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門得列夫與週期表:頑固就是戰鬥民族的浪漫(下)

LIS_96
・2016/12/31 ・3259字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 558 ・八年級
位於布拉提斯拉瓦斯洛伐克科技大學(Slovak University of Technology in Bratislava)中的門得列夫紀念碑。圖/By http://www.flickr.com/people/mmmdirt/ - http://www.flickr.com/photos/mmmdirt/279349599, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1526889
位於布拉提斯拉瓦斯洛伐克科技大學(Slovak University of Technology in Bratislava)中的門得列夫紀念碑。圖/By mmmdirt@flickr, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons.

文/姚荏富

1869 年 2 月 17 號,門得列夫已經思考了三天三夜,他將每個元素製作成一張張卡片,將卡片鋪於桌上,試圖要找到其中的規律,但遲遲沒有想出適合的排列組合。

正當吃早餐時,門得列夫看了看寄來的郵件,開始在郵件後方書寫了起來,把他所知道的三元素組依左到右照原子量大小排序,再由上而下的把低原子量者放上面,把高原子量者放下面。這時擅長卡牌遊戲的門得列夫想到,如果每個相似的元素組都屬於一種花色,然後原子量就像是卡牌上的點數,63 個元素就可以排出一個大概的圖形,最後可以得到一個有七組相似組,然後組內在由原子量大小作排列的奇怪表格,而這個化學紙牌遊戲就是化學週期表的前身。

門得列夫對週期表的出現是這麼形容的,「我的腦海中有一張表,元素們都照著定位排好,當他們清楚地出現時,我馬上就將其寫下」。這樣聽起來發現週期表好像對門得列夫來說並沒有那麼困難,但在寫出週期表之前,門得列夫每天都在進行原子量的測定,並到處蒐集各個元素的資訊,也因為奠定了這些基礎,才能夠在靈感來臨時,馬上將這些資訊進行整理,將腦海中的表格呈現出來。

們德烈夫週期表

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門得列夫 1871 年的元素周期表。圖 / By Källa:Dmitrij Ivanovitj Mendelejev, 公有領域, wikimedia commons

門得列夫的第一版週期表其實就是將前人對元素關聯的推論,在加上自己的直覺做了一次整合,不過在這樣充滿元素符號的表格中,其實蘊藏了許多前人沒有發現到的神奇秘密。

這份週期表顯示出照原子量排序後每七個元素會有一循環(實際上是八個不過當時還沒發現惰性氣體),也就是前人說的八音律;每一循環就稱為一個週期,所以第一個元素會與第八個以及第十五元素都會有類似的性質,門得列夫將這樣類似性質的關係稱為 「族」。

這份週期表大致上是依照原子量排的,不過其中幾個元素並沒有照原子量的順序排入週期表,而是照元素性質被編入週期表的,例如:釷(Th)並不在第四週期而是在第三週期的底部。對於這種現象,門得列夫的反應是,他認為這些元素的原子量在測量上是有錯誤的。另外,如果有找不到符合他週期表性質的元素時,他選擇將其空白(就像圖表中 45、68、70 這樣),他認為 Al 和 Ur 之間還缺少一種元素(68),他將其命名為類鋁,甚至進一步預測其性質;依照週期表的規律,門得列夫預測了三個未知的元素的存在。

以下是門德烈夫提出的週期律

1. 按照原子量編排,元素的性質顯然具有週期性

2. 擁有類似性質的元素不會是原子量類似的元素,但原子量會規律增加

3. 原子量決定元素性質

4. 未知元素是可以預期的

5. 得知元素在週期表的位置後可用來修正該元素之原子量

6. 從原子量可以預測元素特性

7. 週期表的縱向代表價數,亦即元素之結合力

門得列夫提出週期律後其實並沒有受到太多的關注,而且在同期間也不只門得列夫一人發表週期表,德國科學家梅爾在門得列夫發表週期表的隔年,也提出了類似的排列方式。可惜梅爾依照原子量的排列規則,在元素性質上有時會發生不符的現象,再加上這種推測當時並沒有理論可以證明,所以很快的梅爾就選擇放棄主張這樣的推論了。

反觀門得列夫,依照性質所排出的週期表,雖然不會完全遵守原子量排序,但更能符合門得列夫對於元素之間性質的關係。除此之外,門得列夫對週期表是這樣說的:「儘管有些不解之處,我仍有所懷疑,但我曾未懷疑過這種定律的通用性,因此這些絕對不可能是巧合。」

當時科學界並不接受這種推測,但就在 1875 年發生了一件事……

週期表精準預測新元素的發現!

1875 年法國科學家布瓦伯德朗在礦場中的礦物採樣中發現了新的元素,他將其命名為鎵(gallium),而鎵的原子量經由測量為 69,正是門得列夫週期表中預測的類鋁元素(68)。經過量測後發現多數的數據都與門得列夫所預測的性質相近,唯獨比重與預測的 5.9 低了一些只有 4.7。

對此,門得列夫特別寄信去建議布瓦伯德朗,請他以更科學、更嚴謹的方式再次量測鎵的真實比重,科學家敢這麼狂的應該只有門得列夫了吧!不過有趣的是,經過重新量測後發現,鎵的比重確實是 5.9,竟與門得列夫預測的幾乎完全相同。這時,科學界才對門得列夫的週期表產生好奇。

table

將所知所學奉獻給俄國

在門得列夫的週期表成為科學界的旋風後,歐洲各國紛紛邀請門得列夫前去演講甚至做研究,但心繫祖國的們德烈夫還是選擇留在俄國,帶領俄國科學界一步步追上歐洲的水準。

可惜門得列夫的兇悍性格,與其支持的自由主義,使他陷入十分不利處境。一方面在科學界的仇家阻撓下與諾貝爾獎失之交臂,另一方面又因支持左翼學生(就是反政府的學生),使得俄國科學不敢接受門得列夫,以免散布更多革命思想。但俄國對這位貢獻甚鉅的科學家,還是希望能將其留在國內做貢獻,所以任命他為國家度量衡局的總裁,繼續為俄國的各方面進行努力。

1907 年,門得列夫因肺炎逝世,享壽 72 歲,喪禮當天數以百計人民前來送行,其中大部分是他在大學教書時的學生。這是俄羅斯歷史上與科學史上特別的時刻,在部隊前方人們舉著刻上週期表的木板,以紀念門得列夫的曠世巨作以及他過人的貢獻。

在成功預測鎵的存在與性質後,還是有人認為這種毫無實驗證明的推論矇中一個並不代表什麼,不過時間再度給出了公正的答案。1879 年發現了原子量 45 的元素鈧(Sc),1886 年發現原子量為 72 的元素鍺(Ge),門得列夫當年預測的三個未知元素接連出現,且與其預測的性質幾乎完全相同,證實了週期表的推論並非僥倖,這種特殊的週期關係確實存在,自此科學界對門得列夫的週期表產生了高度的興趣。

們德烈夫紀念幣
們德烈夫獎章。圖 / By Robert Wielgórski, 創用CC, wikimedia commons 

現在看起來,預測了未知元素,發現元素規律、為前人的研究成果平反好像很厲害,但事實上週期表的價值遠大於這些讓人驚豔的成果。週期表的出現,證明了元素之間的週期性,但問題來了,這些週期性又是為什麼會出現呢?為何每七的元素會有一個循環(事實上是八個)?而每一族內的結合能力會如此相似(他稱為價數)?雖然現在我們知道這與電子組態有關,不過當時既沒有發現電子、也不曉得原子序。對於當時尚未釐清元素本質的化學界,週期律的驗證,確實給了當時的科學家們思考物質的新方向。

週期表嚴格來說並不算是一個科學成就,它一直都在,但它無法解釋現象,沒有其他的理論基礎(除了週期性之外的科學理論),他將許多發現兜在一塊,最後發現眾多規律中更大更密切的連結。週期表在科學史上的定位反而更像是一個大發現,他揭露了上帝對萬物的安排、所有物質之間微妙的關係,而這個蓋住週期表的面紗,正等著科學家們去掀開它呢!

 

LIS官方網站:http://www.lis.org.tw/

LIS門德烈夫傳送門:〈決鬥吧!元素王(下)

參考資料

  1. 《化學通史》凡異出版
  2. 《門得列夫之夢—從煉金術到週期表的誕生》究竟出版
  3. 《他們創造了科學—改變人類命運的科學先驅》究竟出版
  4. 《數理化通俗演義》好讀出版
  5. 《不朽的科學家》洪建全出版
  6. 門得列夫(Dmitri Mendeleev)—高瞻自然科學教學資源平台
  7. 元素週期表的蛻變—《科學月刊》
  8. 門捷列夫元素週期表是怎麼發現的—歷史趣聞
  9. A Historic Overview:Mendeleev and the Periodic Table —genesis search for origins
  10. Dmitri Mendeleev—wikipedia(英文版)

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LIS_96
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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。