糖、香料，還有一切美好事物？轟！人體組成了——《完全圖解 元素與週期表》

F 編按：本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年，都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」（Periodic Table），雖然唸起來像咒文，但有了它之後便能夠快速查詢原子序（proton number）、價電子（valence electrons）數量，以及元素可能的化學性質，成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是，元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史，化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理，才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

週期表之父：門得列夫的突破

19 世紀中葉，已知的化學元素約有 63 種，許多化學家嘗試找出元素間的共同點，卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」，或利用價電子概念將一些元素歸類，但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時，因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上，再一一比對它們的原子量（類似當今的原子量或原子序概念）與化學性質。

確切的靈光乍現時刻，如今已無從完全重現，但我們知道門得列夫最後觀察到：「如果按照原子量（或後來的原子序）由小到大排列，某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看，元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是，在 1869 年，他將研究結果發表，提出了第一版週期表的雛形，更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」（後來證實即鎵 gallium）及其他四種元素的性質。

讀懂週期表：原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊，關鍵在於三個核心欄位：

1. 原子序（Atomic Number）
   代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子，就必定是碳（C），無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增，貫穿整張表格。
2. 元素符號（Atomic Symbol）
   多為一至兩字母縮寫，如碳（C）、氫（H）、氧（O）。但也有如鎢（W，因「Wolfram」得名）或金（Au，取自拉丁文「Aurum」）等較不直覺的符號。
3. 原子量（Atomic Mass）
   表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值，故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量，但由於這些元素壽命極短，數值往往會被不斷修正。

舉例來說，硒（Se）在週期表中顯示原子序 34，屬於第 4 週期、第 6A 族，表示它有四層電子軌域，其中最外層（價電子層）有 6 顆電子。有了這些資訊，科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物，乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構：週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素，現代則依靠原子序（即質子數）來分類。橫向稱為「週期」（Period），從第 1 週期到第 7 週期；縱向稱為「族」（Group），目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層；而同一族則代表外層價電子數相同，故有相似化學性質。

例如，第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」，如氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬（Alkali Metals），如鋰（Li）、鈉（Na）等，因外層只有 1 顆電子，極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子，故與水猛烈反應。

此外，在表格中央有一塊「過渡元素」（Transition Metals）區域，包括鐵（Fe）、銅（Cu）、鎳（Ni）、金（Au）、銀（Ag）等。它們具有部分填充的 d 軌域，使得該區域的元素呈現多樣性質，例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等，被廣泛應用於工業及工程領域。

再進化：從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時，已知元素只有 63 種，表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵（Ga）以及日後證實的日耳曼ium（Ge）等新元素性質，贏得舉世矚目。隨後，有越來越多元素透過科學發展，尤其是光譜分析與放射性研究而被發現，例如鐳（Ra）和氡（Rn）等。

到 20 世紀後期，隨著粒子加速器的誕生，人類可以合成更重的超鈾元素（Atomic Number > 92）。這些人工合成元素往往極度不穩定，壽命僅能以毫秒或微秒計，但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今，週期表已收錄到第 118 號元素「鿆（Og，Oganesson）」，但科學家預測或許還能繼續向上延伸；只要能合成更重、更穩定的原子核，我們就能拓展週期表的新邊境。

一般認為，隨原子序遞增，原子核內部的質子數目激增，原子愈趨不穩，往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而，一些理論物理學家提出「島狀穩定性」（Island of Stability）的概念：也許在某特定質子與中子數量組合下，能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列，仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是，週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場，也見證了人類探索未知的無盡熱情。

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放？這怎麼可能？

2023 年 11 月，台電和中研院共同發表去碳燃氫技術，說是經過處理的天然氣，燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒，減碳方式百百種，就是這個聽起來最怪。但仔細研究後，好像還真有這麼一回事。這種能發電，又不產二氧化碳的巫術到底是什麼？大量使用天然氣後，又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的？

去碳燃氫是什麼？

去碳燃氫，指的是改良現有的天然氣發電方式，將甲烷天然氣的碳去除，只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前，我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

最近不論台灣、美國或是許多國家，都提升了天然氣發電的比例，但天然氣發電真的有比較好嗎？

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告，若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料，並以燃燒率百分之百來計算，燃料每釋放一兆焦耳的能量，就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣，則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳，大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中，不只有碳元素會提供能量，氫元素也會氧化成水並放出能量。

除了碳排較低以外，煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質，燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ，或是溫室效應的另一主力氧化亞氮（N2O）。具體來說，產生同等能量下，燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然，也別高興這麼早，天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體，一但洩漏問題也不小。關於這點，我們放到本集最後面再來討論。

燃燒天然氣還是會產生二氧化碳？

雖然比較少，但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式，不才是我們的終極目標嗎？別擔心，為了讓產生的二氧化碳量減到最小，我們可以來改造一下甲烷。

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下，甲烷就會和水蒸氣反應，變成一氧化碳和氫氣，稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上，都是用此方式製造的，也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳，還可以在銅或鐵的催化下，與水蒸氣進一步進行水煤氣反應，變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純，只有氫氣與二氧化碳，因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少，也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼？

即便我們能將甲烷蒸氣重組，但只要原料中含有碳，那最終還是會產生二氧化碳。那麼，我們把碳去掉不就好了？去碳燃氫，就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣，而留下來的碳黑，也就是固態的碳，可以做為其他工業原料使用，提升附加價值。

在氫氣產業鏈中，我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫，而搭配碳捕捉技術的氫，則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫，例如搭配太陽能或風力發電，將水電解後得到最潔淨的氫，則稱為綠氫。而介於這兩者之間，利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫，則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫，重點是如果真的不會產生二氧化碳，那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術，聽起來應該也不會太難吧？畢竟連五◯悟都可以一分為二了，甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳？

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢？

很簡單，加溫就好了。

只要加溫到高過攝氏 700 度，甲烷就會開始「熱裂解」，鍵結開始被打斷，變成碳與氫氣。

等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解，划算嗎？

甲烷裂解確實是一個吸熱反應，也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式，一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量，才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後，會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對，直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況，中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電，與先去碳再燃氫的方式相比，發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳，發電量下降了，但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢？

在近二十幾年內，科學家嘗試使用各種材料作為催化劑，來提升反應效率。最常見的方式，是將特定比例的合金，例如鎳鉍合金，加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金，與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實，鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下，轉化 95% 的甲烷。

中研院在 2021 年 3 月，啟動了「 Alpha 去碳計畫」，進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現，盡管在理論上行得通，但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣，熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體，不斷從表面冒出，需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此，即便理論上可行，但熔融合金的催化方式，還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎？

有趣的是，找了好一大圈，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊，你卻不知道它正在等你的那個催化劑，碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年，才有韓國團隊，嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

他們在高溫管柱中，裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現，在 1,443 K 的高溫下，能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一，因此整個裝置除了碳鋼容器以外，只有碳與氫參與反應，不僅成本低廉，要回收碳黑也變得容易許多。

目前這個裝置需要加緊改良的，就是當碳不斷的積蓄，碳粒顆粒變大，反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料，會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後，我們回頭來談談，在去碳燃氫技術逐漸成熟之後，我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主，還是雙面刃？

去碳燃氫後的第一階段，還是會以天然氣為主，只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺，氫氣則為每秒 2.9 公尺，有著更劇烈的燃燒反應。因此，目前仍未有高比例氫氣的發電機組，氫氣的最高比例，通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連，使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠，使用 5 % 氫氣的示範計畫，並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計，光是 5 % 的氫氣，就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

但隨著天然氣的使用量逐步提高，我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應，是不可忽視的！

根據 IPCC 2021 年的報告，若以 20 年為評估，甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍，以 100 年為評估，效果為 29.8 倍，是僅次於二氧化碳，對於溫室效應的貢獻者第二名。這，不可不慎啊。

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏，加上運輸時的洩漏，如果沒有嚴格控管，我們所做的努力，很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究，發現從 2012 到 2018 年，全球的甲烷排放量增加了 60 % ，從煤炭轉天然氣帶來的好處，可能因為甲烷洩漏而下修。當然，我們必須相信，當這處漏洞被補上，它還是能作為一個可期待的發電方式。

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明，以長期來看，由煤炭轉為天然氣，確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒，天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源，千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜，為什麼不直接發展綠氫就好了？

確實，綠氫很香。但是，綠氫的來源是電解水，而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水，因此若要大規模發展氫能，通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外，綠氫本來就是屬於一種儲能的形式，在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前，當然直接送入電網，還輪不到拿來產綠氫。

相比於綠氫，去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排，並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備，就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然，除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等，都還沒介紹呢！

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外，也可以觀看這個介紹白氫的影片，一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它，會是下一個能源救世主嗎？

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• https://research.sinica.edu.tw/methan…
• https://www.sciencedirect.com/science…
• https://unfccc.saveoursky.org.tw/nir/…
• https://www.science.org/doi/10.1126/s…
• https://link.springer.com/article/10….
• https://www.nature.com/articles/s4146…
• https://www.nature.com/articles/s4155…
• https://www.scimonth.com.tw/archives/…

前面幾章都在談元素週期表，但還有一個重要面向沒有提到。為什麼有這麼多元素週期表出版，而且為什麼現在的教科書、文章、網路，提供這麼多種元素週期表？有沒有「最理想的」元素週期表？追求最理想的元素週期表有意義嗎？如果有，我們在找出一份最佳週期表的過程中取得那些進展？

種類數量可觀的元素週期表

愛德華．馬蘇爾斯（Edward Mazurs）關於週期表歷史的經典著作中，收錄自一八六○年代首張元素週期表繪出以來，大約七百張的元素週期表。

馬蘇爾斯的書本出版已過了四十五年左右；之後，期間至少又有三百張週期表問世，如果再加上網路上發表的就更多了。為什麼會有這麼多元素週期表，這件事情需要好好解釋。當然，這些元素週期表中，許多並沒有新的資訊，有些從科學的觀點來看甚至前後矛盾。但即使刪除這些具有誤導性的表，留下的數量還是非常可觀。

元素週期表的變體：有圓形的還有立體的？

我們在第一章看過元素週期表的三個基本形式：短元素週期表、中長元素週期表、長元素週期表。這三類基本上都傳達差不多的訊息，但相同原子價（編按：原子的價數，金屬為正價、非金屬為負價）的元素，在這些表中有不同的分族。

此外，有些週期表不像我們一般認識的表格那樣四四方方。這種變體包括圓形和橢圓的週期系統，比起長方形的元素週期表，更能強調元素的連續性。不像在長方形的表上，在圓形或橢圓形的系統中，週期的結尾不會中斷，例如氖和鈉、氬和鉀。

但是，不像時鐘上的週期，元素週期表的週期長度不同，因此圓形元素週期表的設計者需要想辦法容納過渡元素的週期。例如本菲（Benfey）的元素週期表（圖 37），過渡金屬排列的地方從主要的圓形突出來。也有三維的元素週期表，例如來自加拿大蒙特簍的費爾南多．杜福爾（Fernando Dufour）所設計的（圖 38）。

但我認為，這些變體都只是改變週期系統的描繪形式，它們之間並無根本上的差異。稱得上重要變體的，是將一個或多個元素放在和傳統元素週期表中不同的族。討論這點之前，我先談談元素週期表一般的設計。

元素週期表的概念好像很簡單，至少表面上是，因此吸引業餘的科學家大展身手，發展新的版本，也常宣稱新的版本某些地方比過去發表的更好。

當然，過去有過幾次，化學或物理學的業餘愛好者或外行人做出重大貢獻。例如第六章提過的安東．范登．布魯克，他是經濟學家，也是首先想到原子序的人，他在《自然》等期刊發展這個想法。另一個人是法國工程師夏爾．雅內（Charles Janet），他在一九二九年發表「左階式元素週期表」（Left-step periodic table），後來持續受到週期表的專家和業餘愛好者的關注（圖 39）。

「理想」的追求

那麼，追求最理想的元素週期表真的有意義嗎？我認為，這個問題的答案取決於個人對週期系統的哲學態度。一方面，如果一個人相信，元素性質近似重複的現象是自然世界的客觀事實，那麼他採取的態度是實在論。對這樣的人而言，追求最理想的元素週期表非常合理。最能代表化學週期性事實的就是最理想的元素週期表，即便這樣的表還沒制訂出來。

另一方面，工具論者或反實在論者看待元素週期表，可能會認為元素的週期性是人類強加給自然的性質。若是如此，就不必熱切尋找最理想的元素週期表，畢竟這種東西根本不存在。對約定俗成論者或反實在論者來說，元素究竟如何呈現並不重要，因為他們相信我們處理的，不是元素之間的自然關係，而是人造關係。

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表：複雜宇宙的簡潔圖表》，2023 年 4 月，日出出版，未經同意請勿轉載。