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歡慶國際化學元素週期表年,你知道元素週期表幾歲了嗎?

行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2019/12/06 ・3978字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

  • 文/楊朝源

說起元素週期表,大概是每位學生們念書時,最怕遇到的惡夢之一吧。從氫鋰鈉鉀銣銫,一路背到氦氖氬氪氙氡,除了元素常常名字看不懂,整個元素週期表的形狀還非常奇怪,讓記憶難度提高。生吞活剝背完中文後,還有元素符號、原子序、等大魔王在後面摩拳擦掌,根本讓人背到懷疑人生。

國際化學元素週期表年。圖:SIF

雖然元素週期表很可怕,但你可知道今年,也就是西元 2019 年,正是元素週期表誕生的第 150 年,被聯合國設為國際化學元素週期表年!在這大喜之年,就讓我們放下以前的恩恩怨怨(?)了解一下元素週期表這 150 年來經歷的風風雨雨吧。

誕生於俄國科學家之手,北境永不遺忘

元素(elements),也就是組成物質的基本單位,自古以來每個文明都有各自的敘述與想像來說明,例如古代中國的五行說(金木水火土),古希臘的四大元素(水火氣土)等等。從這些學問中,不難想像古人對於物質的好奇。然而究竟是什麼東西構成了我們的世界?在近代科學中,法國科學家拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier)跨出了第一步。

十八世紀末,被後世譽為「現代化學之父」的拉瓦節發起了一場革命,給予世人對於元素的新理解,而後十九世紀初有了英國科學家道爾吞(John Dalton)的原子說,原子量成為分辨元素時的一大利器。在這之後,各個元素開始陸陸續續地被發現,但是面對越來越多的元素種類,學者們試過各式各樣的排列方式,卻沒有一個令大家都信服的結果,來為這些元素分類與排序。

門德列夫。圖/ wikimedia commons

就在所有科學家都摸不著頭緒的時候,俄國科學家門德列夫 (Dmitri Ivanovich Mendeleev)於 1869 年提出了他的元素週期表。

他將化學相似的元素分為七個家族(當時尚未發現第八族元素),按照原子量的大小進行排列,並且預測了四個元素的存在。然而,門德列夫的元素週期表並沒有在發表時就一炮而紅,讓人們高喊元素週期表元年到來,而是成為眾多元素週期表中的其中一個,競爭正確答案的寶座。

之後過了六年,也就是 1875 年,法國科學家布瓦伯德朗(Paul Émile Lecoq de Boisbaudran)從鋅礦中提煉出了一種新的元素,被命名為鎵(Ga)。

這個發現的驚人之處不僅僅是因為發現了新的元素,更因為鎵的原子量、化學性質以及比重等等特性,都與門德列夫的「類鋁」預測幾乎一致,這樣精準的預測結果讓世人開始注意到門德列夫的元素週期表。

接著科學家陸陸續續在 1879 年發現了鈧(Sc),1886 年發現了鍺(Ge),更是讓世人對門德列夫的想法更加信服。因為他的洞見,150 年後,我們仍然敬佩這位俄國的科學家,他的貢獻將不會被世界所遺忘。

鎵可以被人的體溫融化。圖/Newton desk

瞭解原子,揭開元素週期表的規則

剛剛說到,元素週期表是為了讓科學家將元素排序所產生的,因此元素週期表的背後必然有一定規則存在,才能使各式各樣的元素按照規律排列。而這些背後的祕密,卻是在門德列夫的元素週期表問世以後,才一點點的被揭開。

西元 1897 年,英國化學家湯姆森(Joseph Thomson)透過陰極射線發現電子,這個發現打破長期以來科學界認為原子不可分割的理論。在 1913 與 1932 年,拉塞福(Ernest Rutherford)和查兌克(James Chadwick)分別發現了質子與中子,對於原子構造的認識終於有了初步的進展。而帶有負電的電子、帶正電的質子與不帶電的中子,正是瞭解元素週期表規則的起點。

元素週期表。圖: Life 生活化學,CC BY-NC-ND 3.0,禁止使用商業用途、修改

電子、質子和中子組成了原子,其中質子的數量代表了原子序,也就是上圖中元素左上的數字,因此從只有一個質子的氫為首,開始由左向右讀,元素的順序便是一氫二氦三鋰四鈹……,直到目前編號最後一個元素,也就是編號 118 的 Og,擁有 118 個質子。(編按:編號 117 的元素 Ts(石田)以及編號 118 的元素 Og(气奧)為新造字,多數電腦系統尚無法顯示這兩個字元,所以後面提到這兩個元素時一律以英文元素符號表示。)

為了保持原子的電中性,帶負電的電子必須要和帶正電的質子是相同的數量。電子在原子核週圍環繞,其運動的位置被稱為軌域。當目前的軌域被填滿後,電子就會排到下一層的軌域,也就是新的週期。目前的元素週期表有七個週期,由上而下每個週期的元素數量分別是 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32。

在原子最外層的價電子,則大大決定了原子的化學性質。因為當電子的數量可以填滿軌域的時候,原子就會趨於穩定,也就是不容易產生化學反應,反之原子為了填滿軌域,會進行化學反應來得失電子,以達到安定的狀態。換句話說,具有相同價電子的元素,也就是在元素週期表上同一行(族)的元素,通常會具有類似的化學性質。

舉例來說,8A 族的氦、氖、氬、氪、氙等元素,因為電子的數量剛好可以填滿電子軌域,故都是不容易起反應的穩定氣體,又被稱為惰性氣體。而 1A 族的氫、鋰、鈉、鉀等元素,則是因為剛好多了這麼一顆價電子,所以容易失去價電子,反應後會成為少了一顆電子的帶正電離子,如鈉離子(Na+)。2A 族則有類似情形,只是會變成帶有正 2 價的離子,例如鈣離子(Ca2+)。7A 族的情形則反之,氟、氯、溴等元素需要獲得電子來滿足電子組態,因此常見帶一個負電的離子,如氯離子(Cl-)。(編按:前述元素相關化合物的化學屬性,可上化學知識地圖查找資訊,如氰化銅次氯酸鈉全氟辛酸等。)

前述元素相關化合物的化學屬性,可上化學知識地圖查找資訊,如氰化銅次氯酸鈉全氟辛酸等。

最後來說說中文的符號有什麼玄機吧,事實上你可以看到中文的元素就只有四個部首,分別是金、石、水、气。這四個部首就代表了該元素在常溫常壓下的狀態,若是固態金屬,就是金部,固態非金屬則用石部,液態的話就用水部,氣態當然就是气部。

說了這麼多,當你下次要記元素週期表的時候,想想這些背後的原因和規則,或許可以幫你省下不少功夫喔。

元素週期表的下一個 150 年,關於未知的新元素

雖然今年已經是元素週期表發表後的第 150 年,但事實上,科學家到今天為止,仍然在嘗試找出新的元素。2009 年,元素週期表上的元素只有到第 111 號的錀(Rg),到了 2010 年,112 號元素鎶(Cn)正式被命名,兩年後,編號 114 的鈇(Fl)和 116 的鉝(Lv)也加入。

最終在 2016 年,113 鉨(Nh)、115 鏌(Mc)、117(Ts)與 118(Og)正式加入元素週期表,也就是元素週期表誕生第 147 年後,科學家們終於成功填滿了一到七週期中所有的空格了!

十年之前,元素週期表上只有111個元素。圖/修改自GDCH

但是第七週期是找到所有元素的最後一塊拼圖嗎?德國化學家杜爾曼(Christoph E Düllmann)就說過:

「我不知道任何懷疑元素 119 與 120 存在的人。(I know of nobody who doubts that elements 119 and 120 can exist.)」也就是說,科學家們都相信第八週期元素的存在,只是目前為止尚未發現而已。

事實上,與其說是「發現」新元素,這些年倒不如說科學家「製造」出新元素還貼切一些,因為目前為止在自然界發現的元素只有約 90 幾種,其他的元素都是在實驗室裡面製造出來的。尤其是那些原子量超過 104 的超重元素們(superheavy elements),幾乎都是使用加速器使輕元素相互碰撞後產生的。

說起來簡單,但做起來可是困難重重,先不說每次的碰撞實驗都需要花上幾個月的時間去準備,成功合成出想要的元素後,這些重元素又會很快就衰退消失成其他元素,壽命從千分之一秒至一兩秒都有,根本就是實驗室裡的煙火秀。

位於俄羅斯杜布納(Dubna)的超重元素研究室。圖:JINR

在這短暫的時間中,還要想辦法從各種粒子中找到並去確定新元素的性質,這就像是要幫閃電拍照一樣困難的任務!

以元素 114 鈇(Fl)為例,當時部分的學者推測鈇是一個活性很低的元素,甚至與惰性氣態相近。但又因為鈇在元素週期表的位置在鉛之下,所以照元素週期表的規則來說,鈇的化學性質應該類似於重金屬。為了找出答案,科學家們設計了一場實驗:

他們讓鈇原子通過一個狹窄的黃金隧道,隧道一開始是熱的,但出口端的溫度會低至攝氏 -170 度。若鈇的性質與鉛相似,一開始就會被隧道所吸收,反之如果比較像惰性氣體,那就會移動到接近出口時才被吸收。然而等到實驗結果出爐後,兩組研究人員卻得到了相反的結果,也意味著學者們仍需要更多的實驗,來了解鈇這個元素。

這個故事向我們展現了研究超重元素的困難,即便如此,科學家們仍會努力地去找出下一個新的元素。

在 119 號元素以後的元素週期表,會有哪些神奇的元素?會在何時結束?又是否會一直保有週期性呢?回首元素週期表誕生 150 周年,讓我們預祝下一個 150 年一樣充滿發現與驚喜。

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

參考資料

  1. Düllmann, C. E. (2019). 118 and Counting… The Periodic Table on its 150th Anniversary. Angewandte Chemie International Edition, 58(13), 4070-4072.
  2. 環保署化學局「化學知識地圖網站」—列管毒化物簡表

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行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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