化學元素王國之旅 | 誠品線上

The Periodic Kingdom: A Journey Into the Land of the Chemical Elements

內容簡介

內容簡介 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

作者介紹

作者介紹 艾金斯（Peter Atkins）／作者著名的英國化學家，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）。歐姿漣／譯者台灣省台南市人。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。牟中原／審定者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。

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產品目錄 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

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試閱文字

自序 : 序

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）

試閱文字

內文 : 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）

最佳賣點

最佳賣點 : 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。