化學元素王國之旅

懂了化學元素表，就如同擁有了進入化學殿堂的門票，
才能真正明白我們這個由元素所構成的世界。
 
週期表就像元素王國的地圖。化學家、工程師以及學生等想真正瞭解化學的人，就憑著這張地圖去了解、摸索元素及其化合物。跟著艾金斯教授進行一趟「化學元素王國之旅」就能親臨元素週期王國的地形山川，更深入掌握化學內涵。
 
名人推薦
 
我喜歡看科普書，因為發現真相真的很有趣，《化學元素王國之旅》讓我能趨近世界最真實的樣貌。——五月天 阿信

作者簡介
 
艾金斯（Peter Atkins）
 
著名的英國化學家，曾任牛津大學林肯學院的研究員與講師，研究專長為量子理論，主要教授量子力學與量子化學。
 
除了研究與教學，他也勤於筆耕，在專業教科書方面，他寫的《物理化學》、《無機化學》、《分子量子力學》是史上最暢銷的三本化學教科書。
 
他對於推廣科學知識，將化學以沒有門檻的方式介紹給一般讀者，也特別有熱誠，著作約有二十餘本，其中翻成中文版的有《化學元素王國之旅》、《化學分子世界導覽》（皆為天下文化出版）。
 
審定者簡介
 
牟中原
 
1949年生於基隆。台灣大學化學學士，美國華盛頓大學化學博士。專長是理論化學，興趣在科學教育，現任台大化學系教授，亦為天下文化「科學文化」叢書策畫者之一。
 
譯者簡介
 
歐姿漣
 
台灣省台南市人。台灣大學化工系碩士。曾任台大化工系助教，現任職於理律法律事務所專利部。

一本化學的旅遊指引書
牟中原／審定者

四十八年前念初二時，是在基隆一所山上的初中。記得學校裡有一間老老的理化實驗室，裡面有瓶瓶罐罐，四面牆上都是藥品櫃。化學老師也是一年級的博物老師，姓謝，好年輕，才二十歲出頭。那年頭，沒有什麼第八節輔導課，下午四點鐘就放學了，大夥還喜歡留在學校打球玩。謝老師大概看到我們那群小蘿蔔頭，玩昏了頭不求學。他找了我們組了個小小科學俱樂部，居然就把理化實驗室的鑰匙給了我們，任大家放學後進去玩實驗。
 
一天，謝老師教我們做金屬鈉與水的化學反應。他小心翼翼的從一瓶油裡撈出一小塊黃黃的金屬，用小刀切下小小像豆子般大小的鈉分給大家。我也拿一塊，回到我那一大缸水槽，丟進水裡。那塊金屬鈉浮在水面上，立刻就和水反應，冒出氣泡，氣泡劇烈產生後還會著火。鈉塊像是有動力般在水面上跑來跑去。那時我才十二歲，真是深深感到興趣。這是水和鈉的反應，產生氫氣，然後燃燒。
 
後來，有天又在實驗室裡弄實驗，老師開會去了。有位同學不知如何找到了一瓶鉀，大家商量著是什麼。有人說書上說鉀和鈉性質很像。也不記得是怎麼搞的，反正最後有人壯著膽子弄了一小片鉀放到水裡去，立刻起火轟然一聲，水槽都炸穿了底。一群人嚇呆了。
 
這就是化學
 
這就是化學，很多元素相似又相異。鉀是鈉的弟兄，但它和水和空氣卻會有更劇烈的反應。我也學到必須不能輕視化學上一點點的差異。差異可以很小，但也可有很不同的結果，像鐵軌的分叉。化學這一行就是要了解千千萬萬不同物質相似和相異之處，以及背後的道理。
 
最基礎的問題是了解化學元素之間的相似性、差異性。有金、銀、銅、鐵這些金屬，也有氧、氮、氯這些氣體，也有半導體者如矽、硼。它們看來差別很大，像是紐約街頭胡亂遇到的五花八門各式人種。但化學家經過長期研究，發現這些元素可以分家族的，同一家族的長相就類似，但個性並不完全相同，重量也不一樣。鈉和鉀就是同一家族的，鉀比較重一些，但個性反而不穩重，要比鈉活潑。
 
要怎麼樣清楚的表示這些元素的家族譜系和鄰居關係呢？俄國人門得列夫（Dmitri Mendeleev, 1834-1907）早在一百多年前提出了元素週期表，把這些元素排出個合理而容易了解的陣營。百年來，這個週期表，就像一張元素王國的地圖。化學家、工程師、學生就憑著這張地圖去了解、摸索元素及其化合物。
 
《化學元素王國之旅》這本書，就是向更多的大眾介紹這元素週期王國的地形山川。它是一本化學的旅遊指引書，因此並不會巨細靡遺，但帶你去的多是精挑的。這本書除了介紹元素地形以外，也介紹它背後的道理︰元素的原子構造是如何形成的。就像一本好的導遊書，它也介紹這王國的歷史，也就是許多元素發現的歷史故事。
 
元素如果是王國的邦，那各邦之間可以形成聯盟，就好像元素和元素會結合成化合物，本書也介紹化學鍵的形成。
 
這本書的作者艾金斯是一位知名的物理化學專家，寫過很受歡迎的教科書。這裡他展現科普書寫作的才華，把一個很難寫的題材寫得很深入淺出，井然有序。如果任何人想通盤了解化學元素，這兒是最好的出發點。
 
這本書中譯本於1996年出版，沒想到一晃就是十二年。這當中又不知教了多少學生。每當教普通化學時，我都會提到門得列夫的故事，真是歷久彌新。週期表值得每一個學子一再去了解它。
 
2008年底於台灣大學（本文作者為台灣大學化學系教授）

化學元素王國之旅
 
序 一本化學的旅遊指引書 牟中原
開場白 想像的國度
第一部 地理形勢
第一章 鳥瞰王國大地
第二章 物產豐隆
第三章物理的地貌
 
第二部 歷史演進
第四章 英雄開疆拓土
第五章 刻上封號
第六章 元素創生簡使
第七章 繪輿圖的人
 
第三部 典章制度
第八章 核心憲法
第九章 外部法律
第十章 區域的管理
第十一章 策略聯盟
 
結語 驚奇讚嘆之地
附錄 化學元素表
名詞注釋
延伸閱讀

歡迎來到「週期王國」。此處是個想像的國度，不過它其實與真實現象關係密切。這是個化學元素王國，一切物體都是由元素組成的。王國的土地並不廣闊，因為它僅包含一百多個區域（元素）而已，卻構成了真實世界中的萬物。所有的行星、岩石、蔬菜及動物，都是由我們故事中的主角（這百來個元素）所組成的。這些元素也是空氣、海洋與地球本身的構成要素。
我們就站立在元素上、食入這些元素，而且我們自己就是元素。因為我們的大腦是由元素所構成，甚至連心思，就某種意義而言，也是元素的一種性質，因此亦可算是王國的一份子。
王國內的區域分布並不是雜亂無章的，相反的，它們排列得相當有條理，每一個區域的性質都很接近它鄰近區域的性質。
王國裡面只有少數幾個明顯的分界線，可以說，整個景色的特徵就是具有漸進的坡度轉變：大草原中夾雜著平緩的山谷，山谷再逐漸加深，形成陡峭的峽谷；山坡由平原中漸漸隆起，成為高聳的山脈。
當我們在王國中旅行時，可以記得這些概念與譬喻。要謹記於心的原則是，這百來個元素不僅形成了物質世界，而且這百來個元素（區域）自己也組成某種模樣。

西部大沙漠
現在，我們就來認識這模樣，熟悉一下這個國度的風光。先從空中鳥瞰吧，我們可以看出，由最北端的氫（H）至遙遠彼端的鈾（U，位於南方島嶼）之間，伸展出一片寬廣的景象。在鈾之後仍然坐落著已知的區域，但在更遙遠的距離外，則橫亙著一條無人探索過的地平線，尚等待另一個哥倫布來發現新大陸。
較靠近我們的是一片已經為人所熟知的領域，例如碳（C）與氧（O）、氮（N）與磷（P）、氯（Cl）與碘（I）等區域。在這趟最初的探索結束以前，我們將會熟悉更多的區域，並且了解它們與沙漠、濕地、湖泊或草地之間的對應關係。
雖然我們現在是由很遠的高空中俯瞰這個國度，但還是可以看清楚遼闊大地的風景特色（參見次頁圖）。有片閃閃發光的地區，是由金屬聚集構成的，那裡我們稱為「西部沙漠」。這片沙漠感覺上並沒有什麼變化，只有些許的色調深淺不同，意味著它們仍然有多樣化的特質。沙漠裡也找得到淡淡的色彩分布著，像是我們熟悉的、閃爍著金光的元素金（Au），以及紅色的元素銅（Cu）。
值得注意的是，這片沙漠地帶占據了相當大比例的王國國土，在已知一○九種元素中約占八十六種，顯見沙漠的內容十分豐富。（而內容十分豐富的王國又使得真實世界如此多采多姿！）這些豐富的多樣性表示沙漠的荒蕪只是假象而已；等我們靠近些後，就會發現這裡像是蘊藏了豐富礦產的礦脈，而且在荒涼的景象下，還擁有多元化的物理及化學性質。不過靠近觀察是以後的事了；現在我們仍在距離王國地表很遠的空中，還無法體認到沙漠細微的變化。

東部大地四季多變
往東去，景致就變化得很明顯了，即使由這麼遠的高空都輕易觀察得到。那裡是王國領域較為柔和的地區，還可以看到一個湖泊。不過我們很快就會察覺到這並不是尋常的湖泊，因為湖面的顏色與地球的湖不同，它不是清澈的灰色或藍色，而是醒目的深紅色，還有點接近褐色。
這片湖泊區就是元素溴（Br），它是這塊特殊土地上僅有的兩個湖泊之一。另一個湖泊位於西部沙漠的東緣，外觀與溴大不相同，它帶有刺目的銀色金屬光澤─那是元素汞（Hg），置身於石礫堆中的一片湖泊。
在東部的土地上，元素的形式與顏色都有多樣的變化（愈接近東海岸，這種變化就愈明顯）。自西部沙漠向東，大地逐漸轉變，進入看起來像金屬、但質地不那麼剛硬的區域，特性甚為模糊。這樣的元素包括矽（Si）與砷（As），以及王國中較不為人所知的區域，如釙（Po）與碲（Te）。
看起來這片土地的化學性質已開始顯得變化多端了。
事實上，在這部分我們較陌生的國土中，真實的情況往往與第一印象大相逕庭。
由我們目前的高度看來，最清楚的是景致的顏色。元素硫（S）的黃色是相當鮮明且為人熟知的，那就像是舊照片與形容地獄的昏黃色調。但是硫南鄰的元素硒（Se），顏色像是會隨季節變換似的，它可由金屬般的灰色轉變成另一種色澤飽滿的鮮紅。
同一種物質是如何變化出這麼多種色彩的呢？在這方面，硒並非是獨一無二的。常見的元素碳，也擁有相當明顯的多樣面貌：它最平常的形態呈烏黑色，但可以轉變成燦爛的鑽石、灰黑色金屬光澤的石墨，以及最近發現的一種橘褐色晶體─稱為巴克球（buckminsterfullerene，六十個碳原子構成的球狀碳原子團）。
我們必須留心，單一元素常會有多種形態，如果忽略它們的存在，很容易造成混淆。我們可以將這些形態比擬為一年的四季，不過它們真正的稱呼是「同素異形體」。等我們降落到王國的地表後，就會發現這些區域其實是處於其中一種季節。

近東岸有鹵素族
接近東海岸線時，景色的色彩就更加千變萬化了。其中最顯著的就是「鹵素族」，由緊密相接的元素家族所構成，包含了紅色的湖泊─溴。
從現在的高度，我們可以觀察到它們顏色的變化：由最北邊、幾近無色的元素氟（F）開始，顏色次第加深，經過黃綠色的氯，到它南邊紅色的溴；位於溴南端的是帶有紫黑色光澤的碘，它在接近南海岸處閃爍著微光；碘再往南是元素（At），這區域雖然有這個名字，但除此之外，大家對它幾乎是一無所知，原因與在真實世界中毫無用處有關。假如讀者從未聽過，那也沒什麼大不了的，因為完全缺乏足以讓人認識的特徵。在王國內，是一塊未曾開拓過、不具生產價值、相關研究又相當貧乏的區域。
這片地區擁有變幻萬千的色彩，是此處元素性質變化中較易觀察到的一點。由於王國的這部分具有悅目的顏色，吸引了人們的注意力，那也誘使我們進一步思索：是否還有一些微妙的變化，是值得更深入調查、甚至挖掘，以了解它的趨勢的呢？
事實上的確如此，等我們徒步遊歷這個國度時，就請你多留意一些不是那麼顯而易見的變化吧。化學是支配週期王國的法律總稱，研究化學的樂趣之一，就在於發掘出開展王國疆域、並將它們整編成各個家族的深層規律。

生機盎然的要地
其中有個方向是肉眼看不到的，就像看不到我們所呼吸的空氣一樣。週期王國中，有些區域的確看起來似乎空無一物。這些表面上空洞的區域位於東海岸及東北海岸，景色甚至比西部沙漠還荒涼。
但是東北海岸絕非一無是處的地區，因為元素氧就在這塊區域，它可說是所有生命的首要元素。氧氣對今日地球上的生物極度重要，因此你若想待在缺氧的地方，還必須有充足的氧氣供應，例如：攜帶氧氣筒潛入海底、太空船裝著氧氣前往月球；把氧氣灌入垂死的身軀，以拯救生命。另外，我們也把成噸的氧氣導入引擎內，協助燃料燃燒，以獲得動力。
氧氣是萬物生機的泉源，沒有了它，所有的生機與自主活動都將戛然中止。這就是看起來空無一物的王國東北邊所隱藏的力量。
並不是只有氧擁有隱形的力量，它西邊的鄰居氮，也是看似空無一物，但對生命仍是不可或缺的元素。許多生物上與工業上的反應，根本步驟都是要從蘊含大量氮氣的空氣中，把氮攫取出來。
氮氣的攫取過程稱為「固氮作用」，對地球上的生命而言，固氮作用具有絕對的重要性，它與光合作用、由大氣中的二氧化碳將碳固定的作用同等重要。早在人類出現於地球以前，固氮作用就已經在進行了，因為氮是構成蛋白質的基本元素，而蛋白質又是一切生命的根本；連代代相傳的遺傳訊息也都是仰賴氮來進行的，這是由於基因的要素為去氧核糖核酸（DNA），而氮是組成DNA的成分之一。
若缺少了氮這塊看來空洞的區域，生命就會終止─不僅遺傳力量會消失，也不會再有任何形式的生命作用繼續進行；因為蛋白質這驅動生命的大齒輪，將不再存在。

稀有？怠惰？還是貴重？
東海岸邊則具有完全不同的性質，它們也一樣是氣態元素，但幾乎不具反應活性。自從這些元素於十九世紀首度被化學家發現以來，曾命名過許多次。原本它們給稱為「稀有氣體」，因為化學家認為它們是很罕見的。不過，這種說法只適用於其中部分元素，並非所有的元素都很少見。例如其中之一的氬氣（Ar），它在地球大氣中的豐度比二氧化碳還多；而氦氣（He）在我們大氣中的豐度確實很少，但在宇宙中的豐度卻相當充沛，它占有25% 的比例，僅次於氫。
另外，還有氡（Rn），位於東海岸的極南端，在地球上一些具有自然放射性的地方，氡的豐度多到可能會有危險。是故「稀有」實在不是描述這些豐度充沛的氣體的適當方式，因此這個名稱已不再使用了。
這個家族也一度稱為「鈍氣」（或稱「惰性氣體」），表示它們的反應性很低，這也是為什麼東部沿岸區到很晚才被發現的原因，因為它們不曾出現於化合物中。對早期的化學家來說，他們是藉由檢視元素間結合的情形來發現元素的，所以這片沿海的陸地一直維持著不可見、且未曾被察覺的狀態。
不過，近來有些試圖使它們與其他元素結合的研究也都成功了，因此這片地區不再是塊不毛之地。但那並不表示海岸沙漠已可結出豐碩的果實，那只是說，這裡已出現了一絲豐收的希望─就化學上的意義而言，相當於青草發芽的時期。因此所謂「鈍氣」的說法也不再成立了。目前這片地區的總稱是「貴重氣體」，意指它們不易發生化學反應，但並非完全不會產生任何化合物。

南方島嶼與北方孤島
從空中鳥瞰了一番王國疆域後，我們先做個簡單的總結。
這塊王國大陸的整體分布情況是：中西部是一大片金屬地區；往東走，取而代之的是極富景致變化的非金屬區，直到東海岸線，最終是一些反應活性相當低的元素。
在大陸南方，其實還有座大離島，我們稱為「南方島嶼」，它完全由金屬元素所組成，裡頭的許多區域特性，變化幅度並不大。
還有，就像冰島坐落於歐洲大陸西北緣海外一樣，在王國大陸的北方也孤懸著一座島嶼─元素氫。氫是構造簡單但具有重要功能的元素，對王國而言則是個不可或缺的前哨站。因為氫雖然簡單，卻賦有豐富的化學特質；同時它不僅是宇宙間豐度最高的元素，也是恆星燃燒時的燃料。
接下來，我們就來認識王國各地的物產。

（摘自本書第一章）