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Contents

一本化學的旅遊指引書 —— 牟中原

8

開場白

想像的國度

12

第一部

地理形勢

18

第一章 鳥瞰王國大地

20

第二章 物產豐隆

29

第三章 物理的地貌

49

歷史演進

68

第四章 英雄開疆拓土

70

第五章 刻上封號

82

第六章 元素創生簡使

93

第二部

第七章 繪輿圖的人

109


第三部

典章制度

130

第八章 核心憲法

132

第九章 外部法律

140

第十章 區域的管理

158

第十一章 策略聯盟

172

結語

驚奇讚嘆之地

184

附錄

化學元素表

190

名詞注釋

195

延伸閱讀

203


8

化學元素王國之旅

序 冸卂

一本化學的旅遊指引書

牟中原

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。


序 一本化學的旅遊指引書

9

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。


10

化學元素王國之旅

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)


序 一本化學的旅遊指引書

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開場白

想像的國度


任何企圖以科學家的視野來觀察宇宙的人 都必須知道週期表 因為這就是科學文明中的一部分


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化學元素王國之旅

每當我打開毛姆(Somerset Maugham)所寫的《遭天譴的人》(The Vessel of Wrath)時,總會受到震撼。在那本書的描述裡,作者靜坐在 書房,翻閱著《長江引水人》一書。在他的想像中,潮汐表和航行方向 逐漸變得真實起來;等高線與表格不再只局限於平面了,它們躍然於 紙上。作者可以感覺到樹木、屋舍的存在,最後還有人物出現,成為 他故事中的主角。 這種感覺太奇妙了,因此當您打開這本書的時候,我很希望您 也能加入我的想像之旅,一起探索方度謹嚴的化學導航圖︰元素的週 期表。只不過在我們眼中,它會成為一個虛擬的國家,名為「週期王 國」。 等我們降落到地表後,就會發現這王國是相當有特色的。但是我 們會先在王國疆土的空中翱翔,觀看它起伏的丘陵、山脈、峽谷,以 及平原;然後著陸,在它廣闊的草原中漫步,並且攀越山丘;我們甚 至還會往地底掘洞,發現裡面有著隱藏的結構,一種運作的準則,控 制及統御了整個王國。 於是我們將了解,這片土地是個可以合理解釋的地方。

科學文明的一部分

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無庸置疑的,不論是從原理或實際應用的角度來看,週期表都是 化學上最重要的觀念。它是學生每天都會用到的基本概念,它為專業 人員指引出研究的嶄新方向,而且提供了整套化學的簡明架構。它非 常清楚的顯示出,化學元素並不是雜亂無章的實體,其實它們呈現出 一定的趨勢,而且依家族特質緊密排列在一起。


開場白 想像的國度

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任何有心洞察世界,和了解化學基本架構的磚塊是如何造成一切 的人,都不可避免的會意識到週期表的存在;任何企圖以科學家的視 野來觀測宇宙的人,也必須知道週期表的普通形式,因為這就是科學 文明的一部分。 在我先前的介紹中,我是把週期表當做進入想像國度的旅遊指 南,裡面的元素是許多個別不同的區域。這個想像的王國當然也有它 獨特的地理形勢︰元素在特定的位置上,一個個並列著,而且還能生 產自己的物產,比牧場生長的小麥和湖泊產出的魚還多。這個王國也 有歷史,事實上這部歷史寫來還可分成三種︰一是元素就像地球的陸 塊一樣,被逐一發現;所以有一部發現史。二是王國也如同地表一 般,已給繪成地圖,元素間的相對位置就變得相當重要了;因此另有 一部繪圖史。三是元素都有自身的宇宙歷史,這得追溯回星體誕生的 過程;那麼溯源史也是必須的。 另外,週期王國也是有典章制度的,因為「核心憲法」與「外部 法律」統御了元素的性質、控制它們的行為,並且決定它們會形成怎 樣的聯盟。我們會發覺,這種制度原來是根源於原子,以及構成原子 的電子和原子核的性質。 我並不要求讀者以前對化學有多深厚的認識,我只希望你們能運 用自己的想像力,細心揣摩週期表與比擬的地理辭彙之間的關聯。我 們即將一起飛越這片疆域,然後在適當的時機降落。藉由這個方式, 我們會發現一個變化萬千的王國呈現在眼前,而真實世界其實就是這 樣組成的。


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化學元素王國之旅

誌謝 我得感謝「科學大師系列」的編輯里昂斯(Jerry Lyons),他負 責編輯這書,並且提供了許多寶貴的建議。我也感謝李平寇特(Sara Lippincott),她是定稿編輯,協助我解釋想要說明的概念,對我有很大 的幫助。


開場白 想像的國度

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化學元素王國之旅