【探索21-1】元素的週期:一頁科學傳承的詩篇

1799年,英國化學家戴維發現了「笑氣」——氧化亞氮

講師|臺灣大學化學系名譽教授 陳竹亭
彙整撰文|趙揚光

「科學革新需要科學家的創作與洞見,科學進化需要科學社群的合作與傳承。」本期講座顧問、同時也擔當首講重責的陳竹亭教授,做了這樣的序言。除紀念門得列夫元素週期表問世150週年,並藉由過去化學的發展,來回顧化學的革新和進化。

窺探元素的真實面貌

如果我們回溯過去,會發現古希臘人想知道,世界是由多少個元素所組成?組成世界的物質是否有最小的單位?早在西元前5世紀左右,就有人在思考這個問題。舉凡亞里斯多德提出包括「土、水、氣、火」的四元素論,或是對科學理論的闡述模糊不清的鍊金術,都沒有提出具體而正確的概念。

17世紀,英國的學者波以耳(Robert Boyle)認為元素是物質不可再分解的部分,甚至堅信元素具有粒子性質,這樣的論述於今日來看已有一定的正確性,但波以耳在當時未能說明如何證明物質是元素,他也無法跳脫鍊金術的窠臼,直到拉瓦節(Antoine-Laurent Lavoisier)的出現,才真正為近代化學開創康莊大道。

崇拜牛頓為科學革命集其大成的拉瓦節,出身於法國律師家庭,具有律師資格,並曾進入稅務公司任職,然而在他心中更熱衷研究化學。要求數字的縝密計算及面對法律的從嚴態度,影響了拉瓦節的化學研究,他用嚴謹且重視定量數據的精密實驗,提出了化學反應質量守恆定律;他並透過燃燒實驗主張燃燒現象乃是物質與氧反應的解釋,推翻了延續百年的燃素說,並且釐清「元素」與「化合物」的概念。拉瓦節在1790年出版了《化學基本原理》一書,推動了化學革命,提出系統性的化學命名法,開近代化學之先河。也由於如此卓著的科學貢獻,拉瓦節因而被譽為「現代化學之父」。

雨後春筍的實驗發現

19世紀初,來自英國的戴維(Humphry Davy)成為第一位用電解法分離出元素的化學家,他於1807年分離出鉀(K)和鈉(Na),接著他以相同方法發現更多元素。戴維還發明了礦工安全燈,使無數礦工免於工作時的生命威脅;此外,他也是一位極受歡迎的科普傳播者,常在一般大眾前演示實驗。科學的力量賦予戴維無數的創造力,陳教授說:「…使他能夠改變他周遭的環境和生命,藉著他手中操作的實驗就有力量探究自然。」這是化學乃至科學得以進化的重要因素。

眾多化學家前仆後繼的研究與發現,使得近代化學的基礎日趨穩固!被稱為「原子之父」的英國科學家道耳頓(John Dalton),基於拉瓦節的元素概念提出了「原子論」,加上給呂薩克(Joseph L. Gay-Lussac)的氣體反應體積定律,促使亞佛加厥(Amedeo Avogadro)提出「分子」的概念。義大利化學家坎尼乍若(Stanislao Cannizzaro)在1860年的一個國際化學會議裡進行一場演講,進一步主張將氫、氮、氧皆視為雙原子分子,確定了其原子量,啟發了當時在座的俄國年輕化學家門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev),為下一個開創性的化學里程碑開啟了門扉。

化學革新的絕佳導航

門得列夫最顯著的成就,便是於1869年發表世界上第一個「元素週期表」,引領了化學家們從森林中找到一處美麗的花園。這份元素週期表問世時,僅列出當時已被發現的63個元素,門得列夫依照它們的原子量大小及元素性質的週期性,工整有序地排列;他並從週期表的排列狀況中,推算及預測出一些還未知的元素。不久後,他所預測的鎵(Ga)、鈧(Sc)及鍺(Ge)三個元素,陸續成功被發現;瑪麗居禮(Marie Curie)也從實驗中發現了釙(Po)及鐳(Ra);1925年,人類發現的最後一種天然元素─錸(Re)問世,而第一個在實驗室裡人工合成的人造元素─鎝(Tc),則在1937年誕生。時至今日,我們熟知的元素週期表上已有118個元素,門得列夫留給後世的,是繼續開拓更多化學元素的絕佳指引。

門得列夫1869年的週期表。注意此表格的行列與現代元素週期表正好相反:週期為行,族為列。

19世紀末,英國的雷利爵士(John W. Strutt, Lord Rayleigh)和拉姆齊(William Ramsay)合作發現了氣體氬(Ar)。往後數年間,氬與氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)等統稱「惰性氣體」嶄新的一族元素被發現。20世紀湯木生(J.J. Thomson)、拉賽福(Ernest Rutherford)等人開啟的「原子時代」,科學家們藉著認識原子的內部結構,使人類的知識與文明不斷向前跨越。回頭來看,元素週期表正是原子電子結構的外顯,是化學家實驗的導航圖,更可以說是物質科技發展的指南!這些是拉瓦節、門得列夫等人的洞見及創作,也是歷史上眾多化學家們合作與傳承而開展的化學革新,呼應了開場時陳教授所提的觀點。

走上未完的驚奇之旅

我們大多學生皆曾對背誦「元素週期表」有些排斥,因為台灣的教育只是硬記這些答案,並未讓學生興起追尋「問題」的動力。陳教授認為,台灣的教育應思考如何對一個知識概念感到驚奇、意外,才開始進行思考。如此也方能培養真正的科學人才,號召更多人加入科學社群,共同在未完的浩瀚知識之旅繼續探索、發光發熱。

 

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本文整理自:108/3/16由陳竹亭老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「發現元素新大陸」演講內容。

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