鬼月談鬼火（下）：鬼火等於磷火？分析鬼火的真正成因

被誤認的「賢者之石」

與人體細胞、骨骼、生命活動密切相關的腺苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）中的磷，是很重要的元素。磷的發現過程其實有點讓人不忍想像，古時候鍊金術師待人類尿液久置後腐臭，再加熱蒸餾提煉出磷，一開始磷被認為是為提煉黃金時所需的「賢者之石」。

我們在日常生活中使用到磷的是火柴，可是現今看到的火柴頂端的火藥裡並沒有磷，而是把磷移到火柴盒的摩擦面了。原理是摩擦火柴棒，讓火柴盒產生火花，藉此點燃火柴棒頂端的火藥，進而產生火光。

磷有很多同伴，組成成分明明只有磷，但外觀和特性卻截然不同，有紫磷、白磷、黑磷、赤磷、紅磷，或是白磷表面覆蓋紅磷的黃磷等。火柴盒上使用的是紅磷，而在西部電影中等常出現，隨時隨地都可以點燃的火柴則是黃磷。

小女孩賣的火柴裡也有磷

安徒生童話「賣火柴的小女孩」誕生於十九世紀中葉，當時火柴剛問世不久，跟現代的火柴截然不同。小女孩賣的火柴是黃磷火柴，火柴棒較長，造價也高，通常是論根賣的。黃磷或白磷是一種具有劇毒的化學品，由於工廠屢屢傳出磷中毒的事件，現在已經禁止使用。

【常溫狀態】固體 【原子量】30.973762

【熔點】44.15˚C 【沸點】280.5˚C

【密度】1.82 g/cm3

【發現】1669 年，德國煉金術師布蘭德（Henning Brand ）

【語源】希臘文 phosphoros，意思是帶來光明的。

——本文摘自《原子有話要說！元素週期表》，2023 年 4 月，漫遊者文化出版，未經同意請勿轉載。

能源與環保間的平衡在全球一直都是十分火熱的議題。火力發電、核分裂發電等高效率的發電方式，或許會對環境及生物造成永久危害；風力發電、大陽能電池等綠能，受限於天候而無法廣泛應用；乾淨又有效率的核融合發電仍在開發階段，還不到可以商用的程度。那麼，通往乾淨能源的這條路，是否就這樣被插上此路不通的標示牌呢？當然不！因為可燃冰為我們另闢了一條蹊徑。

那麼，可燃冰究竟是什麼呢？是否如同字面上，是一種可以燃燒的冰？如果是，是何種機制會使冰能被點燃；如果不是，那麼它是怎麼形成冰晶狀態的呢？若你好奇的話，請讀下去吧！本篇會從可燃冰本身、其應用與開採問題，全面地介紹這種新能源。

可燃冰的性質

可燃冰又稱為「天然氣水合物」，其中，甲烷氣體若佔總天然氣的 99%，則稱為「甲烷水合物」。直接觀察它被點燃的樣子，就像是一塊能燃起火焰的冰塊，這也是「可燃冰」一稱的由來。然而，確切來說，這顆「冰塊」其實是水和甲烷氣體在低溫高壓下混合形成的類冰物質。也就是說，可燃冰其實不是冰，而是由水分子組成的一個個「水籠」。如圖二，籠中包含大量的甲烷氣體，因此便不難理解它被稱為「甲烷水合物」的原因。或許你十分好奇水籠的模樣，不過在那之前，我們必須先談談組成水籠的柵欄——氫鍵。

（一）、氫鍵

氫鍵為組成可燃冰結構舉足輕重之角色，而為介紹水籠及避免混淆重點，氫鍵概念皆舉水（簡式 H₂O）為例。顧名思義，氫鍵是一種以「已結合 1 個氧原子的氫原子」為中心，與另一個氧原子所形成的「作用力」。沒錯，氫鍵並沒有產生實際的鍵結，本質上反而是一種電磁力。這個概念或許有點抽象，不過我們可以用小朋友吃蛋糕的例子來理解。

現在，老師分蛋糕給一群小朋友，高年級的小朋友可以分到比較多塊且口味不同的蛋糕，而低年級的小朋友則只有一塊蛋糕。分完蛋糕後，低年級的小朋友會跑去坐在大哥哥旁邊吃蛋糕，因為當他拿出一半的蛋糕分享時，大哥哥也會分享一半的蛋糕給他，如此一來，他們都能吃到 2 種口味的蛋糕。若低年級的小朋友還想再和別人分享一次，他就必須擁有第二塊蛋糕。然而，我們都知道他已經沒有多的蛋糕了，所以他會跑到另一個擁有蛋糕的大哥哥旁邊看著他，希望這個大哥哥能和他分享蛋糕。

看完這個故事，我們可以把蛋糕替換成電子、低年級生替換成氫（價電子數為 1），而擁有很多蛋糕的大哥哥即為擁有許多電子的氧（價電子數為 6）。因此，如圖三（A）所示，當氫和氧各提供 1 個電子時，便會形成共價鍵。同時，已將電子用光的氫，會與另一顆帶有 2 個多餘電子——或稱作「孤電子對」（lone pair）——的氧形成氫鍵。

其形成原因則如圖三（B），當氫用掉唯一的電子後，部分氫原子相對帶正電，會與另一個擁有孤電子對的原子互相吸引，故部分原子帶負電的氧原子互相吸引。這個吸引力就是氫鍵，並且由於其成因，我們可以說氫鍵就是一種電磁力。

（二）、水籠

當許多個水分子以氫鍵結合時，水籠便形成了。

事實上，水籠分為許多種類，有結構 Ⅰ 型水合物、結構 Ⅱ 型水合物以及結構 H 型水合物。如下方圖五，在以單位晶格的尺度下觀察，結構 Ⅰ 型為的水合物是以 2 個五角十二面體（5¹²）的小籠，和 6 個十四面體（5¹²6²）的大籠所組成。

這時，你可能會好奇：為什麼是這個組合呢？讓我們來想想拼圖。當我們拿起一塊拼圖，會發現它會有凸出、凹陷，或是平平的不凸出也不凹陷等 3 種樣式的「邊」，或許是 4 個凸出、3 個凸出 1 個凹陷、2 個凸出 2 個凹陷，或是 1 個平平的邊加上 3 個凹陷……。這時，如果我們拿起一塊有「4 個凸出」的拼圖，那麼我們能把另外一塊也是 4 個凸出的拼圖拼在原本的那塊上嗎？

顯然無法。因此，如果我們要將拼圖拼起來，就需要拿出另外 4 片有凹陷的拼圖，各接在原本那塊拼圖上，才能逐漸將這副拼圖拼完。這個「拼拼圖」的概念也就是為什麼水籠結構會需要不同的立體形狀組成了，因為這些不同的形狀負責「鑲嵌」彼此，從而形成一個完整的、沒有空隙的拼圖，也就是這個堅固的水籠。

接下來讓我們繼續介紹另外 2 種結構。結構 Ⅱ 型則以 16 個五角十二面體，加上另一種十六面體（5¹²6⁴）的大籠結合而成；結構 H 型則分別由 2 種小籠—— 3 個五角十二面體，及 2 個十二面體（4³5⁶6³）——與二十面體（5¹²6⁸）大籠組成。其中，不論是大籠或小籠，每個籠中皆包含 1 個甲烷分子。

值得注意的是，甲烷水合物屬於結構 Ⅰ 型水合物，且其分子式為 CH₄·8H₂0。理論上來說，一單位晶格內應含有 8 個甲烷分子與 64 個水分子。然而，由於可燃冰晶體中的水可與鄰近的 2 個水籠共用，因此一單位晶格內實際上只有 46 個水分子，而這也是當我們將可燃冰轉化後，可以產生大量天然氣的原因。

二、可燃冰的誕生

上文有提到水和甲烷能在低溫高壓之下生成可燃冰。那麼，是什麼環境才會包含大量的水、足夠的天然氣，同時又有低溫高壓的特性呢？沒錯，就是海洋！現在，我們已經有足夠多的水了，但要如何在海中找到大量的甲烷呢？以大西洋的布雷克海脊（Blake Ridge）為例，含有甲烷的沉積物稱為「氣水化合物穩定帶」（GHSZ，GasHydrate Stability Zone），大約厚 300 至 500 公尺，且位於約 190 公尺至 450 公尺的中深度範圍海域^{[參考文獻 5]}。在這些沉積物的孔隙中，有許多以溶解狀態存在的甲烷。那麼，問題又來了，這些深海礦床是怎麼產生甲烷的呢？答案就是——細菌！

在深海中存在著 2 種細菌：好氧細菌和厭氧細菌。從他們各自的名字來看，很明顯可以知道好氧細菌會進行有氧呼吸，也就是它們會以氧的化學反應來獲得能量。反之，厭氧細菌不用以有氧呼吸來生存，意即它們可以生存在沒有氧的環境中。

在深海礦床中，沉積物孔隙中的水在幾公分的深度便是缺氧狀態的，且由於這個區域的水域包含了沉澱率高、有機碳含量豐富、環境酸鹼值適中等條件，厭氧細菌便會開始作用在這些沉積物的有機碳物質上，並產生甲烷。 

事實上，大陸地區也可以生成可燃冰，但是蘊含量極少，大約只有 1% 的可燃冰儲存在陸域^{[參考文獻 9]}。其原因或許和組成陸地的砂石成分有關，因為科學家採樣之後的結果顯示，這些生成於陸域的甲烷水合物僅會存在於深度 800 公尺以下的砂岩或粉沙岩岩床中。同時，存在於砂石縫隙中的化合物，會被熱力或微生物分解；然而，重量較重的烴類——也就是組成天然氣的原料，卻會在較輕的化合物被分解完之後，才有機會被分解^{[參考文獻5]}。可以看出大陸生成甲烷水合物的條件極為苛刻，因此，以這種方式形成的可燃冰，目前只存在於西伯利亞和阿拉斯加的永凍土中。

三、能源議題的救世主?

可燃冰在近幾十年突然出現在人們的面前，一躍成為炙手可熱的能源議題新寵兒。事實上，人類早在 1810 年就已經於實驗室中發現天然氣水合物這種物質，只不過受限於當時的時空背景以及科學發展進程，1934 年才在美國的輸氣管道中，發現天然的甲烷水合物這種「可以燃燒的冰塊」。直到 1968 年，蘇聯科學家才終於在西伯利亞發現了天然氣水合物礦藏^{[參考文獻 6]}，而在此期間，人們普遍認為天然氣水合物大多只會出現在太陽系外圍的低溫區^{[參考文獻5]}。

那麼，這種神祕的、甚至連科學家都還沒完全搞清楚生成機制的化合物，究竟是怎麼在這場能源大賽中「殺出重圍」的呢？這和可燃冰的轉化率、蘊藏量、能源危機，甚至人類環保意識的提升都有不可或缺的關係，可謂是天時地利人和的結果。

然而，目前可燃冰離完全商用仍有很長的一段路要走。先不提這個，我們來談談轉化率，顧名思義就是「可燃冰轉換成天然氣的效率」。前面有提到，當可燃冰轉化後，即可產生大量天然氣，而若我們精確地看數字，就可以發現 1 立方公尺的可燃冰分解後，可釋放出大約 164 立方公尺的天然氣^{[參考文獻 6]}。

這個轉化率著實驚人，因為若拿同等體積的天然氣和可燃冰相比，可燃冰能產出的能量是天然氣的 150 至 180 倍！所以，若可燃冰能順利轉為商用，無疑能使「運輸天然氣加蓋地下管線」、「天然氣存量減少以致價格上漲」等問題迎刃而解。 

不過，某種能源能是否能順利轉為商用，還有一個重要的條件——蘊藏量。目前，人類就正在面臨石化燃料存量枯竭的問題，然而人們的生活早已和石化燃料密不可分，小至織品原料，大至交通工具，或許都會面臨一場重大的革新，而這些無疑會造成經濟動盪，故這是十分棘手且嚴峻的狀況。

那麼，可燃冰的蘊藏量究竟能供人類使用多久呢？根據美國的天然氣需求量來看，僅開發美國本土外海的天然氣水合物，就足以供美國人使用 2000 年^{[參考文獻 9]}！而台灣在西南海域發現的存量，可以供台灣使用約 40 年^{[參考文獻 10]}！科學家也預估，可燃冰的天然存量大約是天然氣的 2 至 10 倍^{[參考文獻 5]}。

由於可燃冰驚人的轉化率、龐大的蘊藏量，再加上燃燒後不會產生殘渣等特性，造成的汙染相較於現今正在使用的各種燃料來說減少許多。在人類盡力追求經濟產能與環保平衡的今天，無疑是救世主一般的存在。

四、如何開採可燃冰

可燃冰看似是目前能源議題的最佳解，但我們對它的瞭解仍遠遠不夠，因為我們還不知道如何快速、安全且大量開採。自 40 年前第一次發現礦藏至今，科學家不斷探索、採集並分析可燃冰這種新興燃料，即使瞭解仍十分有限，但也已經發展出一些鑑別以及開採的方法。除了以前傳統、直觀（但是相對來說更低效且粗魯）的加熱法及減壓法以外，甚至有了更新型的開採方法。不過，在介紹新型方法前，我們可以先從較傳統的方法開始，以便更加瞭解開採可燃冰最基本的模型與原理。由於此種方法較為直觀，篇幅會較為簡短。

以下分別介紹 3 種傳統與新型開採方法：

（一）、傳統——加熱法與減壓法

加熱法，顧名思義就是將可燃冰層以對流法、電磁加熱法^{[參考文獻 6]}等直接升溫，將可燃冰分解為天然氣與水，並且直接以管線收集天然氣。減壓法則是以管線導出可燃冰層下方的氣體或流體，使可燃冰層的壓力變小。此時，可燃冰中的「冰」就會因為壓力下降而液化成為水，使得天然氣被釋放。

（二）、新型——二氧化碳置換開採法

這個方法可說是傳統加熱法的進化型態，兩者都是以同樣的原理運作，即：使可燃冰升溫，讓水合物中的天然氣釋放出來，並加以收集。那麼，二氧化碳置換法為什麼是進階版的加熱法呢？原因就在於這種方法能在開採可燃冰的同時，將一部份的二氧化碳轉為水合物，封存在海底。以環保的角度來說，簡直可以稱得上是高收益。

此方法的核心概念是利用天然氣水合物和二氧化碳水合物保持穩定時的壓力差進行開採，意思就是，當我們把壓力控制在特定範圍下，天然氣水合物就會分解，而適合這個壓力的二氧化碳水合物就會形成^{[參考文獻 6]}。圖六是二氧化碳置換法的示意圖，圖六（A）是開發前蘊藏可燃冰礦藏的海床。開採時，如圖六（B）所示，我們需要在可燃冰礦層的上方及下方都注入二氧化碳，下方那一層是主要運作的區域，而上方則用以阻隔並穩定海床。

接著，因為壓力被控制在適合二氧化碳水合物生成的範圍，因此當這種水合物逐漸生成並放熱時，最靠近底層的可燃冰就會被這些熱量分解，轉化出大量甲烷。此時如圖六（C），這些甲烷會被導管收集，所以下方的二氧化碳就會上移、填補空缺，然後持續生成二氧化碳水合物，使更多的可燃冰分解、釋放甲烷。在這種連鎖反應下，我們就可以達到在不斷釋放可燃冰中甲烷的同時，不斷（以水合物的形式）封存注入至海床中的二氧化碳^{[參考文獻 11]}。

（三）、新型——固體開採法

最初的固體開採法是直接採集可燃冰固體，並將可燃冰固體移至淺水海域後加以分解，因為若是以物理或化學方法就地分解，會產生消耗能源，而且經費昂貴。之後，固體開採法也衍生出了另一種更進階的方式，稱為「混合開採法」。這種方法是將可燃冰就地轉為固體、液體混合的狀態，再將包含了可燃冰固體、液體及氣體的「泥漿」以導管傳輸至海平面上作業，藉此取得天然氣^{[參考文獻 6]}。這種不用再將礦產運送至淺水區的方式顯然更加方便操作，且以導管運輸的方式能進一步減少可燃冰的損耗。

五、台灣的可燃冰及各式能源之比較

相對於其他科技、科學競賽來說，台灣在可燃冰的發展上，雖然起步較晚，仍然有相當亮眼的成績。2018 年，科技部的第二期能源國家型科技計畫（NEP-II）就在臺灣西南外海採集到天然氣水合物。而誠如主導計畫的中央大學地科系許樹坤教授所說：「台灣因沒有自主能源，更顯珍貴。」教授說：「台灣是一個能源缺乏的島嶼，99% 的能源都仰賴進口。科學的新發現，若能配合工程技術開發，就能帶來新契機。台灣西南海域蘊藏豐富，預估可用上 40-50 年，目前日本和中國大陸都已試開採^{[參考文獻 17]}。」若是台灣能成功開採並使用可燃冰，或許便能在這場白熱化的能源議題中，找到一線生機。

參考文獻

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9. 解開可燃冰封印，科學人雜誌。
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11. 以二氧化碳封存置換甲烷氣示意圖，中央地質調查所。
12. 超流體，維基百科。
13. 固液共存，百度百科。
14. Coal – Types, Uses and Formation
15. Table 8.2. Average Tested Heat Rates by Prime Mover and Energy Source, 2010 – 2020，SAS Output (eia.gov)
16. 各式發電比較，國立交通大學。
17. 重大突破！中大地科團隊首次在台灣海域鑽獲「可燃冰」，國立中央大學。

• 作者／Carol Hsu｜生科系畢業，目前工作與臨床試驗相關。喜歡植物，想要小丑魚。

晚餐吃飽後，總想嚐一點不一樣的味道。沒錯，對於女孩來說，總有第二個胃來裝下甜點，可是，不只是愛吃甜點的女孩，有多一個胃，身為反芻動物的牛，更是號稱有四個胃……。等等，牛真的有四個胃嗎？

牛其實只有一個胃啦

不過，牛其實只有一個胃，只是區分成四個「胃部」（一個胃中的不同區域）以利於反芻。

反芻，可讓食物在口中反覆咀嚼，一來可以使粗糙纖維的牧草或飼料完全消化。二來可以縮短在外進食停滯的時間，先將食物暫存在胃部，待處在安全適合的環境時，再細細咀嚼。所以，我們可以看到牛的嘴巴總是不停地嚼阿嚼的，舌頭更是沒有停過。

所以，那熱騰騰的牛雜湯、香噴噴的滷牛肚還有好吃的毛肚鍋，其實不是吃牛的不同胃，只是不同胃部喔。

但是，明明吃的是同一個牛胃，為什麼外觀差這麼多？在餐桌上，牛肚與毛肚的樣子大不相同，有的是蜂窩狀，也有一小格小格子；有的則是長條狀有細小突起；有些則是像百頁狀，層層堆疊。

這些形態上的差異，是源自於四個胃部的功能差異。牛胃組成的四個部分，分別是瘤胃、蜂巢胃、重瓣胃、皺胃。這四個胃部不僅外觀與功能不同，體積大小也有所差異。

儲存食物的牛胃第一關——瘤胃

當食物進入到牛的口中，由食道連通到的胃第一個胃部是「瘤胃」。瘤胃（Rumen），是牛隻身體中體積最大的胃部，約佔了牛隻腹腔 75% 的體積，可用來暫存食物。在瘤胃中，有大量的微生物，例如細菌、真菌、原生生物。

藉由微生物們的幫助及由口中分泌的唾液，促使食物在此發酵及分解。在瘤胃的無氧環境中，微生物的存在可以調節 pH 值，並且藉此使植物的木質纖維素得以發酵成揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acids ,VFAs）等有機物質，後續可被用來生合成能量。

防止囫圇吞棗的關卡——蜂巢胃

第二個胃部，是蜂巢胃（Reticulum），又稱「網胃」，外觀是有一個一個六角形方格的蜂巢狀，是食物通過瘤胃後的下一個胃部。不過，蜂巢胃和瘤胃並非完全獨立，兩者之間僅由一層肌肉組織分隔，因此兩者又合稱為「蜂巢芻胃」（reticulorumen）。瘤胃及蜂巢胃的環境相似，皆含有大量微生物來促使植物分解。

蜂巢胃主要的功能就是集結小分子的食團，讓這些食團到下一個胃部。蜂巢胃的特殊構造也可以防止較硬、較大的食物直接進入後段的消化系統，可讓食物再退回瘤胃消化，或是回到口中重新咀嚼。食糜回到口中與唾液混合，也就是反芻。光是反芻的動作，牛隻一天就得花上 6~8 小時。

吸收食物水分——重瓣胃

接下來的胃部則是重瓣胃（Omasum）。球形的重瓣胃，連接蜂巢胃及皺胃，和蜂巢胃其實相隔不遠。重瓣胃也因為構造層層堆疊著，在飲食上甚至有著「牛百頁」之稱，層層重瓣的大小不一。

隨著蜂巢胃的收縮，消化食團斷斷續續地進到重瓣胃。重瓣胃阻隔了固體、粗糙、尚未磨碎的食團，使其聚集在此，並可再退回蜂巢胃消化。經由重瓣胃繼續進到皺胃的主要為流質或稀狀的物質，進行進一步地消化。在相關研究指出，重瓣胃也可以吸收部分水分。

真正消化的地方——皺胃

最後，則是有「真胃」之稱的皺胃（Abomasum）。皺胃的功能和單胃動物（不進行反芻的動物，例如人）最為相似，具有可以分解食物的消化液可用來分解蛋白質的消化酵素，且含有可殺菌的鹽酸，還有來自胰臟的消化液會匯集於此幫助食物消化。連接在皺胃後方的小腸及大腸則是進一步地進行營養吸收。

能消化牧草纖維的秘密

不過，與人類胃不同的是，牛的胃有著大量微生物軍團。在牛胃這個高溫、厭氧且酸鹼值略酸性的環境，非常適合細菌、真菌和原生動物等微生物生存。其中纖毛蟲 （Ciliate protozoa）占了一半以上的比例，其種類更是超過細菌，而厭氧性的真菌，雖然數目及種類較少，但對於分解植物纖維是相當重要的。

先前的研究中，已有研究團隊透過將 43 隻乳牛牛胃中的微生物 DNA 定序及交叉比對基因資料庫，鑑定出 913 種微生物，且其中大部分的微生物目前仍是未知的，並從這些微生物的基因序列中，可發現碳水化合物活性酶（carbohydrate-active enzymes, CAZys），有助於將牧草中的纖維素分解，轉換成有價值的養分。因此，對於牛隻而言，瘤胃發育及環境中的菌相，會直接影響牛隻吸收營養成分的能力。牛隻瘤胃中的微生物軍團，影響著產乳效益及甲烷的排放量及習性。

隨著人類社會的進展，肉類食用及乳品的需求量大幅提升，促使著牧場畜養更多的牛隻。牛隻所進食的富含纖維的草料能在瘤胃中被微生物發酵而產生醣類，醣類進一步發酵的過程中會產生甲烷等物質。這些牛隻進食時所排放甲烷也被視為影響全球溫室效應的一個因素。牛隻排放甲烷的過程，其實與瘤胃中的菌相有著密切關連。

參考資料

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6. Gut bacteria could be key to producing tastier cow’s milk | Science | AAAS
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