457
35 溴 Br 79.90 -- 79.91
81 鉈 Tl 204.382 -- 204.385

須注意的是，是否必須考慮其變化值，乃依有效數字的位數而定。以氫為例，如取5位，則1.0078與1.0081有差，但只取4位時，都是1.008 並無差異。但對硼而言，無論取4位或5 位，都是有變化的。